智慧导览机器人的研究与应用

梅术龙，朱林峰，潘小芳，桂尧天，王林通讯作者）

（1.武汉商学院机电工程学院，湖北 武汉 430056；2.武汉商学院文旅产业研究中心，湖北 武汉 430056）

0 引言

近年来，随着人们消费水平和生活品质不断提高，旅游成为越来越多人的度假选择，这使得旅游业近年来迅速发展。然而，日益增长的旅游数量给旅游景点带来了较大挑战。如何以有限的资源来解决游客们的问题，以满足游客们的需求，推动旅游业转型升级是旅游业有待思考的问题。

从当今社会的发展趋势来看，智能化和智慧化正在对越来越多行业进行重塑，各领域以及各行业正在由传统模式向智能硬件模式转变，旅游业也不例外。当前，机器人已广泛应用于工商业、农业、服务业等领域，并取得了显著成效。利用机器人推动旅游业的智能化升级将是未来发展的重点。根据旅游行业环境分析，近年来国内旅游业迅速发展，导致旅游行业对导游这个职业的需求十分旺盛。但是由于就业门槛高，导游培训周期长，导游行业基本是供不应求。在这种情况下，导览机器人可以有效地缓解以上状况。就导览机器人的实际应用而言，机器人确实已能胜任多种服务任务，如讲解、对话、导航、宣传、运输等。具有较强的实用性、高效率、低成本等特点[1]，可以代替导游的一些基础而简单工作。

机器人的发展为旅游业带来了新的发展方向，特别是机器人和人工智能的发展与应用，解决了旅游业发展中的诸多问题。旅游景区通过部署导览机器人，来解决导游短缺、景区维护费用高、游客无法及时满足观赏需求等方面问题，不仅给景区带来了巨大的效益，而且也给游客带来了便利。

1 整体设计方案

1.1 机械结构设计

机械结构设计是导览机器人研究的基础，机器人运动部分采用三轮全方位运动结构，可实现水平面全方位运动，一定程度上保证了行驶稳定性、安全性和效率。受到全向轮结构特点的限制，在综合考虑到成本问题，此机器人采用三轮全向移动结构，可以在水平面内所有方向上运动，且运动的安全性、平稳性、效率得到一定的保障。底盘的三轮驱动轮通常由三个全向轮组成，三个一样的轮子由三个数据型号相同的电机进行驱动。三个轮子都是径向对称安装，它们之间的角度为120°。

图1 全向移动结构

1.2 系统软件开发

为方便使用者上手导览机器人，需要研究良好的用户操作界面。包括数据采集层、算法处理层、显示层设计，通过系统软件开发，一方面提供友好、易于操作的用户界面及详细的用户使用说明，为了便于普通用户快速掌握软件系统的使用方法，另一方面提供设计合理、使用方便的软件功能，方便使用者省时省力地上手导览机器人。

图2 操作界面开发模型

1.3 感知系统设计

该机器人配备多种类型内外传感器，组成多传感器系统。多传感器系统的工作原理是合理地控制和利用这些传感器以及传感器的观测信息，然后根据一定的准则，将这些由多个或多个互补性的时间和空间上传感器观测信息的结合，得到对被观测对象的解释和描述[2]。机器人通过传感器系统感知外界事物，在主控板获取到外界信息后，再进行相应的控制，传感器它包含了视觉、碰撞、红外、力觉、触觉、超声波、超声波、激光雷达等多种传感器[3]。传感器通过模拟接口将数据传输到控制主板，主板处理其信号后，会做出相应的响应，通过接口将动作信号传输到电机控制板。这些传感模块提高了机器人的机动性以及安全性。

图3 多传感器交互系统

1.4 供能系统设计

智能导览机器人的电池对安全性和可靠性要求很高，要求电池重量轻，容量足够大，能够提供大电流放电，保证使用寿命长，软包锂离子电池较符合上面的要求。软包锂离子具有能量密度（容量）大、安全性能高、大电流放电能力强（内阻小）、抗压性强、低温性能优良等特点，所以选用软包锂离子电池符合导览机器人的要求。

