Q：高仙清潔機器人在酒店大堂作業，大堂有前臺、沙發、扶梯，進進出出的工作人員和客人，機器人是如何及時躲避各種障礙物，做到行走自如的呢？
A：我們人類用眼睛來觀察周圍環境，機器人用的則是傳感器。
想象一下，沒有傳感器，機器人就像一匹脫韁的野馬，逮誰撞誰，把沙發撞壞，把人撞翻。
高博士科普第一期，帶你了解機器人的感官——傳感器。
01
什么是傳感器
傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息轉化成可用的信息輸出。
在無人駕駛領域，傳感器是不可或缺的重點硬件。高仙的清潔機器人配置有激光雷達、視覺傳感器、超聲波雷達、毫米波雷達、IMU、里程計、RFID等30多個傳感器。
02
傳感器的分類
按感知對象角度分類，傳感器可分為內部（introspective）傳感器和外部（extrospective）傳感器。
“內”聽八方 清潔作業靠內部傳感器
內部傳感器，感知自身狀態，用來檢測機器人的方位、行駛里程、水箱水位、塵盒容量等信息。
機器人怎么知道自己在哪里？IMU會告訴它。IMU即慣性測量單元(Inertial Measurement Unit)，類似陀螺儀，它會告訴機器人當前的姿態和方位。
IMU提供的是一個相對的定位信息，作用是測量相對于起點物體所運動的路線，并不提供機器人所在具體位置的信息，因此常常和GPS一起搭配使用。
我們知道，高仙清潔機器人的清潔里程已超過1.5億公里，這個數據是如何得來的呢？
人類有計步器，機器人有里程計，里程計通過檢測車輪一定時間內轉過的弧度來測量機器人的行駛里程。
高仙的清潔機器人是可以全過程自主清潔的，那么，在洗地、清掃、吸塵、拋光等過程中，機器人怎么知道自己什么時候該加清水了？該排污水了？該充電了？該倒垃圾了？該退拋光墊了？
靠掐指一算。噢，不，靠的是與清潔相關的傳感器。
用于檢測清水箱、污水箱的水位高低的是液位傳感器。當檢測到清水箱空或污水箱滿時，機器人自動返回工作站，執行加清水或排污水的操作。
用于檢測機器人耗電情況的則是電池電量傳感器，當電量低于一定值時，傳感器便會提醒機器人自動返回充電樁或工作站充電。
機器人在吸塵作業時，灰塵會通過吸風管道進入塵箱。塵滿超聲波雷達用于檢測塵箱灰塵的滿溢，負壓傳感器則通過檢測吸風管道的壓力值來防止異物堵塞。塵箱滿了，吸風管道超過一定壓力值了，機器人會實時提醒操作員處理。
石材養護機器人在結晶拋光作業時，需要不定時更換受磨損的拋光墊。退墊超聲波雷達能夠識別拋光墊數量，檢測是否更換成功，實現機器人的自主退墊功能。
開車前，我們要檢查車門是否關好，同理，清潔機器人運行前，也要檢查水箱蓋、塵箱蓋、垃圾盒蓋等清潔容器是否蓋好。
這時候發揮作用的傳感器就是霍爾開關了，若檢測到沒蓋好，會即時反饋給操作員。
“外”觀六路 導航避障靠外部傳感器
主要的內部傳感器介紹好了，接下來該是本文另一個主角——外部傳感器上場了。
外部傳感器，感知外界狀態，檢測外部環境中目標物體的類型、位置、速度、狀態等信息，常用的有激光雷達、攝像頭、超聲波雷達、毫米波雷達等，清潔機器人建圖定位、自主避障靠的都是它們。
掃描建圖、定位導航的頭號功臣是激光雷達。激光雷達通過測量激光的飛行時間，探測激光與障礙物之間的距離，具有靈敏度高、分辨率好、分析速度快的特點。激光雷達又分為3D激光雷達和2D激光雷達。
3D激光雷達主要用于掃描地圖與定位導航，并輔助避障。相比2D激光雷達，3D可以識別物體的高度信息，立面式掃描，感知范圍更廣，獲取信息更豐富。
2D激光雷達則主要用于避障和輔助掃圖定位。它們從不同角度感知環境中的障礙物，比如桌椅、沙發、貨架等靜態障礙物，車位墩、椅子腿、路沿等低矮障礙物，行人、汽車、購物車等動態障礙物。
我們說，機器人可以通過深度學習自主識別垃圾，深度學習的數據從哪來？從視覺傳感器來。
視覺傳感器獲取外部環境的圖像信息，常用的產品有RGB攝像頭、深度攝像頭和紅外攝像頭。RGB攝像頭也就是彩色攝像頭，深度攝像頭除了能夠獲取平面圖像以外，還可以獲得拍攝對象的深度信息，也就是三維的位置和尺寸信息。
RGB攝像頭具備圖像語義識別功能，可以識別行人、車輛、一米欄、扶梯、減速帶等不同類型的障礙物，以及垃圾、污漬、油污等不同類型的垃圾，搭配補光燈，在夜間也能發揮作用。
深度攝像頭擅長識別近距離的障礙物，并用于跌落檢測，同時具有補盲的作用。
紅外攝像頭使用紅外線捕捉圖像，紅外線是肉眼不可見光線。紅外攝像頭可以識別暗光條件下具有紅外高反射率特征的物體，比如二維碼和反光貼，用于輔助定位。
比如，高仙機器人自主充電對樁功能，就是通過機器人背部的紅外攝像頭來識別充電樁上的二維碼，從而完成對樁充電。
根據場景復雜度的不同，視覺傳感器配置的數量會有所差異。比如，Scrubber 50清潔機器人的前后配有深度攝像頭，在超市場景，障礙物類型較多且不規則，可在機器人兩側增加攝像頭，如有必要，還可安裝頂視攝像頭。
在寫字樓、酒店場景，常見玻璃、鏡子、落地窗等反光和透明物體，超聲波雷達利用聲波，能檢測到反光、透明物體的特征，可識別玻璃、鏡子、黑色物體等光學失效的障礙物，起到補盲作用。
有一種傳感器，被稱為“汽車自動駕駛之眼”，廣泛應用于ADAS（高級駕駛輔助系統）、自動駕駛領域，它就是識別移動物體小能手——毫米波雷達。
與攝像頭、激光等光學傳感器相比，毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候全天時的特點。
在地下停車場的場景中，光線昏暗、來往車輛多，高仙Scrubber 75車庫款清潔機器人在四側安裝毫米波雷達，全方位識別檢測周圍車輛并動態避讓。
此外，有三款承擔安全功能的外部傳感器，分別是防碰撞、防壓腳、RFID。RFID用于防跌落，在扶梯口貼上RFID標簽，機器人通過識別標簽提前避讓扶梯。
這么多傳感器是如何融合的？背后有什么樣的技術支撐？敬請期待高仙技術家專欄下一期：多傳感器融合。
