图书馆自动导航智能化机器人技术及应用探讨

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　　摘 要：文章对图书馆磁、光、声、视觉、惯性和GPS自动导航智能化机器人技术类型，以及图书馆自动导航智能化机器人技术的部分应用实例等进行了探讨。
　　关键词：图书馆；智能化机器人；自动导航机器人
　　中图分类号：G250文献标识码：A文章编号：1003-1588（2019）03-0080-03
　　在以智能化为主要特征的4.0时代，多种类型的智能化机器人技术正在快速进入图书馆应用领域。作为具有移动功能的图书馆智能化机器人，其自动导航技术是赋予移动机器人感知能力和行动能力的三大关键技术之一，也是智能化移动机器人的一个重要特征[1]。
　　1 图书馆磁自动导航智能化机器人技术类型
　　1.1 图书馆磁自动导航智能化机器人技术
　　图书馆智能化移动机器人最重要的功能之一就是能够实现自动导航。根据不同场所使用机器人的不同设计需求，两种或两种以上的自动导航技术混合或联合使用，能补齐各自的短板。目前，在图书馆智能化机器人的自动导航技术类型中，有磁、光、声、视觉、惯性和GPS等多种自动导航技术类型。其中，光导航技术类型中的激光自动导航技术类型成为图书馆机器人应用的主力导航类型。磁自动导航技术类型的原理是通过磁场强度的变化和作用赋予机器人感知能力和行动能力。机器人的感知能力是通过机器人对周围环境进行行帧数字扫描、收集扫描数据、统计分析数据、进行逻辑判断而实现的。机器人的行动能力是在感知过程结束后，做出行动选择，规划行进路径，从而实现按照预定路径发生物理位移行为而实现的。
　　1.2 图书馆寻磁自动导航与电磁自动导航机器人技术
　　寻磁自动导航技术的工作原理是利用磁条传感器，通过检测磁场强度识别机器人所要行走的路径。它可以使机器人始终遵循并保持在固定的磁轨道内，而磁传感器对磁场方向的检测则可以使机器人辨识运动的方向。寻磁自动导航技术具有不受声音和光线影响、磁轨道铺设简单、抗干扰能力强等优点。电磁自动导航技术的工作原理是通过在机器人途经的规划路径上铺设多条金属线引导电缆，且在金属线上加设频率不同的导引电流，通过磁感应线圈对电流的检测，即通过对导引频率的识别，感知机器人经过时所产生的路径信息。电磁自动导航技术具有不受声音和光线影响、铺设引线隐蔽、抗污染和抗破损能力强、便于控制、通信及制造成本低等优点。但它与寻磁自动导航技术相比，其缺点是路径难以扩展，适应复杂路径的局限性较大，这也是电磁自动导航技术最大的短板[2]。
　　2 图书馆光自动导航智能化机器人技术类型
　　2.1 图书馆激光自动导航智能化机器人技术
　　激光自动导航技术的工作原理是由激光器发射出一个激光信号，根据从物体反射回来信号的时间差计算机器人与物体之间的距离，根据发射激光的角度确定物体和发射器的角度，通过距离与角度相结合，从而确定机器人与物体相向的准确位置[3]。它是目前最稳定、最可靠、性能最高的自动导航技术类型之一，同时具有连续使用寿命长、后期改造成本低等优点。在激光自动导航技术的模式方面，采用激光自动导航技术的图书馆智能化机器人一般同时配备自主导航模式和固定导航模式两种激光自动导航模式。自主导航模式的自动化程度更高，它可以使机器人在陌生的环境中行走完一个完整的循环路径后，即可自主绘制出所经过路径的地图模板。根据该地图模板，它会启用自主导航模式，自动规划导航的行走路径，以及启动自动规避功能进行自动避障。
　　2.2 图书馆红外光自动导航智能化机器人技术
　　典型的红外光传感器包括两个主要构成部分，即固态发光二极管和固态光敏二极管。前者用于发射红外光，后者用于接收红外光。红外光自动导航技术的工作原理是由红外光敏二极管接收由红外发光二极管发射、经过调制并反射的信号，通过红外光传感器可以测出机器人距离目标物体的位置，进而通过其他的信息处理方法实现对移动机器人的自动导航。它具有自动导航灵敏度高、角度分辨率高、结构简单和成本低廉等优点，因此，该类自动导航技术更适合图书馆智能化移动机器人。如：机器人在书库中行走时，遇到在书库中浏览的读者可以启动自动避障功能，防止与读者发生碰撞。红外光自动导航技术经常被用在图书馆文献拾取所用的多关节机器人中，构成文献拾取机器人手臂的“敏感皮肤”，从而可以检测到文献拾取机器人手臂运行过程中遇到的各种物体。
