几年前的行业内人士肯定很难想到，在不久后的今天激光测距这项技术会距离生活这么近，甚至直接深入到我们家里天天使用。激光测距行业努力了这么多年发展的技术几乎全都用上了，就为了给扫地机器人检测它前面有没有狗屎。。。虽然扫地机器人上用上这些技术有一两年了，但是据我观察目前网上大部分的对于扫地机器人上这几项技术的讲解，都高低有些错误。有些是因为不了解技术导致的，还有些是因为不了解扫地机器人导致的。有些干脆就是两边都不了解，纯乱写一气，就为了蹭扫地机器人市场的热度。以谬传谬之下，甚至有些错误的观点已经快成为共识了。所以说我觉得这个文章与其说是科普文章，不如说是辟谣文章吧。。。本来我是不想写这种把兜底的知识全甩出来的文章的，不过昨天看到 @森山 大佬写了一篇专业的内容，基本上给抖干净了，，，那我也写一篇吧，就当是给营销号写个范本了。一、点激光效果：获得一定范围内某一点距离激光发射点的距离，通过旋转装置，可以获得四周360°的距离信息。优势：结构简单，检测距离远。缺点：单次只能获得一个点的距离，通过快速连续检测配合旋转，也只能获得某一高度上四周的障碍距离。技术原理：（提前声明，这篇文章中仅说在扫地机器人上使用的技术原理，因为同样的激光可能通过调整有非常多的使用方法，我不太可能一一列举。）点激光在扫地机器人上主要作为扫描大范围的地图使用，使用的技术原理有两种。1、三角测距法最常见的是三角测距的原理，给激光发射与接收器之间固定夹角，然后可以通过反射的点在接收器上的位置来确定距离。简单做了一张图演示一下。示意图只为了方便理解，实际上光线还要经过镜片折射可能还是不好理解，打个比方，有一根笔直的非常长的竹竿，我把它放在地上，从我的脚前指向前方。此时我给竹子拍一个照片，很明显竹子上离我越远的节点会越靠近照片的上方。没找到单根竹子的照片，找了一个一堆竹子的示意一下。那么此时大家想一下，如果这跟竹子位置不变，但是变成了透明的，我只给你两个竹子上的结点的位置，你能分辨出来哪个节点离你近，哪个节点离你远吗。单点激光三角测距也是类似的原理，说白了就是传感器给一段激光拍照，但是激光是看不到的，只有当这段激光遇到障碍物的时候才能看到那个小红点，然后根据这个小红点的位置判断障碍物的距离就行了。由于激光的位置和发射角度都是固定的，所以带入算法简单算一下就可以了。下面是我拆解的扫地机器人的LDS激光发射器，这里面有一个发射器一个接收器，然后一固定的相对位置同步进行旋转。2、ToF飞行时间测距法这个就比较简单了。就是简单的检测并计算一下激光从发射到返回的时间差，然后带入光速算出距离就行了。不解释了小学生都会算，唯一的考点是算的时候别忘了给时间/2（老师：我说了多少遍了，一个来回是多少路程呀！是两倍路程呀！那我们应该怎么做呀！哎对！把时间除以2，然后怎么样？哎乘以速度！就能得到什么呀？得到距离呀！）当然，光速这么快，检测光速估计是来不太及，ToF一般是发射经过调制的光线，比如连续波调制。然后检测接受到的光线的相移，以此来推算出飞行时间，再算出距离。点激光在扫地机器人上的实际应用：点激光在扫地机器人上主要是用于建图，也就是扫地机器人顶上那个装置。通过这个可以快速的检测机器人四周的环境信息，只需要一两秒的时间，就可以快速的检测机器人四周几米内的地形。不过显然缺陷也很明显，首先是它的只能检测这一个平面高度的障碍物，障碍物如果比这个高度低，那么就扫描不到。另外就是精度说高也不算高，大概有几厘米的误差（而且离得太近也检测不到），所以说用来构建整体的地图的话没问题，但是用来躲避障碍的话显然是没法用。下图是在红外相机下拍摄的扫地机器人LDS激光的画面，红框里就是机器人发射的激光。可以看到在红外相机下可以看到，激光打在墙上形成红点。另外也可以直观的看到单点激光的局限性，只能检测这一个平面的距离，高了低了都检测不到。二、线激光难度开始升级了，希望大家能跟上课。效果：获得前方固定距离的物体正视角轮廓。优势：可极为精确的检测前方是否障碍物，并且获得一个大体的轮廓。缺点：检测距离较近，并且检测范围是固定的。（不过对于扫地机器人来说，要的就是这个效果，所以我觉得可以视为没缺点。）