融合自主漫游及遠程監(jiān)控的圖書館移動機器人系統(tǒng)設(shè)計

王展妮， 張國亮， 武浩然， 歐信非， 胡鑫

(華僑大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 福建 廈門361021)

融合自主漫游及遠程監(jiān)控的圖書館移動機器人系統(tǒng)設(shè)計

王展妮， 張國亮， 武浩然， 歐信非， 胡鑫

(華僑大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 福建 廈門361021)

針對當前圖書館數(shù)字視頻監(jiān)控在動態(tài)交互響應(yīng)及時空局限等方面的不足，提出基于移動機器人的智能移動監(jiān)控站系統(tǒng)模型.在硬件層面，將傳感器配置、嵌入式系統(tǒng)、電源驅(qū)動、運動控制及網(wǎng)絡(luò)通信等進行整合，并給出四輪移動機器人平臺機構(gòu)和電路設(shè)計方案.在軟件控制設(shè)計層面，通過將自主漫游及遠程監(jiān)控融合，使監(jiān)控端和操作端均不再受到時間和空間的限制，提高監(jiān)控系統(tǒng)整體的智能性和靈活性.實測結(jié)果表明:所提方法具有可行性、有效性.

移動機器人； 圖書館； 遠程操作； 自主漫游； 智能監(jiān)控

如何有效利用各種監(jiān)控手段來預(yù)防和遏制各種不安全事件的發(fā)生，不僅是現(xiàn)代化圖書館建設(shè)與管理的重要組成部分，也是圖書館安全管理創(chuàng)新的措施和手段[1].目前，大型圖書館的安全防范監(jiān)控系統(tǒng)主要由環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、信息安全監(jiān)控系統(tǒng)等幾部分組成.近年來，隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)的普及，利用智能手機實現(xiàn)可視化監(jiān)控成為近年來研究的熱點[2-5].與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控相比，手機監(jiān)控充分利用了智能手機終端特性，使得監(jiān)控人員可以在任何時間、任何地點通過智能手機接入系統(tǒng)，但由于監(jiān)控端的攝像頭仍然是靜態(tài)的，操作者無法對動態(tài)變化的環(huán)境做出及時的響應(yīng)，而且由于監(jiān)控設(shè)備只能固定地安裝在有限的位置，使監(jiān)控存盲區(qū)和死角.針對這一問題，國外一些研究者嘗試將移動機器人引入圖書館監(jiān)控端[6-11]，但國內(nèi)目前在這一領(lǐng)域仍停留在理論探索階段，尚無實際應(yīng)用的機器人出現(xiàn)[12-13].本文針對當前國內(nèi)圖書館在動態(tài)交互響應(yīng)、時間空間局限等問題，提出一種融合自主漫游及遠程監(jiān)控的圖書館移動智能監(jiān)控站方法，將無線網(wǎng)絡(luò)通信與移動機器人操作結(jié)合，使視頻監(jiān)控具有時空無約束，以及監(jiān)控端-操作端雙向可移動的特性.

圖1 移動機器人系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Framework of mobile robot system

(a) 正面 (b) 側(cè)面 (c) 背面 (d) 夜視圖2 移動機器人平臺Fig.2 Platform of mobile robot

1 移動機器人硬件系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 平臺機構(gòu)設(shè)計及功能

將運動單元、控制單元、網(wǎng)絡(luò)通訊單元都集中于移動機器人上，使監(jiān)控具有動態(tài)監(jiān)視場景的功能，移動機器人系統(tǒng)架構(gòu)及平臺如圖1,2所示.該系統(tǒng)利用隨車攜帶的筆記本電腦采集周圍環(huán)境的圖像信息，在運動過程中，機器人隨時與遍布于圖書館內(nèi)的WiFi無線網(wǎng)絡(luò)接入;遠程操作者根據(jù)機器人反饋回的圖像信息,通過遙操作的方式操控機器人，如調(diào)整筆記本攝像頭的托架觀察視角、改變行進路線等.當發(fā)生緊急狀況時，機器人可通過網(wǎng)絡(luò)向集控中心報警.

