圖書館自主巡邏示警機(jī)器人的設(shè)計(jì)

曹軼

摘要：圖書館秩序維護(hù)耗費(fèi)大量的人力、物力，為實(shí)現(xiàn)圖書館智能化，提出一種自主巡邏智能噪音示警機(jī)器人。該機(jī)器人采用雷達(dá)、雙目攝像頭、GPS、WIFI來勘察，運(yùn)用多種傳感器來避開障礙物，運(yùn)用可信度檢驗(yàn)進(jìn)行多模態(tài)自主切換導(dǎo)航。通過聲源測量、人體紅外線來判別人為噪音，并觸發(fā)報(bào)警裝置，該機(jī)器形體結(jié)構(gòu)內(nèi)中外三層設(shè)計(jì)，起到防撞、隔音效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；自助巡邏；多模態(tài)自主切換導(dǎo)航；噪音示警；防撞結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0182-04

0 引言

圖書館秩序維護(hù)是圖書館運(yùn)營的重要一環(huán)，以往的秩序維護(hù)依靠的是工作人員巡邏，遇見大聲喧嘩的讀者還需要人工來提醒，這項(xiàng)工作頗為耗時費(fèi)工。要想維持好秩序又要省力，用機(jī)器人來代替人是個不錯的方式。而人工智能的崛起，為這種想法提供了可實(shí)現(xiàn)的途徑。各國的圖書館也嘗試用機(jī)器人代替人工，如David Portugal， Rui P. Rocha提出的合作移動機(jī)器人團(tuán)隊(duì)[1]。LuMarie Guth 提出的在學(xué)術(shù)圖書館應(yīng)用網(wǎng)真機(jī)器人[2]。張文竹，邵波提出的智能機(jī)器人技術(shù)在圖書館信息服務(wù)中的應(yīng)用[3]。但大家關(guān)注的重點(diǎn)落在讀者問題解答和信息服務(wù)等領(lǐng)域，在圖書館秩序維護(hù)上的領(lǐng)域尚屬空白。本文設(shè)計(jì)了一種可自動巡邏、噪音示警、遠(yuǎn)程監(jiān)控的自主巡邏示警機(jī)器人來填補(bǔ)這一領(lǐng)域空白。該機(jī)器人可提高圖書館的自動化程度和運(yùn)營效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本機(jī)器人采用激光雷達(dá)技術(shù)、基于RFID的室內(nèi)定位、WIFI技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、傳感器等技術(shù)，機(jī)器人在巡邏過程中采用激光雷達(dá)和雙目攝像頭、GPS、WIFI定位來進(jìn)行環(huán)境勘探，透過激光雷達(dá)和紅外避障傳感器、防跌落傳感器避開障礙物，運(yùn)用可信度檢驗(yàn)的來進(jìn)行多模態(tài)自主切換導(dǎo)航的條件，巡視過程中通過聲源測量分析與判定是否超過設(shè)定的噪聲閾值，如超出則觸發(fā)人體紅外線感應(yīng)判別是否是人，如是人則觸發(fā)攝像頭全程攝像，并觸發(fā)人臉識別感應(yīng)器抓拍在場當(dāng)事人，與此同時觸發(fā)報(bào)警裝置（報(bào)警燈和語音報(bào)警器）發(fā)出警告，并通過加數(shù)傳模塊傳遞后臺通過RFID、GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行定位準(zhǔn)確告知遠(yuǎn)程端口目前所處的方位和聲音大小。為了更好地達(dá)到防撞和和隔音效果，在形體結(jié)構(gòu)上采用了三層設(shè)計(jì)的思路包括不倒翁式內(nèi)核、防撞隔音軟板中層、反光膜外層。整個自主巡邏噪音示警機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件方案設(shè)計(jì)

智能示警機(jī)器人的硬件系統(tǒng)由自主巡邏導(dǎo)航子系統(tǒng)、噪音檢測子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)三大部分組成。

