圖書館自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用探討

李翠花

摘 要：文章對圖書館磁、光、聲、視覺、慣性和GPS自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)類型，以及圖書館自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)的部分應(yīng)用實(shí)例等進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：圖書館；智能化機(jī)器人；自動導(dǎo)航機(jī)器人

中圖分類號：G250文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-1588（2019）03-0080-03

在以智能化為主要特征的4.0時代，多種類型的智能化機(jī)器人技術(shù)正在快速進(jìn)入圖書館應(yīng)用領(lǐng)域。作為具有移動功能的圖書館智能化機(jī)器人，其自動導(dǎo)航技術(shù)是賦予移動機(jī)器人感知能力和行動能力的三大關(guān)鍵技術(shù)之一，也是智能化移動機(jī)器人的一個重要特征[1]。

1 圖書館磁自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)類型

1.1 圖書館磁自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)

圖書館智能化移動機(jī)器人最重要的功能之一就是能夠?qū)崿F(xiàn)自動導(dǎo)航。根據(jù)不同場所使用機(jī)器人的不同設(shè)計(jì)需求，兩種或兩種以上的自動導(dǎo)航技術(shù)混合或聯(lián)合使用，能補(bǔ)齊各自的短板。目前，在圖書館智能化機(jī)器人的自動導(dǎo)航技術(shù)類型中，有磁、光、聲、視覺、慣性和GPS等多種自動導(dǎo)航技術(shù)類型。其中，光導(dǎo)航技術(shù)類型中的激光自動導(dǎo)航技術(shù)類型成為圖書館機(jī)器人應(yīng)用的主力導(dǎo)航類型。磁自動導(dǎo)航技術(shù)類型的原理是通過磁場強(qiáng)度的變化和作用賦予機(jī)器人感知能力和行動能力。機(jī)器人的感知能力是通過機(jī)器人對周圍環(huán)境進(jìn)行行幀數(shù)字掃描、收集掃描數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)、進(jìn)行邏輯判斷而實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人的行動能力是在感知過程結(jié)束后，做出行動選擇，規(guī)劃行進(jìn)路徑，從而實(shí)現(xiàn)按照預(yù)定路徑發(fā)生物理位移行為而實(shí)現(xiàn)的。

1.2 圖書館尋磁自動導(dǎo)航與電磁自動導(dǎo)航機(jī)器人技術(shù)

尋磁自動導(dǎo)航技術(shù)的工作原理是利用磁條傳感器，通過檢測磁場強(qiáng)度識別機(jī)器人所要行走的路徑。它可以使機(jī)器人始終遵循并保持在固定的磁軌道內(nèi)，而磁傳感器對磁場方向的檢測則可以使機(jī)器人辨識運(yùn)動的方向。尋磁自動導(dǎo)航技術(shù)具有不受聲音和光線影響、磁軌道鋪設(shè)簡單、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。電磁自動導(dǎo)航技術(shù)的工作原理是通過在機(jī)器人途經(jīng)的規(guī)劃路徑上鋪設(shè)多條金屬線引導(dǎo)電纜，且在金屬線上加設(shè)頻率不同的導(dǎo)引電流，通過磁感應(yīng)線圈對電流的檢測，即通過對導(dǎo)引頻率的識別，感知機(jī)器人經(jīng)過時所產(chǎn)生的路徑信息。電磁自動導(dǎo)航技術(shù)具有不受聲音和光線影響、鋪設(shè)引線隱蔽、抗污染和抗破損能力強(qiáng)、便于控制、通信及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。但它與尋磁自動導(dǎo)航技術(shù)相比，其缺點(diǎn)是路徑難以擴(kuò)展，適應(yīng)復(fù)雜路徑的局限性較大，這也是電磁自動導(dǎo)航技術(shù)最大的短板[2]。

2 圖書館光自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)類型

2.1 圖書館激光自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)

