智慧導(dǎo)覽機器人的研究與應(yīng)用

梅術(shù)龍，朱林峰，潘小芳，桂堯天，王林通訊作者）

（1.武漢商學(xué)院機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430056；2.武漢商學(xué)院文旅產(chǎn)業(yè)研究中心，湖北 武漢 430056）

0 引言

近年來，隨著人們消費水平和生活品質(zhì)不斷提高，旅游成為越來越多人的度假選擇，這使得旅游業(yè)近年來迅速發(fā)展。然而，日益增長的旅游數(shù)量給旅游景點帶來了較大挑戰(zhàn)。如何以有限的資源來解決游客們的問題，以滿足游客們的需求，推動旅游業(yè)轉(zhuǎn)型升級是旅游業(yè)有待思考的問題。

從當(dāng)今社會的發(fā)展趨勢來看，智能化和智慧化正在對越來越多行業(yè)進行重塑，各領(lǐng)域以及各行業(yè)正在由傳統(tǒng)模式向智能硬件模式轉(zhuǎn)變，旅游業(yè)也不例外。當(dāng)前，機器人已廣泛應(yīng)用于工商業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域，并取得了顯著成效。利用機器人推動旅游業(yè)的智能化升級將是未來發(fā)展的重點。根據(jù)旅游行業(yè)環(huán)境分析，近年來國內(nèi)旅游業(yè)迅速發(fā)展，導(dǎo)致旅游行業(yè)對導(dǎo)游這個職業(yè)的需求十分旺盛。但是由于就業(yè)門檻高，導(dǎo)游培訓(xùn)周期長，導(dǎo)游行業(yè)基本是供不應(yīng)求。在這種情況下，導(dǎo)覽機器人可以有效地緩解以上狀況。就導(dǎo)覽機器人的實際應(yīng)用而言，機器人確實已能勝任多種服務(wù)任務(wù)，如講解、對話、導(dǎo)航、宣傳、運輸?shù)取＞哂休^強的實用性、高效率、低成本等特點[1]，可以代替導(dǎo)游的一些基礎(chǔ)而簡單工作。

機器人的發(fā)展為旅游業(yè)帶來了新的發(fā)展方向，特別是機器人和人工智能的發(fā)展與應(yīng)用，解決了旅游業(yè)發(fā)展中的諸多問題。旅游景區(qū)通過部署導(dǎo)覽機器人，來解決導(dǎo)游短缺、景區(qū)維護費用高、游客無法及時滿足觀賞需求等方面問題，不僅給景區(qū)帶來了巨大的效益，而且也給游客帶來了便利。

1 整體設(shè)計方案

1.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是導(dǎo)覽機器人研究的基礎(chǔ)，機器人運動部分采用三輪全方位運動結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)水平面全方位運動，一定程度上保證了行駛穩(wěn)定性、安全性和效率。受到全向輪結(jié)構(gòu)特點的限制，在綜合考慮到成本問題，此機器人采用三輪全向移動結(jié)構(gòu)，可以在水平面內(nèi)所有方向上運動，且運動的安全性、平穩(wěn)性、效率得到一定的保障。底盤的三輪驅(qū)動輪通常由三個全向輪組成，三個一樣的輪子由三個數(shù)據(jù)型號相同的電機進行驅(qū)動。三個輪子都是徑向?qū)ΨQ安裝，它們之間的角度為120°。

圖1 全向移動結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

為方便使用者上手導(dǎo)覽機器人，需要研究良好的用戶操作界面。包括數(shù)據(jù)采集層、算法處理層、顯示層設(shè)計，通過系統(tǒng)軟件開發(fā)，一方面提供友好、易于操作的用戶界面及詳細(xì)的用戶使用說明，為了便于普通用戶快速掌握軟件系統(tǒng)的使用方法，另一方面提供設(shè)計合理、使用方便的軟件功能，方便使用者省時省力地上手導(dǎo)覽機器人。

