Rodzaje czujników w odkurzaczach automatycznych. Na co zwracać uwagę przy wyborze robota sprzątającego? Pomagamy!

Często jako doradca klienta w salonach Mi Store słyszę rozmaite pytania dotyczące odkurzaczy automatycznych, główne obawy wzbudza nawigacja takiego urządzenia w domu, rodzaje podłoża na jakich ma się poruszać oraz dokładności i jakości sprzątania. Podstawą działania urządzeń automatycznych są ich czujniki, które podobnie jak ludzkie zmysły, pozwalają poznawać urządzeniu otaczającą go rzeczywistość. W poniższym artykule przybliżę Państwu zasady działania poszczególnych sensorów w odkurzaczach automatycznych. Mam nadzieję, że rozwieje to Państwa obawy co do jakości urządzeń i pozwoli wybrać najlepszy model do swoich potrzeb. Przykładowy wybór urządzeń z portfolio Xiaomi przedstawię w podsumowaniu!

Spis treści

1. Czujnik IR (ang. Infrared Radiation) - Podczerwień

a. Omówienie działania

b. Zastosowania

2. Ultradźwiękowy czujnik odległości

a. Omówienie działania

b. Zastosowania

3. Czujnik zderzenia (Halla)

a. Omówienie działania

b. Zastosowania

4. Czujniki nawigacyjne

a. LiDAR

b. VSLAM

c. Kamery 3D i RGB

5. Sposób poruszania się odkurzaczy automatycznych

6. Kącik elektronika: Schemat blokowy urządzenia – krótkie omówienie

7. Podsumowanie 

Bibliografia

 

Czujnik IR (ang. Infrared Radiation) - Podczerwień

 

Omówienie działania

Czujnik podczerwieni (IR) jest urządzeniem elektronicznym, które służy do wykrywania i pomiaru promieniowania podczerwonego. Podczerwień (IR) jest nieodczuwalna dla ludzkiego oka, dzięki czemu jest bezpieczna do użytkowania w warunkach domowych. Fale podczerwone są obecne wokół nas w różnych formach, na przykład jako ciepło emitowane przez ciała, światło podczerwone w pilotach do telewizora itp. 

Teoretyczne działanie takiego czujnika przedstawia poniższy rysunek:

Działanie czujnika odbiciowego. [1]

Czujniki w zastosowaniach komercyjnych prezentują się następująco:

Wygląd czujnika IR. [2]

Natomiast w odkurzaczach automatycznych umieszczane są po obwodzie w przedniej części urządzenia. Na poniższym zdjęciu widzimy blok czujników IR w odkurzaczu Xiaomi Robot Vacuum S10+, Xiaomi Robot Vacuum S10, Xiaomi Robot Vacuum E10.

Zastosowania

Czujniki zbliżeniowe:

Odkurzacze automatyczne są wyposażone w czujniki zbliżeniowe, które wykorzystują technologię podczerwieni do wykrywania przeszkód na swojej drodze. Czujniki te emitują wiązkę podczerwieni i monitorują jej odbicie od przeszkód, takich jak ściany, meble czy drzwi. Na podstawie tych informacji odkurzacz może określić obecność przeszkód i odpowiednio dostosować swoją trasę, aby unikać kolizji.

Czujniki spadku: 

Czujniki spadku wykorzystują również technologię podczerwieni do wykrywania schodów, progów itp. Czujniki te skanują teren przed odkurzaczem i rejestrują zmiany w odbiciu promieniowania podczerwonego. Jeśli odkurzacz wykryje nagłą zmianę lub brak odbicia, oznacza to, że istnieje ryzyko upadku. W takim przypadku odkurzacz zmienia kierunek lub zatrzymuje się, aby uniknąć niebezpiecznej sytuacji.

Czujniki kurzu: 

Niektóre odkurzacze automatyczne wykorzystują czujniki podczerwieni do określenia stopnia zabrudzenia powierzchni. Czujniki te analizują odbicie światła podczerwonego od powierzchni i oceniają, czy jest ona czysta czy brudna. Z racji, że dla światła nawet drobinki kurzu są przeszkodą w rozchodzeniu się, możliwa jest programowa ocena stanu zabrudzenia podłoża. Na podstawie tej informacji odkurzacz może skoncentrować swoje działania na bardziej zabrudzonych obszarach i przeprowadzić dodatkowe cykle odkurzania w tych miejscach.

Czujniki IR w odkurzaczach automatycznych są kluczowe. Dzięki nim urządzenia te mogą dokładnie nawigować po pomieszczeniach, unikać przeszkód i upadków oraz zapewnić efektywne czyszczenie.

