图书馆自主巡逻示警机器人的设计

曹轶

摘要：图书馆秩序维护耗费大量的人力、物力，为实现图书馆智能化，提出一种自主巡逻智能噪音示警机器人。该机器人采用雷达、双目摄像头、GPS、WIFI来勘察，运用多种传感器来避开障碍物，运用可信度检验进行多模态自主切换导航。通过声源测量、人体红外线来判别人为噪音，并触发报警装置，该机器形体结构内中外三层设计，起到防撞、隔音效果。

关键词：机器人；自助巡逻；多模态自主切换导航；噪音示警；防撞结构

中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0182-04

0 引言

图书馆秩序维护是图书馆运营的重要一环，以往的秩序维护依靠的是工作人员巡逻，遇见大声喧哗的读者还需要人工来提醒，这项工作颇为耗时费工。要想维持好秩序又要省力，用机器人来代替人是个不错的方式。而人工智能的崛起，为这种想法提供了可实现的途径。各国的图书馆也尝试用机器人代替人工，如David Portugal， Rui P. Rocha提出的合作移动机器人团队[1]。LuMarie Guth 提出的在学术图书馆应用网真机器人[2]。张文竹，邵波提出的智能机器人技术在图书馆信息服务中的应用[3]。但大家关注的重点落在读者问题解答和信息服务等领域，在图书馆秩序维护上的领域尚属空白。本文设计了一种可自动巡逻、噪音示警、远程监控的自主巡逻示警机器人来填补这一领域空白。该机器人可提高图书馆的自动化程度和运营效率。

1 系统结构

本机器人采用激光雷达技术、基于RFID的室内定位、WIFI技术、单片机技术、传感器等技术，机器人在巡逻过程中采用激光雷达和双目摄像头、GPS、WIFI定位来进行环境勘探，透过激光雷达和红外避障传感器、防跌落传感器避开障碍物，运用可信度检验的来进行多模态自主切换导航的条件，巡视过程中通过声源测量分析与判定是否超过设定的噪声阈值，如超出则触发人体红外线感应判别是否是人，如是人则触发摄像头全程摄像，并触发人脸识别感应器抓拍在场当事人，与此同时触发报警装置（报警灯和语音报警器）发出警告，并通过加数传模块传递后台通过RFID、GPS定位系统进行定位准确告知远程端口目前所处的方位和声音大小。为了更好地达到防撞和和隔音效果，在形体结构上采用了三层设计的思路包括不倒翁式内核、防撞隔音软板中层、反光膜外层。整个自主巡逻噪音示警机器人的系统结构如图1所示。

2 硬件方案设计

智能示警机器人的硬件系统由自主巡逻导航子系统、噪音检测子系统和远程监控子系统三大部分组成。

2.1 巡逻导航子系统

该子系统主要实现机器人在图书馆的自主巡逻功能，硬件上它由微控制器、电机及驱动模块、6轴运动处理组件、双目摄像机、激光测距传感器传感器、防跌落传感器等组成。巡逻导航子系统中的双目摄像机、激光测距传感器、红外线避障传感器、防跌落传感器四者相互融合，相互补充，通过运用可信度逻辑，根据图书馆馆内和庭院的不同环境进行自主切换，从而使用信度较高的导航方式这种多导航系统融合的方式提高了机器人自主巡逻的范围和导航精准度。

多模态自主切换导航：该系统融合了视觉导航系统和光测距式导航系统，红外线导航系统、GPS全球定位导航系统。因为机器人是在图书馆内部和庭院重复的巡逻，人员和物品的位置相对不变。因此具备运用可信度检验的来进行多模态自主切换导航的条件。根据通过反复巡逻获得红外避障导航模块、激光测距模块以及双目摄像头导航模块、GPS全球定位导航系统的N次巡逻的距离数据根据抽出的样本计算给定的统计量T。重复上述N次，得到N个统计量T。计算上述N个统计量T的样本方差， 再可以构造置可信区间[4]。获得第N+1次各导航模块测量的距离数据，并把数据与前面第N次数据得出的可信区间进行比较，得到误差值。选取误差值中最小值最为第N+1次巡逻的导航数据。

电机驱动模块：采用24V的电源，包含2个12V的锂电池，并预留出两个锂硫电池位置，为今后降低成本提高能源利用率准备。（锂硫电池硫作为正极材料，比容量和电池理论比能量较高，分别达到 1675m Ah/g 和 2600Wh/kg）[5]，其中24V电源给L298N供电，一个12V锂电池给MCU 供电，另一个12V锂电池通过LM2576稳压芯片转换成5V电压给其他导航模块供电。机器人进行移动时利用L298N进行驱动，它含两个直流电机和一个四线两步电机。系统供电如图2所示。

双目摄像头Microvision MV-808H对图书馆里的环境进行拍摄，获取二维图像并传输给图像采集卡MV-8002，再传输给现场可编程门列阵（FPG）再通过图像处理软处理、分析、获取关于机器人前进过程中的障碍物信息，再通过在处理器（DSP）高精度的视觉SLAM算法和空间运动追踪算法规划出安全抵达终点的行进路线。视觉导航流程图如图3所示：