圖2 操作界面開發(fā)模型

1.3 感知系統(tǒng)設(shè)計

該機器人配備多種類型內(nèi)外傳感器，組成多傳感器系統(tǒng)。多傳感器系統(tǒng)的工作原理是合理地控制和利用這些傳感器以及傳感器的觀測信息，然后根據(jù)一定的準(zhǔn)則，將這些由多個或多個互補性的時間和空間上傳感器觀測信息的結(jié)合，得到對被觀測對象的解釋和描述[2]。機器人通過傳感器系統(tǒng)感知外界事物，在主控板獲取到外界信息后，再進行相應(yīng)的控制，傳感器它包含了視覺、碰撞、紅外、力覺、觸覺、超聲波、超聲波、激光雷達等多種傳感器[3]。傳感器通過模擬接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦靼澹靼逄幚砥湫盘柡螅瑫龀鱿鄳?yīng)的響應(yīng)，通過接口將動作信號傳輸?shù)诫姍C控制板。這些傳感模塊提高了機器人的機動性以及安全性。

圖3 多傳感器交互系統(tǒng)

1.4 供能系統(tǒng)設(shè)計

智能導(dǎo)覽機器人的電池對安全性和可靠性要求很高，要求電池重量輕，容量足夠大，能夠提供大電流放電，保證使用壽命長，軟包鋰離子電池較符合上面的要求。軟包鋰離子具有能量密度（容量）大、安全性能高、大電流放電能力強（內(nèi)阻小）、抗壓性強、低溫性能優(yōu)良等特點，所以選用軟包鋰離子電池符合導(dǎo)覽機器人的要求。

2 功能及其原理

為使導(dǎo)覽機器人能夠高效地完成更多不同的功能、任務(wù)，必須對其智能化控制技術(shù)進行研究。導(dǎo)覽機器人擁有全面豐富的及時數(shù)據(jù)庫以及信息平臺來滿足智能路徑規(guī)劃與導(dǎo)航、智能語音交流等人性化功能，除此之外，通過激光雷達以及彩色攝像頭、紅外傳感器對外界獲取信息送至主控板，并做出相應(yīng)的信息反饋控制各個電動機控制器，可實現(xiàn)自主避障、游客身份識別等功能，具體功能設(shè)計及其原理如下。

2.1 自主巡航設(shè)定

本機配備360度環(huán)狀高精度雷達，可對周圍復(fù)雜環(huán)境進行掃描定位，將采集到的信息輸入嵌入式開發(fā)板，以感知周圍環(huán)境并進行自身定位[4]。由人工通過遠程電腦終端對導(dǎo)覽機器人進行后臺設(shè)定相應(yīng)的巡航路線點后，通過激光雷達、超聲波、紅外傳感器等輔助引導(dǎo)導(dǎo)覽機器人，每隔一段時間便會自主規(guī)劃路線地前往到設(shè)定的目的地，在目的地駐留固定時間后前往下一設(shè)定目的地，達到路線巡航，若此間有人使用超過設(shè)定的駐留時間，導(dǎo)覽機器人也會做出相應(yīng)改變，在待游客使用完成后，才前往下一設(shè)定點。（如圖5）黑色部分為機器人檢測到的障礙物，機器人會圍繞著規(guī)劃好的0，1，2號點進行一個路徑巡航作業(yè)。

圖4 路徑巡航展示

圖5 紅外避障原理圖解

通過激光雷達在景區(qū)進行高精度定位，可為游客查詢周邊情況，如尋找最近的廁所位置、零售店等，并可進行導(dǎo)航帶路。通過激光雷達實時檢測各區(qū)人流量，再以導(dǎo)航進行路線規(guī)劃，在各個路口位置可為游客提供前往目的地的最佳路徑，有效解決景區(qū)的擁堵問題。