Jest to najczęściej występujący wśród odkurzaczy automatycznych typ czujnika i również w urządzeniach Xiaomi dba on o bezpieczeństwo i skuteczność sprzątania.

Przy wyborze odkurzacza warto sprawdzić bądź zapytać doradcy o rozmieszczenie czujników. Odpowiednie umieszczenie to po jednym czujniku przy kołach urządzenia oraz dwa z przodu urządzenia. Takie ustawienie zapewni, że odkurzacz nie spadnie ze schodów sprzątając wzdłuż krawędzi, a czujniki przednie zapewnią analizę stanu podłoża oraz reakcję na przeszkody.

Ultradźwiękowy czujnik odległości

Omówienie działania

Czujnik ultradźwiękowy wykorzystuje fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości (powyżej zakresu słyszalnego dla człowieka) do pomiaru odległości od obiektów. Czujnik składa się z nadajnika, który emituje fale ultradźwiękowe, oraz odbiornika, który odbiera odbite fale. Czas, jaki upływa od wysłania fali do odbioru odbitej fali, jest mierzony i służy do obliczenia odległości od przeszkody.

Posiadaczy zwierząt uspokajam, ultradźwięki w czujnikach są o amplitudach tak niskich, że pies czy też kot nie są w stanie tego usłyszeć.

Sposób działania czujnika odległości. [4]

Umieszczenie czujnika ultradźwiękowego w Xiaomi Vacuum X10+

Zastosowania

Czujnik typu podłoża:

Fizycznie korzysta on z faktu, że fala ultradźwiękowa inaczej odbija się od różnych typów podłogi.

Na poniższym rysunku przedstawione są różnice w pracy czujnika w zależności od podłoża. Kolor żółty to twarda podłoga np. panele, kolor niebieski to miękkie podłoże np. dywan, a kolor czerwony to brak podłoża – klif. Dzięki tym danym odkurzacz automatyczny może odpowiednio zareagować na zmiany typu podłoża. Kiedy np. odkurzacz wykryje zmianę między kafelkami, a dywanem to zastosuje wgraną procedurę podnoszenia modułu mopującego. Taką technologię posiadają modele Xiaomi z dopiskiem „+” Xiaomi Robot Vacuum X10+ oraz Xiaomi Robot Vacuum S10+.

Wykres przedstawiający różnice w odpowiedzi czujnika w zależności od podłoża. [4]

Detekcja niskich przeszkód:

Czujniki ultradźwiękowe są również przydatne do wykrywania niskich przeszkód, takich jak dywany, przewody czy niskie meble. Często odkurzacze automatyczne mają niski profil, ale czujniki ultradźwiękowe mogą pomóc w wykrywaniu przeszkód, które mogą być na tyle niskie, że odkurzacz mógłby się zatrzymać lub utknąć.

 

Czujnik wspierający czujniki IR:

Czujnik ultradźwiękowy również potrafi działać jako czujnik klifu oraz czujnik przeszkód. Dlatego też w wyższych modelach są regularnie stosowane. Procesor odkurzacza automatycznego ma informacje z dwóch typów czujników. Kiedy warunki zewnętrzne sprawią, że działanie jednego z nich zostanie osłabione, to mimo wszystko dostępny jest odczyt z drugiego. Taka sytuacja występuje np. przy ciemnym podłożu, gdzie dużo podczerwieni zostanie pochłonięte.

 

Czujniki ultradźwiękowe w odkurzaczach automatycznych są jednym z wielu narzędzi nawigacyjnych, które pomagają urządzeniu poruszać się po pomieszczeniach w sposób bezpieczny i skuteczny. W połączeniu z innymi czujnikami, takimi jak czujniki podczerwieni, czujniki zbliżeniowe i czujniki kurzu, czujniki ultradźwiękowe pomagają odkurzaczowi automatycznemu skutecznie poruszać się wokół przeszkód, unikać kolizji i zapewniać dokładne czyszczenie.

 

Czujnik zderzenia (Halla)

Omówienie działania

Czujnik Zderzenia. [5]

Czujnik Halla to czujnik zmiany pola elektromagnetycznego. W dużym skrócie wykrywa on zmiany napięcia spowodowane pojawieniem się magnesu w pobliżu – tak jak na powyższym rysunku. Są to czujniki bardzo czułe. W porównaniu do czujników IR lub ultradźwiękowych w roli czujnika zderzenia sprawdzają się zdecydowanie lepiej. Dlatego też firma Xiaomi w swoich modelach odkurzaczy używa właśnie tego rozwiązania z odpowiednią implementacją programową do omijania napotkanych przeszkód.

