梅術(shù)龍，朱林峰，潘小芳，桂堯天，王林通訊作者）

（1.武漢商學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430056；2.武漢商學(xué)院文旅產(chǎn)業(yè)研究中心，湖北 武漢 430056）

0 引言

近年來(lái)，隨著人們消費(fèi)水平和生活品質(zhì)不斷提高，旅游成為越來(lái)越多人的度假選擇，這使得旅游業(yè)近年來(lái)迅速發(fā)展。然而，日益增長(zhǎng)的旅游數(shù)量給旅游景點(diǎn)帶來(lái)了較大挑戰(zhàn)。如何以有限的資源來(lái)解決游客們的問(wèn)題，以滿(mǎn)足游客們的需求，推動(dòng)旅游業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)是旅游業(yè)有待思考的問(wèn)題。

從當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，智能化和智慧化正在對(duì)越來(lái)越多行業(yè)進(jìn)行重塑，各領(lǐng)域以及各行業(yè)正在由傳統(tǒng)模式向智能硬件模式轉(zhuǎn)變，旅游業(yè)也不例外。當(dāng)前，機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于工商業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域，并取得了顯著成效。利用機(jī)器人推動(dòng)旅游業(yè)的智能化升級(jí)將是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。根據(jù)旅游行業(yè)環(huán)境分析，近年來(lái)國(guó)內(nèi)旅游業(yè)迅速發(fā)展，導(dǎo)致旅游行業(yè)對(duì)導(dǎo)游這個(gè)職業(yè)的需求十分旺盛。但是由于就業(yè)門(mén)檻高，導(dǎo)游培訓(xùn)周期長(zhǎng)，導(dǎo)游行業(yè)基本是供不應(yīng)求。在這種情況下，導(dǎo)覽機(jī)器人可以有效地緩解以上狀況。就導(dǎo)覽機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用而言，機(jī)器人確實(shí)已能勝任多種服務(wù)任務(wù)，如講解、對(duì)話(huà)、導(dǎo)航、宣傳、運(yùn)輸?shù)?。具有較強(qiáng)的實(shí)用性、高效率、低成本等特點(diǎn)[1]，可以代替導(dǎo)游的一些基礎(chǔ)而簡(jiǎn)單工作。

機(jī)器人的發(fā)展為旅游業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展方向，特別是機(jī)器人和人工智能的發(fā)展與應(yīng)用，解決了旅游業(yè)發(fā)展中的諸多問(wèn)題。旅游景區(qū)通過(guò)部署導(dǎo)覽機(jī)器人，來(lái)解決導(dǎo)游短缺、景區(qū)維護(hù)費(fèi)用高、游客無(wú)法及時(shí)滿(mǎn)足觀賞需求等方面問(wèn)題，不僅給景區(qū)帶來(lái)了巨大的效益，而且也給游客帶來(lái)了便利。

1 整體設(shè)計(jì)方案

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是導(dǎo)覽機(jī)器人研究的基礎(chǔ)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分采用三輪全方位運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)水平面全方位運(yùn)動(dòng)，一定程度上保證了行駛穩(wěn)定性、安全性和效率。受到全向輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制，在綜合考慮到成本問(wèn)題，此機(jī)器人采用三輪全向移動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以在水平面內(nèi)所有方向上運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)的安全性、平穩(wěn)性、效率得到一定的保障。底盤(pán)的三輪驅(qū)動(dòng)輪通常由三個(gè)全向輪組成，三個(gè)一樣的輪子由三個(gè)數(shù)據(jù)型號(hào)相同的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。三個(gè)輪子都是徑向?qū)ΨQ(chēng)安裝，它們之間的角度為120°。

圖1 全向移動(dòng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

為方便使用者上手導(dǎo)覽機(jī)器人，需要研究良好的用戶(hù)操作界面。包括數(shù)據(jù)采集層、算法處理層、顯示層設(shè)計(jì)，通過(guò)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)，一方面提供友好、易于操作的用戶(hù)界面及詳細(xì)的用戶(hù)使用說(shuō)明，為了便于普通用戶(hù)快速掌握軟件系統(tǒng)的使用方法，另一方面提供設(shè)計(jì)合理、使用方便的軟件功能，方便使用者省時(shí)省力地上手導(dǎo)覽機(jī)器人。