2.1 巡邏導(dǎo)航子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在圖書館的自主巡邏功能，硬件上它由微控制器、電機(jī)及驅(qū)動模塊、6軸運(yùn)動處理組件、雙目攝像機(jī)、激光測距傳感器傳感器、防跌落傳感器等組成。巡邏導(dǎo)航子系統(tǒng)中的雙目攝像機(jī)、激光測距傳感器、紅外線避障傳感器、防跌落傳感器四者相互融合，相互補(bǔ)充，通過運(yùn)用可信度邏輯，根據(jù)圖書館館內(nèi)和庭院的不同環(huán)境進(jìn)行自主切換，從而使用信度較高的導(dǎo)航方式這種多導(dǎo)航系統(tǒng)融合的方式提高了機(jī)器人自主巡邏的范圍和導(dǎo)航精準(zhǔn)度。

多模態(tài)自主切換導(dǎo)航：該系統(tǒng)融合了視覺導(dǎo)航系統(tǒng)和光測距式導(dǎo)航系統(tǒng)，紅外線導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)。因?yàn)闄C(jī)器人是在圖書館內(nèi)部和庭院重復(fù)的巡邏，人員和物品的位置相對不變。因此具備運(yùn)用可信度檢驗(yàn)的來進(jìn)行多模態(tài)自主切換導(dǎo)航的條件。根據(jù)通過反復(fù)巡邏獲得紅外避障導(dǎo)航模塊、激光測距模塊以及雙目攝像頭導(dǎo)航模塊、GPS全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)的N次巡邏的距離數(shù)據(jù)根據(jù)抽出的樣本計(jì)算給定的統(tǒng)計(jì)量T。重復(fù)上述N次，得到N個統(tǒng)計(jì)量T。計(jì)算上述N個統(tǒng)計(jì)量T的樣本方差， 再可以構(gòu)造置可信區(qū)間[4]。獲得第N+1次各導(dǎo)航模塊測量的距離數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)與前面第N次數(shù)據(jù)得出的可信區(qū)間進(jìn)行比較，得到誤差值。選取誤差值中最小值最為第N+1次巡邏的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

電機(jī)驅(qū)動模塊：采用24V的電源，包含2個12V的鋰電池，并預(yù)留出兩個鋰硫電池位置，為今后降低成本提高能源利用率準(zhǔn)備。（鋰硫電池硫作為正極材料，比容量和電池理論比能量較高，分別達(dá)到 1675m Ah/g 和 2600Wh/kg）[5]，其中24V電源給L298N供電，一個12V鋰電池給MCU 供電，另一個12V鋰電池通過LM2576穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換成5V電壓給其他導(dǎo)航模塊供電。機(jī)器人進(jìn)行移動時利用L298N進(jìn)行驅(qū)動，它含兩個直流電機(jī)和一個四線兩步電機(jī)。系統(tǒng)供電如圖2所示。

雙目攝像頭Microvision MV-808H對圖書館里的環(huán)境進(jìn)行拍攝，獲取二維圖像并傳輸給圖像采集卡MV-8002，再傳輸給現(xiàn)場可編程門列陣（FPG）再通過圖像處理軟處理、分析、獲取關(guān)于機(jī)器人前進(jìn)過程中的障礙物信息，再通過在處理器（DSP）高精度的視覺SLAM算法和空間運(yùn)動追蹤算法規(guī)劃出安全抵達(dá)終點(diǎn)的行進(jìn)路線。視覺導(dǎo)航流程圖如圖3所示：

激光測距傳感器通過前后左右4束激光束，光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時器測定激光束從發(fā)射到接收的時間，lM4i_44xx高速AD采集進(jìn)行4通道數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換，通過數(shù)字信息處理終端進(jìn)行處理。從而算出障礙物離機(jī)器人的距離。這樣機(jī)器人的姿態(tài)參量融合跟蹤性能較好，提高了機(jī)器人控制的穩(wěn)定性和魯棒性[6]。