2 功能及其原理

为使导览机器人能够高效地完成更多不同的功能、任务，必须对其智能化控制技术进行研究。导览机器人拥有全面丰富的及时数据库以及信息平台来满足智能路径规划与导航、智能语音交流等人性化功能，除此之外，通过激光雷达以及彩色摄像头、红外传感器对外界获取信息送至主控板，并做出相应的信息反馈控制各个电动机控制器，可实现自主避障、游客身份识别等功能，具体功能设计及其原理如下。

2.1 自主巡航设定

本机配备360度环状高精度雷达，可对周围复杂环境进行扫描定位，将采集到的信息输入嵌入式开发板，以感知周围环境并进行自身定位[4]。由人工通过远程电脑终端对导览机器人进行后台设定相应的巡航路线点后，通过激光雷达、超声波、红外传感器等辅助引导导览机器人，每隔一段时间便会自主规划路线地前往到设定的目的地，在目的地驻留固定时间后前往下一设定目的地，达到路线巡航，若此间有人使用超过设定的驻留时间，导览机器人也会做出相应改变，在待游客使用完成后，才前往下一设定点。（如图5）黑色部分为机器人检测到的障碍物，机器人会围绕着规划好的0，1，2号点进行一个路径巡航作业。

图4 路径巡航展示

图5 红外避障原理图解

通过激光雷达在景区进行高精度定位，可为游客查询周边情况，如寻找最近的厕所位置、零售店等，并可进行导航带路。通过激光雷达实时检测各区人流量，再以导航进行路线规划，在各个路口位置可为游客提供前往目的地的最佳路径，有效解决景区的拥堵问题。

在一定的时间内游览多个景点，完成设定的巡航任务，并自动回到出发点。运动控制模块是运动任务的重要执行模块，运动控制模块接收任务调度模块发送的运动数据[5]，轨迹规划器和动作选择器根据收到的运动数据生成详细运动规划，并通过多个插补器将电机的运动数据传送到下一步。运动执行模块对导览机器人的底盘运动进行控制，采用比例积分-微分控制方式。

2.2 智能语音交流

导览机器人通过互联网数据库，通晓多国语言，场景定制知识库、闲聊库，人机互动升级服务体验，做出精确的多语种对答，能够有效地帮助各国各地游客解决各种问题。并且还能够进行人机交互，机器人精通各种网络流行语，给游客带来独特的吸引力。导览机器人进行声音拾取的过程，第一步通过麦克风采集声音，麦克风采集到的是模拟信号，系统对模拟信号进行处理，以得到采集声音的数字信号[6]；下一步，对数字信号进行放大、降噪、回声一致等操作，清晰度和信噪比将有很大的提高，最后这些声音数字信号将被传送到机器人的系统。声音信号在清晰化操作后继续传送给文字识别系统，通过标准语言训练获得的声学模型进行匹配和解码译码，从而得到一个较为精确的文字识别结果[7]。系统就会转换为导览机器人能理解的指令。将文字导入到语音库中，然后把答案转换成语音播放。

2.3 平台信息展示

导览机器人装有一块电容触摸液晶屏。触摸屏可实现各种信息画面展示与触摸控制功能，游客可以在上面查看到各种信息，如当前位置信息、热点新闻、安全知识科普、景区介绍与引导、推荐景区的各种特色活动以及优惠信息、失物招领等。

2.4 智能自主避障

导览机器人身上配有各种类型内外传感器，组成多传感器系统，在导览机器人进入工作地点后，面对一些可移动且不可知的障碍物，所规划的路线无法避开那些路障，这种情况下，需要机器人具备一定的应变能力，才能顺利完成指定工作任务。导览机器人不仅装有主要的红外传感器，并且配合有超声波传感器辅助避障。能够做到高精度的避障[8]。其由信号发射器与信号接收器部分构成，能够有效地监测周围路况，对路线进行处理，有效避开障碍物，并防止碰撞到游客。

