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

馬 雯

濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261000

0 引言

隨著數(shù)字化、智慧化時代的來臨，各種技術(shù)不斷發(fā)展，自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人就是其一。在圖書館中應(yīng)用該技術(shù)，能夠?yàn)閳D書館服務(wù)注入新活力，在有效減少人工成本的同時，提高導(dǎo)航服務(wù)質(zhì)量，以提升圖書館的數(shù)字化發(fā)展水平[1-3]。

1 自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)概述

自主定位導(dǎo)航是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化的前提之一，也是賦予機(jī)器人感知與性能的關(guān)鍵。機(jī)器人在三維空間中，需要通過各種方式實(shí)現(xiàn)自主定位與導(dǎo)航，并需要與人工智能技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)等相結(jié)合，有效提高自動導(dǎo)航的智能化程度，真正做到智能化、擬人化導(dǎo)航，在保障精準(zhǔn)性的同時，有效規(guī)避各種障礙，同時根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情景豐富其功能[4]。

目前，自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)主要建立在視覺定位導(dǎo)航、超聲波定位導(dǎo)航、紅外線定位導(dǎo)航、iBeacon定位導(dǎo)航、燈塔定位導(dǎo)航等自主定位導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)上。其中，視覺定位導(dǎo)航是直接利用單目攝像頭、雙目攝像頭、深度攝像機(jī)、視頻信號數(shù)字化設(shè)備等獲取圖像，并借助視覺傳感器對周圍環(huán)境進(jìn)行光學(xué)處理，壓縮所采集的環(huán)境圖像并傳輸至學(xué)習(xí)子系統(tǒng)，由子系統(tǒng)通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法將圖像信息與實(shí)際位置進(jìn)行聯(lián)系和對照，完成定位。該定位導(dǎo)航方法的優(yōu)點(diǎn)在于應(yīng)用范圍廣，如無人機(jī)、手術(shù)器械、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域均可應(yīng)用；但是，該方法受限于巨大的圖像處理量，對相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的要求較高，同時受光線限制明顯。

超聲波定位導(dǎo)航則是利用超聲波傳感器發(fā)射探頭發(fā)射超聲波并通過接收裝置對返回的超聲波發(fā)射信號進(jìn)行計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)定位。其優(yōu)勢在于成本低廉且不受玻璃、鏡子、黑體等障礙物發(fā)影響；但是其容易受到天氣與周圍環(huán)境的影響，同時存在測距距離短、采集速度慢、導(dǎo)航精度差等問題。

紅外線定位導(dǎo)航是利用紅外線IR標(biāo)識發(fā)射調(diào)制的紅外射線，并運(yùn)用室內(nèi)安裝好的光學(xué)傳感器接收射線，實(shí)現(xiàn)定位。該方法的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離測量以及多個傳感器同步測量；該方法的劣勢則包括檢測的最小距離太大、易受環(huán)境干擾、成本昂貴且被遮擋物遮擋時無法正常工作。

iBeacon定位導(dǎo)航是一項(xiàng)低耗能藍(lán)牙技術(shù)，直接通過Beacon發(fā)射信號并由藍(lán)牙設(shè)備接收反饋信號，僅需3個或以上iBeacon設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航。該技術(shù)的優(yōu)勢在于定位精度高、功耗小、時延低、成本低、傳輸距離遠(yuǎn)；該方法的劣勢包含受環(huán)境干擾大、信號射頻不穩(wěn)定、安裝及維護(hù)難度大、信號易被遮擋等。

燈塔定位導(dǎo)航則是以導(dǎo)航盒發(fā)射出的3個不同角度信號為基礎(chǔ)，通過模擬GPS衛(wèi)星三點(diǎn)定位技術(shù)的方式實(shí)現(xiàn)定位，多用于掃地機(jī)器人等產(chǎn)品。該方法的優(yōu)勢在于引擎穩(wěn)定性高、可自動設(shè)置路徑規(guī)劃；該方法的劣勢在于沒有地圖，需要充電樁或其他輔助裝備，精度較低等。

2 自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)在圖書館中的應(yīng)用

2.1 激光自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人

圖書館自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人的關(guān)鍵作用在于找到圖書的正確位置，同時需要承擔(dān)分析和挖掘讀者閱讀興趣、優(yōu)化采購與擺放等功能[5-6]。這表明圖書館機(jī)器人需要以自主定位導(dǎo)航為基礎(chǔ)功能，以其他的服務(wù)功能為拓展功能，從而在圖書館場地中實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)航與避讓，有條不紊地支持圖書館相關(guān)工作開展。激光自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人正是利用激光反射的方式來對機(jī)器人的位置進(jìn)行定位，從而實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)航。該機(jī)器人需要配備有激光器，并定期向周圍發(fā)射激光信號。激光信號在接觸到圖書館室內(nèi)的墻壁、書架、座椅乃至人體后，會進(jìn)行反射。激光器在接收反射回來的激光信號后，能夠?qū)⒎瓷鋾r間、發(fā)射激光的角度、發(fā)射器角度等重要參數(shù)信息傳輸至智能系統(tǒng)，并在計(jì)算距離和角度后對機(jī)器人與物體之間的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。目前，激光自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人在圖書館中的應(yīng)用最為廣泛，這不僅僅在于激光自主導(dǎo)航定位本身具有穩(wěn)定、可靠、性能好、連續(xù)使用壽命長、后期改造成本低等優(yōu)勢，還在于其能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航與固定導(dǎo)航兩種模式，適用性極強(qiáng)。

