高校智能导览机器人创新应用

中国教育网

2023-09-01 14:48:43

一、智能导览机器人研究背景

科学技术、计算机与网络通信技术的快速发展，推动经济、社会、生活等诸多方面的变革。机器人融合了信息、通信、人工智能技术，其技术含量较高。服务型机器人作为机器人分类中的重要分支，主要用于服务人类、为人类的生活提供便利。

智能导览机器人作为服务型机器人，主要用于各种展览馆、博物馆或其他会展中心，沿固定轨迹引导游客参观，并进行相应讲解以及简单的会话交流。良好的人机交互系统，有助于带给用户更好的体验。

对于高校校史馆而言，包括已经逐步建立起的虚拟校史馆，是从传统型向新时代智能信息化发展必然，具体可以体现在展馆的安全管理信息化、稳定的数字化网络环境部署、对外展示系统信息化、对内办公系统自动化等方面。

基于这样的需求，本文着眼于为高校校史馆提供更好的个性化服务的目标，设计并研究了一款智能导览机器人，以大连理工大学校史馆为使用场景，研究面向展馆导览功能的人机交互系统，实现导览过程中的服务功能，力求将对外的展示系统通过服务型机器人的方式向访客提供更直观的沉浸式体验，从而提升校史馆的吸引力与服务水平。

二、智能导览机器人主要功能及框架

主要功能介绍

作为信息科技时代的新型产物，高校校史馆智能导览机器人能够充分发挥科学技术在文化领域的积极作用。其主要功能针对馆内需要解说的地点进行路径规划，沿固定路线到达标记点后停顿，识别目标处的二维码并进行语音播报讲解。考虑到校史馆人来人往的情况，需要为智能机器人提供自主避障功能，当机器人感应到障碍物时，会重新规划路线，避开障碍物。馆内需解说的信息以二维码的形式呈现，需要为智能机器人提供二维码识别功能，识别二维码设置的文字信息后，智能机器人将文字信息转成语音播报。

智能导览机器人可投入应用的场景包括：

业务讲解。可以根据设定好的线路自动运行到目的地，带领访客游览校史馆，并给出基本的介绍，讲解的内容根据二维码的设定可以自主定义，展示场馆场景、展品特色和相关服务内容，而真人导览员则可以辅助回答参观者随时提出的发散性问题，作为智能导览机器人的介绍补充。

主题宣讲。在不间断的团体参观活动中，机器人可根据展馆场景情况自定义的工作方式和行走路线，自动循环运作，通过专业知识的输入和学习，为参观团体提供相应的主题宣讲活动，并做好接待工作。

智能导览机器人整体框架

该智能导览机器人选用CoreX控制器，其主要部分有视觉模块，并搭载了超声波模块、测速电机、寻线传感器、语音输出等模块，系统框图如图1所示，可实现定速行驶、巡线避障、语音播报等功能。由视觉模块可以实现二维码的识别，再通过语音输出模块将识别到的信息转化成语音的形式输出，并经由控制器进行配置，就能实现现有的需求，组成一个简化版本的导览机器人。

图1 导览机器人系统框

智能导览机器人主要性能特点

多功能性。服务型机器人的特点之一就是具有多项功能。智能导览机器人除了具备自主行走、语音合成等基础功能之外，还具有多媒体播放、二维码识别、主动迎宾、宣传讲解等功能，此外，智能导览机器人还能自主避障、自主充电。

精准性。由于智能导览机器人中内置了高精度的芯片，其中的程序都是根据机器人服务对象的特征和使用需求而设计出来的，因此，智能导览机器人投入使用之后，能够根据程序的设定以及人们给予的指令精准地执行各种任务，协助人类去完成许多可替代/辅助人类的工作。

协作交互性。服务型机器人发明生产出来的目的就是为人们提供服务的，因此，服务型机器人会内置许多程序，在实际的应用过程当中，服务型机器人还可以与人协作，在人们需要完成一些具有高难度的工作时，机器人就可以与人进行协同工作，有人负责做出事情的判断决策，机器人来负责“定量”计算和推理，从而让工作更加出色地完成。