具体流程为，安装的红外线传感器和超声波传感器发出检测障碍物信号，当检测到障碍物和导览机器人之间的距离在设定距离范围之内时，单片机对不同传感器检测的障碍物距离数据分别进行处理分析，根据设定的控制规则，对电机控制器发出执行命令，电机控制器控制电机驱动轮毂调整运作姿态的同时准确避开障碍物。直到未检测到障碍物的传感器到达检测到障碍物的传感器的所在位置，并通过红外线和超声波传感器再次检测；当两组传感器均检测到障碍物时，单片机控制机器人本体避障；当未检测到障碍物的传感器依然未检测到传感器，则单片机向移动终端发出未检测到障碍物传感器的故障信息。

2.5 游客身份识别与体温异常筛选

机器人区分数字、字符、形状和颜色的能力可以提高机器人的视觉和定位能力。该机器人配有高清人脸识别摄像头和红外传感器，对周围环境进行深度感知，并对第一时间引导用户进行拍照，收集公众信息，不断丰富公众的个人画像，建立更完整的个人信息。基于庞大的用户数据库，通过比对验证人脸和身份证信息，服务准确快速。该机器人配有红外人体传感器，由信号发射器与信号接收器两部分组成，通过发射红外线，接收并处理返回的模拟信号，再经过A/D转换芯片转为数字信号，进而显示出目标温度，通过不断监测景区游客的体温[9]，及时筛查体温异常情况。

3 方案创新点

3.1 智慧程度高

在人工智能与机器人发展及其应用的基础上，设计的导览机器人除了具备常规的智能对话、景区介绍等功能外，还具有路径规划导航、智能自主避障等众多的智慧功能。

3.2 硬件技术强

（1）激光雷达SLAM技术，其对于周围环境特征的扫描重建能力相当强悍，不仅可用于避障，且结合一定的技术，还可达到一定范围人流密度实时监测的效果。（2）采用了红外线技术，具有高灵敏度、高安全度性、高可靠性、超低功耗的特点。为增大感应角度的范围，应采用圆形透镜，使探头四面都能感应到人体的红外信号。（3）在综合考虑到成本等问题后，导览机器人采用三轮全向移动结构，可实现水平面上的全方位移动，并且行驶的平稳性、安全性、效率都有一定的保障。（4）该主控芯片采用STM32芯片。具有高达72M的频率、数据、指令各走不同的流水线，保证CPU运行速度的最大化。控制方便，功能齐全。（5）语音识别模块芯片LD3320是一款专为“语音识别”而设计的芯片，它可以识别所有普通话中文，该芯片是集成语音信号收集和识别算法。

3.3 安全性能好

机器人不仅装有主要的红外避障传感器，并且配合有超声波传感器辅助避障。能够做到高精度的避障。其由信号发射器与信号接收器部分构成，能够有效地监测周围路况，对路线进行处理，有效避开障碍物，并防止碰撞到游客，充分保障安全。

3.4 支持二次开发

机器人主体预留有大量端口，支持二次开发，可外加上其他各类设备如摄像头、传感器等对机器人实现更多功能拓展，满足个性化的设定。

4 结语

本文针对国内外传统景区建设发展现状的不足，介绍了一款全新的智能导览机器人，从外部结构设计、内部系统框架设计、功能及其原理等多个方面开展研究，并通过人工智能技术、科学、文化的融合创新不断深化，满足了游客的碎片化需求、提高旅游服务效率和促进文旅产业融合发展。推动智慧旅游发展壮大，实现经济和社会效益双丰收。产品除了具备常规的智能对话、景区介绍等功能外，还具有路径规划导航、智能自主避障、游客身份识别等诸多智慧功能，是一款具有推广价值的智能导览机器人，研究成果必将在相关领域带来一定的影响力。