圖2 操作界面開(kāi)發(fā)模型

1.3 感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該機(jī)器人配備多種類(lèi)型內(nèi)外傳感器，組成多傳感器系統(tǒng)。多傳感器系統(tǒng)的工作原理是合理地控制和利用這些傳感器以及傳感器的觀測(cè)信息，然后根據(jù)一定的準(zhǔn)則，將這些由多個(gè)或多個(gè)互補(bǔ)性的時(shí)間和空間上傳感器觀測(cè)信息的結(jié)合，得到對(duì)被觀測(cè)對(duì)象的解釋和描述[2]。機(jī)器人通過(guò)傳感器系統(tǒng)感知外界事物，在主控板獲取到外界信息后，再進(jìn)行相應(yīng)的控制，傳感器它包含了視覺(jué)、碰撞、紅外、力覺(jué)、觸覺(jué)、超聲波、超聲波、激光雷達(dá)等多種傳感器[3]。傳感器通過(guò)模擬接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦靼?，主板處理其信?hào)后，會(huì)做出相應(yīng)的響應(yīng)，通過(guò)接口將動(dòng)作信號(hào)傳輸?shù)诫姍C(jī)控制板。這些傳感模塊提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性以及安全性。

圖3 多傳感器交互系統(tǒng)

1.4 供能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能導(dǎo)覽機(jī)器人的電池對(duì)安全性和可靠性要求很高，要求電池重量輕，容量足夠大，能夠提供大電流放電，保證使用壽命長(zhǎng)，軟包鋰離子電池較符合上面的要求。軟包鋰離子具有能量密度（容量）大、安全性能高、大電流放電能力強(qiáng)（內(nèi)阻?。⒖箟盒詮?qiáng)、低溫性能優(yōu)良等特點(diǎn)，所以選用軟包鋰離子電池符合導(dǎo)覽機(jī)器人的要求。

2 功能及其原理

為使導(dǎo)覽機(jī)器人能夠高效地完成更多不同的功能、任務(wù)，必須對(duì)其智能化控制技術(shù)進(jìn)行研究。導(dǎo)覽機(jī)器人擁有全面豐富的及時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)以及信息平臺(tái)來(lái)滿(mǎn)足智能路徑規(guī)劃與導(dǎo)航、智能語(yǔ)音交流等人性化功能，除此之外，通過(guò)激光雷達(dá)以及彩色攝像頭、紅外傳感器對(duì)外界獲取信息送至主控板，并做出相應(yīng)的信息反饋控制各個(gè)電動(dòng)機(jī)控制器，可實(shí)現(xiàn)自主避障、游客身份識(shí)別等功能，具體功能設(shè)計(jì)及其原理如下。

2.1 自主巡航設(shè)定

本機(jī)配備360度環(huán)狀高精度雷達(dá)，可對(duì)周?chē)鷱?fù)雜環(huán)境進(jìn)行掃描定位，將采集到的信息輸入嵌入式開(kāi)發(fā)板，以感知周?chē)h(huán)境并進(jìn)行自身定位[4]。由人工通過(guò)遠(yuǎn)程電腦終端對(duì)導(dǎo)覽機(jī)器人進(jìn)行后臺(tái)設(shè)定相應(yīng)的巡航路線(xiàn)點(diǎn)后，通過(guò)激光雷達(dá)、超聲波、紅外傳感器等輔助引導(dǎo)導(dǎo)覽機(jī)器人，每隔一段時(shí)間便會(huì)自主規(guī)劃路線(xiàn)地前往到設(shè)定的目的地，在目的地駐留固定時(shí)間后前往下一設(shè)定目的地，達(dá)到路線(xiàn)巡航，若此間有人使用超過(guò)設(shè)定的駐留時(shí)間，導(dǎo)覽機(jī)器人也會(huì)做出相應(yīng)改變，在待游客使用完成后，才前往下一設(shè)定點(diǎn)。（如圖5）黑色部分為機(jī)器人檢測(cè)到的障礙物，機(jī)器人會(huì)圍繞著規(guī)劃好的0，1，2號(hào)點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)路徑巡航作業(yè)。

圖4 路徑巡航展示

圖5 紅外避障原理圖解

通過(guò)激光雷達(dá)在景區(qū)進(jìn)行高精度定位，可為游客查詢(xún)周邊情況，如尋找最近的廁所位置、零售店等，并可進(jìn)行導(dǎo)航帶路。通過(guò)激光雷達(dá)實(shí)時(shí)檢測(cè)各區(qū)人流量，再以導(dǎo)航進(jìn)行路線(xiàn)規(guī)劃，在各個(gè)路口位置可為游客提供前往目的地的最佳路徑，有效解決景區(qū)的擁堵問(wèn)題。

