高校智能導覽機器人創新應用

文/李哲 林馳 郭曉明

智能導覽機器人研究背景

科學技術、計算機與網絡通信技術的快速發展，推動經濟、社會、生活等諸多方面的變革。機器人融合了信息、通信、人工智能技術，其技術含量較高。服務型機器人作為機器人分類中的重要分支，主要用于服務人類、為人類的生活提供便利。

智能導覽機器人作為服務型機器人，主要用于各種展覽館、博物館或其他會展中心，沿固定軌跡引導游客參觀，并進行相應講解以及簡單的會話交流。良好的人機交互系統，有助于帶給用戶更好的體驗。

對于高校校史館而言，包括已經逐步建立起的虛擬校史館，是從傳統型向新時代智能信息化發展必然，具體可以體現在展館的安全管理信息化、穩定的數字化網絡環境部署、對外展示系統信息化、對內辦公系統自動化等方面。

基于這樣的需求，本文著眼于為高校校史館提供更好的個性化服務的目標，設計并研究了一款智能導覽機器人，以大連理工大學校史館為使用場景，研究面向展館導覽功能的人機交互系統，實現導覽過程中的服務功能，力求將對外的展示系統通過服務型機器人的方式向訪客提供更直觀的沉浸式體驗，從而提升校史館的吸引力與服務水平。

智能導覽機器人主要功能及框架

主要功能介紹

大連理工大學檔案館（校史館）

作為信息科技時代的新型產物，高校校史館智能導覽機器人能夠充分發揮科學技術在文化領域的積極作用。其主要功能針對館內需要解說的地點進行路徑規劃，沿固定路線到達標記點后停頓，識別目標處的二維碼并進行語音播報講解。考慮到校史館人來人往的情況，需要為智能機器人提供自主避障功能，當機器人感應到障礙物時，會重新規劃路線，避開障礙物。館內需解說的信息以二維碼的形式呈現，需要為智能機器人提供二維碼識別功能，識別二維碼設置的文字信息后，智能機器人將文字信息轉成語音播報。

智能導覽機器人可投入應用的場景包括：

業務講解。可以根據設定好的線路自動運行到目的地，帶領訪客游覽校史館，并給出基本的介紹，講解的內容根據二維碼的設定可以自主定義，展示場館場景、展品特色和相關服務內容，而真人導覽員則可以輔助回答參觀者隨時提出的發散性問題，作為智能導覽機器人的介紹補充。

主題宣講。在不間斷的團體參觀活動中，機器人可根據展館場景情況自定義的工作方式和行走路線，自動循環運作，通過專業知識的輸入和學習，為參觀團體提供相應的主題宣講活動，并做好接待工作。

智能導覽機器人整體框架

該智能導覽機器人選用Core X 控制器，其主要部分有視覺模塊，并搭載了超聲波模塊、測速電機、尋線傳感器、語音輸出等模塊，系統框圖如圖1 所示，可實現定速行駛、巡線避障、語音播報等功能。由視覺模塊可以實現二維碼的識別，再通過語音輸出模塊將識別到的信息轉化成語音的形式輸出，并經由控制器進行配置，就能實現現有的需求，組成一個簡化版本的導覽機器人。

圖1 導覽機器人系統框

智能導覽機器人主要性能特點

多功能性。服務型機器人的特點之一就是具有多項功能。智能導覽機器人除了具備自主行走、語音合成等基礎功能之外，還具有多媒體播放、二維碼識別、主動迎賓、宣傳講解等功能，此外，智能導覽機器人還能自主避障、自主充電。

精準性。由于智能導覽機器人中內置了高精度的芯片，其中的程序都是根據機器人服務對象的特征和使用需求而設計出來的，因此，智能導覽機器人投入使用之后，能夠根據程序的設定以及人們給予的指令精準地執行各種任務，協助人類去完成許多可替代/輔助人類的工作。

協作交互性。服務型機器人發明生產出來的目的就是為人們提供服務的，因此，服務型機器人會內置許多程序，在實際的應用過程當中，服務型機器人還可以與人協作，在人們需要完成一些具有高難度的工作時，機器人就可以與人進行協同工作，有人負責做出事情的判斷決策，機器人來負責“定量”計算和推理，從而讓工作更加出色地完成。

