Robotų siurblių navigacijos sistemos

Kaip robotas žino, kur važiuoti?

Kai pirmą kartą paleidžiate robotą siurblį, jis atrodo kaip mažas kosminių technologijų stebuklas – važinėja po namus, aplenkia kliūtis, nesusimušdamas į baldus (na, dažniausiai), ir kažkaip grįžta į savo bazę. Bet kaip gi tas mažas diskas iš tiesų žino, kur yra ir kur važiuoti? Atsakymas slypi sudėtingose navigacijos sistemose, kurios per pastarąjį dešimtmetį evoliucionavo nuo chaotiško atsitiktinio judėjimo iki beveik chirurginio tikslumo.

Pirmieji robotai siurbliai, kurie pasirodė rinkoje apie 2002 metus, buvo gana primityvūs. Jie tiesiog važinėdavo tiesiai, kol atsitrenkdavo į sieną ar baldą, tada apsisukdavo atsitiktiniu kampu ir vėl važiuodavo tiesiai. Tokia sistema vadinama „atsitiktinio atšokimo” navigacija ir, tiesą sakant, ji vis dar naudojama pigiausių modelių siurbliuose. Veikia? Taip. Efektyvu? Ne itin.

Jutiklių armija po jūsų grindimis

Šiuolaikinis robotas siurblys – tai judanti jutiklių stotis. Paprasčiausi modeliai turi bent kelis pagrindinius jutiklius: infraraudonųjų spindulių daviklius kliūtims aptikti, krašto daviklius (kad nenukristų nuo laiptų), ir ratų sukimosi daviklius. Pastarieji veikia kaip automobilio spidometras – skaičiuoja, kiek apsisukimų padarė ratai, ir taip robotas gali maždaug apskaičiuoti, kiek toli nuvažiavo.

Infraraudonieji davikliai veikia panašiai kaip šikšnosparnių echolokacija. Robotas išsiunčia infraraudonųjų spindulių signalą, kuris atsimušęs grįžta atgal. Pagal tai, kaip greitai signalas sugrįžo, robotas supranta, ar prieš jį yra kliūtis ir kaip toli ji yra. Problema ta, kad infraraudonieji spinduliai ne visada patikimi – juodos spalvos paviršiai sugeria spindulius, blizgūs paviršiai juos atspindi keistais kampais, o kai kurie objektai (kaip plonas kėdės kojas) gali būti tiesiog neaptikti.

Pažangesni modeliai naudoja ultragarsinius daviklius, kurie veikia panašiai, tik vietoj šviesos naudoja garso bangas. Jie tiksliau aptinka kliūtis, bet vis tiek nėra tobuli. O štai lazeriniai davikliai – tai jau visai kitas lygis. Jie sukasi 360 laipsnių kampu ir per sekundę atlieka tūkstančius matavimų, sukurdami tikslų kambario žemėlapį.

Kai robotas mokosi piešti žemėlapius

Viena didžiausių revoliucijų robotų siurblių pasaulyje buvo SLAM technologijos atsiradimas. SLAM reiškia „Simultaneous Localization and Mapping” – vienu metu vykstantis lokalizavimas ir žemėlapio kūrimas. Skamba sudėtingai, bet idėja paprasta: robotas važinėdamas kuria kambario žemėlapį ir tuo pačiu metu žino, kur pats yra tame žemėlapyje.

Įsivaizduokite, kad esate užrištomis akimis dideliame kambaryje ir turite nupiešti jo planą. Jūs eitumėte pirmyn, kol atsiremtumėte į sieną, tada eitumėte palei ją, skaičiuodami žingsnius, tada pasisuktumėte ir eitumėte toliau. Robotas daro kažką panašaus, tik daug greičiau ir tiksliau.

Lazerinė SLAM sistema veikia taip: robotas sukasi kambaryje ir lazeris nuskaito visas kliūtis aplinkui. Kompiuteris apdoroja šiuos duomenis ir sukuria kambario kontūrų žemėlapį. Kai robotas juda, jis nuolat lygina tai, ką mato dabar, su tuo, ką matė anksčiau, ir taip supranta, kur yra. Tai veikia panašiai kaip jūs atpažįstate savo namų kambarį pagal baldų išsidėstymą.

Kameros kaip robotų akys

Ne visi robotai siurbliai naudoja lazerius – kai kurie remiasi kameromis. Tokia sistema vadinama vizualine navigacija arba vSLAM (visual SLAM). Robotas turi vieną ar kelias kameras, kurios nuolat fotografuoja lubas ar aplinką. Kompiuteris analizuoja šias nuotraukas ir atpažįsta charakteringas detales – lempos šešėlį, baldų kampus, durų rėmus.