隨車攜帶的筆記本電腦既是系統(tǒng)控制的中樞，同時也是系統(tǒng)的動力中樞.智能手機或Web客戶端是基于TCP/UDP協(xié)議與其進行雙向通信，并由協(xié)議轉(zhuǎn)換程序通過USB接口將控制指令發(fā)送給嵌入式控制板；經(jīng)過分析判斷后，輸出控制指令給伺服電機驅(qū)動板和直流電機，控制移動機器人實現(xiàn)雙輪差動運動.嵌入式系統(tǒng)只負責(zé)電機驅(qū)動，而自主規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)通信、視覺識別等復(fù)雜運算均利用筆記本電腦的計算資源實現(xiàn)，從而使軟硬件具有相對獨立性.

為減輕系統(tǒng)整體質(zhì)量，該系統(tǒng)去除了傳統(tǒng)的鉛酸電池，采用筆記本電腦的電池對機動平臺供電，并選用高強度輕質(zhì)量的聚乙烯塑料作為整機材料，保證了機器人具有持續(xù)工作的能力;在移動平臺底部加入金屬導(dǎo)引裝置，當機器人與墻壁上的充電“渡口”接觸時，導(dǎo)引裝置會自動與筆記本電腦電源連接，實現(xiàn)對筆記本電腦，即整個機器人系統(tǒng)自動充電.除此之外，在平臺上還添加了照明及Kinect接口，為進一步增強系統(tǒng)夜視及動作捕捉功能提供了保障.

1.2 硬件電路設(shè)計

機器人的硬件電路設(shè)計主要包括嵌入式驅(qū)動控制、運動控制及夜視照明3個模塊.

1.2.1 嵌入式系統(tǒng)控制板 在嵌入式系統(tǒng)運動機構(gòu)中，采用Arduino微處理器作為驅(qū)動電機、通信連接的核心控制器.Arduino微處理器是以8位atm單片機為核心的微處理器，其優(yōu)點是接口豐富，便于連接大量的傳感器，同時可以與USB直接進行通信燒寫程序.該機器人的運動機構(gòu)主要包括兩個底部的驅(qū)動輪和調(diào)整攝像頭觀測角度的俯仰機構(gòu)，3個運動機構(gòu)分別與3個小型直流(DC)電機連接.考慮到驅(qū)動輪的承載扭矩較大，在設(shè)計中采用具有L293DD H橋芯片的Arduino擴展板對兩個驅(qū)動輪DC電機控制，而俯仰機構(gòu)的電機直接由Arduino進行PWM控制.

1.2.2 電力驅(qū)動及運動控制 機器人的電力驅(qū)動保證機器人在脫離外接電源的狀態(tài)下，在較長時間內(nèi)持續(xù)進行工作.該機器人以筆記本電腦作為智能控制層的硬件平臺和應(yīng)用軟件平臺，不僅享受PC上的所有資源，包括接口、軟件資源、無線網(wǎng)絡(luò)連接和攝像頭等，同時機器人上所有電子器件也均由筆記本電池提供5 V電壓供電.運動控制采用兩后輪差動驅(qū)動，兩前輪萬向輪輔助的機械結(jié)構(gòu).機器人在接到上層指令后，通過對嵌入式系統(tǒng)控制，驅(qū)動DC電機對后兩輪進行前進后退或者偏轉(zhuǎn)角度的控制，而轉(zhuǎn)向是通過左右后輪差速轉(zhuǎn)動實現(xiàn).

1.2.3 夜視燈光及照明系統(tǒng) 照明系統(tǒng)保障機器人在缺少外部光源的情況下，對周圍環(huán)境進行監(jiān)控并進行目標識別.視覺信息采用筆記本電腦自帶攝像頭采集，利用Arduino控制電機的轉(zhuǎn)向改變攝像頭的俯仰角度，并通過自制托架及反光板固定.將一個USB供電的5 V小燈泡搭載在平臺上使機器人獲得在暗視野中工作的能力，利用Java類實現(xiàn)調(diào)用攝像頭驅(qū)動獲取圖像流用于視頻通話.當視野過暗時，會向筆記本電腦發(fā)送打開燈光請求，使機器人在黑暗環(huán)境下仍有漫游能力.