Zastosowania

 

Czujnik zderzenia:

Kiedy urządzenie uderzy w przeszkodę to magnes zbliża się do jednego z czujników. Pozwala to na rozpoznanie przez urządzenie, że jeden z magnesów zbliżył się do czujnika. Odkurzacze Xiaomi zaprogramowane są w taki sposób, aby przedmioty wykryte przez ten czujnik omijać bardzo powoli jednocześnie jak najdokładniej sprzątając otoczenie danej przeszkody.

 

Czujnik uniesienia odkurzacza:

Odkurzacze firmy Xiaomi posiadają również czujniki Halla umieszczone w zawieszeniu kół napędowych. Pozwala to na zidentyfikowanie przez urządzenie czy zostało podniesione czy też nie. Kiedy urządzenie jest na ziemi, to umieszczona nad kołami sprężyna jest ściśnięta i zachowuje położenie magnesu przy czujniku. Kiedy jednak odkurzacz zostanie podniesiony, to sprężyna wypycha koło wraz z magnesem powodując zanik sygnału w czujniku. Jest to informacja dla procesora, że urządzenie nie dotyka podłoża i należy wyłączyć silniki i zakończyć wszelkie czynności sprzątające.

 

Czujniki nawigacyjne

LiDAR

Demonstracja działania laserowej nawigacji. [6]

LiDAR (Light Detection and Ranging) jest jednym z zaawansowanych czujników używanych w odkurzaczach automatycznych. LiDAR wykorzystuje promieniowanie laserowe do pomiaru odległości od otaczających obiektów i tworzenia dokładnych map 3D środowiska. Dzięki temu odkurzacze automatyczne wyposażone w LiDAR są w stanie bardziej precyzyjnie nawigować w pomieszczeniach i unikać przeszkód. Technologia ta jest również wykorzystywana w lotnictwie umożliwiając mapowanie terenów. W połączeniu z innymi czujnikami nawigacyjnymi LiDAR staje się niezastąpionym sensorem w kwestii szybkości mapowania oraz dokładności pomiarów. Odkurzacze firmy Xiaomi korzystają z tej technologii poczynając od najnowszej serii S10, a kończąc na bezkompromisowym X10+.

Od razu uspokajam, zakres długości fali wykracza poza przedział jaki widzimy oraz moc wiązki jest niska, dlatego też jest to technologia, która nie zaszkodzi naszym oczom.

 

Oto jak LiDAR działa w odkurzaczach automatycznych:

 

1. Pomiar odległości:

Czujnik LiDAR skanuje otoczenie, wysyłając krótkie impulsy laserowe i mierząc czas, który upływa od wysłania impulsu do odbicia od obiektu i powrotu do czujnika. Na podstawie czasu podróży impulsów laserowych odkurzacz może obliczyć odległość do otaczających przedmiotów, takich jak ściany, meble czy inne przeszkody.

2. Tworzenie mapy 3D:

Na podstawie pomiarów odległości czujnik LiDAR tworzy dokładną mapę 3D otoczenia. Ta mapa pozwala odkurzaczowi automatycznemu świadomie poruszać się w pomieszczeniu, unikać zderzeń i optymalnie planować swoje trasy czyszczenia.

 

3. Skanowanie dynamiczne: 

Czujnik LiDAR działa w czasie rzeczywistym, stale skanując otoczenie wokół odkurzacza. Dzięki temu urządzenie może szybko reagować na zmiany w środowisku i dostosowywać swoje ruchy w przypadku, gdy np. pojawiają się nowe przeszkody.

 

Zastosowanie technologii LiDAR w odkurzaczach automatycznych znacznie podnosi ich zdolności nawigacyjne, co prowadzi do bardziej efektywnego i dokładnego odkurzania. Dzięki LiDAR-owi roboty odkurzające mogą unikać upadku ze schodów, sprawniej poruszać się w trudno dostępnych obszarach i w ogólności bardziej precyzyjnie wykonywać swoje zadania. Xiaomi jako producent odkurzaczy automatycznych zdecydowanie stawia na rozwój tej technologii w swoich urządzeniach dodając coraz to więcej możliwości takich jak np. wirtualne ściany, no-go-zone, mapowanie kilku pięter, wykrywanie ścian i nowych przeszkód w czasie rzeczywistym.

 

VSLAM

Kolejnym systemem nawigacyjnym jest VSLAM (ang. Visual Simultaneous Localization And Mapping). Do mapowania pomieszczeń używana jest kamera umieszczona na górnej części urządzenia. W przeciwieństwie do LiDAR moduł nie wystaje ponad odkurzacz. Tworzenie mapy przebiega poprzez nagrywanie pomieszczenia w trakcie pracy urządzenia. Obraz uchwycony na szerokokątnej kamerze jest następnie analizowany przez wbudowany system. Analiza ma na celu wychwycenie krawędzi z obiektów znajdujących się w pomieszczeniu. 