激光自動導(dǎo)航技術(shù)的工作原理是由激光器發(fā)射出一個激光信號，根據(jù)從物體反射回來信號的時間差計(jì)算機(jī)器人與物體之間的距離，根據(jù)發(fā)射激光的角度確定物體和發(fā)射器的角度，通過距離與角度相結(jié)合，從而確定機(jī)器人與物體相向的準(zhǔn)確位置[3]。它是目前最穩(wěn)定、最可靠、性能最高的自動導(dǎo)航技術(shù)類型之一，同時具有連續(xù)使用壽命長、后期改造成本低等優(yōu)點(diǎn)。在激光自動導(dǎo)航技術(shù)的模式方面，采用激光自動導(dǎo)航技術(shù)的圖書館智能化機(jī)器人一般同時配備自主導(dǎo)航模式和固定導(dǎo)航模式兩種激光自動導(dǎo)航模式。自主導(dǎo)航模式的自動化程度更高，它可以使機(jī)器人在陌生的環(huán)境中行走完一個完整的循環(huán)路徑后，即可自主繪制出所經(jīng)過路徑的地圖模板。根據(jù)該地圖模板，它會啟用自主導(dǎo)航模式，自動規(guī)劃導(dǎo)航的行走路徑，以及啟動自動規(guī)避功能進(jìn)行自動避障。

2.2 圖書館紅外光自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)

典型的紅外光傳感器包括兩個主要構(gòu)成部分，即固態(tài)發(fā)光二極管和固態(tài)光敏二極管。前者用于發(fā)射紅外光，后者用于接收紅外光。紅外光自動導(dǎo)航技術(shù)的工作原理是由紅外光敏二極管接收由紅外發(fā)光二極管發(fā)射、經(jīng)過調(diào)制并反射的信號，通過紅外光傳感器可以測出機(jī)器人距離目標(biāo)物體的位置，進(jìn)而通過其他的信息處理方法實(shí)現(xiàn)對移動機(jī)器人的自動導(dǎo)航。它具有自動導(dǎo)航靈敏度高、角度分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此，該類自動導(dǎo)航技術(shù)更適合圖書館智能化移動機(jī)器人。如：機(jī)器人在書庫中行走時，遇到在書庫中瀏覽的讀者可以啟動自動避障功能，防止與讀者發(fā)生碰撞。紅外光自動導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)常被用在圖書館文獻(xiàn)拾取所用的多關(guān)節(jié)機(jī)器人中，構(gòu)成文獻(xiàn)拾取機(jī)器人手臂的“敏感皮膚”，從而可以檢測到文獻(xiàn)拾取機(jī)器人手臂運(yùn)行過程中遇到的各種物體。

3 圖書館聲自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)類型

3.1 圖書館超聲波自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)

超聲波被應(yīng)用于機(jī)器人，是一種典型的聲自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)類型。超聲波自動導(dǎo)航技術(shù)的程序經(jīng)歷了發(fā)出超聲波、反射超聲波和接收反射波三個過程。發(fā)出超聲波的工作是由超聲波傳感器的發(fā)射探頭完成的，反射超聲波是指超聲波在傳輸介質(zhì)中遇到障礙物返回，接收反射波是由接收系統(tǒng)完成，通過計(jì)算超聲波發(fā)出及反射回波的時間差和傳播速度，得出超聲波傳播的距離，進(jìn)而獲得機(jī)器人與障礙物之間的距離[4]。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三個方面：一是源于超聲波傳感器所具有的高、快、廉等特點(diǎn)，即距離分辨率高、采集信息速率快、制造成本低廉。二是測距速度快捷，數(shù)據(jù)的實(shí)時性能優(yōu)良。三是不易受外界環(huán)境條件的影響，如氣候條件、光線條件、障礙物的陰影，以及物體表面的粗糙程度等。

3.2 圖書館超聲波自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)的改進(jìn)措施

超聲波自動導(dǎo)航技術(shù)也并非是十全十美的。例如，超聲波傳感器自身就存在鏡面反射問題和有限的波束角問題。技術(shù)上的解決方法通常是設(shè)置多個傳感器相互配合，聯(lián)合構(gòu)成一整套超聲波傳感器系統(tǒng)。因?yàn)閱蝹€超聲波傳感器難以充分獲知周邊的環(huán)境信息，而多個傳感器組成的超聲波傳感器系統(tǒng)則可以充分發(fā)揮其聯(lián)合效能。其他的解決方法是將發(fā)射裝置與接收裝置分開設(shè)置，在移動機(jī)器人上安裝超聲波發(fā)射探頭，在環(huán)境地圖中布置多個接收裝置，通過串行通信先把超聲波傳感器采集到的信息傳遞給移動機(jī)器人的控制中心，控制中心再根據(jù)采集到的信號及所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行相對應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，最終使機(jī)器人得到準(zhǔn)確位置的環(huán)境信息。