2 軟件與控制系統(tǒng)分析與設(shè)計

機器人軟件系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人導(dǎo)航、避障等功能的核心，包括遠程監(jiān)控和自主漫游兩項內(nèi)容.一方面,采用慎思-反應(yīng)的混合式分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為自主漫游軟件系統(tǒng)框架;另一方面，將遠程無線通信、自主充電、流媒體視頻傳輸?shù)榷囗椆δ苋诤希瑢崿F(xiàn)操作員監(jiān)督下的遠程監(jiān)控.在實際操作中，機器人將以自主漫游方式作為其主要運行方式，在圖書館內(nèi)進行巡視.操作者無需一直控制機器人，便可通過各種無線終端設(shè)備隨時對機器人監(jiān)督指導(dǎo)，僅在緊急或必要的時候接管控制權(quán)，發(fā)出相應(yīng)指令.這種控制方案減輕了操作者的勞動強度，提高了系統(tǒng)自主化的程度，同時對環(huán)境的變化也具有良好的適應(yīng)性.

2.1 基于慎思-反應(yīng)的混合式的自主漫游軟件系統(tǒng)框架

圖3 混合式的自主漫游軟件系統(tǒng)框架Fig.3 Framework of hybrid autonomous roaming software system

機器人控制結(jié)構(gòu)采用慎思-反應(yīng)混合式三層控制體系結(jié)構(gòu)，即控制層、執(zhí)行層、感知層，其框架結(jié)構(gòu)如圖3所示.這種結(jié)構(gòu)在框架的上層采用基于地圖及行為的慎思處理，主要實現(xiàn)地圖的更新及行為的決策；而在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的底層則采用反應(yīng)式的結(jié)構(gòu)，即利用移動機器人機載的傳感器構(gòu)成感知功能層，傳感數(shù)據(jù)通過USB總線傳送給筆記本電腦進行慎思決策.這種混合式的結(jié)構(gòu)使機器人不僅能夠隨時留心環(huán)境中的所有可能出現(xiàn)的危險情況，而且由于加入了高層的慎思指導(dǎo)，即使在傳感器數(shù)據(jù)錯誤或者缺乏的情況下，機器人也能夠及時快速地做出調(diào)整，從而使整體性能不致惡化.

2.1.1 感知功能層 該模塊類似于自然界中生物的感官系統(tǒng)，主要用于收集機器人外部環(huán)境信息，以便于機器人做出及時且有效的決策.針對本機器人系統(tǒng)，傳感器主要包括外部的視覺、聲音和紅外傳感器.這些傳感器獲得的信息作為高層慎思的輸入，包含兩個功能:一方面，感知功能模塊可以為地圖處理模塊提供環(huán)境信息與自身認知信息，如定位、目標匹配等，作為地圖創(chuàng)建、更新和轉(zhuǎn)化的依據(jù);另一方面，該模塊還可為基本行為提供輸入信號，以便于這些行為能夠及時的對環(huán)境變化做出響應(yīng).

2.1.2 慎思決策層 該模塊主要承擔(dān)高層的宏觀指導(dǎo)作用,如任務(wù)調(diào)度與決策、序列規(guī)劃和導(dǎo)航等.該模塊可根據(jù)任務(wù)需求從感知模塊與地圖處理模塊獲取實時信息和經(jīng)驗信息，并以此進行任務(wù)決策和復(fù)雜行為協(xié)調(diào)等.規(guī)劃模塊還負責(zé)將復(fù)雜行為拆分為基本行為，以及復(fù)雜行為的自適應(yīng).

2.1.3 執(zhí)行命令層 執(zhí)行功能模塊處在體系結(jié)構(gòu)的最底層，根據(jù)基本行為管理模塊的決策結(jié)果執(zhí)行動作.該模塊從慎思層獲取命令，并根據(jù)感知模塊傳遞來的外部環(huán)境信息協(xié)調(diào)各種基本行為，從而對機器人的各個運動部件發(fā)出運動指令，實現(xiàn)預(yù)定的功能.

2.2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件系統(tǒng)框架

遠程監(jiān)控的軟件設(shè)計采用B/S架構(gòu)，涉及客戶端和服務(wù)器端兩部分.服務(wù)器端控制程序直接建立在四輪機器人上，基于Telnet通訊協(xié)議設(shè)立管理員賬戶及端口，等待客戶端發(fā)起對話.客戶遠程操控平臺由Java語言搭建，采用手機、個人電腦或平板電腦等移動終端設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)訪問機器人的控制系統(tǒng)，并使機器人進入半自動模式，達到遠程控制的目的.同時，采用流媒體傳輸?shù)姆绞骄幋a音、視頻數(shù)據(jù)，實現(xiàn)可視化遠程控制.通訊連接建立后，客戶端的操作者可隨時向機器人服務(wù)器發(fā)送指令改變機器人的動作，而機器人自身的狀態(tài)也會同步反饋，使操作者對于機器人及其周圍環(huán)境能及時了解.