技术原理：线激光，又叫固态线激光，在工业上的应用主要是用于检测物体表面结构的，它可以比较精确的绘制出物体表面的3D模型。通过的原理也是三角测距原理，把一束直线打在物体表面，而物体表面如果高低不平的话，直线肯定就被弯曲了，通过检测弯曲的程度，就可以算出物体表面的高低变化。非常的简单直接，大家结合上面讲过的三角测距法应该可以理解。线激光分为直射式，斜射式，反射式，和同侧式。扫地机器人上应该搭载的是同侧式。同侧式对于地面这个环境来说并不是最合适的，不过好在扫地机器人对精度的要求也不高，再说扫地机机器人上只能安装同侧式。。。扫地机器人上普遍使用的是双线激光，原理和单线一样，就是双线覆盖的范围大一点点。也有少量扫地机器人使用的单线激光，效果也还行。线激光在扫地机器人上的实际应用：线激光作为避障时，是放在扫地机器人的最前端。这里注意一点，下图这台扫地机器人，我们能用肉眼看到的这个摄像头并不是用来检测激光的，这是AI视觉识别摄像头，而用来检测激光的摄像头在上面一点的位置，那个红外滤波片的后面。这项技术搭载在扫地机器人上，其实就相当于机器人一直在扫描前方地面的轮廓，如果发现前方地面轮廓有起伏，那么就是有障碍了。双线激光的稍微难以理解，单线的比较明显，下面是我用红外镜头拍摄的360X100Max的单线激光的效果。这里大家可以看出来，就是在这里使用的线激光，其实不能测距，它是检测固定的距离上有没有障碍，所以本质上它并不是测障碍物的距离，就是相当于机器人前面增加了一个虚拟边缘，这个虚拟边缘碰到物体就会被检测到。而双线激光长这样。两根线交叉在机器人前面，它们有的是闪烁的，有的不闪烁，有的角度也不同，不过原理都是一样的。比如这个机器人，前面的光就不闪烁，而且距离机器人也更远。我觉得这个机器人的光线结构更加合理一点。另外还有小部分扫地机器人使用线激光作为测边的沿边传感器，这可以比其他的传感器更加灵敏精确。比如上面我发的这两台扫地机器人都是使用的测边线激光，大家可以看下面这张图，更加明显一点，机器人侧面也有一条笔直的激光线，一直延伸到墙壁上。使用线激光沿边传感器可以实现非常强大的效果。只要让这个测边位置一直和障碍物保持固定的距离，那么就相当于精确的障碍描边。给大家看一下实际效果。大家可以看到，扫地机器人遇到障碍后，先通过前方的避障停下，然后转动机身，让沿边传感器紧贴障碍物，然后让测边和障碍物保持恒定的距离，对障碍物进行精准描边。这个操作真的非常的漂亮。三、面激光扫地机器人上普遍使用的面激光分为两种，分别是3D ToF和3D结构光。这里分开讲。1、3D ToF效果：获得前方影像的深度信息。优势：可以直接获得一个面的深度信息，不需要通过扫描的方式检测。并且精度很高。缺点：检测距离较近。技术原理：3D ToF和上面的点激光ToF差不太多，不过一次性可以检测一整张二维平面的深度信息。简单来说就是拍一张照片，然后可以知道这张照片上每个像素点的深度。虽然技术上非常困难，但是原理上还是比较好理解的，就是把每个像素点都视为一个点激光接受点，计算每个像素点上的激光波形相移，就能得到每个像素点的深度信息。当然，这个像素点是需要做的比较大的，所以分辨率也不高。拍出来的照片是非常粗糙的，不过人家有深度信息哎。2、3D结构光效果：获得前方物体的深度信息。优势：可以直接获得一个面的深度信息，不需要通过扫描的方式检测。缺点：检测距离较近。技术原理：3D结构光可以细分为很多技术方式，如：离散光斑、条形光，编码结构光等。实际效果上和3D ToF基本上是一致的，不过原理上不太一样。3D结构光利用的原理是检测光线的形变，其实和上面的线激光很像。一个固定形状的光线投射到某个有起伏的物体上，它的形状肯定就会随着物体表面的起伏产生变化。检测这个变化然后反推物体表面的形状，这就是3D结构光的原理。很多手机的人脸识别解锁就是使用的3D结构光，比如苹果。苹果手机之前搭载的那个可以扫描三维模型的后置镜头，应该也是用的3D结构光的原理，通过打出圆形的光斑，然后检测光斑的大小和形状变化。不过比较超出我的理解的是，现在手机上搭载的前置3D结构光的分辨率居然极其的高，新款的手机应该是能达到接近一千K的分辨率，这就需要一个非常精准的镜头来检测，我是不太理解这个检测原理。下面是3D结构光在手机上的使用效果。