让机器人能看会走,思岚科技做出了一套物美价廉的解决方案-爱分析

相信在很多人的畅想里,机器人至少要能像人一样自主行走。要实现这个功能,一方面要求机器人实时感知周围环境,另一方面需要它能够自主定位和导航。

由于对精度要求很高,室内导航和定位一直以来是业界难题。SLAM(实时定位和建图)技术的发展为室内机器人定位导航提供了可能。不过,为了“看”到周围环境,SLAM技术还需要辅以激光雷达或摄像头等传感器来配合使用。

激光雷达是计算机视觉领域比较成熟的技术,但是,传统工业用激光雷达由于元器件成本高,售价基本都在万元级别,不适合消费级领域。

而摄像头方案由于尚不成熟,无法进行较远距离的精确识别。因此,市场上一度缺少成本低、性能好的机器人定位导航解决方案。

让机器人实现自主行走,是陈士凯一直以来的梦想

从创客团队到正式公司

陈士凯是一位标准创客,从小喜欢捣鼓电子产品的他,早早就接触到了电脑,而后顺理成章地读了计算机,学了编程,并先后进入微软研究院和英特尔做操作系统方面的工作。

从2009年开始,他和高中、本科同学一起创立了RoboPeak团队,致力于研发低成本的室内机器人定位导航解决方案。

由于团队多是做软件出身,最初两年很难做出成型产品。2011年,随着华为硬件工程师刘义春的加入,团队的硬件短板得到了补齐,最终成功做出了小型机器人车RPMini以及可扫描二维平面地图的激光雷达 RPLidar两款产品。

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图:RoboPeak早期产品RPLidar

从早期粗糙的机器人原型到相对成熟的产品方案,团队经历了不少波折和迷茫,也积累了大量技术和团队协作经验。创始团队成员的坚持以及阶段性成果的取得,更加坚定了陈士凯将项目商业化的决心。

2013年10月,RoboPeak正式注册公司,命名为“思岚科技(Slamtec)

自主定位导航全套解决方案

这个由SLAM改造而来的名字起得一目了然,思岚科技提供的就是基于激光雷达的机器人自主定位导航解决方案。

由于 RoboPeak团队从一开始就是采用模块化思路开发机器人,因此之前积累的技术都可以直接拿来用。

经过不断改进和优化,思岚科技逐渐形成了一整套解决方案,包括360度激光扫描测距雷达RPLIDAR、自主定位导航模组SLAMWARE、以及通用型服务机器人平台ZEUS。

360度激光扫描测距雷达RPLIDAR

传统工业激光雷达大多采用光飞行时间法(TOF),导致成本昂贵。为了降低成本,并保证测量效果,思岚科技采用三角测距法,在RPLidar中加入微型摄像头,用摄像头拍摄激光照射到的目标物体,再利用图像识别方法及图形学算法计算距离信息。

这种方案对于消费级机器人来说已经足够,RPLIDAR可以实现在16米测距半径内,完成每秒4000次的激光测距,并实现毫米级别的测距精度。

除了适用于消费级机器人,这款产品还可以用于环境扫描与3D重建、障碍物检测与规避、多点触碰与人机交互领域。

RPLIDAR先后出了两个版本,相较RPLIDAR A1,RPLIDAR A2在产品厚度、采样频率、采样次数、以及供电方式等方面都进行了改进。

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图:思岚科技RPLIDAR A2

首先,产品体积往往是激光雷达在消费级领域应用的限制。思岚科技通过重新设计内部机械系统,定制了无刷电机,使得整体系统更加紧凑,厚度仅4厘米,是目前最薄的激光雷达,能够很大程度上节省安装空间;

其次,激光雷达采样频率越高,测量精度越高,采样点越密集,越能快速地响应环境信息并进行避障。A2的采样频率由5Hz提升至10Hz,也就是每秒10圈,配合内置算法,可以大幅提高测量精度;同时,A2采样次数由每秒2000次提高至4000次,机器人可以获得更加密集的采样点。

