图书馆自动导航智能化机器人技术及应用探讨

2021-03-26马雯

光源与照明 2021年6期

关键词：定位导航红外线超声波

马雯

潍坊工程职业学院，山东潍坊 261000

0 引言

随着数字化、智慧化时代的来临，各种技术不断发展，自动导航智能化机器人就是其一。在图书馆中应用该技术，能够为图书馆服务注入新活力，在有效减少人工成本的同时，提高导航服务质量，以提升图书馆的数字化发展水平[1-3]。

1 自动导航智能化机器人技术概述

自主定位导航是机器人实现智能化的前提之一，也是赋予机器人感知与性能的关键。机器人在三维空间中，需要通过各种方式实现自主定位与导航，并需要与人工智能技术、深度学习技术等相结合，有效提高自动导航的智能化程度，真正做到智能化、拟人化导航，在保障精准性的同时，有效规避各种障碍，同时根据实际应用情景丰富其功能[4]。

目前，自动导航智能化机器人技术主要建立在视觉定位导航、超声波定位导航、红外线定位导航、iBeacon定位导航、灯塔定位导航等自主定位导航技术的基础上。其中，视觉定位导航是直接利用单目摄像头、双目摄像头、深度摄像机、视频信号数字化设备等获取图像，并借助视觉传感器对周围环境进行光学处理，压缩所采集的环境图像并传输至学习子系统，由子系统通过神经网络和统计学方法将图像信息与实际位置进行联系和对照，完成定位。该定位导航方法的优点在于应用范围广，如无人机、手术器械、农业生产、交通运输等领域均可应用；但是，该方法受限于巨大的图像处理量，对相关技术和设备的要求较高，同时受光线限制明显。

超声波定位导航则是利用超声波传感器发射探头发射超声波并通过接收装置对返回的超声波发射信号进行计算，从而实现定位。其优势在于成本低廉且不受玻璃、镜子、黑体等障碍物发影响；但是其容易受到天气与周围环境的影响，同时存在测距距离短、采集速度慢、导航精度差等问题。

红外线定位导航是利用红外线IR标识发射调制的红外射线，并运用室内安装好的光学传感器接收射线，实现定位。该方法的优势在于能够实现远距离测量以及多个传感器同步测量；该方法的劣势则包括检测的最小距离太大、易受环境干扰、成本昂贵且被遮挡物遮挡时无法正常工作。

iBeacon定位导航是一项低耗能蓝牙技术，直接通过Beacon发射信号并由蓝牙设备接收反馈信号，仅需3个或以上iBeacon设备即可实现定位导航。该技术的优势在于定位精度高、功耗小、时延低、成本低、传输距离远；该方法的劣势包含受环境干扰大、信号射频不稳定、安装及维护难度大、信号易被遮挡等。

灯塔定位导航则是以导航盒发射出的3个不同角度信号为基础，通过模拟GPS卫星三点定位技术的方式实现定位，多用于扫地机器人等产品。该方法的优势在于引擎稳定性高、可自动设置路径规划；该方法的劣势在于没有地图，需要充电桩或其他辅助装备，精度较低等。

2 自动导航智能化机器人技术在图书馆中的应用

2.1 激光自动导航智能化机器人

图书馆自动导航智能化机器人的关键作用在于找到图书的正确位置，同时需要承担分析和挖掘读者阅读兴趣、优化采购与摆放等功能[5-6]。这表明图书馆机器人需要以自主定位导航为基础功能，以其他的服务功能为拓展功能，从而在图书馆场地中实现自动导航与避让，有条不紊地支持图书馆相关工作开展。激光自动导航智能化机器人正是利用激光反射的方式来对机器人的位置进行定位，从而实现自动导航。该机器人需要配备有激光器，并定期向周围发射激光信号。激光信号在接触到图书馆室内的墙壁、书架、座椅乃至人体后，会进行反射。激光器在接收反射回来的激光信号后，能够将反射时间、发射激光的角度、发射器角度等重要参数信息传输至智能系统，并在计算距离和角度后对机器人与物体之间的位置进行准确定位。目前，激光自动导航智能化机器人在图书馆中的应用最为广泛，这不仅仅在于激光自主导航定位本身具有稳定、可靠、性能好、连续使用寿命长、后期改造成本低等优势，还在于其能够实现自主导航与固定导航两种模式，适用性极强。