在一定的時間內(nèi)游覽多個景點，完成設(shè)定的巡航任務(wù)，并自動回到出發(fā)點。運動控制模塊是運動任務(wù)的重要執(zhí)行模塊，運動控制模塊接收任務(wù)調(diào)度模塊發(fā)送的運動數(shù)據(jù)[5]，軌跡規(guī)劃器和動作選擇器根據(jù)收到的運動數(shù)據(jù)生成詳細(xì)運動規(guī)劃，并通過多個插補器將電機的運動數(shù)據(jù)傳送到下一步。運動執(zhí)行模塊對導(dǎo)覽機器人的底盤運動進行控制，采用比例積分-微分控制方式。

2.2 智能語音交流

導(dǎo)覽機器人通過互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，通曉多國語言，場景定制知識庫、閑聊庫，人機互動升級服務(wù)體驗，做出精確的多語種對答，能夠有效地幫助各國各地游客解決各種問題。并且還能夠進行人機交互，機器人精通各種網(wǎng)絡(luò)流行語，給游客帶來獨特的吸引力。導(dǎo)覽機器人進行聲音拾取的過程，第一步通過麥克風(fēng)采集聲音，麥克風(fēng)采集到的是模擬信號，系統(tǒng)對模擬信號進行處理，以得到采集聲音的數(shù)字信號[6]；下一步，對數(shù)字信號進行放大、降噪、回聲一致等操作，清晰度和信噪比將有很大的提高，最后這些聲音數(shù)字信號將被傳送到機器人的系統(tǒng)。聲音信號在清晰化操作后繼續(xù)傳送給文字識別系統(tǒng)，通過標(biāo)準(zhǔn)語言訓(xùn)練獲得的聲學(xué)模型進行匹配和解碼譯碼，從而得到一個較為精確的文字識別結(jié)果[7]。系統(tǒng)就會轉(zhuǎn)換為導(dǎo)覽機器人能理解的指令。將文字導(dǎo)入到語音庫中，然后把答案轉(zhuǎn)換成語音播放。

2.3 平臺信息展示

導(dǎo)覽機器人裝有一塊電容觸摸液晶屏。觸摸屏可實現(xiàn)各種信息畫面展示與觸摸控制功能，游客可以在上面查看到各種信息，如當(dāng)前位置信息、熱點新聞、安全知識科普、景區(qū)介紹與引導(dǎo)、推薦景區(qū)的各種特色活動以及優(yōu)惠信息、失物招領(lǐng)等。

2.4 智能自主避障

導(dǎo)覽機器人身上配有各種類型內(nèi)外傳感器，組成多傳感器系統(tǒng)，在導(dǎo)覽機器人進入工作地點后，面對一些可移動且不可知的障礙物，所規(guī)劃的路線無法避開那些路障，這種情況下，需要機器人具備一定的應(yīng)變能力，才能順利完成指定工作任務(wù)。導(dǎo)覽機器人不僅裝有主要的紅外傳感器，并且配合有超聲波傳感器輔助避障。能夠做到高精度的避障[8]。其由信號發(fā)射器與信號接收器部分構(gòu)成，能夠有效地監(jiān)測周圍路況，對路線進行處理，有效避開障礙物，并防止碰撞到游客。

具體流程為，安裝的紅外線傳感器和超聲波傳感器發(fā)出檢測障礙物信號，當(dāng)檢測到障礙物和導(dǎo)覽機器人之間的距離在設(shè)定距離范圍之內(nèi)時，單片機對不同傳感器檢測的障礙物距離數(shù)據(jù)分別進行處理分析，根據(jù)設(shè)定的控制規(guī)則，對電機控制器發(fā)出執(zhí)行命令，電機控制器控制電機驅(qū)動輪轂調(diào)整運作姿態(tài)的同時準(zhǔn)確避開障礙物。直到未檢測到障礙物的傳感器到達檢測到障礙物的傳感器的所在位置，并通過紅外線和超聲波傳感器再次檢測；當(dāng)兩組傳感器均檢測到障礙物時，單片機控制機器人本體避障；當(dāng)未檢測到障礙物的傳感器依然未檢測到傳感器，則單片機向移動終端發(fā)出未檢測到障礙物傳感器的故障信息。

