基于云计算的图书馆智能取书机器人远程控制与管理系统研究

基于云计算的图书馆智能取书机器人远程控制与管理系统研究

张尉彬,郭鹤,王幸帅

郑州科技学院

摘要：本文针对图书馆当前管理操作流程现状和图书馆取书机器人的功能需求和技术需求设计了一款基于云计算的自主导航图书馆取书机器人。取书机器人主机板采用高性能的人工智能RK3399PRO板，并在取书机械臂上装有双目视频检测；激光雷达定位、配备SLAM自主定位导航系统、多传感器信息融合（激光雷达、陀螺仪、里程计等多种传感器）；具备在复杂环境下精准定位、多传感器数据融合、动态智能路径规划、手动/自动建图、导航避障、自主导航等功能特点。文中对取书机器人的总体结构、关键技术、运动控制软件的框架、所用的算法等作了阐述。特别是对图书索书号识别算法、识别图书索书号的流程、改进型的Canny算子边缘检测算法作了详细的论证。该设计可提高图书馆工作效率，对智能图书馆的建设有参考价值。

关键词：取书机器人；自主定位导航；图书索书号；云计算

一、引言

目前，大多数的大型图书馆已经实现了条形码和数据库技术，对图书的信息管理应用于包括图书采购典藏和借阅、归还书籍等环节，到目前为止还未见相关报道在无人干预的情况下，采用基于视觉检测的自主导航取书机器人自动完成取书借书过程。传统的图书馆的管理模式、运作模式和操作流程消耗人力、物力较大，效率低，有效工作时间短以及书籍转运时，可能对图书有所损坏。除规避上述缺点以外，使用自动取书机器人还可以降低在借还书时由于图书的放置错误而造成的损失。

二、取书机器人结构

基于云计算的自主导航图书馆取书机器人是无人驾驶的，主机板采用高性能的人工智能RK3399PRO板，具有六核（双核Cortex-A72+四核Cortex-A53）的微处理器；采用了双目视频检测、激光雷达定位、配备SLAM自主定位导航系统、多传感器信息融合（激光雷达、陀螺仪、里程计等多种传感器）；具备在复杂环境下精准定位、多传感器数据融合、动态智能路径规划、手动/自动建图、导航避障、自主导航等功能特点。系统可应用于图像识别、智能驾驶、智能网联、无人系统、智能机器人与群体智能操作等。

三、图书馆取书机器人关键技术

（一）视觉识别技术

基于视觉检测的自主导航图书馆取书机器人，由于图书背脊大多狭窄，选用了一维码，用于图书的条码识别。取书机器人使用视觉识别进行路障的规避，在通过借阅人得到读取图书固有位置信息后，将定位图书所在位置，然后计算优先路线，自动规避障碍前往图书所在位置，最后机械臂的双目摄像头通过卷积神经网络算法获取识别图像特征，避免烦琐的图像预处理、特征提取的过程，并对目标图像进行检测和相应的处理。之后通过双目摄像机扫描定位标签所在的位置，最后机器人通过控制机械臂实现目标书籍的抓取。

（二）取书机器人自主导航定位技术

自动取书机器人的导航定位技术，由其底座搬运机构负责，在接收到图书借书任务时，需要准确识别自身位置，并精准到达图书所在的书架位置，不会串位，拿到或放回图书之后，能回到取书口或充电位置，保证下一次工作的正常运行。本导航系统采用激光雷达构建地图各种算法构图的同时，将网格地图应用于自主导航系统，支持室内导航、动态避障，能够在动态变化的非结构性环境下，完成复杂的作业任务。

（三）取书机器人的机械结构设计

（1）底盘结构设计.图书馆的书架采取的是密集布局，以最小的空间内存放最多的书，并且书架之间的间距不大，取书机器人小车要在其空间快速完成取书任务和转向。目前常用的机器人的移动方式有轮式、履带式和多足式。本机器人系统采用４个麦克纳姆轮构成的四轮式结构，且是用4个无刷电机独立驱动，通过主控机控制4个轮子的转向和转速来改变机器人的运行轨迹，实现底盘的横向、纵向及任意角度的移动，还能实现绕中心原地旋转。也能在狭小空间内实现系统平稳、快速的全方位移动，提高图书馆空间利用率。