與自主漫游操作相比，遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有更高的優(yōu)先級.在機器人做隨機漫游時，操作者可隨時接管控制權(quán)，實施手動控制，并隨時讀取機器人的安全預(yù)警記錄，以及查看機器人在漫游期間采集的視頻圖像及環(huán)境地圖.

3 移動機器人功能測試

3.1 視頻和音頻傳輸效果

為檢驗機器人遠程監(jiān)控的實際效果，利用筆記本電腦上的攝像頭和麥克風(fēng)，在局域無線網(wǎng)環(huán)境下測試視頻和音頻數(shù)據(jù)流的傳輸效果.遠程操作者通過手動操作的方式控制機器人運動，在遠端與另一位行人發(fā)生碰面，并進行實時音視頻通話，如圖4所示.

圖4 遠程監(jiān)控下的視頻和音頻傳輸效果Fig.4 Video and audio transmission effect under remote monitoring

3.2 機器人自主充電

考慮到機器人與控制系統(tǒng)共用一個電源系統(tǒng)，因此，提出利用Windows系統(tǒng)自帶的電池選項對系統(tǒng)電源進行感知.當電能不足時，計算機通過已生成的環(huán)境地圖分析出最近的充電電源位置，并利用柵格運動規(guī)劃算法規(guī)劃機器人當前位置與充電電源之間的最短路徑.在運動過程中，機器人前端的紅外傳感器不斷為機器人提供前方障礙情況，實時修正規(guī)劃路徑.

當充電電源與機器人的距離低于50 cm時，利用視覺目標識別技術(shù)及充電渡口硬件裝置實現(xiàn)自主視覺伺服充電.充電電源包含特殊目標和充電渡口兩個部分.特殊目標用于導(dǎo)引伺服位置；充電渡口的前端安裝兩塊金屬片用于和機器人前端的金屬觸頭對接，后端直接與固定在墻壁上的電源連接.當機器人在限定的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)具有特殊圖標的充電渡口后，機器人會利用計算機視覺方法對圖標和默認圖標進行分析匹配，并根據(jù)圖標位置不斷調(diào)整自身姿勢，導(dǎo)引機器人與充電渡口進行對接，實現(xiàn)充電.

利用該方法不斷用視覺目標查找充電渡口的過程并進行自主充電的過程，如圖5所示.圖5中：前兩圖為不斷用視覺目標查找充電渡口的過程，最右端的圖片展示了機器人前端充電觸頭插入渡口的過程；底端狀態(tài)條為機器人反饋的信息，右側(cè)上部為機器人的控制狀態(tài)，下部為手動控制機器人運動及開啟光源調(diào)整角度功能區(qū).

圖5 機器人查找充電渡口的過程Fig.5 Process of robot find charging ferry

3.3 圖書館固定監(jiān)控與移動監(jiān)控的融合

早上7:00圖書館刷卡處、前臺、后門和閱覽室等處的監(jiān)控視頻，如圖6所示.由圖6可知：在光照良好的條件下，常規(guī)監(jiān)控在進出口及公共區(qū)域監(jiān)控效果良好.然而，在圖書館照明關(guān)閉或照明不理想情況下，部分監(jiān)控存在失效問題.在凌晨4：00，二期1F秘籍書庫由于配備了紅外監(jiān)控，能夠?qū)γ丶畷鴰飙h(huán)境進行監(jiān)控，但監(jiān)控效果較自帶光源照明的移動機器人監(jiān)控差，如圖7(a)，(c)所示.由于圖書館改造，一期1F電梯后樓梯并未全部更換紅外監(jiān)控相機，致使出現(xiàn)了監(jiān)控盲區(qū)，與之對比，移動機器人仍能夠?qū)鼍碍h(huán)境進行監(jiān)控，如圖7(b)，(d)所示.

(a) 圖書館刷卡處 (b) 圖書館一期1F總臺

(c) 圖書館一期2F電子閱覽室 (d) 圖書館一期1F南側(cè)后門

(e) 圖書館一期4F南側(cè)閱覽室4 (f) 圖書館一期3F南側(cè)閱覽室2圖6 圖書館各區(qū)域監(jiān)控序列圖像(早上7點)Fig.6 Library surveillance sequence images (7 a.m.)