最后,供电方式在很大程度上决定了电子产品的使用寿命。A2用光磁融合技术替代了传统的导电滑环,减少了运转中的摩擦,使得A2的设计寿命延长至五年。

此外,由于激光雷达传感器量产工艺复杂,多数系统无法实现量产或者保证较高良品率,思岚采用完全自主研发的自动化生产线工艺和生产设备,实现非常高的量产工艺稳定性和良品率。

自主定位导航模组SLAMWARE

SLAMWARE是一种单模块化机器人自主定位导航模组,集成了基于激光雷达的SLAM及配套路径规划功能,内置多种机器人运动控制算法,可以实现未知环境中的即时定位、路径规划,并直接输出高达5cm分辨率的机器人周围环境地图,且不存在误差累计问题。

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图:思岚科技自主定位导航模组SLAMWARE

使用方法很简单,只要提供5V供电并与RPLIDAR激光雷达连接即可工作。同时,SLAMWARE还提供了通讯接口,结合SDK即可实时获取高精度机器人位置信息,以及SLAMWARE自主构建的环境地图数据,方便进行灵活、多样的功能扩展。

由于激光雷达在遇到玻璃、纯黑物体或其他平面物体时,无法进行识别。因此,SLAMWARE还支持超声波传感器,防跌落传感器、碰撞传感器以及深度摄像头的数据,利用多种传感器信息融合,实现更加智能、实用的自主运动。

此外,思岚科技还推出了专门针对清扫机器人的定制方案——SLAMWARE SDP,可以实现路径规划、清扫智能逻辑及自主返回充电等功能,同时通过内置的WIFI系统,可轻松实现手机APP控制。

通用型服务机器人平台ZEUS

这是一个整合方案。思岚科技将自主研发的多传感器方案、自主定位导航模组等全部整合在一起,形成了这款通用型服务机器人平台。

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图:思岚科技通用型服务机器人平台ZEUS

除了激光雷达和自主定位导航模组的众多功能,这款平台还配备了云端远程管理系统,能够实现云端地图存储、高级路径规划、机器人在线监控以及多机器人协作,配合手机APP及电脑终端,可以对机器人进行便捷的管理和控制。

应用场景几乎适用于任何商用环境,包括办公场所视频会议,商场导购、餐饮递送及移动信息查询,银行、医院客服及相关业务办理等。

思岚科技也会针对客户的不同使用场景提供定制化服务。当然,这款平台也可以用于家庭陪伴机器人,实现机器人在不同房间内的自由活动。

服务机器人市场蓄势待发,多传感器融合是大势所趋

相比工业机器人,诞生于90年代后的服务机器人市场是一块正待爆发的新兴市场。根据IFR(国际机器人联盟)报告数据,目前全球已经有300多家服务机器人初创公司。

到2018年,包括家用机器人在内的全球服务机器人销量有望达到3500万台,销售额有望突破280亿美元。

中国一直以来是全球工业机器人消费大国,占有率高达56%,但目前服务机器人的使用密度还比较低。随着中国人口红利消失,以及相关技术的成熟,服务机器人市场有望在近几年实现爆发式增长。

在此背景下,国内外也相继出现了一些面向消费级机器人的自主定位导航方案提供商,其中有相对成熟的激光雷达方案,也有新兴的单目、双目摄像头方案。

新兴市场爆发早期,由于各项技术尚未成熟,很难有一种方案或传感器能够解决所有问题。无论何种方案,都需要在成本和性能之间做出最好的平衡。

陈士凯表示,思岚科技不会局限于单一技术解决方案,把激光、视觉以及其他方案相结合,去解决特定场景下的实际问题,才是他们努力的方向。

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图:思岚科技CEO陈士凯

近期,爱分析对思岚科技CEO陈士凯进行了调研访谈,现将部分内容摘录如下。

Q:团队规模及构成?

A:公司现在将近80人,技术人员占比60%-70%。

Q:如何实现激光雷达技术突破,将成本降下来? 

A:我们的原理和国外公司有所不同。目前激光雷达有两种技术,传统技术是测量光的传播时间,即TOF,这种方法会用到一些相对比较昂贵的部件,造成其成本过高。

我们用的是三角测距法,简单来说,就是用摄像头拍摄激光照射到的目标物体,再使用图像识别方法,包括图形学算法,通过几何关系算出距离信息。

这个方法显而易见的优点是不需要很昂贵的硬件,只要用现在比较成熟的摄像头即可。当然我们不是用标准摄像头,还是定制,但是成本会比传统方法便宜很多。

Q:激光雷达分类和各自适用场景? 