智能導覽機器人技術及原理

路徑規劃與自主避障功能設計

路徑規劃與自主避障功能的實現是導覽機器人的一個重要問題。它的目標是在一個存在障礙物的環境中，為導覽機器人設計一條無碰撞路徑，即使碰到障礙物，也能自主規避。

為了實現到目標展區的自動導航，需要主次解決機器人定位、目標定位、路徑規劃、自動導航四個步驟，其中前兩個步驟分別實現源點和目標點定位，路徑規劃是核心。規劃好路徑之后，驅動機器人的硬件部分，實現自動導航。

實現機器人的定位，可采用激光傳感器對周圍的環境信息進行掃描，之后進行全局定位，以便機器人獲取本身在地圖中的準確位置。

目標定位問題，用戶通過機器人人機交互系統界面上的點擊操作或者語音方式告訴導覽機器人準備到達的目標位置。

路徑規劃與導航問題，可采用包括路徑規劃以及耗散地圖管理的相關算法的開源框架。在具體業務流程中，數據被發送至程序包，包括機器人的姿態、位置順序，再對目的地進行定位，之后通過內部的路徑規劃與導航功能模塊，實現對目標位置的最優導航與路徑規劃。

避障系統通過激光雷達與深度相機進行全方位的場景掃描，檢測出機器人周圍的障礙物分布情況后把障礙物信息傳輸給控制系統。目前主流的機器人避障方式有激光雷達避障、單目/雙目視覺避障、3D結構光避障和超聲波避障等。本系統結合激光雷達避障反應速度快、抗干擾能力強和視覺避障識別效率高的優點，在避障性能上要優于其他同類產品。

相關傳感器技術

為了使智能導覽機器人正常工作，需要監控智能導覽機器人的位置、姿態和系統內部狀態等，同時還要感知機器人工作環境的靜態和動態信息，使導覽機器人的行為能適應工作環境的變化。有效獲取智能導覽機器人內部和外部信息，實現自定位和避障等功能對提升機器人工作效率、節省能源來說具有重要意義。傳感器作為機器人的“感覺器官”，在其應用發展過程中起著至關重要的作用。根據目前已開發的各類傳感器在機器人上應用的目的和范圍的不同，可將其分為內部傳感器和外部傳感器兩大類。內部傳感器用于檢測機器人的自身狀態，外部傳感器安裝在機器人上，用于檢測機器人所處的外部環境信息。

激光雷達避障原理。激光雷達是一種利用激光準確定位障礙物距離的儀器。激光雷達的發射器發射激光脈沖，遇到障礙物時會反射回來并被接收器接收，通過記錄時間差來確定測試對象和測試點之間的距離。激光脈沖從發射到接收的時間與激光雷達與障礙物之間的距離成正比。激光雷達配合SLAM 技術，可幫助機器人實時定位導航與避障。

視覺傳感識別二維碼。二維碼識別主要是通過調用視覺傳感器設備來快速回調攝像機并進行相應應用，當一次回調的圖像無法識別時，將執行下一次回調，直到識別出二維碼。

由于二維碼大小和顯示模糊程度不同等原因，攝像機有時無法很好地采集圖像。因此，為了實現更快的識別，攝像機需要能夠自動聚焦。識別完成后，會提醒用戶并完成機器人的語音，從而實現語音解釋功能。

語音合成技術

語音合成技術（Text To Speech）是實現人機交互的重要途徑，它是一種從文本中自動生成語音的程序，將消息從機器傳輸給人，目的是傳遞消息中的信息。換句話說，語音合成就是創建一個與人類性能相當的系統。在語音合成技術中，主要分為文本分析階段和語音生成階段，文本分析階段就是文本輸入并將其轉錄成語音表征，然后對語音表征進行預處理；語音生成階段是從文本分析階段所得到的語音表征中生成語音從而實現發聲的功能，這也被稱為數字信號處理。