Vizualinė navigacija turi savo privalumų ir trūkumų. Pliusas – kameros yra pigesnės už lazerius. Minusas – jos priklauso nuo apšvietimo. Tamsame kambaryje arba labai vienodame paviršiuje (pavyzdžiui, baltose lubose be jokių detalių) kamerinė sistema gali pasimesti. Kai kurie gamintojai sprendžia šią problemą naudodami infraraudonųjų spindulių apšvietimą, kuris veikia net tamsoje.

Įdomu tai, kad kai kurie pažangiausi modeliai naudoja abi sistemas kartu – ir lazerį, ir kameras. Lazeris sukuria tikslų geometrinį žemėlapį, o kameros atpažįsta objektus ir gali atskirti, pavyzdžiui, batą nuo katės. Tokia kombinacija leidžia robotui ne tik žinoti, kur yra siena, bet ir suprasti, kas yra ant grindų.

Dirbtinis intelektas ir mokymasis

Naujausi robotai siurbliai jau nebėra tik „kvailios” mašinos, vykdančios iš anksto suprogramuotus algoritmus. Jie naudoja dirbtinį intelektą, kuris mokosi iš patirties. Pavyzdžiui, robotas gali pastebėti, kad tam tikru paros metu vaikų kambaryje visada būna išmėtytų žaislų, ir pradėti toje vietoje važiuoti atsargiau arba net jos vengti.

Kai kurie modeliai gali atpažinti įvairius objektus – kojines, laikraščius, gyvūnų išmatas (taip, tai svarbu!). Vietoj to, kad tiesiog stumtų viską prieš save arba įsiveltų į kojinę ir sustotų, robotas gali apvažiuoti tokius objektus arba net pranešti jums programėlėje, kad ant grindų yra kažkas, ką reikėtų pašalinti.

Dirbtinis intelektas taip pat leidžia robotui optimizuoti maršrutus. Vietoj to, kad važinėtų chaotiškai arba griežtomis lygiagrečiomis linijomis, robotas gali planuoti efektyviausią kelią, atsižvelgdamas į kambario formą, baldų išsidėstymą ir net į tai, kuriose vietose paprastai būna daugiausia nešvarumų.

Magnetinės juostos, švyturiai ir virtualios sienos

Kartais žmonės nori, kad robotas nepatektų į tam tikras zonas – gal ten stovi gyvūnų dubenėliai su vandeniu, gal yra daug laidų, gal tiesiog nenorite, kad robotas trukdytų dirbant namuose. Tam yra kelios technologijos.

Senesnė sistema – magnetinės juostos, kurias tiesiog padedi ant grindų ten, kur robotas neturėtų važiuoti. Robotas turi magnetinį jutiklį, kuris aptinka šią juostą ir apsisuka. Paprasta, bet ne itin patogi – reikia fiziškai dėlioti juostas, jos gali trukdyti žmonėms, ir jei turite daug draudžiamų zonų, tai tampa varginančia.

Virtualios sienos – tai maži švyturiai, kurie spinduliuoja infraraudonųjų spindulių signalą. Robotas aptinka šį signalą ir žino, kad toliau važiuoti negalima. Patogiau nei juostos, bet reikia papildomų prietaisų, kuriems reikalingos baterijos.

Šiuolaikiniai robotai su žemėlapių kūrimu leidžia nustatyti draudžiamas zonas tiesiog programėlėje telefone. Jūs tiesiog pirštu nubrėžiate stačiakampį ant žemėlapio ir sakote „čia nevažiuok”. Robotas įsimena ir klusniai vengia tos vietos. Kai kurie modeliai net leidžia nustatyti skirtingas zonas skirtingoms dienoms ar laiko – pavyzdžiui, vaikų žaidimų kambarį valyti tik tada, kai vaikai darželyje.

Grįžimas į bazę – ne taip paprasta, kaip atrodo

Vienas įspūdingiausių robotų siurblių gebėjimų – sugebėjimas grįžti į įkrovimo stotį, kai baigiasi baterija. Atrodo paprasta, bet iš tiesų tai gana sudėtingas procesas, ypač dideliuose namuose su daug kambarių.