（2）机械臂设计。机械手部分由拾取手臂和夹持装置共同构成。为了完成取书过程，拾取手臂的设计中最常用的机械臂结构有关节型球面坐标型、球面坐标型、柱面坐标型和直角坐标型。在图书馆自动取书机器人的设计中，按关节型球面坐标型设计机械臂。

（3）搬运机构设计。自动取书机器人的设计理念在于高灵活性，故而在使用搬运设备时，软件的设计和搭载的相关硬件设施都体现了高灵活性，可动态实时躲避障碍，以激光雷达结合多种算法进行网格式地图输出。故而，选用轮胎时也需要具备这种特性，本机器人选用了麦克纳姆轮。使用这种轮子在平地上具有很高的工作效率可以横向、纵向、任意方向的旋转，并且在工作时，可以使机器人更正自己的状态和位置，在图书馆这种环境中具有较大的优势，保证了图书馆取书机器人工作的高效率与精确性。

四、自动取书机器人的软件

（一）运动控制

激光雷达建立图书馆环境地图采用较为常用的2DSLAM算法Gmapping。在自主导航过程中，为了实现在地图坐标系上对图书馆的藏书架上的图书精准定位采用了蒙特卡洛定位算法，使用机器人操作系统（ROS:Robotoperatingsystem）中的激光扫描匹配器（laser_scan_matcher）功能包来完成激光雷达的前后数据帧的比对，从而获得激光雷达位置变化数据的估计；由于激光雷达固定在机器人的前面，因此，激光雷达固定和机器人两者是简单的平移，由此可得到机器人的里程信息数据。这样就能推导出地图坐标系（MapCoordinateSystem）、里程计坐标系（OdometerCoordinateSystem）和机器人坐标系（RobotCoordinateSystem）这3种坐标之间的转换关系，通过坐标变换树tf（coordinatetransformationtree）统一发布相应的话题（topic）。基于云计算的自主导航图书馆取书机器人的软件主要算法：

（1）IMU9轴AHRSMadowick姿态算法；

（2）扩展卡尔曼滤波多传感姿态融合算法；

（3）激光雷达构建地图，支持gmapping、hector、karto、googleCartographer等算法构图，构建过程支持键盘控制，其中googleCartographer算法转换成网格地图并用于自主导航功能；

（4）支持室内自动导航、动态避障、AMCL室内定位功能；

（5）支持OpenCV的常用边缘检测、物体检测与识别等；

（6）支持人脸识别、眼睛识别、人体识别、动物识别、姿态识别等功能；

（7）具备深度摄像头的视觉构建地图及导航功能，支持自动跟随；

（二）图书的识别与取书

为了精准找到书架上的图书，需对书上的条码识别。图书识别采用条码识别的方法进行识别，在条码识别过程中主要是通过相应函数对图书条码的轮廓特征进行识别，在识别辨识到条码轮廓之后，利用zabr工具包对所找出条码进行解码，从而得出条码所代表的标号进行检索出代表内容。再由机器人的主控机控制机械臂对图书进行夹取。

五、结论

本文针对图书馆的管理和操作流程、图书馆取书机器人的功能需求和技术需求，设计了一款基于云计算的自主导航图书馆取书机器人，该智能取书机器人采用了高性能的人工智能开发板、双目视频检测、激光雷达定位、配备SLAM自主定位导航系统、多传感器信息融合（激光雷达、陀螺仪、里程计等多种传感器）；能够实现在复杂环境下精准定位、多传感器数据融合、动态智能路径规划、手动/自动建图、导航避障、自主导航等功能。智能取书机器人可提高图书馆的工作效率，减轻图书管理人员的劳动强度和工作量，对智能图书馆建设有参考价值。

参考文献：

[1]张若兰.图书馆智能化机器人与图书馆服务创新的融合[J].农业图书情报学刊，2018，30(10):153-156.

[2]韩竺秦.基于多传感器融合的图书管理机器人的设计与实现[J].电气传动自动化，2022，44(2):17-21.

[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，2018，33(2):25-28.

[4]陈广辉，熊茂华.基于视觉检测的采摘机械臂的研究与开发[J].南方农机，2020，51(9):15-17.