2.5 游客身份識別與體溫異常篩選

機器人區(qū)分?jǐn)?shù)字、字符、形狀和顏色的能力可以提高機器人的視覺和定位能力。該機器人配有高清人臉識別攝像頭和紅外傳感器，對周圍環(huán)境進行深度感知，并對第一時間引導(dǎo)用戶進行拍照，收集公眾信息，不斷豐富公眾的個人畫像，建立更完整的個人信息。基于龐大的用戶數(shù)據(jù)庫，通過比對驗證人臉和身份證信息，服務(wù)準(zhǔn)確快速。該機器人配有紅外人體傳感器，由信號發(fā)射器與信號接收器兩部分組成，通過發(fā)射紅外線，接收并處理返回的模擬信號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，進而顯示出目標(biāo)溫度，通過不斷監(jiān)測景區(qū)游客的體溫[9]，及時篩查體溫異常情況。

3 方案創(chuàng)新點

3.1 智慧程度高

在人工智能與機器人發(fā)展及其應(yīng)用的基礎(chǔ)上，設(shè)計的導(dǎo)覽機器人除了具備常規(guī)的智能對話、景區(qū)介紹等功能外，還具有路徑規(guī)劃導(dǎo)航、智能自主避障等眾多的智慧功能。

3.2 硬件技術(shù)強

（1）激光雷達SLAM技術(shù)，其對于周圍環(huán)境特征的掃描重建能力相當(dāng)強悍，不僅可用于避障，且結(jié)合一定的技術(shù)，還可達到一定范圍人流密度實時監(jiān)測的效果。（2）采用了紅外線技術(shù)，具有高靈敏度、高安全度性、高可靠性、超低功耗的特點。為增大感應(yīng)角度的范圍，應(yīng)采用圓形透鏡，使探頭四面都能感應(yīng)到人體的紅外信號。（3）在綜合考慮到成本等問題后，導(dǎo)覽機器人采用三輪全向移動結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)水平面上的全方位移動，并且行駛的平穩(wěn)性、安全性、效率都有一定的保障。（4）該主控芯片采用STM32芯片。具有高達72M的頻率、數(shù)據(jù)、指令各走不同的流水線，保證CPU運行速度的最大化。控制方便，功能齊全。（5）語音識別模塊芯片LD3320是一款專為“語音識別”而設(shè)計的芯片，它可以識別所有普通話中文，該芯片是集成語音信號收集和識別算法。

3.3 安全性能好

機器人不僅裝有主要的紅外避障傳感器，并且配合有超聲波傳感器輔助避障。能夠做到高精度的避障。其由信號發(fā)射器與信號接收器部分構(gòu)成，能夠有效地監(jiān)測周圍路況，對路線進行處理，有效避開障礙物，并防止碰撞到游客，充分保障安全。

3.4 支持二次開發(fā)

機器人主體預(yù)留有大量端口，支持二次開發(fā)，可外加上其他各類設(shè)備如攝像頭、傳感器等對機器人實現(xiàn)更多功能拓展，滿足個性化的設(shè)定。

4 結(jié)語

本文針對國內(nèi)外傳統(tǒng)景區(qū)建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀的不足，介紹了一款全新的智能導(dǎo)覽機器人，從外部結(jié)構(gòu)設(shè)計、內(nèi)部系統(tǒng)框架設(shè)計、功能及其原理等多個方面開展研究，并通過人工智能技術(shù)、科學(xué)、文化的融合創(chuàng)新不斷深化，滿足了游客的碎片化需求、提高旅游服務(wù)效率和促進文旅產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。推動智慧旅游發(fā)展壯大，實現(xiàn)經(jīng)濟和社會效益雙豐收。產(chǎn)品除了具備常規(guī)的智能對話、景區(qū)介紹等功能外，還具有路徑規(guī)劃導(dǎo)航、智能自主避障、游客身份識別等諸多智慧功能，是一款具有推廣價值的智能導(dǎo)覽機器人，研究成果必將在相關(guān)領(lǐng)域帶來一定的影響力。