紅外線傳感器進(jìn)行障礙物檢測，8路紅外線發(fā)射與接收管組成檢測單元，其中左前2路和右前2路用于檢測周邊是否存在障礙物；左下2路和右下2路用于檢測地面落差。通過紅外線反射傳感器發(fā)現(xiàn)障礙物后，經(jīng)過接收管、信號處理電路將低電平送入MCU控制器。

2.2 噪音示警子系統(tǒng)

噪聲傳感器采集好噪音，通過濾波器、示波器和A/D，將電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號傳到單片機(jī)，進(jìn)行處理。在這過程中多源噪音是通過疊加，獲得的最終的噪聲分貝值。而最終的分貝值再與設(shè)定好的噪聲閾值進(jìn)行比較。如超過既定值，則觸發(fā)人體紅外線感應(yīng)器去判別是否是人為噪音。如檢測到人的波段，則觸發(fā)攝像頭開始全程攝像，與此同時觸發(fā)人臉識別感應(yīng)器抓拍在場當(dāng)事人。并觸發(fā)報(bào)警裝置（報(bào)警燈和語音報(bào)警器）發(fā)出警告，與此同時將數(shù)據(jù)傳輸云服務(wù)器和pc端。噪音示警流程圖如圖4所示。

（1）噪聲傳感器：采用丹麥gras噪聲傳感器，此傳感器內(nèi)置電容式駐極體話筒，駐極體面中金屬板與背電極相對，從而形成一個平板電容。通過聲波引起薄膜震動改變兩極板之間的距離，再通過Q=CU可知，改變電容，在電量不變的情況下，電壓會改變。它使用具有雙線系統(tǒng)的厚膜恒流電源（CCP）來做為前置放大器。再通過場效應(yīng)管（FET）來將高阻電容取出并放大。從而使光信號裝換成為電信號。

（2）濾波器：采用NFQJ-DM5731帶通濾波器，通過濾波器過濾其他頻率聲音，只保留人耳聽見的：20Hz～20000Hz之間的頻率通過，它有三位LED數(shù)碼管顯示濾波器的中心頻率，有31段按照1/3倍頻程頻率點(diǎn)分布的帶通濾波器[7]。

（3）示波器：采用GDS-2202，200MHz頻寬1GSa/s即時取樣率以及25GSa/s等效取樣率、2M記錄長度，它的2M記錄長度不僅支持長時間的波形存儲，也對后期分析提供了充足的數(shù)據(jù)支持[8]。它有2通道輸入為今后多源聲源區(qū)分預(yù)留出通道，它自帶5.6吋TFT彩色LCD熒幕很好的即時顯示出波段，把噪聲變?yōu)榱炕牟ǘ螆D展示給噪聲區(qū)域的陪同孩子們的大人觀看。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)配置有綜合管理軟件、無線網(wǎng)絡(luò)（無線網(wǎng)卡、無線路由）、全球定位模塊（GPS接收機(jī)和衛(wèi)星天線）、PC端、云終端（存儲服務(wù)器、解碼服務(wù)器）。利用無線網(wǎng)和全球定位系統(tǒng)（當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)癱瘓時備用）獲取處理好的導(dǎo)航地圖、噪音波形圖形、攝像文件、抓拍的人臉圖片等。在通過綜合管理軟件分析，通過其自動備份系統(tǒng)上傳給云終端的存儲服務(wù)器和解碼服務(wù)器。

無線網(wǎng)絡(luò)的選取上需要滿足機(jī)器人巡邏過程中上傳導(dǎo)航數(shù)據(jù)、地圖、攝像文件、圖片、音頻的需要。需要大帶寬、高效的數(shù)據(jù)吞吐量和強(qiáng)勁的負(fù)載能力。