激光测距传感器通过前后左右4束激光束，光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，lM4i_44xx高速AD采集进行4通道数据采集并转换，通过数字信息处理终端进行处理。从而算出障碍物离机器人的距离。这样机器人的姿态参量融合跟踪性能较好，提高了机器人控制的稳定性和魯棒性[6]。

红外线传感器进行障碍物检测，8路红外线发射与接收管组成检测单元，其中左前2路和右前2路用于检测周边是否存在障碍物；左下2路和右下2路用于检测地面落差。通过红外线反射传感器发现障碍物后，经过接收管、信号处理电路将低电平送入MCU控制器。

2.2 噪音示警子系统

噪声传感器采集好噪音，通过滤波器、示波器和A/D，将电压信号转换成频率信号传到单片机，进行处理。在这过程中多源噪音是通过叠加，获得的最终的噪声分贝值。而最终的分贝值再与设定好的噪声阈值进行比较。如超过既定值，则触发人体红外线感应器去判别是否是人为噪音。如检测到人的波段，则触发摄像头开始全程摄像，与此同时触发人脸识别感应器抓拍在场当事人。并触发报警装置（报警灯和语音报警器）发出警告，与此同时将数据传输云服务器和pc端。噪音示警流程图如图4所示。

（1）噪声传感器：采用丹麦gras噪声传感器，此传感器内置电容式驻极体话筒，驻极体面中金属板与背电极相对，从而形成一个平板电容。通过声波引起薄膜震动改变两极板之间的距离，再通过Q=CU可知，改变电容，在电量不变的情况下，电压会改变。它使用具有双线系统的厚膜恒流电源（CCP）来做为前置放大器。再通过场效应管（FET）来将高阻电容取出并放大。从而使光信号装换成为电信号。

（2）滤波器：采用NFQJ-DM5731带通滤波器，通过滤波器过滤其他频率声音，只保留人耳听见的：20Hz～20000Hz之间的频率通过，它有三位LED数码管显示滤波器的中心频率，有31段按照1/3倍频程频率点分布的带通滤波器[7]。

（3）示波器：采用GDS-2202，200MHz频宽1GSa/s即时取样率以及25GSa/s等效取样率、2M记录长度，它的2M记录长度不仅支持长时间的波形存储，也对后期分析提供了充足的数据支持[8]。它有2通道输入为今后多源声源区分预留出通道，它自带5.6吋TFT彩色LCD荧幕很好的即时显示出波段，把噪声变为量化的波段图展示给噪声区域的陪同孩子们的大人观看。

2.3 远程监控子系统

远程监控子系统配置有綜合管理软件、无线网络（无线网卡、无线路由）、全球定位模块（GPS接收机和卫星天线）、PC端、云终端（存储服务器、解码服务器）。利用无线网和全球定位系统（当无线网络瘫痪时备用）获取处理好的导航地图、噪音波形图形、摄像文件、抓拍的人脸图片等。在通过综合管理软件分析，通过其自动备份系统上传给云终端的存储服务器和解码服务器。

无线网络的选取上需要满足机器人巡逻过程中上传导航数据、地图、摄像文件、图片、音频的需要。需要大带宽、高效的数据吞吐量和强劲的负载能力。

无线网卡：选FLUKE的AM/C1080，它支持10/100/1000Mbps。无线路由：COMLLI的AC1000主芯片支持I7，内存最大可以是4GDDRFLASH32G。GPS定位模块：ES-RT03是厘米级高精度定位模块，满足机器人近距离的移动，具有三级滤波高效抗干扰性强，并支持L1&L2GPS，GLONASS和北斗多种卫星定位。云终端：选取华为的私有云，它包含虚拟化层、云平台层云服务层，由各个服务组件提供不同的云服务能力；统一管理层；以及联接公有云实现混合云部署的[9]。

3 机械及形体设计

3.1 底盘设计

由于图书馆位置相对经常紧凑，读者座位与座位之间空间相对狭窄，因此机器人需要在狭窄的空间内完成转动。目前使用常规驱动轮的自动引导运输车灵活性不够，在狭小的空间作业困难，应用场合受到限制[10]。为了保障机器人更平稳的运行，在底盘设计上采用一个万向轮调控，三轮驱动的方式。三轮驱动采用麦克纳姆伦，三个轮放置在圆盘形底座上分别等分圆周。万向轮在圆心处。麦克纳母轮圆周上分布着数个小轮子，这些小轮子可以子自身轴线上自由运动产生轴向分力，从而使得机器人能在任意方向直线、旋转和前两者组合的三个自由度上运动。

由于机器人在图书馆庭院巡逻时可能遇到掉落的树枝、和泥土块损伤底盘。为了保护底盘，固在底盘周边装上防撞装置。轨道对称设置，连接后防撞板，后防撞板上依次连接中防撞板和前防撞板，中防撞板和前防撞板在弹簧缓冲杆和复位弹簧的作用下，呈朝向弯折[11]。

