融合自主漫游及遠程監控的圖書館移動機器人系統設計

王展妮， 張國亮， 武浩然， 歐信非， 胡鑫

(華僑大學 計算機科學與技術學院， 福建 廈門361021)

融合自主漫游及遠程監控的圖書館移動機器人系統設計

王展妮， 張國亮， 武浩然， 歐信非， 胡鑫

(華僑大學 計算機科學與技術學院， 福建 廈門361021)

針對當前圖書館數字視頻監控在動態交互響應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控站系統模型.在硬件層面，將傳感器配置、嵌入式系統、電源驅動、運動控制及網絡通信等進行整合，并給出四輪移動機器人平臺機構和電路設計方案.在軟件控制設計層面，通過將自主漫游及遠程監控融合，使監控端和操作端均不再受到時間和空間的限制，提高監控系統整體的智能性和靈活性.實測結果表明: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； 智能監控

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

圖1 移動機器人系統架構Fig.1 Framework of mobile robot system

(a) 正面 (b) 側面 (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架構

1.1 平臺機構設計及功能

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

隨車攜帶的筆記本電腦既是系統控制的中樞，同時也是系統的動力中樞.智能手機或Web客戶端是基于TCP/UDP協議與其進行雙向通信，并由協議轉換程序通過USB接口將控制指令發送給嵌入式控制板；經過分析判斷后，輸出控制指令給伺服電機驅動板和直流電機，控制移動機器人實現雙輪差動運動.嵌入式系統只負責電機驅動，而自主規劃、網絡通信、視覺識別等復雜運算均利用筆記本電腦的計算資源實現，從而使軟硬件具有相對獨立性.

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

1.2 硬件電路設計

機器人的硬件電路設計主要包括嵌入式驅動控制、運動控制及夜視照明3個模塊.

1.2.1 嵌入式系統控制板 在嵌入式系統運動機構中，采用Arduino微處理器作為驅動電機、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主要包括兩個底部的驅動輪和調整攝像頭觀測角度的俯仰機構，3個運動機構分別與3個小型直流(DC)電機連接.考慮到驅動輪的承載扭矩較大，在設計中采用具有L293DD H橋芯片的Arduino擴展板對兩個驅動輪DC電機控制，而俯仰機構的電機直接由Arduino進行PWM控制.

1.2.2 電力驅動及運動控制 機器人的電力驅動保證機器人在脫離外接電源的狀態下，在較長時間內持續進行工作.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、無線網絡連接和攝像頭等，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動，兩前輪萬向輪輔助的機械結構.機器人在接到上層指令后，通過對嵌入式系統控制，驅動DC電機對后兩輪進行前進后退或者偏轉角度的控制，而轉向是通過左右后輪差速轉動實現.

1.2.3 夜視燈光及照明系統 照明系統保障機器人在缺少外部光源的情況下，對周圍環境進行監控并進行目標識別.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類實現調用攝像頭驅動獲取圖像流用于視頻通話.當視野過暗時，會向筆記本電腦發送打開燈光請求，使機器人在黑暗環境下仍有漫游能力.

2 軟件與控制系統分析與設計

機器人軟件系統是實現機器人導航、避障等功能的核心，包括遠程監控和自主漫游兩項內容.一方面,采用慎思-反應的混合式分層系統結構作為自主漫游軟件系統框架;另一方面，將遠程無線通信、自主充電、流媒體視頻傳輸等多項功能融合，實現操作員監督下的遠程監控.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備隨時對機器人監督指導，僅在緊急或必要的時候接管控制權，發出相應指令.這種控制方案減輕了操作者的勞動強度，提高了系統自主化的程度，同時對環境的變化也具有良好的適應性.

2.1 基于慎思-反應的混合式的自主漫游軟件系統框架

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

機器人控制結構采用慎思-反應混合式三層控制體系結構，即控制層、執行層、感知層，其框架結構如圖3所示.這種結構在框架的上層采用基于地圖及行為的慎思處理，主要實現地圖的更新及行為的決策；而在系統結構的底層則采用反應式的結構，即利用移動機器人機載的傳感器構成感知功能層，傳感數據通過USB總線傳送給筆記本電腦進行慎思決策.這種混合式的結構使機器人不僅能夠隨時留心環境中的所有可能出現的危險情況，而且由于加入了高層的慎思指導，即使在傳感器數據錯誤或者缺乏的情況下，機器人也能夠及時快速地做出調整，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，主要用于收集機器人外部環境信息，以便于機器人做出及時且有效的決策.針對本機器人系統，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境信息與自身認知信息，如定位、目標匹配等，作為地圖創建、更新和轉化的依據;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境變化做出響應.

2.1.2 慎思決策層 該模塊主要承擔高層的宏觀指導作用,如任務調度與決策、序列規劃和導航等.該模塊可根據任務需求從感知模塊與地圖處理模塊獲取實時信息和經驗信息，并以此進行任務決策和復雜行為協調等.規劃模塊還負責將復雜行為拆分為基本行為，以及復雜行為的自適應.

2.1.3 執行命令層 執行功能模塊處在體系結構的最底層，根據基本行為管理模塊的決策結果執行動作.該模塊從慎思層獲取命令，并根據感知模塊傳遞來的外部環境信息協調各種基本行為，從而對機器人的各個運動部件發出運動指令，實現預定的功能.