在一定的時(shí)間內(nèi)游覽多個(gè)景點(diǎn)，完成設(shè)定的巡航任務(wù)，并自動(dòng)回到出發(fā)點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)控制模塊是運(yùn)動(dòng)任務(wù)的重要執(zhí)行模塊，運(yùn)動(dòng)控制模塊接收任務(wù)調(diào)度模塊發(fā)送的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)[5]，軌跡規(guī)劃器和動(dòng)作選擇器根據(jù)收到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)生成詳細(xì)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并通過(guò)多個(gè)插補(bǔ)器將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳送到下一步。運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊對(duì)導(dǎo)覽機(jī)器人的底盤(pán)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，采用比例積分-微分控制方式。

2.2 智能語(yǔ)音交流

導(dǎo)覽機(jī)器人通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，通曉多國(guó)語(yǔ)言，場(chǎng)景定制知識(shí)庫(kù)、閑聊庫(kù)，人機(jī)互動(dòng)升級(jí)服務(wù)體驗(yàn)，做出精確的多語(yǔ)種對(duì)答，能夠有效地幫助各國(guó)各地游客解決各種問(wèn)題。并且還能夠進(jìn)行人機(jī)交互，機(jī)器人精通各種網(wǎng)絡(luò)流行語(yǔ)，給游客帶來(lái)獨(dú)特的吸引力。導(dǎo)覽機(jī)器人進(jìn)行聲音拾取的過(guò)程，第一步通過(guò)麥克風(fēng)采集聲音，麥克風(fēng)采集到的是模擬信號(hào)，系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，以得到采集聲音的數(shù)字信號(hào)[6]；下一步，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行放大、降噪、回聲一致等操作，清晰度和信噪比將有很大的提高，最后這些聲音數(shù)字信號(hào)將被傳送到機(jī)器人的系統(tǒng)。聲音信號(hào)在清晰化操作后繼續(xù)傳送給文字識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言訓(xùn)練獲得的聲學(xué)模型進(jìn)行匹配和解碼譯碼，從而得到一個(gè)較為精確的文字識(shí)別結(jié)果[7]。系統(tǒng)就會(huì)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)覽機(jī)器人能理解的指令。將文字導(dǎo)入到語(yǔ)音庫(kù)中，然后把答案轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音播放。

2.3 平臺(tái)信息展示

導(dǎo)覽機(jī)器人裝有一塊電容觸摸液晶屏。觸摸屏可實(shí)現(xiàn)各種信息畫(huà)面展示與觸摸控制功能，游客可以在上面查看到各種信息，如當(dāng)前位置信息、熱點(diǎn)新聞、安全知識(shí)科普、景區(qū)介紹與引導(dǎo)、推薦景區(qū)的各種特色活動(dòng)以及優(yōu)惠信息、失物招領(lǐng)等。

2.4 智能自主避障

導(dǎo)覽機(jī)器人身上配有各種類(lèi)型內(nèi)外傳感器，組成多傳感器系統(tǒng)，在導(dǎo)覽機(jī)器人進(jìn)入工作地點(diǎn)后，面對(duì)一些可移動(dòng)且不可知的障礙物，所規(guī)劃的路線(xiàn)無(wú)法避開(kāi)那些路障，這種情況下，需要機(jī)器人具備一定的應(yīng)變能力，才能順利完成指定工作任務(wù)。導(dǎo)覽機(jī)器人不僅裝有主要的紅外傳感器，并且配合有超聲波傳感器輔助避障。能夠做到高精度的避障[8]。其由信號(hào)發(fā)射器與信號(hào)接收器部分構(gòu)成，能夠有效地監(jiān)測(cè)周?chē)窙r，對(duì)路線(xiàn)進(jìn)行處理，有效避開(kāi)障礙物，并防止碰撞到游客。

具體流程為，安裝的紅外線(xiàn)傳感器和超聲波傳感器發(fā)出檢測(cè)障礙物信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到障礙物和導(dǎo)覽機(jī)器人之間的距離在設(shè)定距離范圍之內(nèi)時(shí)，單片機(jī)對(duì)不同傳感器檢測(cè)的障礙物距離數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理分析，根據(jù)設(shè)定的控制規(guī)則，對(duì)電機(jī)控制器發(fā)出執(zhí)行命令，電機(jī)控制器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轂調(diào)整運(yùn)作姿態(tài)的同時(shí)準(zhǔn)確避開(kāi)障礙物。直到未檢測(cè)到障礙物的傳感器到達(dá)檢測(cè)到障礙物的傳感器的所在位置，并通過(guò)紅外線(xiàn)和超聲波傳感器再次檢測(cè)；當(dāng)兩組傳感器均檢測(cè)到障礙物時(shí)，單片機(jī)控制機(jī)器人本體避障；當(dāng)未檢測(cè)到障礙物的傳感器依然未檢測(cè)到傳感器，則單片機(jī)向移動(dòng)終端發(fā)出未檢測(cè)到障礙物傳感器的故障信息。

