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淺談小米掃地機器人原理之硬體、感測器與軟體演算法以及網路架構

由於現在掃地機器人的軟體硬體技術已經發展有時

我想不管是感測器精準度還是演算法都趨近成熟

所以我添購了一台小米掃地機器人來掃地

並觀察了一下這台機器人的動作


首先是將掃地機器人連上網路

這部分必須先在手機下載米家的APP

並先選擇使用家中的wifi

接著在APP中選擇你購買的產品是哪種

然後再切換手機wifi

改成連接掃地機器人本身所發出的wifi訊號

這個時候APP中將會出現登記過的掃地機器人裝置

在這中間其實米家這個APP做了超級多的事情

首先在登入帳號密碼時

APP會把你登錄過的裝置從小米公司的伺服器載入手機

接著你必須輸入你目前wifi所使用的密碼

再切換wifi改連上家中掃地機器人發出的wifi訊號

APP再此時將會把你家wifi的SSID(wifi名稱)和密碼傳送給掃地機器人

掃地機器人原本是被連線的Slave

這時會轉變成連到別人的Master

連的對象就是你的wifi的分享器啦

這個時候APP就會斷線並連回家中wifi或是4G網路

並把你家的IP以及所有經過分享器的轉繼點路由器(router)資訊傳給官方小米的伺服器

說不定連wifi密碼都傳了喔

在這個時候小米和手機將不會再點對點(P2P)連線

一切都是透過網際網路

中間穿過一層小米公司的伺服器來控制機器人

所以我們才可以在家中以外的地方叫掃地機器人掃地

或是直接透過小米帳號把控制機器人的權限給其他使用者

所以我們是不是該慶幸還沒有拿菜刀的做菜機器人出現呢XD


在測距感測器上

小米機器人用到兩種sensor

第一種是 LDS 雷射測距感應器

在叫它開始清掃後

它會往前走一步

並左看停頓一下

再右看停頓一下

這是其實是它使用LDS雷射在測距

感測器位在頂部的一個圓圈

裡面同時具有發測器和感測器

測距原理為影像

可能是使用CMOS image sensor

並配合曝光時機來接收雷射投影在四周的光斑

用這些影像像素資訊加上如角度換算、中心計算

各種三角運算終將能算出距離資訊

連知名電動車品牌Tesla都是用這個功能在測距呢

那如果遇到玻璃成像的問題怎麼辦呢

就要使用第二種測距工作超音波感測器

玻璃實體是會反射超音波的

超音波的感測器裝在掃地機器人的側邊

其測距距離通常不會超過2公尺

所以目的是拿來防強力撞擊

測距原理為基於飛時測距(Time of FlightToF

也就是發測出去的訊號要經過多少時間才反彈回來

時間越久就是距離越遠 相對越短就是越近

另外感測器還有 電子羅盤感應器 防墜感應器 陀螺儀 / 加速度計 跌落感應器 里程計 風機轉速感應器 沿牆感應器 碰撞感應器 塵盒檢測感應器

就不詳細解釋原理了


也難怪處理器上硬體上它使用了三個MCU

分別是高規格的 ARM Cortex™-A7 架構的四核應用處理

TI 德州儀器 數位訊號處理器 (DSP)

中規格的 ST 意法半導體ARM Cortex-M3 架構的微控制器

ARM A7這個CPU主要拿來做系統整合與邏輯處理

是最主要的機器人大腦

關於機器人的行為控制、行走路徑、事件偵測都是由他負責

DSP的功能是做大量乘加運算

有可能是拿來處理LDS雷射的影像處理

ARM M3應該就是負責周邊sensor的資料接收了


至於大家最重視的掃地效率

還有能不能掃乾淨

可以參考下面這張掃過的路徑圖

圖中可以看到在不能穿越過的地方就會掃不到

所以在椅子密集處掃不到也是正常的

掃地機器人一開始會在這個區域沿著牆邊走盡力化出一個長寬最長的矩形

等到整個邊框掃完之後

再使用Z字型逐一掃過這個邊框中的每一排

要達成這種掃法機器人就必須先建構出地形的地圖

地圖就是靠LDS和繞牆邊走來畫出來的

就是同步定位與地圖構建(SLAM)演算法

地圖構建的問題是 - 這個世界掌怎樣?

交給LDS決定

掃地機器人會一邊走一邊使用LDS雷射更新地圖

同步定位的問題是 - 我在哪?

這可是攸關機器人能不能走回去充電的問題

同步定位與地圖構建(SLAM)可以被看做是一個雞生蛋蛋生雞的問題

完美的定位需要用到一個無偏差的地圖

但這樣的地圖又需要精確的位置估測來描繪

這就是一個疊代數學問題

目前還是處於2D的地圖

搞不好再過不久3D建模的技術成熟後

就會有在家中飛行的機器人出現

要幫你做什麼家事都好說好說


一個掃地機器人可以說是最經典的嵌入式系統IOT應用

環境sensor感測技術、網路routing技術、疊帶演算法技術

還有複雜到不行的系統整合

未來能包辦所有家事的機器人也指日可待

而人類的身體機能是否越來越退化

或是越來越胖呢?


#掃地機器人 #嵌入式系統 #超音波測距#lds雷射 #演算法 #小米掃地機器人 #網路架構

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