高校智能導(dǎo)覽機(jī)器人創(chuàng)新應(yīng)用

文/李哲 林馳 郭曉明

智能導(dǎo)覽機(jī)器人研究背景

科學(xué)技術(shù)、計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，推動經(jīng)濟(jì)、社會、生活等諸多方面的變革。機(jī)器人融合了信息、通信、人工智能技術(shù)，其技術(shù)含量較高。服務(wù)型機(jī)器人作為機(jī)器人分類中的重要分支，主要用于服務(wù)人類、為人類的生活提供便利。

智能導(dǎo)覽機(jī)器人作為服務(wù)型機(jī)器人，主要用于各種展覽館、博物館或其他會展中心，沿固定軌跡引導(dǎo)游客參觀，并進(jìn)行相應(yīng)講解以及簡單的會話交流。良好的人機(jī)交互系統(tǒng)，有助于帶給用戶更好的體驗。

對于高校校史館而言，包括已經(jīng)逐步建立起的虛擬校史館，是從傳統(tǒng)型向新時代智能信息化發(fā)展必然，具體可以體現(xiàn)在展館的安全管理信息化、穩(wěn)定的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境部署、對外展示系統(tǒng)信息化、對內(nèi)辦公系統(tǒng)自動化等方面。

基于這樣的需求，本文著眼于為高校校史館提供更好的個性化服務(wù)的目標(biāo)，設(shè)計并研究了一款智能導(dǎo)覽機(jī)器人，以大連理工大學(xué)校史館為使用場景，研究面向展館導(dǎo)覽功能的人機(jī)交互系統(tǒng)，實現(xiàn)導(dǎo)覽過程中的服務(wù)功能，力求將對外的展示系統(tǒng)通過服務(wù)型機(jī)器人的方式向訪客提供更直觀的沉浸式體驗，從而提升校史館的吸引力與服務(wù)水平。

智能導(dǎo)覽機(jī)器人主要功能及框架

主要功能介紹

大連理工大學(xué)檔案館（校史館）

作為信息科技時代的新型產(chǎn)物，高校校史館智能導(dǎo)覽機(jī)器人能夠充分發(fā)揮科學(xué)技術(shù)在文化領(lǐng)域的積極作用。其主要功能針對館內(nèi)需要解說的地點進(jìn)行路徑規(guī)劃，沿固定路線到達(dá)標(biāo)記點后停頓，識別目標(biāo)處的二維碼并進(jìn)行語音播報講解?？紤]到校史館人來人往的情況，需要為智能機(jī)器人提供自主避障功能，當(dāng)機(jī)器人感應(yīng)到障礙物時，會重新規(guī)劃路線，避開障礙物。館內(nèi)需解說的信息以二維碼的形式呈現(xiàn)，需要為智能機(jī)器人提供二維碼識別功能，識別二維碼設(shè)置的文字信息后，智能機(jī)器人將文字信息轉(zhuǎn)成語音播報。

智能導(dǎo)覽機(jī)器人可投入應(yīng)用的場景包括：

業(yè)務(wù)講解。可以根據(jù)設(shè)定好的線路自動運行到目的地，帶領(lǐng)訪客游覽校史館，并給出基本的介紹，講解的內(nèi)容根據(jù)二維碼的設(shè)定可以自主定義，展示場館場景、展品特色和相關(guān)服務(wù)內(nèi)容，而真人導(dǎo)覽員則可以輔助回答參觀者隨時提出的發(fā)散性問題，作為智能導(dǎo)覽機(jī)器人的介紹補(bǔ)充。

主題宣講。在不間斷的團(tuán)體參觀活動中，機(jī)器人可根據(jù)展館場景情況自定義的工作方式和行走路線，自動循環(huán)運作，通過專業(yè)知識的輸入和學(xué)習(xí)，為參觀團(tuán)體提供相應(yīng)的主題宣講活動，并做好接待工作。