Poglądowy sposób analizy pokazany jest na poniższym rysunku:

Prezentacja sposobu mapowania technologii VSLAM. [7]

Poniżej przedstawiono również wynik mapowania systemem VSLAM. Można na nim rozpoznać poszczególne kształty np. mebli – w środkowej części dolnej krawędzi zdjęcia stoi kanapa.

Przykładowa, "surowa" mapa. [8]

Następnie taka mapa formatowana jest do bardziej przystępnego dla oka wzorca. Wynik mapowania jest możliwy do zobaczenia w dedykowanej aplikacji – w przypadku Xiaomi jest to Xiaomi Home.

Przykładowa mapa w Xiaomi Home. [9]

Kamery 3D i RGB

1. Kamery 3D: 

Kamery 3D, zwane również kamerami głębi, korzystają z różnych technologii, takich jak Time-of-Flight (TOF), projekcja struktury światła lub stereowizja, aby uzyskać informacje o odległościach i głębi obiektów w otoczeniu. Dzięki temu odkurzacze automatyczne wyposażone w kamery 3D mogą tworzyć mapy głębi, które pozwalają na dokładne rozpoznawanie przeszkód, mebli, schodów itp.

 

Zalety kamery 3D w odkurzaczach:

• Precyzyjne wykrywanie przeszkód: 

Kamery 3D pozwalają odkurzaczom dokładnie określić odległości do obiektów, co umożliwia unikanie zderzeń i potencjalnych uszkodzeń.

• Skanowanie trójwymiarowe: 

Dzięki mapom głębi odkurzacz może lepiej zrozumieć kształt pomieszczenia i skuteczniej planować swoje ruchy.

 

2. Kamery RGB: 

   
   

Kamery RGB (Red, Green, Blue) to standardowe kamery, które rejestrują obraz w tradycyjnych kolorach. W odkurzaczach automatycznych kamery RGB są używane przede wszystkim do rozpoznawania wzorców i identyfikowania różnych powierzchni podłóg, na której robot się porusza.

 

Zalety kamery RGB w odkurzaczach:

• Rozpoznawanie powierzchni: 

Kamery RGB pozwalają odkurzaczom identyfikować różne rodzaje podłóg, takie jak drewno, dywan, kafelki itp. Na tej podstawie robot może dostosować swoje ustawienia i tryby sprzątania, aby uzyskać najlepsze wyniki na danej powierzchni.

• Wykrywanie obiektów:

Dzięki tej technologii i zaimplementowanym metodom przetwarzania obrazów, odkurzacz jest w stanie jeszcze dokładniej rozpoznawać przeszkody i z dużym wyprzedzeniem zaplanować odpowiednią zmianę trasy itp. Technologia ta przydatna jest kiedy mamy np. w domu zwierzę, które lubi przestawiać małe rzeczy.

Odkurzacze automatyczne często wykorzystują kombinację kamery 3D i kamery RGB, co pozwala na uzyskanie bardziej wszechstronnego i zaawansowanego rozwiązania w zakresie nawigacji, rozpoznawania otoczenia i sprzątania. Kamery 3D zapewniają dokładne wykrywanie przeszkód, podczas gdy kamery RGB pomagają w rozpoznawaniu różnych powierzchni podłóg i obiektów. Dzięki temu roboty odkurzające są coraz bardziej zaawansowane i skuteczne w swoim działaniu.

W portfolio Xiaomi rozwiązaniami nawigacji z użyciem kamer mogą pochwalić się modele z „+” czyli X10+ oraz S10+.

Model S10+. [3]

Model X10+. [3]

Sposób poruszania się odkurzaczy automatycznych

Na samym początku istnienia odkurzaczy automatycznych istniał jedyny słuszny sposób nawigowania i sprzątania – losowa jazda. Z czasem jednak się to zmieniło dzięki omówionym już powyżej czujnikom. Obecnie w algorytmach sprzątających i mopujących królują dwa rozwiązania, a oto one.

Ilustracja przedstawiająca sprzątanie z algorytmem losowości. [10]

1. Algorytm „S”:

Obecnie jest to technologia minimalnie popularniejsza ze względu na większą energooszczędność. Polega ona na planowaniu przez odkurzacz trasy w taki sposób, aby kolejne przejazdy odbywały się jeden obok drugiego, czyli w kształt litery „S”.  Obecnie wszystkie odkurzacze firmy Xiaomi używają tego algorytmu do odkurzania. Jednakże jeśli chodzi o mopowanie, to chiński potentat zaplanował coś wyjątkowego.