2.2 遠程監控系統軟件系統框架

遠程監控的軟件設計采用B/S架構，涉及客戶端和服務器端兩部分.服務器端控制程序直接建立在四輪機器人上，基于Telnet通訊協議設立管理員賬戶及端口，等待客戶端發起對話.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備通過無線網絡訪問機器人的控制系統，并使機器人進入半自動模式，達到遠程控制的目的.同時，采用流媒體傳輸的方式編碼音、視頻數據，實現可視化遠程控制.通訊連接建立后，客戶端的操作者可隨時向機器人服務器發送指令改變機器人的動作，而機器人自身的狀態也會同步反饋，使操作者對于機器人及其周圍環境能及時了解.

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

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控的實際效果，利用筆記本電腦上的攝像頭和麥克風，在局域無線網環境下測試視頻和音頻數據流的傳輸效果.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生碰面，并進行實時音視頻通話，如圖4所示.

圖4 遠程監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共用一個電源系統，因此，提出利用Windows系統自帶的電池選項對系統電源進行感知.當電能不足時，計算機通過已生成的環境地圖分析出最近的充電電源位置，并利用柵格運動規劃算法規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及充電渡口硬件裝置實現自主視覺伺服充電.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發現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，并根據圖標位置不斷調整自身姿勢，導引機器人與充電渡口進行對接，實現充電.

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；底端狀態條為機器人反饋的信息，右側上部為機器人的控制狀態，下部為手動控制機器人運動及開啟光源調整角度功能區.

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

3.3 圖書館固定監控與移動監控的融合

早上7:00圖書館刷卡處、前臺、后門和閱覽室等處的監控視頻，如圖6所示.由圖6可知：在光照良好的條件下，常規監控在進出口及公共區域監控效果良好.然而，在圖書館照明關閉或照明不理想情況下，部分監控存在失效問題.在凌晨4：00，二期1F秘籍書庫由于配備了紅外監控，能夠對秘籍書庫環境進行監控，但監控效果較自帶光源照明的移動機器人監控差，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控相機，致使出現了監控盲區，與之對比，移動機器人仍能夠對場景環境進行監控，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南側后門

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

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

(a) 紅外監控(二期1F密集書庫) (b) 常規監控(一期1F電梯后樓梯)

(c) 移動機器人夜視監控(二期1F密集書庫) (d) 移動機器人夜視監控(一期1F電梯后樓梯)圖7 常規監控與移動機器人監控分析對比(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，在圖書館內自由運動.機器人在圖書館環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、內部視覺采集圖像、光線調整、聚類分割及規劃路線.與一般的室內機器人導航環境不同，圖書館環境具有場景寬闊，來往人員較多的特點.如果按照傳統的自由漫游導航模式，機器人可能需要經過較長的時間才能到達目標位置.考慮到圖書館內一般在地面或墻面都印刷有特殊的導引標志，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，即將避障行為的優先級設定高于歸航行為.在機器人的漫游過程中，一旦發現導航線，馬上歸入輔助導航模式；而在導航過程中，如果發現動態移動的人員時，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 結束語

針對傳統圖書館監控方法存在的不足，提出融合自主漫游及遠程監控的圖書館的移動智能監控站方法.搭建并設計了軟硬件系統模型，給出了詳盡的四輪移動機器人平臺機構、電路設計及軟件構架模型.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，并結合路徑規劃與視覺目標動態識別實現機器人自主充電，為機器人連續不間斷工作提供了一種可行方案.機器人是實現圖書館作業自動化和智能化的良好載體，具有廣闊的應用前景和發展潛力.

[1] 鄒東偉，黃湘林.基于讀者需求的館藏智能監控[J].高校圖書館工作，2007，27(3):32-34.

[2] 賀文濤.基于Android移動平臺的智能視頻監控系統應用與研究[D].武漢：武漢科技大學，2014:13-22.

[3] 楊思，蔡曉東，李長俊.移動可視化智能監控系統[J].國外電子測量技術，2013，32(4):59-62.

[4] 危思思.基于OpenWrt開源平臺的移動智能裝備[D].杭州：浙江大學，2014:16-27.

[5] 楊建.圖書館移動輔助服務的智能手機端應用設計與實現[D].長沙：湖南大學，2013:23-35.

[6] RAMOS-GARIJO R，PRATS M，SANZ P J，etal.An autonomous assistant robot for book anipulation in a library[C]∥IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics.Washington D C:IEEE Press,2003:3912-3917.

[7] 張曄.無人圖書館圖書自動存取裝量的設計與開發[D].北京：北方工業大學，2012：15-20.

[8] 杜明芳，方建軍，梁嵐珍.圖書館機器人機械手參數自整定模糊PID控制器設計[J]. 智能系統學報，2012，7(2)：161-165.

[9] 崔建偉，宋愛國，莊皓蘭，等.機器人技術在圖書館自動化系統中的應用研究[J].機器人技術與應用，2009(6)：33-35.

[10] DANG Shuping.Library self-delivery robot[D].Manchester:The University of Manchester,2013:2.

[11] ZHANG Junjie,SHANG Tianfei,LIU Yi,etal.Research of mechanical arm real-time motion control[C]∥Proceedings of the 2010 International Conference on E-Business and E-Government.Washington D C:IEEE Press,2010:4321-4323.

[12] 沈紅兵，黃唯.圖書館書庫管理新革命: 圖書館機器人管理書庫的應用研究與啟示[J].農業圖書情報學刊，2011,23(5):97-99.

[13] 賈素娜.基于CAPM的數字圖書館服務研究[J].山東圖書館學刊,2014(1):17-19.

(責任編輯： 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.

福建省自然科學基金資助項目(2016J01302)

TP 242.3; G 258.94

A

1000-5013(2017)03-0391-06