A:按照测量半径,分为远距离(>100m)、中距离(10-100m)和短距离(<6m)激光雷达。一般来讲,测量距离越远,适用环境越多。

但是远距离激光雷达会发射大功率激光,会对人眼睛产生危害,而且它体积庞大,成本高,因此一般用于无人驾驶、无人机等领域。而中短距离激光雷达可以把成本控制得比较低,因此可以用于工业、商业和家庭场景。

此外还有单线与多线激光雷达之分,多线一般用于无人驾驶和无人机,室内环境主要是单线激光雷达。

Q:摄像头是否会受到光线影响? 

A:会有一些影响,这也是为什么在我们之前没有类似产品。首先,传统技术的瓶颈就是容易受到环境光影响,不仅仅是暗,如果周围有其他环境光线,算法又不够先进,就很难区分不同物体,测量也会有干扰数据。不过我们现在已经很好地解决了这个问题。

另外一个限制是摄像头的分辨率,如果测量距离相对较远,三角测距法的性能会大幅下降。针对这个问题,我们是通过算法和研发一些新技术去克服。我们现在激光雷达能做到10-20米的距离,而用类似的技术历史上的极限是5-6米,所以我们已经基本克服了这个问题。

Q:短距离和中距离激光雷达在成本上有多大差别? 各自应用场景?

A: 硬件成本没有太大差别,差距主要在算法方面。硬件方面一般通过激光器功率调节,但是在成本上不会相差太大。

中距离(10多米)主要用于商业和工业场合,短距离(5-6米)主要是家用,当然有些家居环境面积比较大,也需要用到10多米的。

Q:激光雷达和SLAMWARE定价?

A:配置和性能不同,定价也会有所差别。我们采用批量定价,激光雷达100-1000台,批量定价可以做到几百元。家用的一般模组(SLAMWARE),批量定价基本在百元。

模组一般是和激光雷达一起混合销售,报价1000元以内,实际上和一台激光雷达的价格差不多,性价比比较高,因此客户都会选择组合购买。

但激光雷达可以独立于模块单独销售。因为激光雷达不仅可以用于导航定位,还可以用于安防监控、三维建模等等,这些情况下它可以单独使用。

Q:导航定位算法自主研发还是开源?

A:我们用的是自己的算法。不用开源的原因有两点:一方面,我们是09年开始做研发,当时还没有开源方案可以用;另一方面,很多开源方案只是解决一个有和没有的问题,它并不是一个可以直接拿来用的方案。

比如在实际使用过程中,如果机器人被卡死,环境又很复杂,它能不能很好地处理。另外,开源算法对于运算性能要求非常高,需要像类似PC这样的环境,但我们不可能去配置一个电脑主板,这样功耗大、体积大,成本也高,在实际使用中会有障碍。

而我们因为不是使用开源项目,就可以在性能优化上做得很好,同时可以用一些相对比较低成本、低功耗而且体积小的一些芯片,来实现同样的功能。

Q:开源算法会不会降低行业技术门槛? 

A:开源算法的确会在行业里起到降低门槛的作用,这也是开源算法一个优势。

但是它更多地是应用于产品研发或者原型评估。如果用来做产品,对运算性能要求很高。一个团队要用开源方案做出完整产品,必须进行调优,并且能够把它做到一个更小的系统上,这也是一个难以逾越的点。

所以现在并没有一个基于开源方案的产品出现,开源的性能优化并不是一个很容易的事。

另一方面,作为一个导航定位产品,开源算法提供的功能仅仅是地图构建和自我定位。而在导航部分,开源算法几乎没有很好的方案。

比如做一个扫地机器人,它需要智能清扫和导航,如果没电了它需要回去自主充电。这些都是必需功能,但目前开源方案并不支持这些功能。

其他团队如果基于开源方案去做,还是要从头开始去实现这个功能,也就是等于要自己做研发。所以从这个角度讲,这块门槛并没有降低。

Q:相比其他视觉方案,SLAM为何能够避免累积误差?