面激光在扫地机器人上的应用：上面说的两种技术表现在扫地机器人上都是打出去一个面激光，然后进行接收分析，明面上看发射器和接收器也都是长得一样的，所以仅凭外观看硬件比较难以判断使用的哪种技术。就是下图这样的结构。使用面阵光的扫地机器人不多，我翻了半天找到一张之前拍的红外图片。这个东西它和线激光一样，有的闪有的不闪，具体为啥不明。面激光确实是很高级的技术，不过放在扫地机器人上，其实不是那么好用，因为面激光主要是获取的物体的轮廓，对于物体距离其实没有那么精确的检测。大部分使用面激光的扫地机器人，都需要配合其他的避障技术一起使用才能保证避障效果。所以现在的新款扫地机器人，已经基本都不使用这个噱头了。四、其他激光传感器1、沿边传感器扫地机器人上还有一些其他的激光传感器。比如说上面说过了有的扫地机器人会使用线激光作为沿边墙壁传感器，但是其他扫地机器人呢？大部分扫地机器人的沿边传感器其实是下面这样的。就是这个圆形的光。哎对，也是一个面激光，不过具体用的什么检测算法我就不清楚了。可能是检测圆圈的大小，圆圈越小自然是离得越近。也可能是飞行时间，反正延边传感器不用精确某一点，只要知道这一块有障碍就行了。也可能是检测光线强度，当紧贴墙壁时光线强度很高。另外，机器人下方的悬崖传感器，也是用的一样的激光装置。2、面激光SE面激光避障还有过一种更加奇怪的用法，是这样的。注意看下图的箱子上，机器人向四周发射了一圈的圆形激光。这是一种非常花里胡哨但是毫无作用的面激光用法，感觉上就是放了一圈的沿边传感器。虽然看起来很花哨，但是只在几款低端扫地机器人上出现过，效果几乎为零，目前已经基本被摒弃。五、视觉避障激光的都说了，扫地机器人上除了激光避障之外，还有使用视觉避障的，这里也简单说一下吧。首先第一点，扫地机器人上根本就没有使用过搭载双镜头实现立体影像的方案。虽然曾经确实有些扫地机器人上使用了两颗摄像头，但是要么其中一颗是用来检测激光的，要么就是其中一颗是摆设装饰品打酱油的。双镜头的机器人还真不好找了，我从我前两年写的测评中找到一张老图，这是石头T7Pro。这台扫地机器人使用了双摄像头，但是其实只有其中一颗摄像头在使用单目避障，另一颗在打酱油。目前为止据我所知，所有的扫地机器人均没有使用过那种“通过两颗摄像头的视角差实现立体影像”的应用方法。所有的使用视觉避障的扫地机器人全都是使用的单颗摄像头智能识别物体避障的。也就是通过摄像头拍摄的画面，分析画面中有没有什么障碍物，然后让扫地机器人避开。其实单颗摄像头倒是也很好用，目前避障效果最好的扫地机器人均是搭载了摄像头避障的扫地机器人。这里说一个冷知识吧，摄像头避障有一个明显的缺点，就是这颗摄像头非常的耗电，而且很明显，有的机器上会达到10％以上的总电量消耗，也就是说同样的机器，关掉摄像头后能多清扫很大一块面积。目前没有哪个厂商对这个问题做出解释和提出解决方案。六、简单总结简单说两点我自己的看法。1、我认为扫地机器人上哪项避障技术最实用？如果总结上面的这些避障技术，我个人来说最喜欢的是线激光技术。虽然现在最流行的是视觉避障，而且实测效果最强的也是视觉避障。但是我觉得其中高低有一些现在的厂商没有继续优化线激光避障算法的原因，因为这项技术本身是完全够用的。它的检测精度对于扫地机器人来说可以说是绰绰有余，技术上限相比视觉避障来说其实差不了多少。而他的优势非常大，首先是成本更低了，可以降低扫地机的售价。另外是它的耗电量相比视觉避障有显著的降低，可以明显地提高扫地机器人的续航。之前我测试的像是科沃斯T9Power还有360X100Max，都在使用线激光的情况下有极其优秀的避障表现。2、扫地机器人上避障技术的未来发展显而易见的，最有发展前途的其实还是视觉识别，毕竟自动驾驶汽车主要发展的也是视觉识别，汽车都觉得这个技术好使，给扫地机器人用那自然是绰绰有余。另外线激光技术应该会较长时间的作为视觉识别的辅助，因为单纯的视觉识别其实很难判断准确的距离的，另外家庭环境其实不比路面环境简单，保不齐我们家的宠物会拉一坨什么形状的屎，这个东西它是很难保证识别率的，，，所以说还是线激光这种简单粗暴的物理方案保险。这种应用组合也确实是目前高端扫地机器人上使用的方案。