2.5 游客身份識(shí)別與體溫異常篩選

機(jī)器人區(qū)分?jǐn)?shù)字、字符、形狀和顏色的能力可以提高機(jī)器人的視覺(jué)和定位能力。該機(jī)器人配有高清人臉識(shí)別攝像頭和紅外傳感器，對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行深度感知，并對(duì)第一時(shí)間引導(dǎo)用戶(hù)進(jìn)行拍照，收集公眾信息，不斷豐富公眾的個(gè)人畫(huà)像，建立更完整的個(gè)人信息?；邶嫶蟮挠脩?hù)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)比對(duì)驗(yàn)證人臉和身份證信息，服務(wù)準(zhǔn)確快速。該機(jī)器人配有紅外人體傳感器，由信號(hào)發(fā)射器與信號(hào)接收器兩部分組成，通過(guò)發(fā)射紅外線(xiàn)，接收并處理返回的模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而顯示出目標(biāo)溫度，通過(guò)不斷監(jiān)測(cè)景區(qū)游客的體溫[9]，及時(shí)篩查體溫異常情況。

3 方案創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 智慧程度高

在人工智能與機(jī)器人發(fā)展及其應(yīng)用的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的導(dǎo)覽機(jī)器人除了具備常規(guī)的智能對(duì)話(huà)、景區(qū)介紹等功能外，還具有路徑規(guī)劃導(dǎo)航、智能自主避障等眾多的智慧功能。

3.2 硬件技術(shù)強(qiáng)

（1）激光雷達(dá)SLAM技術(shù)，其對(duì)于周?chē)h(huán)境特征的掃描重建能力相當(dāng)強(qiáng)悍，不僅可用于避障，且結(jié)合一定的技術(shù)，還可達(dá)到一定范圍人流密度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果。（2）采用了紅外線(xiàn)技術(shù)，具有高靈敏度、高安全度性、高可靠性、超低功耗的特點(diǎn)。為增大感應(yīng)角度的范圍，應(yīng)采用圓形透鏡，使探頭四面都能感應(yīng)到人體的紅外信號(hào)。（3）在綜合考慮到成本等問(wèn)題后，導(dǎo)覽機(jī)器人采用三輪全向移動(dòng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)水平面上的全方位移動(dòng)，并且行駛的平穩(wěn)性、安全性、效率都有一定的保障。（4）該主控芯片采用STM32芯片。具有高達(dá)72M的頻率、數(shù)據(jù)、指令各走不同的流水線(xiàn)，保證CPU運(yùn)行速度的最大化?？刂品奖?，功能齊全。（5）語(yǔ)音識(shí)別模塊芯片LD3320是一款專(zhuān)為“語(yǔ)音識(shí)別”而設(shè)計(jì)的芯片，它可以識(shí)別所有普通話(huà)中文，該芯片是集成語(yǔ)音信號(hào)收集和識(shí)別算法。

3.3 安全性能好

機(jī)器人不僅裝有主要的紅外避障傳感器，并且配合有超聲波傳感器輔助避障。能夠做到高精度的避障。其由信號(hào)發(fā)射器與信號(hào)接收器部分構(gòu)成，能夠有效地監(jiān)測(cè)周?chē)窙r，對(duì)路線(xiàn)進(jìn)行處理，有效避開(kāi)障礙物，并防止碰撞到游客，充分保障安全。

3.4 支持二次開(kāi)發(fā)

機(jī)器人主體預(yù)留有大量端口，支持二次開(kāi)發(fā)，可外加上其他各類(lèi)設(shè)備如攝像頭、傳感器等對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更多功能拓展，滿(mǎn)足個(gè)性化的設(shè)定。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)景區(qū)建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀的不足，介紹了一款全新的智能導(dǎo)覽機(jī)器人，從外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)部系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)、功能及其原理等多個(gè)方面開(kāi)展研究，并通過(guò)人工智能技術(shù)、科學(xué)、文化的融合創(chuàng)新不斷深化，滿(mǎn)足了游客的碎片化需求、提高旅游服務(wù)效率和促進(jìn)文旅產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。推動(dòng)智慧旅游發(fā)展壯大，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益雙豐收。產(chǎn)品除了具備常規(guī)的智能對(duì)話(huà)、景區(qū)介紹等功能外，還具有路徑規(guī)劃導(dǎo)航、智能自主避障、游客身份識(shí)別等諸多智慧功能，是一款具有推廣價(jià)值的智能導(dǎo)覽機(jī)器人，研究成果必將在相關(guān)領(lǐng)域帶來(lái)一定的影響力。