Įkrovimo stotis spinduliuoja infraraudonųjų spindulių signalą – tarsi švyturys. Kai robotas nusprendžia, kad laikas grįžti (paprastai kai baterija nukrenta iki 20-30%), jis pradeda ieškoti šio signalo. Problema ta, kad infraraudonieji spinduliai neperžengia sienų, todėl jei robotas yra kitame kambaryje, jis negali tiesiog „matyti” bazės.

Čia ir praverčia žemėlapis. Robotas žino, kur yra bazė žemėlapyje, ir gali suplanuoti maršrutą atgal, net jei tiesiogiai jos nemato. Jis važiuoja per duris, aplink kampus, kol pagaliau patenka į tą patį kambarį kaip bazė, aptinka jos signalą ir tiksliai priartėja prie įkrovimo kontaktų.

Pažangesni modeliai net gali grįžti į bazę, pasikrauti, o paskui sugrįžti į tą vietą, kur baigė valyti, ir tęsti darbą. Tai ypač naudinga dideliuose namuose, kur vienos baterijos įkrovos neužtenka visam plotui išvalyti.

Ką rinkti ir į ką atkreipti dėmesį

Jei svarstote pirkti robotą siurblį, navigacijos sistema turėtų būti vienas svarbiausių kriterijų. Pigiausi modeliai su atsitiktine navigacija gali tikti labai mažam butui su paprasta planote, bet jei turite kelis kambarius, baldus ir kliūtis, geriau rinktis modelį su žemėlapių kūrimu.

Lazerinė navigacija paprastai yra tikslesnė už kamerinę, bet ir brangesnė. Jei jūsų namuose yra geras apšvietimas ir įvairių detalių lubose, kamerinė sistema gali puikiai veikti. Jei turite tamsių kambarių arba labai vienodas lubas, geriau rinktis lazerinę sistemą.

Atkreipkite dėmesį į tai, ar robotas gali išsaugoti kelis žemėlapius – tai svarbu, jei turite kelis aukštus. Kai kurie modeliai gali įsiminti iki 3-4 skirtingų žemėlapių ir automatiškai atpažinti, kuriame aukšte yra.

Programėlės funkcionalumas taip pat svarbus. Geriausi modeliai leidžia ne tik matyti žemėlapį, bet ir redaguoti jį – sujungti kambarius, kuriuos robotas klaidingai padalijo, pavadinti kambarius, nustatyti valymosi tvarką ir intensyvumą kiekvienam kambariui atskirai.

Kai technologija susitinka su tikrove

Nors robotų siurblių navigacijos technologijos padarė milžinišką pažangą, jos vis dar nėra tobulos. Robotai kartais vis dar įstringa po baldais, įsivelia į laidus, arba pasimeta, jei perkeliate baldus. Bet tai normalu – technologija nuolat tobulėja.

Praktiškai, kad robotas siurblys veiktų kuo efektyviau, verta šiek tiek paruošti namus. Sutvarkykite laidus, pakėlkite smulkius daiktus nuo grindų, uždarykite duris į kambarius, kurių nenorite valyti. Pirmą kartą paleisdami robotą, stebėkite, kaip jis elgiasi – galbūt pastebėsite problemines vietas, kurias galite išspręsti.

Žemėlapį robotas paprastai sukuria per pirmuosius 2-3 valymosi ciklus, todėl nevertinkite jo per anksti. Kai robotas jau turi tikslų žemėlapį, jis dirbs daug efektyviau. Ir nepamirškite reguliariai valyti jutiklių – dulkės ant lazerio lango ar kamerų lęšių gali sutrikdyti navigaciją.

Ateityje tikėtina, kad robotai siurbliai taps dar protingesni. Jau dabar kuriamos sistemos, kurios gali bendrauti su kitais išmaniaisiais namų prietaisais, planuoti valymą pagal tai, kada namie yra žmonių, net atpažinti, ar grindos šlapios, ir vengti jų. Navigacijos technologijos, kurios dabar naudojamos robotuose siurbliuose, taip pat pritaikomos kitiems namų robotams – grindų plovimo robotams, vejų robotams, net pristatymo robotams.

Robotų siurblių navigacija – tai puikus pavyzdys, kaip sudėtingos technologijos gali būti pritaikytos kasdieniams uždaviniams. Tai, kas prieš dvidešimt metų atrodė kaip mokslinė fantastika, dabar važinėja po mūsų namus ir ramiai atlieka nuobodų, bet būtiną darbą. Ir nors jie dar ne visada tobuli, jų gebėjimas orientuotis erdvėje, mokytis ir prisitaikyti daro juos vis naudingesniais kasdieniais pagalbininkais.