2.2 红外线自动导航智能化机器人

红外线自动导航智能化机器人在图书馆中的应用也较为广泛。虽然红外线定位导航需要设置大量接收天线，铺设导轨，基本上要确保图书馆内所有房间都安装装置，成本极高，安装工作量较大，并容易受到黑体、透明物体等的影响，但红外线定位导航能够实现多个传感器的同步测量，同时测量范围广、相应时间短，能够明显改善导航效果，从而满足日益提高的图书馆服务质量要求。红外线自动导航智能化机器人通常配备固态发光二极管与固态光敏二极管，二者分别用于发射和接收红外线。实际上，红外线定位导航的原理和激光定位导航较为类似，都是通过发射信号并对发射信号进行分析、计算，实现对机器人与被测物体之间的距离进行准确测量，从而为自动导航的实现奠定基础。红外线定位导航技术应用于图书馆的主要优势在于其灵敏度高、角度分辨率高、成本低、安装简单等，配合人工智能技术等能够实现多种功能，如为机器人配备多关节机关手臂，让机器人在自动定位导航的基础上进行文献资料提取，真正构建智能化的图书馆服务体系。

2.3 超声波自动导航智能化机器人

从本质上看，超声波自动导航智能化机器人的运行原理与激光自动导航技术、红外线自动导航技术的原理并无二致，但是其载体变成了超声波。机器人配备有超声波传感器，通过传感器的发射探头向外发射超声波信号。超声波信号在遇到障碍物后会被反射，由机器人的接收系统接收。通过智能系统对超声波发射及接收的时间差进行计算，配合超声波传播速度，从而计算机器人和被测物体之间的距离。另外，通过超声波发射角度，能够对图书馆内智能化机器人的位置进行精准定位。超声波自动导航智能化机器人与利用激光、红外线等的机器人相比，其优势主要集中在距离分辨率高、采集信息速率快、成本低、时延低、不受外界影响等方面，故而受到广泛应用。

随着超声波传感器装置的发展以及相关技术的提升，目前机器人配备的超声波传感器数量往往不止一个，这样能够在很大程度上解决超声波传输在镜面反射和有限波束角方面的问题。另外，图书馆机器人还存在将超声波发射装置和接收装置分开安装的方案，把接收装置设置在图书馆内的各个房间，从而直接通过各个接收器对机器人发射的超声波信号进行接收，并借助相应的数学模型实现综合、集中计算，更加快速地测量机器人的位置。

2.4 视觉自动导航智能化机器人

视觉自动导航智能化机器人与上述3种机器人有着明显区别，其不再是通过发射信号、接收反射信号、计算信号传输距离和角度的方式来实现定位，而是直接利用视觉信息与智能系统实现实时定位。该类机器人在图书馆中应用时，需要配备摄像机，从而对机器人周边的环境信息进行采集并以图像的形式呈现，然后由机器人对采集到的图像信息进行压缩、反馈及处理，从而借助深度学习、神经网络系统等实现自动定位与导航。该技术目前在图书馆中的应用并不广泛，主要原因在于视觉自动导航技术的投入成本较高，同时对设备、网络等有着较高要求。而且，目前图书馆中应用的视觉自动导航智能化机器人大多采用安装车载摄像机的方式，摄像机数量较为有限，只能实现基于局部视觉的自动定位和导航。但是，随着现代摄像设备的发展以及5G网络的快速发展和普及，图书馆中应用视距自动导航智能化机器人的两大痛点问题都迎来了解决办法。其中，利用电荷耦合元件图像传感器能够把光线变为电荷并将电荷存储与转移，相应的传感器具有体积小、重量轻、不受磁场影响、抗震动和抗撞击性能良好等特性，适合应用于图书馆视觉自动导航智能化机器人。