由圖6,7可知:移動監(jiān)控能夠為傳統(tǒng)監(jiān)控提供了良好的補充，不僅可對局部環(huán)境進行細致地分析，對于動態(tài)環(huán)境能夠及時響應(yīng).同時，由于遠程無線接入的方式能夠與固定監(jiān)控系統(tǒng)隨時聯(lián)動，當監(jiān)測地點發(fā)生不安全的狀況時，能夠準確及時地向監(jiān)控人員及集控中心進行報警.

(a) 紅外監(jiān)控(二期1F密集書庫) (b) 常規(guī)監(jiān)控(一期1F電梯后樓梯)

(c) 移動機器人夜視監(jiān)控(二期1F密集書庫) (d) 移動機器人夜視監(jiān)控(一期1F電梯后樓梯)圖7 常規(guī)監(jiān)控與移動機器人監(jiān)控分析對比(早上4點)Fig.7 Comparison between conventional monitoring and mobile robot monitoring (4 a.m.)

3.4 圖書館自主漫游下的路徑跟隨

自主漫游是指機器人于無人值守的情況下，在圖書館內(nèi)自由運動.機器人在圖書館環(huán)境中實際跟隨路徑的效果，如圖8所示.圖8中：從左至右依次為外部場景、內(nèi)部視覺采集圖像、光線調(diào)整、聚類分割及規(guī)劃路線.與一般的室內(nèi)機器人導(dǎo)航環(huán)境不同，圖書館環(huán)境具有場景寬闊，來往人員較多的特點.如果按照傳統(tǒng)的自由漫游導(dǎo)航模式，機器人可能需要經(jīng)過較長的時間才能到達目標位置.考慮到圖書館內(nèi)一般在地面或墻面都印刷有特殊的導(dǎo)引標志，因此，可以利用視覺方法將它們作為機器人的輔助導(dǎo)航標志，控制框架采用圖3的行為控制混合方式，即將避障行為的優(yōu)先級設(shè)定高于歸航行為.在機器人的漫游過程中，一旦發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航線，馬上歸入輔助導(dǎo)航模式；而在導(dǎo)航過程中，如果發(fā)現(xiàn)動態(tài)移動的人員時，立即切換控制行為，實施避讓，然后，再重新開始導(dǎo)航.

圖8 圖書館自主漫游下的路徑跟隨Fig.8 Path following of library autonomous roaming

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)圖書館監(jiān)控方法存在的不足，提出融合自主漫游及遠程監(jiān)控的圖書館的移動智能監(jiān)控站方法.搭建并設(shè)計了軟硬件系統(tǒng)模型，給出了詳盡的四輪移動機器人平臺機構(gòu)、電路設(shè)計及軟件構(gòu)架模型.提出無需專用電池，車載計算機和輕型移動平臺共用計算機電池的策略，并結(jié)合路徑規(guī)劃與視覺目標動態(tài)識別實現(xiàn)機器人自主充電，為機器人連續(xù)不間斷工作提供了一種可行方案.機器人是實現(xiàn)圖書館作業(yè)自動化和智能化的良好載體，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?

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(責(zé)任編輯： 錢筠 英文審校： 吳逢鐵)

System Design of Tele-Supervision and Auto Roam Applied on Library Mobile Robot

WANG Zhanni， ZHANG Guoliang， WU Haoran，OU Xinfei， HU Xin

(College of Computer Science and Technology， Huaqiao University， Xiamen 361021， China)

To overcome the shortcoming of dynamic interactive response， space and time limitation in library digital supervision， an intelligent mobile supervision scheme is presented based on mobile robot. In hardware part， by integrating sense configuration， embedded system， power drive and motion control， network communication， a detailed four wheeled mobile robot platform with mechanism and circuit design scheme is presented. In soft control system design part， by combining tele-supervision and auto roam behavior， space and time of supervision of both monitor part and operate part are no more limited， which improve the intelligence and flexibility of the system greatly. Finally， experimental studies have demonstrated the feasibility and effectiveness of the proposed method. Keywords：mobile robot; library; tele-operation; autonomous roaming; intelligent supervision

10.11830/ISSN.1000-5013.201703019

2016-09-27

王展妮(1978-)，女，館員，主要從事機器人視覺伺服、機器人遙操作的研究.E-mail:26262423@qq.com.

福建省自然科學(xué)基金資助項目(2016J01302)

TP 242.3; G 258.94

A

1000-5013(2017)03-0391-06