4 圖書館視覺自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)類型

4.1 圖書館視覺自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)

目前，圖書館視覺自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)也被稱為即時定位與地圖構(gòu)建自動導(dǎo)航技術(shù)。視覺自動導(dǎo)航技術(shù)的實(shí)現(xiàn)要經(jīng)過四個工作階段，即視覺信息采集階段、視覺信息壓縮階段、視覺信息反饋階段和視覺信息處理階段，視覺自動導(dǎo)航技術(shù)的工作原理就體現(xiàn)在這四個階段中。視覺信息采集是通過攝像頭對機(jī)器人周邊的環(huán)境進(jìn)行圖像信息收集；視覺信息壓縮是計(jì)算機(jī)將采集到的光學(xué)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字壓縮；視覺信息反饋是將壓縮后的數(shù)字信息反饋到計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)子系統(tǒng)中，該系統(tǒng)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)成；視覺信息處理是將圖像信息與機(jī)器人的實(shí)際位置相互關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的視覺自動導(dǎo)航技術(shù)功能。

4.2 圖書館視覺自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)的改進(jìn)措施

在圖書館視覺自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)系統(tǒng)中，國內(nèi)外應(yīng)用較多的傳統(tǒng)方式是為機(jī)器人安裝車載攝像機(jī)。由于受車載攝像機(jī)數(shù)量不能太多的限制，這種方式屬于一種基于局部視覺的自動導(dǎo)航方式。在采用視覺自動導(dǎo)航的技術(shù)類型中，控制設(shè)備和傳感裝置都被固定安裝在機(jī)器人的移動車體上，其視覺圖像識別和行走路徑規(guī)劃等都由車載控制計(jì)算機(jī)指揮和實(shí)施完成。為了突破車載攝像機(jī)數(shù)量的制約，目前很多視覺自動導(dǎo)航機(jī)器人技術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)采用CCD圖像傳感器，用以替代價格昂貴且數(shù)量受限的車載攝像機(jī)系統(tǒng)[5]。如：其中的面陣CCD圖像傳感器采集的視覺圖像分辨率最高可達(dá)到1024×1024像素，能滿足機(jī)器人在圖書館工作中的圖像信息采集需求。

5 圖書館慣性和全球定位系統(tǒng)自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)類型

5.1 圖書館慣性自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)

在圖書館慣性自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人的技術(shù)類型中，有采用陀螺儀簡寫方式進(jìn)行慣性自動導(dǎo)航的技術(shù)類型。慣性自動導(dǎo)航技術(shù)是一種相對簡單的自動導(dǎo)航技術(shù)類型，多被用于較為簡單的機(jī)器人。它的基本原理是在牛頓力學(xué)定律的基礎(chǔ)上，利用慣性元件通過測量載體在慣性參考系中的加速度，對時間進(jìn)行積分，并將其變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中加以運(yùn)算，進(jìn)而得到機(jī)器人所需要的有關(guān)運(yùn)行速度、移動方向、所處位置的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。它在一般情況下采用的傳感器組合是三軸陀螺儀加三軸加速度計(jì)，用以完成載體的姿態(tài)解算和位置解算。為了進(jìn)一步提高自動導(dǎo)航的精準(zhǔn)度，圖書館一般使用傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，同時配合使用二階或高階龍格庫塔方程等方法。

5.2 圖書館全球定位系統(tǒng)自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)