智能導(dǎo)覽機(jī)器人整體框架

該智能導(dǎo)覽機(jī)器人選用Core X 控制器，其主要部分有視覺模塊，并搭載了超聲波模塊、測速電機(jī)、尋線傳感器、語音輸出等模塊，系統(tǒng)框圖如圖1 所示，可實現(xiàn)定速行駛、巡線避障、語音播報等功能。由視覺模塊可以實現(xiàn)二維碼的識別，再通過語音輸出模塊將識別到的信息轉(zhuǎn)化成語音的形式輸出，并經(jīng)由控制器進(jìn)行配置，就能實現(xiàn)現(xiàn)有的需求，組成一個簡化版本的導(dǎo)覽機(jī)器人。

圖1 導(dǎo)覽機(jī)器人系統(tǒng)框

智能導(dǎo)覽機(jī)器人主要性能特點

多功能性。服務(wù)型機(jī)器人的特點之一就是具有多項功能。智能導(dǎo)覽機(jī)器人除了具備自主行走、語音合成等基礎(chǔ)功能之外，還具有多媒體播放、二維碼識別、主動迎賓、宣傳講解等功能，此外，智能導(dǎo)覽機(jī)器人還能自主避障、自主充電。

精準(zhǔn)性。由于智能導(dǎo)覽機(jī)器人中內(nèi)置了高精度的芯片，其中的程序都是根據(jù)機(jī)器人服務(wù)對象的特征和使用需求而設(shè)計出來的，因此，智能導(dǎo)覽機(jī)器人投入使用之后，能夠根據(jù)程序的設(shè)定以及人們給予的指令精準(zhǔn)地執(zhí)行各種任務(wù)，協(xié)助人類去完成許多可替代/輔助人類的工作。

協(xié)作交互性。服務(wù)型機(jī)器人發(fā)明生產(chǎn)出來的目的就是為人們提供服務(wù)的，因此，服務(wù)型機(jī)器人會內(nèi)置許多程序，在實際的應(yīng)用過程當(dāng)中，服務(wù)型機(jī)器人還可以與人協(xié)作，在人們需要完成一些具有高難度的工作時，機(jī)器人就可以與人進(jìn)行協(xié)同工作，有人負(fù)責(zé)做出事情的判斷決策，機(jī)器人來負(fù)責(zé)“定量”計算和推理，從而讓工作更加出色地完成。

智能導(dǎo)覽機(jī)器人技術(shù)及原理

路徑規(guī)劃與自主避障功能設(shè)計

路徑規(guī)劃與自主避障功能的實現(xiàn)是導(dǎo)覽機(jī)器人的一個重要問題。它的目標(biāo)是在一個存在障礙物的環(huán)境中，為導(dǎo)覽機(jī)器人設(shè)計一條無碰撞路徑，即使碰到障礙物，也能自主規(guī)避。

為了實現(xiàn)到目標(biāo)展區(qū)的自動導(dǎo)航，需要主次解決機(jī)器人定位、目標(biāo)定位、路徑規(guī)劃、自動導(dǎo)航四個步驟，其中前兩個步驟分別實現(xiàn)源點和目標(biāo)點定位，路徑規(guī)劃是核心。規(guī)劃好路徑之后，驅(qū)動機(jī)器人的硬件部分，實現(xiàn)自動導(dǎo)航。

實現(xiàn)機(jī)器人的定位，可采用激光傳感器對周圍的環(huán)境信息進(jìn)行掃描，之后進(jìn)行全局定位，以便機(jī)器人獲取本身在地圖中的準(zhǔn)確位置。

目標(biāo)定位問題，用戶通過機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)界面上的點擊操作或者語音方式告訴導(dǎo)覽機(jī)器人準(zhǔn)備到達(dá)的目標(biāo)位置。