　　3 图书馆声自动导航智能化机器人技术类型
　　3.1 图书馆超声波自动导航智能化机器人技术
　　超声波被应用于机器人，是一种典型的声自动导航智能化机器人技术类型。超聲波自动导航技术的程序经历了发出超声波、反射超声波和接收反射波三个过程。发出超声波的工作是由超声波传感器的发射探头完成的，反射超声波是指超声波在传输介质中遇到障碍物返回，接收反射波是由接收系统完成，通过计算超声波发出及反射回波的时间差和传播速度，得出超声波传播的距离，进而获得机器人与障碍物之间的距离[4]。其优势主要体现在以下三个方面：一是源于超声波传感器所具有的高、快、廉等特点，即距离分辨率高、采集信息速率快、制造成本低廉。二是测距速度快捷，数据的实时性能优良。三是不易受外界环境条件的影响，如气候条件、光线条件、障碍物的阴影，以及物体表面的粗糙程度等。
　　3.2 图书馆超声波自动导航智能化机器人技术的改进措施
　　超声波自动导航技术也并非是十全十美的。例如，超声波传感器自身就存在镜面反射问题和有限的波束角问题。技术上的解决方法通常是设置多个传感器相互配合，联合构成一整套超声波传感器系统。因为单个超声波传感器难以充分获知周边的环境信息，而多个传感器组成的超声波传感器系统则可以充分发挥其联合效能。其他的解决方法是将发射装置与接收装置分开设置，在移动机器人上安装超声波发射探头，在环境地图中布置多个接收装置，通过串行通信先把超声波传感器采集到的信息传递给移动机器人的控制中心，控制中心再根据采集到的信号及所建立的数学模型进行相对应的数据处理，最终使机器人得到准确位置的环境信息。 　　4 图书馆视觉自动导航智能化机器人技术类型
　　4.1 图书馆视觉自动导航智能化机器人技术
　　目前，图书馆视觉自动导航智能化机器人技术也被称为即时定位与地图构建自动导航技术。视觉自动导航技术的实现要经过四个工作阶段，即视觉信息采集阶段、视觉信息压缩阶段、视觉信息反馈阶段和视觉信息处理阶段，视觉自动导航技术的工作原理就体现在这四个阶段中。视觉信息采集是通过摄像头对机器人周边的环境进行图像信息收集；视觉信息压缩是计算机将采集到的光学信息数据进行数字压缩；视觉信息反馈是将压缩后的数字信息反馈到计算机学习子系统中，该系统由神经网络和统计学方法构成；视觉信息处理是将图像信息与机器人的实际位置相互关联，从而实现机器人的视觉自动导航技术功能。
　　4.2 图书馆视觉自动导航智能化机器人技术的改进措施
　　在图书馆视觉自动导航智能化机器人技术系统中，国内外应用较多的传统方式是为机器人安装车载摄像机。由于受车载摄像机数量不能太多的限制，这种方式属于一种基于局部视觉的自动导航方式。在采用视觉自动导航的技术类型中，控制设备和传感装置都被固定安装在机器人的移动车体上，其视觉图像识别和行走路径规划等都由车载控制计算机指挥和实施完成。为了突破车载摄像机数量的制约，目前很多视觉自动导航机器人技术系统已经采用CCD图像传感器，用以替代价格昂贵且数量受限的车载摄像机系统[5]。如：其中的面阵CCD图像传感器采集的视觉图像分辨率最高可达到1024×1024像素，能满足机器人在图书馆工作中的图像信息采集需求。
　　5 图书馆惯性和全球定位系统自动导航智能化机器人技术类型
　　5.1 图书馆惯性自动导航智能化机器人技术
　　在图书馆惯性自动导航智能化机器人的技术类型中，有采用陀螺仪简写方式进行惯性自动导航的技术类型。惯性自动导航技术是一种相对简单的自动导航技术类型，多被用于较为简单的机器人。它的基本原理是在牛顿力学定律的基础上，利用惯性元件通过测量载体在惯性参考系中的加速度，对时间进行积分，并将其变换到导航坐标系中加以运算，进而得到机器人所需要的有关运行速度、移动方向、所处位置的相关数据信息。它在一般情况下采用的传感器组合是三轴陀螺仪加三轴加速度计，用以完成载体的姿态解算和位置解算。为了进一步提高自动导航的精准度，图书馆一般使用传感器数据融合技术，同时配合使用二阶或高阶龙格库塔方程等方法。
　　5.2 图书馆全球定位系统自动导航智能化机器人技术