A:SLAM算法在数学上可以去解决累积误差问题,因为它能够不断调整。比如我们在走路的时候,是通过各种感官的融合,时不时的去根据看到的画面以及当前的情况去做对比,以保证按照预定的路线去走而不会迷路。

同样的道理,SLAM算法不单单只接受激光雷达里的数据,同时还会接收模块自带的超声波传感器等数据,进行综合判断,基于整套数据模型去避免误差。

Q:合作客户范围及数量? 

A:我们的产品主要面向扫地机器人和服务机器人两类需求客户,除了扫地机器人厂商,服务机器人会涵盖银行、商场等各种客户群体。合作客户数量方面,国内外一共有近百家客户。

Q:销售渠道侧重线上还是线下?

A:销售渠道方面,线上主要是针对国外客户和新客户,企业客户还是靠销售团队去跑。

Q:销售团队有多少人?

A:我们的销售团队比较精简,有5-6人。

Q:机器人平台价格?有激光导航定位功能的机器人市场价多少?

A:10万左右,如果批量购买的话,会有20%-30%的折扣。有激光导航定位功能的机器人市场价基本在20-30万以上。

Q:定制化服务一般都是在哪些方面进行定制?

A:一般是在外观、喷涂方面。因为我们是通用方案,所以基本不存在额外的定制需求。

Q:客户把机器人平台买过去之后还需要再做哪些工作才能投入使用?

A:基本上再加一些跟应用有关的外包装即可,比如送餐机器人需要再加一个餐盘,客服机器人再加一个屏幕等,不需要客户再去做技术上的开发。我们还会给客户提供SDK,就是管控机器人的接口,包括各种服务平台和工具,加上一些外包装之后就可以直接使用。

Q:采用完全自主研发的自动化产线工艺和生产设备是自己生产吗?

A:跟自己生产有一些区别。首先,激光雷达的复杂性不单单是体现在产品的工艺和原理,还在于量产的工艺。因为激光雷达是光学组件,需要很精密的安装,对工人自身素质要求很高,自然而然也导致量产成本上升。

我们采取的方案是,把很多需要人工精密控制的环节,交给机器严格把控,安装过程中出现的差错可以通过算法及时修正,这样部分生产就不再需要非常特殊的技师来安装组装。

也就是说,生产加工还是通过一些专业的工厂来生产,只是质量的把控和评估是我们自己来做。

Q:思岚科技的激光雷达属于机械激光雷达还是固态激光雷达,二者在成本和性能上有哪些优劣势?

A:我们是机械激光雷达。行业内存在一个误区,认为机械激光雷达机械部分成本高,其实真正决定成本高低的其实是原理。机械结构经过这么多年的发展已经变得相对成熟,相比固态激光雷达来说,成本更低一些。

固态激光雷达更多的还是以概念为主,目前还在实验室阶段,无法实现量产,而且生产成本很高,虽然未来可能成为主流,但是相比之下,机械激光雷达无论在成本、性能、稳定性来说都是目前最有的方案,也是现在的主流。

Q:TOF方案成本高在哪里?短期内是否有望下降?

A:主要高在元器件方面,短期内成本下降空间有限。虽然整个行硬件成本都在下降,但是看相对成本的话,TOF方案和我们的方案还是会有很大的价格差距。

Q:双目/单目摄像头方案优劣势?

A:双目方案目前还不太成熟,无法进行远距离精确检测。但是双目/单目由于其本身特性,可以用于人体部位,比如头戴设备,这是激光雷达无法实现的。

事实上,我们的方案也是多传感器融合,不会仅限于一种方案。无论是哪种方案,都还是要依赖定位导航技术。未来我们会在不同的使用场景中,选择合适的方案进行融合,再配合我们的自主定位导航技术,来解决客户需求。

Q:未来会专注做室内还是也会向室外拓展?

A:我们现有的方案并不只针对室内,一些方案在实际使用中也是在室外,接下来我们会对这方面技术继续进行优化,而对于一些特殊复杂的室外环境,也是我们接下来努力的方向。