Faktyczny wygląd trasy „S” zapisanej przez odkurzacz firmy Xiaomi. [11]

2. Algorytm „Y”:

Jest to algorytm, który firma Xiaomi zaimplementowała z myślą o dokładniejszym mopowaniu. Ruch odkurzacza w kształt litery „Y” ma zapewnić symulację ręcznego mycia podłogi, co w połączeniu z obrotowymi podkładkami mopującymi w modelach S10+ i X10+ przenosi mycie podłogi na zupełnie inny poziom.

Przykład zastosowania algorytmu "Y". [12]

Kącik elektronika: Schemat blokowy urządzenia – krótkie omówienie

Schemat blokowy odkurzacza automatycznego. [13]

1. Czujniki: Wszystkie podłączone do wzmacniacza operacyjnego o stałym wzmocnieniu, dzięki czemu wzmocnione napięcie może być odczytane i zinterpretowane jako zmiana w otoczeniu

 

• IR Sensor Array – zbiór czujników klifu

• Home IR Sensor – czujnik podczerwieni odpowiadający za nawigację do stacji

• Floor IR/Ultrasound Sensor – czujnik detekcji podłoża

• Dust Bin IR Sensor – czujnik odpowiadający za powiadomienie o przepełnieniu zbiornika na kurz.

 

2. Komunikacja z otoczeniem:

• MIC -> ADC – interfejs umożliwiający komunikację głosową (za pomocą mikrofonu) z urządzeniem (opcjonalne)

• Audio Power Amp -> Speaker – wzmacniacz audio podłączony do głośnika z którego odtwarzane są komendy głosowe wydawane przez urządzenie. Przykładowa komenda „Return to charging station” (tł. Powrót do stacji ładowania)

 

3. Kontroler silników – Motor Control Unit (MCU) - do kontrolera są podłączone sterowniki silników prądu stałego. Zazwyczaj są to silniki BLDC – bezszczotkowe. Sterownik taki jest wykonany jako tranzystorowy mostek „H” z MOSFET-ów. Do sterowników podłączone są następujące silniki:

• Suction Fan Motor – silnik dmuchawy ssącej

• Main Brush Motor – silnik szczotki głównej (tej pomarańczowej)

• Side Brush Motor – silnik szczotki bocznej (to śmigiełko)

• Traction Motor 1/2 – silniki kół napędowych

 

4. Jednostka centralna – CMU posiadająca dodatkowe peryferia umożliwiające zdalne sterowanie urządzeniem. Są to takie protokoły jak:

• Wi-Fi/Bluetooth – komunikacja bezprzewodowa z urządzeniem zazwyczaj poprzez dedykowaną aplikację,

• DDR/Flash – pamięci odpowiednio RAM i ROM dzięki którym urządzenie zapisuje mapy i jest w stanie je przetwarzać,

• User Key Interface – obsługa fizycznych przycisków na urządzeniu. Zazwyczaj są dwa – Home oraz ON/OFF.
  
  

Podsumowanie

W powyższym artykule przedstawiłem państwu zasady działania oraz sposób implementacji rozwiązań z użyciem czujników w odkurzaczach automatycznych. Mam nadzieję, że pomoże to w odpowiednim wyborze urządzenia i jednocześnie poszerzy horyzonty wiedzy.

Jeśli miałbym polecić konkretny model odkurzacza firmy Xiaomi, to zdecydowanie postawiłbym na model S10+, który łączy w sobie cechy odkurzaczy z wyższych półek cenowych. Są to takie rzeczy jak czujnik przeszkód 3D, ultradźwiękowy czujnik podłoża oraz obrotowe podkładki myjące podłogę. Podczas mopowania korzysta także z algorytmu „Y”. Wszystkie z tych rzeczy zostały omówione powyżej. 

Jeśli jednak stawiają Państwo wygodę użytkowania, dokładność i bezpieczeństwo urządzenia, to postawiłbym na model X10+. Oprócz wymienionych już w powyższym przykładzie czujników posiada on również kamerę RGB oraz dedykowaną stację czyszczącą, do której opróżniany jest kurz oraz wymieniana jest woda z brudnej na czystą, co pozwala na niemalże pełną automatyzację działania urządzenia. My musimy tylko pamiętać o opróżnieniu raz w tygodniu stacji oraz o okazjonalnym dolaniu do niej wody.

Kamil Pokrywa
Doradca Klienta Xiaomi Store Wrocław

 

Bibliografia