基于SLAM的智能機器人在大型樞紐機場的應用

李名杰 詹紅梅

（1.北京大興國際機場，北京 102602；2.廈門瑞為信息技術(shù)有限公司，福建 廈門 361004）

0 引言

隨著我國民航事業(yè)的快速發(fā)展，飛機出行越來越普及，這對民航出行服務提出了更高的要求。目前，智能服務機器人已經(jīng)廣泛應用于生活的方方面面，可以更廣泛地代替人工從事各種生產(chǎn)作業(yè)，大大降低了人工成本。服務機器人智能化的工作模式可以有效地提高其工作效率，并在一定程度上提供基于科技發(fā)展的多項智能化服務，現(xiàn)已應用于教育、家庭、交通以及救援等領(lǐng)域。

隨著市場需求和技術(shù)的發(fā)展，服務機器人的發(fā)展空間將繼續(xù)擴大。機器人除了需要具備日常乘客所需的基本信息查詢功能外，還需要進一步豐富和完善它的個性化服務功能。因此，在大型樞紐機場應用基于SLAM 的智能機器人，可以實現(xiàn)行李放置功能、跟隨功能，使機器人化身為乘客的得力助手，對提升旅客出行服務具有重要意義。

1 系統(tǒng)整體設計

1.1 SLAM

同時定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM ）涉及一系列復雜的計算和算法，需要利用傳感器在未知環(huán)境中構(gòu)建地圖和結(jié)構(gòu)，并確定設備的位置和方向。因此，SLAM 問題可以轉(zhuǎn)化為移動機器人位置運動和觀測信息的概率計算問題。針對某大型樞紐機場具有空間大、人員復雜以及服務項目繁多的特點設計了智能化機器人，與傳統(tǒng)的機場航顯設備相比，該機器具有靈活性高、服務主動性強的特點。SLAM 智能服務機器人在航站樓場景下，可通過面部識別技術(shù)獲取旅客行程信息，為旅客提供航班查詢、路線引導以及行李搬運等便捷服務。

1.2 機器人導航中的同步定位

當移動機器人進入陌生環(huán)境時，要解決“我在哪”以及“我周圍的環(huán)境是怎樣的”2 個問題，只有這樣才可以更好地進行移動和工作。項目采用激光雷達SLAM 技術(shù)，該技術(shù)源于早期的一些基本測距和定位方法，例如紅外傳感器測距和超聲波傳感器測距。激光雷達對機場周邊的物體進行感知、采集，獲取物體在三維空間中的坐標和類別信息，并形成點云數(shù)據(jù)集。將點云數(shù)據(jù)集與不同渠道的數(shù)據(jù)進行融合，實現(xiàn)機器人確定運動距離、感知環(huán)境變化以及移動定位的功能。

1.3 機器人導航中的地圖構(gòu)建

在原有SLAM 的基礎上以及場景地圖信息構(gòu)建的掃描匹配過程中，多種常用方法將迭代最近點法與鄰域法結(jié)合在一起，以不同的機器人運行速度實時調(diào)整并構(gòu)建簡單的場景地圖，在一定程度上提高了SLAM 的效率和質(zhì)量。

1.3.1 避障

機器人需要在運動過程中解決的問題就是避障，而障礙物一般分為靜態(tài)障礙物和動態(tài)障礙物，例如人體、柱子等。在靜態(tài)障礙物避障方面，基于矢量場直方圖法的自適應閾值避障方法解決了機器人移動過程的靜態(tài)礙物，為保障避障時的絕對安全，在設定閾值時，需要讓機器人多跑線路，再取一個相對安全值。在避開動態(tài)障礙物方面，采用基于相對坐標系的避障方法，即避開靜態(tài)障礙物的坐標系，在機器人移動過程中根據(jù)自身尺寸，利用所攜帶傳感設備，實現(xiàn)在移動過程中動態(tài)避障的功能。