無線網(wǎng)卡：選FLUKE的AM/C1080，它支持10/100/1000Mbps。無線路由：COMLLI的AC1000主芯片支持I7，內(nèi)存最大可以是4GDDRFLASH32G。GPS定位模塊：ES-RT03是厘米級高精度定位模塊，滿足機(jī)器人近距離的移動，具有三級濾波高效抗干擾性強(qiáng)，并支持L1&L2GPS，GLONASS和北斗多種衛(wèi)星定位。云終端：選取華為的私有云，它包含虛擬化層、云平臺層云服務(wù)層，由各個服務(wù)組件提供不同的云服務(wù)能力；統(tǒng)一管理層；以及聯(lián)接公有云實(shí)現(xiàn)混合云部署的[9]。

3 機(jī)械及形體設(shè)計(jì)

3.1 底盤設(shè)計(jì)

由于圖書館位置相對經(jīng)常緊湊，讀者座位與座位之間空間相對狹窄，因此機(jī)器人需要在狹窄的空間內(nèi)完成轉(zhuǎn)動。目前使用常規(guī)驅(qū)動輪的自動引導(dǎo)運(yùn)輸車靈活性不夠，在狹小的空間作業(yè)困難，應(yīng)用場合受到限制[10]。為了保障機(jī)器人更平穩(wěn)的運(yùn)行，在底盤設(shè)計(jì)上采用一個萬向輪調(diào)控，三輪驅(qū)動的方式。三輪驅(qū)動采用麥克納姆倫，三個輪放置在圓盤形底座上分別等分圓周。萬向輪在圓心處。麥克納母輪圓周上分布著數(shù)個小輪子，這些小輪子可以子自身軸線上自由運(yùn)動產(chǎn)生軸向分力，從而使得機(jī)器人能在任意方向直線、旋轉(zhuǎn)和前兩者組合的三個自由度上運(yùn)動。

由于機(jī)器人在圖書館庭院巡邏時可能遇到掉落的樹枝、和泥土塊損傷底盤。為了保護(hù)底盤，固在底盤周邊裝上防撞裝置。軌道對稱設(shè)置，連接后防撞板，后防撞板上依次連接中防撞板和前防撞板，中防撞板和前防撞板在彈簧緩沖桿和復(fù)位彈簧的作用下，呈朝向彎折[11]。

3.2 防撞隔音形體

形體結(jié)構(gòu)分三層：不倒翁式內(nèi)核、防撞隔音軟板中層、反光膜外層。

（1）不倒翁式內(nèi)核：圖書館讀者眾多，尤其是小讀者喜歡奔跑，機(jī)器人巡邏過程中由于反應(yīng)速度的問題來不及回避，就很容易被奔跑或快速行走的讀者撞到。撞倒后一方面可能沖撞的回彈力可能會碰傷讀者，另一方面機(jī)器人屬于精密儀器內(nèi)巨大的沖撞力很可能破壞其內(nèi)部多種傳感器的靈敏度。為了降低碰撞對讀者回彈力和保護(hù)好機(jī)器人，在外在形體上采用雞蛋不倒翁樣式。機(jī)器人外殼如雞蛋一樣外光滑無菱角，上小下大，重心下移。上半身是空心，下半身開始為空心，快到底盤處為實(shí)心，因此除了雙目攝像頭放在不倒翁眼睛處，其余傳感器都下半生接近底盤處。盡量使得重心和接觸點(diǎn)的距離最小。當(dāng)機(jī)器人處于平衡時，重心和地面接觸點(diǎn)的距離最小，使得重心最低。當(dāng)被沖撞偏離平衡位置后，接觸點(diǎn)隨之移動，形成了新的接觸點(diǎn)，即形成了新的支點(diǎn)。當(dāng)?shù)挚沽氐扔诟蓴_力矩能新的平衡位置，碰撞力的干擾終止。

（2）阻燃隔音防撞軟板中層：在機(jī)器人不倒翁形體的外部包裹一層阻燃隔音防撞軟板，即可降低機(jī)器人行走過中的噪音又可保護(hù)機(jī)器人內(nèi)部精密儀器、減少對沖撞者的回彈力度。