三、智能导览机器人技术及原理

大连理工大学档案馆（校史馆）

路径规划与自主避障功能设计

路径规划与自主避障功能的实现是导览机器人的一个重要问题。它的目标是在一个存在障碍物的环境中，为导览机器人设计一条无碰撞路径，即使碰到障碍物，也能自主规避。

为了实现到目标展区的自动导航，需要主次解决机器人定位、目标定位、路径规划、自动导航四个步骤，其中前两个步骤分别实现源点和目标点定位，路径规划是核心。规划好路径之后，驱动机器人的硬件部分，实现自动导航。

实现机器人的定位，可采用激光传感器对周围的环境信息进行扫描，之后进行全局定位，以便机器人获取本身在地图中的准确位置。

目标定位问题，用户通过机器人人机交互系统界面上的点击操作或者语音方式告诉导览机器人准备到达的目标位置。

路径规划与导航问题，可采用包括路径规划以及耗散地图管理的相关算法的开源框架。在具体业务流程中，数据被发送至程序包，包括机器人的姿态、位置顺序，再对目的地进行定位，之后通过内部的路径规划与导航功能模块，实现对目标位置的最优导航与路径规划。

避障系统通过激光雷达与深度相机进行全方位的场景扫描，检测出机器人周围的障碍物分布情况后把障碍物信息传输给控制系统。目前主流的机器人避障方式有激光雷达避障、单目/双目视觉避障、3D结构光避障和超声波避障等。本系统结合激光雷达避障反应速度快、抗干扰能力强和视觉避障识别效率高的优点，在避障性能上要优于其他同类产品。

相关传感器技术

为了使智能导览机器人正常工作，需要监控智能导览机器人的位置、姿态和系统内部状态等，同时还要感知机器人工作环境的静态和动态信息，使导览机器人的行为能适应工作环境的变化。有效获取智能导览机器人内部和外部信息，实现自定位和避障等功能对提升机器人工作效率、节省能源来说具有重要意义。

传感器作为机器人的“感觉器官”，在其应用发展过程中起着至关重要的作用。根据目前已开发的各类传感器在机器人上应用的目的和范围的不同，可将其分为内部传感器和外部传感器两大类。内部传感器用于检测机器人的自身状态，外部传感器安装在机器人上，用于检测机器人所处的外部环境信息。

激光雷达避障原理。激光雷达是一种利用激光准确定位障碍物距离的仪器。激光雷达的发射器发射激光脉冲，遇到障碍物时会反射回来并被接收器接收，通过记录时间差来确定测试对象和测试点之间的距离。激光脉冲从发射到接收的时间与激光雷达与障碍物之间的距离成正比。激光雷达配合SLAM技术，可帮助机器人实时定位导航与避障。

视觉传感识别二维码。二维码识别主要是通过调用视觉传感器设备来快速回调摄像机并进行相应应用，当一次回调的图像无法识别时，将执行下一次回调，直到识别出二维码。

由于二维码大小和显示模糊程度不同等原因，摄像机有时无法很好地采集图像。因此，为了实现更快的识别，摄像机需要能够自动聚焦。识别完成后，会提醒用户并完成机器人的语音，从而实现语音解释功能。

语音合成技术

语音合成技术（Text To Speech）是实现人机交互的重要途径，它是一种从文本中自动生成语音的程序，将消息从机器传输给人，目的是传递消息中的信息。换句话说，语音合成就是创建一个与人类性能相当的系统。在语音合成技术中，主要分为文本分析阶段和语音生成阶段，文本分析阶段就是文本输入并将其转录成语音表征，然后对语音表征进行预处理；语音生成阶段是从文本分析阶段所得到的语音表征中生成语音从而实现发声的功能，这也被称为数字信号处理。

课题名称：中国高等教育学会校史研究分会“高校校史研究”课题《高校红色基因及其育人研究一一以大连理工大学为例》（2021XS-08）

作者：李哲（大连理工大学档案馆（校史馆））、林驰（大连理工大学软件学院）、郭晓明（大连理工大学网络与信息化中心）

责编：陈荣

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