1.3.2 構(gòu)建實際應用地圖

構(gòu)建在航站樓環(huán)境下的實際應用地圖，例如機場自建的地理信息系統(tǒng)（GIS）將為機器人導航提供更精確的空間數(shù)據(jù)，機器人與GIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接，實現(xiàn)室內(nèi)導航、商業(yè)線路指引等可視化應用。激光雷達建立的掃描圖只有黑色和灰色，分別代表障礙物體和未知區(qū)域，缺少白色區(qū)域，即已知區(qū)域（可通行區(qū)域）。當只有灰色和黑色時，無法在導航中使用該地圖。原激光掃描圖的基礎上對地圖進行美化，以實現(xiàn)可視化呈現(xiàn)的目標。如圖1 所示。

2 機器人機械結(jié)構(gòu)

2.1 驅(qū)動轉(zhuǎn)向模塊

采用雙差速輪高效聯(lián)動變速驅(qū)動和萬向輪輔助裝置，內(nèi)置減速機和250 W 輪轂伺服電機，通過高精度聯(lián)軸器與電機直接驅(qū)動。起動力矩大，易于啟動和停車，適用于人流密集型場景。

2.2 運動控制系統(tǒng)模塊

該模塊采用雙層控制結(jié)構(gòu)，使PLC 系統(tǒng)與控制板相結(jié)合，上位工控機主要用于環(huán)境感知和數(shù)據(jù)處理，下位機接收工控機指令和輔助設備信息，控制驅(qū)動電機，二者通過RS232 通信協(xié)同工作。

2.3 環(huán)境感知模塊

該模塊搭載了視覺傳感器、激光雷達以及紅外等傳感器，將環(huán)境感知的信息上傳給工控機進行處理，同時搭配了32 寸大屏顯示，如圖1 所示。

3 機場服務機器人的應用

3.1 智能服務機器人

機場智能服務機器人（移動式智慧航顯）是一款具備認知能力的機器人，其設計初衷是為旅客提供自助服務，滿足旅客的個性化需求，為旅客提供多元化的服務體驗。該機器人的外形如圖2 所示，該機器人目前已在某大型樞紐機場航站樓為旅客提供服務。雷達掃描儀和攝像頭還可以獲取建筑物信息、繪制機場地圖、進行機場導航、不斷掃描周圍環(huán)境、避開附近的障礙物和人員以及保障運行安全。依托機場“One ID”人像平臺，該機器人還搭載了激光雷達、超聲定位以及人臉識別等多項技術(shù)，可以在人群中自由穿梭。

3.2 機器人在旅客出行中的應用

機場智能服務機器人通過前期掃描繪制航站樓內(nèi)地圖，以實現(xiàn)精準定位的功能。對接機機場“One ID”人像平臺和離港信息系統(tǒng)來說，旅客無須使用身份證驗證，只需要面對機器人，就可以自動完成查詢并提示引導，旅客“即刷即走”。與傳統(tǒng)的航班顯示屏相比，移動式智慧航顯能突出旅客出行的航班信息、航班狀態(tài)、登機口信息以及位置，無須在航班信息引導屏上檢索自己的航班信息，能具體了解登機口位置與路線，可以對乘機時間進行預判。

機場機器人工作地點為室內(nèi)，傳感器須探測機器人本體200 cm 范圍內(nèi)的障礙物，因此，選用的傳感器包括編碼器（測轉(zhuǎn)速，速度控制）、紅外測距傳感器（靜態(tài)避障）、超聲波傳感器（動態(tài)避障，測定障礙物距離）、紅外傳感器測距、激光雷達（判斷有無人員靠近）以及高清雙目攝像機（人臉采集，人臉識別比對）。