路徑規(guī)劃與導(dǎo)航問題，可采用包括路徑規(guī)劃以及耗散地圖管理的相關(guān)算法的開源框架。在具體業(yè)務(wù)流程中，數(shù)據(jù)被發(fā)送至程序包，包括機(jī)器人的姿態(tài)、位置順序，再對目的地進(jìn)行定位，之后通過內(nèi)部的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航功能模塊，實現(xiàn)對目標(biāo)位置的最優(yōu)導(dǎo)航與路徑規(guī)劃。

避障系統(tǒng)通過激光雷達(dá)與深度相機(jī)進(jìn)行全方位的場景掃描，檢測出機(jī)器人周圍的障礙物分布情況后把障礙物信息傳輸給控制系統(tǒng)。目前主流的機(jī)器人避障方式有激光雷達(dá)避障、單目/雙目視覺避障、3D結(jié)構(gòu)光避障和超聲波避障等。本系統(tǒng)結(jié)合激光雷達(dá)避障反應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)和視覺避障識別效率高的優(yōu)點，在避障性能上要優(yōu)于其他同類產(chǎn)品。

相關(guān)傳感器技術(shù)

為了使智能導(dǎo)覽機(jī)器人正常工作，需要監(jiān)控智能導(dǎo)覽機(jī)器人的位置、姿態(tài)和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)等，同時還要感知機(jī)器人工作環(huán)境的靜態(tài)和動態(tài)信息，使導(dǎo)覽機(jī)器人的行為能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。有效獲取智能導(dǎo)覽機(jī)器人內(nèi)部和外部信息，實現(xiàn)自定位和避障等功能對提升機(jī)器人工作效率、節(jié)省能源來說具有重要意義。傳感器作為機(jī)器人的“感覺器官”，在其應(yīng)用發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)目前已開發(fā)的各類傳感器在機(jī)器人上應(yīng)用的目的和范圍的不同，可將其分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。內(nèi)部傳感器用于檢測機(jī)器人的自身狀態(tài)，外部傳感器安裝在機(jī)器人上，用于檢測機(jī)器人所處的外部環(huán)境信息。

激光雷達(dá)避障原理。激光雷達(dá)是一種利用激光準(zhǔn)確定位障礙物距離的儀器。激光雷達(dá)的發(fā)射器發(fā)射激光脈沖，遇到障礙物時會反射回來并被接收器接收，通過記錄時間差來確定測試對象和測試點之間的距離。激光脈沖從發(fā)射到接收的時間與激光雷達(dá)與障礙物之間的距離成正比。激光雷達(dá)配合SLAM 技術(shù)，可幫助機(jī)器人實時定位導(dǎo)航與避障。

視覺傳感識別二維碼。二維碼識別主要是通過調(diào)用視覺傳感器設(shè)備來快速回調(diào)攝像機(jī)并進(jìn)行相應(yīng)應(yīng)用，當(dāng)一次回調(diào)的圖像無法識別時，將執(zhí)行下一次回調(diào)，直到識別出二維碼。

由于二維碼大小和顯示模糊程度不同等原因，攝像機(jī)有時無法很好地采集圖像。因此，為了實現(xiàn)更快的識別，攝像機(jī)需要能夠自動聚焦。識別完成后，會提醒用戶并完成機(jī)器人的語音，從而實現(xiàn)語音解釋功能。

語音合成技術(shù)

語音合成技術(shù)（Text To Speech）是實現(xiàn)人機(jī)交互的重要途徑，它是一種從文本中自動生成語音的程序，將消息從機(jī)器傳輸給人，目的是傳遞消息中的信息。換句話說，語音合成就是創(chuàng)建一個與人類性能相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)。在語音合成技術(shù)中，主要分為文本分析階段和語音生成階段，文本分析階段就是文本輸入并將其轉(zhuǎn)錄成語音表征，然后對語音表征進(jìn)行預(yù)處理；語音生成階段是從文本分析階段所得到的語音表征中生成語音從而實現(xiàn)發(fā)聲的功能，這也被稱為數(shù)字信號處理。