（3）反光膜（夜間防水反光膜）外層：為了更好的在庭院陰雨天和夜晚、巡邏，在機(jī)器人的形體的最外層覆蓋上反光防水膜。反光膜選取3M的第三代鉆石反光貼，采用高耐候性高透光材料，無懼風(fēng)吹日曬，與此同時它使用全棱鏡反光技術(shù)，讓反光亮度得以極大提升。

4 存在不足

（1）機(jī)器人在動作簡單的時候相對安靜，存在忽然出現(xiàn)嚇到用戶的可能。機(jī)器人的近距離接觸會使一些用戶感到不適，應(yīng)該有一條路線或限定區(qū)域[12]。但如果限定區(qū)域，會使一部分人鉆空子避開這些限定的區(qū)域，躲在巡邏不到地方講話，這又與機(jī)器人自主巡邏是為了保持圖書館秩序有序矛盾。

（2）由于CCP的驅(qū)動電壓較低使得它在動態(tài)范圍內(nèi)的最大大輸出信號職能在8Vpeak，與此同時它還必須使用預(yù)極化麥克風(fēng)。盡管GRAS是世界上第一個引入1/4的“預(yù)極化麥克風(fēng)”，并且已經(jīng)發(fā)布了1/8的“預(yù)極化麥克風(fēng)”，但可用的預(yù)極化麥克風(fēng)的范圍仍然不像外部極化的麥克風(fēng)那么寬，外部極化麥克風(fēng)可以處理高達(dá)50Vpeak輸出信號[13]。

（3）機(jī)器人在進(jìn)行噪聲檢測時，只能將多源噪音疊加。如遇到同一時間不同地點(diǎn)（相聚比較近）的幾組人講話，機(jī)器人不能區(qū)分哪組聲音大，且哪組人的聲音已經(jīng)超過了特定分貝。而是把幾組聲音疊加，有可能這幾組分開的聲音都較小不影響讀者看書，而疊加在卻超出了特定閾值促發(fā)人體紅外線感應(yīng)從而攝像、抓拍和警告。

5 結(jié)語

本智能噪音示警機(jī)器人能夠自主巡邏、精簡人力、提高圖書館運(yùn)營效率，但還存在一些不足尤其是與工作人員人工勸告相比更缺乏了情感方面的交流。但它是實(shí)現(xiàn)圖書館的智能化的一項(xiàng)嘗試，這個方向是正確的。世界上已經(jīng)有科學(xué)家在關(guān)注和嘗試解決這方面的問題：如LINW.Yueh和H.P.B[14]對兒童用戶與圖書館機(jī)器人之間的互動關(guān)系之間的研究。我相信情感交流問題的解決也指日可待。機(jī)器人“上崗”只是走向智慧圖書館的一個縮影[15]。現(xiàn)在世界先進(jìn)的圖書館如德國洪堡大學(xué)圖書館和日本大阪市立大學(xué)已開始使用機(jī)器人來取代工作人員[16]。在不久的將來會有更多的、各種功能的機(jī)器人走進(jìn)圖書館，圖書館的智能化水平也會越來越高，智慧型圖書館將取代以往的圖書館，圖書館將進(jìn)入3.0時代。

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Abstract：The maintenance of Library order consumes a lot of manpower and material resources. In order to realize the intellectualization of library， an autonomous patrol intelligent noise warning robot is proposed. The robot uses radar， binocular camera， GPS and WIFI to survey， uses a variety of sensors to avoid obstacles， and uses reliability test to carry out multi-modal autonomous switching navigation. Through the measurement of sound source and infrared radiation of human body to judge the artificial noise， and trigger the alarm device， the machine has three layers of internal and external structure design， which has the effect of anti-collision and sound insulation.

Key words：robot； self-service patrol； multi-mode autonomous switching navigation； noise warning； anti-collision structure