其中，人臉識別采集采用基于位置信息與表征信息融合的跟蹤算法對視頻序列中的相同目標進行跟蹤，為每個目標分配獨立的ID 號，當人低頭或者人臉被其他人或物體遮擋時，通過頭肩檢測算法依然能夠準確地進行跟蹤，確保人員檢測目標跟蹤的準確性，對于同一個ID 號的所有人臉，臉部抓拍攝像頭內(nèi)嵌的人臉質(zhì)量算法通過角度、模糊度以及光照亮度等信息綜合評判1 張人臉圖片的質(zhì)量評分，即從同一個旅客名下的所有人臉圖片中篩選質(zhì)量最優(yōu)的1 張圖片，將最優(yōu)的人臉部分裁剪后上傳至機器人內(nèi)嵌電腦。當旅客再次出現(xiàn)在機器人前面時，攝像頭自動抓拍人臉，并與之前存儲人臉圖像進行比對，從而完成查詢登機口、查詢線路、驅(qū)動機器開艙門以及行駛等任務。

機器人安裝的超聲波傳感器利用發(fā)生器發(fā)射超過頻率大于20 kHz 的聲波，采用I/O 口TRIG 觸發(fā)測距（需要大于或等于10 μm 的高電平才能觸發(fā)測距）。模塊自動發(fā)送8個頻率為40 kHz的方波來檢測返回信號。返回信號通過I/O 口輸出高電平，返回信號的脈沖寬度與距離成正比。測距公式為L=C×t/2（其中，L 為測量的距離長度；C 為超聲波在空氣中的運動速度；t 為從發(fā)出信號到接收信號的時間差）。紅外傳感作為測距和障礙物避讓的一種補充，當機器人遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，通過反射光線的強弱判斷障礙物的距離。當檢測到障礙物時，紅色指示燈點亮，端口輸出低電平。傳感器輸出端口OUT 可以直接連接單片機I/O 口，在單片機接收外部中斷信號后，通過設定的機器人內(nèi)部程序改變底盤的運動方向和速度，完成機器人躲避障礙物的動作。機場服務機器人采用6 路紅外避障，均布在機器人圓形底盤上，通過機器人可以了解周邊障礙物的信息，同時結(jié)合超聲波傳感器探測到的障礙物信息，從而繪制環(huán)境中障礙物的總分布圖。機器人根據(jù)分布圖來判斷周邊障礙物的情況，根據(jù)設定的避障算法調(diào)節(jié)電機方向和速度，進而有效躲避障礙物。

3.2.1 查詢登機口

查詢登機口的步驟如下：1） 視頻流檢測可用人臉，抓拍到可用人臉后將圖像發(fā)送到人臉比對模塊進行人臉1∶N比對（N 為人臉庫中所有人臉照片的數(shù)量）。2） 通過比對找到人臉關(guān)聯(lián)查詢用戶的登機口信息。3） 返回用戶登機口數(shù)據(jù)。

3.2.2 行李托運

行李托運的步驟如下：1） 視頻流檢測可用人臉，抓拍到可用人臉后保存到本地，并將其作為打開行李艙門時驗證的底庫人臉圖像。2）當打開艙門時，視頻流檢測抓拍的可用人臉圖像后，將其與本地保存的底庫人臉圖像進行1 ∶1比對。2） 比對成功，向艙門輸出打開艙門信號，艙門打開。

3.2.3 移動導航

移動導航的步驟如下：1） 應用程序向底盤傳入終點的點位名稱，下發(fā)移動任務。2）底盤接收移動任務，開始移動。3） 將移動任務執(zhí)行結(jié)果發(fā)送至應用程序。

3.3 拓展應用

3.3.1 乘機服務

機器人還可以應用于行李托運環(huán)節(jié)，通過識別旅客身份及航班信息，將旅客信息運送到行李托運處并完成托運。

3.3.2 商業(yè)拓展

未來機器人可結(jié)合商業(yè)系統(tǒng)實現(xiàn)航站樓內(nèi)商業(yè)店鋪引導并開啟跟隨模式，旅客可將行李放置在機器人存儲倉內(nèi)，暢享機場提供的商品與美食，也可以實現(xiàn)商品廣告推薦功能。