全球定位系統(tǒng)（GPS）自動導(dǎo)航技術(shù)的工作原理是采用偽距差分動態(tài)自動導(dǎo)航方法，用基準(zhǔn)接收機(jī)和動態(tài)接收機(jī)共同觀測4顆GPS衛(wèi)星，通過GPS模塊實(shí)時接收衛(wèi)星發(fā)射的所有數(shù)據(jù)信息，按照一定的算法，通過與機(jī)器人所處位置坐標(biāo)的比對計(jì)算，求出某時刻機(jī)器人的三維位置坐標(biāo)，從而控制機(jī)器人的運(yùn)行方向，以及實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的精確導(dǎo)航[6]。由于在移動機(jī)器人的導(dǎo)航過程中，移動GPS接收機(jī)的定位精度受多重因素的影響，如衛(wèi)星信號、道路環(huán)境、時鐘誤差、傳播誤差及接收機(jī)噪聲等，單純利用GPS自動導(dǎo)航技術(shù)存在定位精度較低、可靠性不高等問題。因此，GPS自動導(dǎo)航技術(shù)很少被應(yīng)用于圖書館智能化機(jī)器人。

6 圖書館自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)的部分應(yīng)用實(shí)例

6.1 圖書館磁導(dǎo)航智能化機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)例

日本大阪市立大學(xué)圖書館使用的智能化機(jī)器人采用了自動尋磁導(dǎo)航技術(shù)，機(jī)器人的導(dǎo)航是通過預(yù)先埋設(shè)在地面下的磁導(dǎo)引線實(shí)現(xiàn)的[7]。德國洪堡大學(xué)圖書館使用的智能化機(jī)器人采用了電磁自動導(dǎo)航技術(shù)，機(jī)器人以中央閱覽室四周鋼柱上的金屬感應(yīng)條為循跡的依據(jù)，將圖書收納箱自動裝卸在固定的位置。當(dāng)機(jī)器人行駛到電梯門口時，由于電梯門口也設(shè)置有金屬感應(yīng)條，電梯門會自動打開，機(jī)器人駛出后再自動關(guān)閉。南京大學(xué)仙林校區(qū)杜廈圖書館投入使用的第一代智能機(jī)器人移動書車，也采用了電磁自動導(dǎo)航技術(shù)。

6.2 圖書館激光自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)例

南京大學(xué)仙林校區(qū)杜廈圖書館使用的第二代智能化機(jī)器人采用了通過激光傳感器進(jìn)行自動導(dǎo)航的技術(shù)，同時又配套安裝了語音識別和發(fā)聲系統(tǒng)，在工作過程中與讀者相遇時，機(jī)器人通過語音系統(tǒng)能說出一些常用的問候語和交流語言。該類型機(jī)器人的智能化程度也很高，如果它感覺到存儲電量不夠時，即當(dāng)存儲電量降到預(yù)警線以下時，就會根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電量臨界報(bào)警程序自動返回充電。

6.3 圖書館超聲波和光學(xué)導(dǎo)航智能化機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)例

除主要采用的磁自動導(dǎo)航和激光自動導(dǎo)航技術(shù)類型外，圖書館智能化機(jī)器人還有多種其他類型的自動導(dǎo)航技術(shù)可供設(shè)計(jì)和研發(fā)時參考和選擇。超聲波自動導(dǎo)航技術(shù)是利用仿聲學(xué)超聲波傳感器發(fā)射和接受超聲波信號的原理進(jìn)行工作的。采用超聲波自動導(dǎo)航技術(shù)類型的圖書館智能化機(jī)器人2016年已經(jīng)在新加坡圖書館被投入使用，這款自主式機(jī)器人同時還利用了激光自動導(dǎo)航技術(shù)。它在利用超聲波和激光器掃描檢查書架后，可將掃描數(shù)據(jù)編寫并生成關(guān)于書架上文獻(xiàn)丟失或排架錯誤的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率高達(dá)99%[8]。光學(xué)自動導(dǎo)航技術(shù)類型的圖書館智能化機(jī)器人采用了紅外光學(xué)傳感技術(shù)的自動導(dǎo)航原理，目前已經(jīng)在西班牙卡斯捷羅大學(xué)圖書館投入使用。

7 結(jié)語

隨著我國基本實(shí)現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化步伐的加快，大量不同類型的圖書館智能化機(jī)器人將被投入圖書館的管理和服務(wù)工作中，如咨詢問答、自動導(dǎo)航、識別定位、文獻(xiàn)拾取、文獻(xiàn)掃描及文獻(xiàn)巡架等，從而為我國進(jìn)入無人圖書館時代奠定良好的基礎(chǔ)。

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（編校：孫新梅）