3.2 防撞隔音形体

形体结构分三层：不倒翁式内核、防撞隔音软板中层、反光膜外层。

（1）不倒翁式内核：图书馆读者众多，尤其是小读者喜欢奔跑，机器人巡逻过程中由于反应速度的问题来不及回避，就很容易被奔跑或快速行走的读者撞到。撞倒后一方面可能冲撞的回弹力可能会碰伤读者，另一方面机器人属于精密仪器内巨大的冲撞力很可能破坏其内部多种传感器的灵敏度。为了降低碰撞对读者回弹力和保护好机器人，在外在形体上采用鸡蛋不倒翁样式。机器人外壳如鸡蛋一样外光滑无菱角，上小下大，重心下移。上半身是空心，下半身开始为空心，快到底盘处为实心，因此除了双目摄像头放在不倒翁眼睛处，其余传感器都下半生接近底盘处。尽量使得重心和接触点的距离最小。当机器人处于平衡时，重心和地面接触点的距离最小，使得重心最低。当被冲撞偏离平衡位置后，接触点随之移动，形成了新的接触点，即形成了新的支点。当抵抗力矩等于干扰力矩能新的平衡位置，碰撞力的干扰终止。

（2）阻燃隔音防撞软板中层：在机器人不倒翁形体的外部包裹一层阻燃隔音防撞软板，即可降低机器人行走过中的噪音又可保护机器人内部精密仪器、减少对冲撞者的回弹力度。

（3）反光膜（夜间防水反光膜）外层：为了更好的在庭院阴雨天和夜晚、巡逻，在机器人的形体的最外层覆盖上反光防水膜。反光膜选取3M的第三代钻石反光贴，采用高耐候性高透光材料，无惧风吹日晒，与此同时它使用全棱镜反光技术，让反光亮度得以极大提升。

4 存在不足

（1）机器人在动作简单的时候相对安静，存在忽然出现吓到用户的可能。机器人的近距离接触会使一些用户感到不适，应该有一条路线或限定区域[12]。但如果限定区域，会使一部分人钻空子避开这些限定的区域，躲在巡逻不到地方讲话，这又与机器人自主巡逻是为了保持图书馆秩序有序矛盾。

（2）由于CCP的驱动电压较低使得它在动态范围内的最大大输出信号职能在8Vpeak，与此同时它还必须使用预极化麦克风。尽管GRAS是世界上第一个引入1/4的“预极化麦克风”，并且已经发布了1/8的“预极化麦克风”，但可用的预极化麦克风的范围仍然不像外部极化的麦克风那么宽，外部极化麦克风可以处理高达50Vpeak输出信号[13]。

（3）机器人在进行噪声检测时，只能将多源噪音叠加。如遇到同一时间不同地点（相聚比较近）的几组人讲话，机器人不能区分哪组声音大，且哪组人的声音已经超过了特定分贝。而是把几组声音叠加，有可能这几组分开的声音都较小不影响读者看书，而叠加在却超出了特定阈值促发人体红外线感应从而摄像、抓拍和警告。

5 结语

本智能噪音示警机器人能够自主巡逻、精简人力、提高图书馆运营效率，但还存在一些不足尤其是与工作人员人工劝告相比更缺乏了情感方面的交流。但它是实现图书馆的智能化的一项尝试，这个方向是正确的。世界上已经有科学家在关注和尝试解决这方面的问题：如LINW.Yueh和H.P.B[14]对儿童用户与图书馆机器人之间的互动关系之间的研究。我相信情感交流问题的解决也指日可待。机器人“上岗”只是走向智慧图书馆的一个缩影[15]。现在世界先进的图书馆如德国洪堡大学图书馆和日本大阪市立大学已开始使用机器人来取代工作人员[16]。在不久的将来会有更多的、各种功能的机器人走进图书馆，图书馆的智能化水平也会越来越高，智慧型图书馆将取代以往的图书馆，图书馆将进入3.0时代。

参考文献

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[2] LuMarie Guth， Patricia Vander Meer[J]. Library Hi Tech， 2017，35（3）：408-420.

[3] 张文竹，邵波.智能机器人技术在图书馆信息服务中的應用与研究述评[J].图书馆学研究，2018（12）：2-7.

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[13] 上海颖哲工业自动化设备有限公司.上海颖哲工业自动化设备有限公司[EB/OL].http：//www.chem17.com/Tech_news/detail/1558926.html，2018-6-19.

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[16] 王展妮，张国亮.图书馆机器人应用研究综述[J].大学图书馆学报，2015（3）：82-87.

Abstract：The maintenance of Library order consumes a lot of manpower and material resources. In order to realize the intellectualization of library， an autonomous patrol intelligent noise warning robot is proposed. The robot uses radar， binocular camera， GPS and WIFI to survey， uses a variety of sensors to avoid obstacles， and uses reliability test to carry out multi-modal autonomous switching navigation. Through the measurement of sound source and infrared radiation of human body to judge the artificial noise， and trigger the alarm device， the machine has three layers of internal and external structure design， which has the effect of anti-collision and sound insulation.

Key words：robot； self-service patrol； multi-mode autonomous switching navigation； noise warning； anti-collision structure