2.2 紅外線自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人

紅外線自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人在圖書館中的應(yīng)用也較為廣泛。雖然紅外線定位導(dǎo)航需要設(shè)置大量接收天線，鋪設(shè)導(dǎo)軌，基本上要確保圖書館內(nèi)所有房間都安裝裝置，成本極高，安裝工作量較大，并容易受到黑體、透明物體等的影響，但紅外線定位導(dǎo)航能夠?qū)崿F(xiàn)多個傳感器的同步測量，同時測量范圍廣、相應(yīng)時間短，能夠明顯改善導(dǎo)航效果，從而滿足日益提高的圖書館服務(wù)質(zhì)量要求。紅外線自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人通常配備固態(tài)發(fā)光二極管與固態(tài)光敏二極管，二者分別用于發(fā)射和接收紅外線。實(shí)際上，紅外線定位導(dǎo)航的原理和激光定位導(dǎo)航較為類似，都是通過發(fā)射信號并對發(fā)射信號進(jìn)行分析、計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人與被測物體之間的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測量，從而為自動導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。紅外線定位導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于圖書館的主要優(yōu)勢在于其靈敏度高、角度分辨率高、成本低、安裝簡單等，配合人工智能技術(shù)等能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能，如為機(jī)器人配備多關(guān)節(jié)機(jī)關(guān)手臂，讓機(jī)器人在自動定位導(dǎo)航的基礎(chǔ)上進(jìn)行文獻(xiàn)資料提取，真正構(gòu)建智能化的圖書館服務(wù)體系。

2.3 超聲波自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人

從本質(zhì)上看，超聲波自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人的運(yùn)行原理與激光自動導(dǎo)航技術(shù)、紅外線自動導(dǎo)航技術(shù)的原理并無二致，但是其載體變成了超聲波。機(jī)器人配備有超聲波傳感器，通過傳感器的發(fā)射探頭向外發(fā)射超聲波信號。超聲波信號在遇到障礙物后會被反射，由機(jī)器人的接收系統(tǒng)接收。通過智能系統(tǒng)對超聲波發(fā)射及接收的時間差進(jìn)行計(jì)算，配合超聲波傳播速度，從而計(jì)算機(jī)器人和被測物體之間的距離。另外，通過超聲波發(fā)射角度，能夠?qū)D書館內(nèi)智能化機(jī)器人的位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位。超聲波自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人與利用激光、紅外線等的機(jī)器人相比，其優(yōu)勢主要集中在距離分辨率高、采集信息速率快、成本低、時延低、不受外界影響等方面，故而受到廣泛應(yīng)用。

隨著超聲波傳感器裝置的發(fā)展以及相關(guān)技術(shù)的提升，目前機(jī)器人配備的超聲波傳感器數(shù)量往往不止一個，這樣能夠在很大程度上解決超聲波傳輸在鏡面反射和有限波束角方面的問題。另外，圖書館機(jī)器人還存在將超聲波發(fā)射裝置和接收裝置分開安裝的方案，把接收裝置設(shè)置在圖書館內(nèi)的各個房間，從而直接通過各個接收器對機(jī)器人發(fā)射的超聲波信號進(jìn)行接收，并借助相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)綜合、集中計(jì)算，更加快速地測量機(jī)器人的位置。

2.4 視覺自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人

視覺自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人與上述3種機(jī)器人有著明顯區(qū)別，其不再是通過發(fā)射信號、接收反射信號、計(jì)算信號傳輸距離和角度的方式來實(shí)現(xiàn)定位，而是直接利用視覺信息與智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時定位。該類機(jī)器人在圖書館中應(yīng)用時，需要配備攝像機(jī)，從而對機(jī)器人周邊的環(huán)境信息進(jìn)行采集并以圖像的形式呈現(xiàn)，然后由機(jī)器人對采集到的圖像信息進(jìn)行壓縮、反饋及處理，從而借助深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)自動定位與導(dǎo)航。該技術(shù)目前在圖書館中的應(yīng)用并不廣泛，主要原因在于視覺自動導(dǎo)航技術(shù)的投入成本較高，同時對設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等有著較高要求。而且，目前圖書館中應(yīng)用的視覺自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人大多采用安裝車載攝像機(jī)的方式，攝像機(jī)數(shù)量較為有限，只能實(shí)現(xiàn)基于局部視覺的自動定位和導(dǎo)航。但是，隨著現(xiàn)代攝像設(shè)備的發(fā)展以及5G網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展和普及，圖書館中應(yīng)用視距自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人的兩大痛點(diǎn)問題都迎來了解決辦法。其中，利用電荷耦合元件圖像傳感器能夠把光線變?yōu)殡姾刹㈦姾纱鎯εc轉(zhuǎn)移，相應(yīng)的傳感器具有體積小、重量輕、不受磁場影響、抗震動和抗撞擊性能良好等特性，適合應(yīng)用于圖書館視覺自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人。

3 結(jié)束語

綜上所述，智能化機(jī)器人技術(shù)在現(xiàn)代圖書館的應(yīng)用逐漸普遍，尤其是在其自動定位導(dǎo)航方面的應(yīng)用。圖書館相關(guān)管理人員應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確意識到信息化時代的發(fā)展特征和趨勢，積極推動自身信息化建設(shè)水平的提升，合理制訂發(fā)展方案，根據(jù)實(shí)際需要選定合適的自動導(dǎo)航智能化機(jī)器人技術(shù)，從而構(gòu)建起智慧化、智能化的圖書館服務(wù)體系。