　　全球定位系统（GPS）自动导航技术的工作原理是采用伪距差分动态自动导航方法，用基准接收机和动态接收机共同观测4颗GPS卫星，通过GPS模块实时接收卫星发射的所有数据信息，按照一定的算法，通过与机器人所处位置坐标的比对计算，求出某时刻机器人的三维位置坐标，从而控制机器人的运行方向，以及实现对机器人的精确导航[6]。由于在移动机器人的导航过程中，移动GPS接收机的定位精度受多重因素的影响，如卫星信号、道路环境、时钟误差、传播误差及接收机噪声等，单纯利用GPS自动导航技术存在定位精度较低、可靠性不高等问题。因此，GPS自动导航技术很少被应用于图书馆智能化机器人。
　　6 图书馆自动导航智能化机器人技术的部分应用实例
　　6.1 图书馆磁导航智能化机器人的应用实例
　　日本大阪市立大学图书馆使用的智能化机器人采用了自动寻磁导航技术，机器人的导航是通过预先埋设在地面下的磁导引线实现的[7]。德国洪堡大学图书馆使用的智能化机器人采用了电磁自动导航技术，机器人以中央阅览室四周钢柱上的金属感应条为循迹的依据，将图书收纳箱自动装卸在固定的位置。当机器人行驶到电梯门口时，由于电梯门口也设置有金属感应条，电梯门会自动打开，机器人驶出后再自动关闭。南京大学仙林校区杜厦图书馆投入使用的第一代智能机器人移动书车，也采用了电磁自动导航技术。
　　6.2 图书馆激光自动导航智能化机器人的应用实例
　　南京大学仙林校区杜厦图书馆使用的第二代智能化机器人采用了通过激光传感器进行自动导航的技术，同时又配套安装了语音识别和发声系统，在工作过程中与读者相遇时，机器人通过语音系统能说出一些常用的问候语和交流语言。该类型机器人的智能化程度也很高，如果它感觉到存储电量不够时，即当存储电量降到预警线以下时，就会根据预先设定的电量临界报警程序自动返回充电。
　　6.3 图书馆超声波和光学导航智能化机器人的应用实例
　　除主要采用的磁自动导航和激光自动导航技术类型外，图书馆智能化机器人还有多种其他类型的自动导航技术可供设计和研发时参考和选择。超声波自动导航技术是利用仿声学超声波传感器发射和接受超声波信号的原理进行工作的。采用超声波自动导航技术类型的图书馆智能化机器人2016年已经在新加坡图书馆被投入使用，这款自主式机器人同时还利用了激光自动导航技术。它在利用超声波和激光器扫描检查书架后，可将扫描数据编写并生成关于书架上文献丢失或排架错误的统计报告，其统计数据的准确率高达99%[8]。光学自动导航技术类型的图书馆智能化机器人采用了红外光学传感技术的自动导航原理，目前已经在西班牙卡斯捷罗大学图书馆投入使用。
　　7 结语
　　随着我国基本实现社会主义现代化步伐的加快，大量不同类型的图书馆智能化机器人将被投入图书馆的管理和服务工作中，如咨询问答、自动导航、识别定位、文献拾取、文献扫描及文献巡架等，从而为我国进入无人图书馆时代奠定良好的基础。
　　參考文献：
　　[1] 赵志光.图书馆智能化机器人三项关键技术的研究与探讨[J].山东图书馆学刊，2017（5）：63-66.
　　[2] 兰建军，李春来，刘寅东.光伏电站巡检机器人电磁导航系统设计[J].电测与仪表，2017（9）：30-34.
　　[3] 文生平，黄培辉.激光导航移动机器人嵌入式控制系统设计[J].自动化与仪表，2018（2）：25-28.
　　[4] 王丽明，张海燕，徐卓飞，等.基于射频识别和超声波技术的机器人路径规划算法研究[J].机械工程师，2017（4）：39-42.
　　[5] 孙莉，邓敏.CCD图像传感器的现状及未来发展[J].现代制造技术与装备，2017（8）：160-161.
　　[6]Almat Raskaliyev，Sarosh Patel，Tarek Sobh.A dynamic model for GPS based attitude determination and testing using a serial robotic manipulator[J].Journal of Advanced Research，2017（3）：333-341.
　　[7] 郭山.智能机器人技术在公共图书馆实时参考咨询服务中的应用[J].图书馆学研究，2017（10）：58-61.
　　[8] 减轻员工工作量 新加坡图书馆试用机器人管理员[EB/OL].[2019-01-13].http：//tech.qq.com/a/20160609/021480.htm.
　　（编校：孙新梅）
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