圖1 智能感知設備示意圖

圖2 機場智能服務機器人（移動式智慧航顯）

3.3.3 全景人員巡視

機器人可用于全景人臉巡視，機器人四周設計有雙目攝像頭，可全方位識別周圍人臉信息，區(qū)分VIP 客戶和異常人員（包括航班臨飛找尋人員、托運行李異常人員、行跡可疑人員以及外貌可疑人員等），結(jié)合業(yè)務的具體需求，機器人將針對不同人群做出不同反應，可作為現(xiàn)有機場安保系統(tǒng)的補充力量。

3.3.4 巡檢及勤務輔助

機器人可更精細地區(qū)分人流密度（某一區(qū)域不同人群類型的密集度），可為機場勤務安保、商業(yè)選址提供數(shù)據(jù)參考及決策支持。

4 旅客隱私保護及敏感信息處理

4.1 信息采集階段

當旅客靠近智能機器人設備時，不自動開啟拍攝和收集功能。

在智能機器人服務的首頁，清晰地顯示2 種查詢航班信息的選項，即輸入證件號/航班號查詢或使用人臉識別。

如果旅客選擇使用人臉識別進行查詢，就可以在設備屏幕上顯示告知“我們將收集您的人臉信息并做必要處理，以匹配查詢航班和登機口信息”，并提供“同意”、“不同意”選項供旅客選擇。在旅客結(jié)束服務后，自動退出查詢結(jié)果頁面，返回首頁顯示頁面。

4.2 信息存儲階段

系統(tǒng)僅保留旅客的查詢記錄和航班信息并生成日志，其作用主要是當查詢出現(xiàn)錯誤時用于查找原因，在日志中不保留旅客的人臉信息。

以加密的形式存儲旅客的人臉信息，并設置訪問權(quán)限機制，同時保留訪問和傳輸?shù)募夹g(shù)日志。

5 函數(shù)及接口設計

5.1 協(xié)議形式和連接方式

基于TCP socket 的網(wǎng)絡通信，協(xié)議接口內(nèi)容采用類url的字符串格式，接口反饋數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用json 格式，同級字段間沒有前后關(guān)系，解析時使用json 的標準解析方式。

連接方式為TCP 連接，網(wǎng)絡設置為TCP 客戶端，服務器端口為31001，服務器IP 地址如下：1） 192.168.10.10（這個是底盤主機的靜態(tài)IP 地址，TCP 客戶端主機需要通過路由器等設備與底盤主機建立局域網(wǎng)連接，有相同網(wǎng)段192.168.10.*）。2）底盤通過API 連接局域網(wǎng)Wi-Fi， 再通過API 獲取的局域網(wǎng)IP。

5.2 導航任務相關(guān)接口

接口描述如下：參數(shù)中的location 的坐標是相對于“地圖”坐標系的，由于直接調(diào)用（x、y、θ）在使用中不夠直觀和方便，因此提供“事先標錨點，而后使機器人重返錨點”的工作形式，“錨點”統(tǒng)一用marker 代稱。在機器人采用自動導航和避障的過程中，機器人會自動規(guī)劃路徑和調(diào)節(jié)速度，不需要操作者干預，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 導航任務相關(guān)接口參數(shù)表

6 結(jié)語

航站樓智能服務機器人所代表的自助服務是智慧機場建設中的重要環(huán)節(jié)，可以在提高旅客出行體驗、節(jié)約機場人力資源成本方面發(fā)揮重要作用。某大型樞紐機場在國內(nèi)其他機場中率先啟用SLAM 智能服務機器人，并不斷對結(jié)果進行優(yōu)化處理，為旅客提供相關(guān)服務（例如航站樓問詢指引、行李搬運、店鋪推薦、機場游玩攻略、登機口智能尋人、餐飲配送以及樓內(nèi)巡查等），后續(xù)可通過與各品牌門店營銷活動、機場活動等進行關(guān)聯(lián)，加強航站樓運營的服務保障，從而顯著提高旅客出行舒適度與便捷性。