李名杰 詹紅梅

（1.北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)，北京 102602；2.廈門(mén)瑞為信息技術(shù)有限公司，福建 廈門(mén) 361004）

0 引言

隨著我國(guó)民航事業(yè)的快速發(fā)展，飛機(jī)出行越來(lái)越普及，這對(duì)民航出行服務(wù)提出了更高的要求。目前，智能服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生活的方方面面，可以更廣泛地代替人工從事各種生產(chǎn)作業(yè)，大大降低了人工成本。服務(wù)機(jī)器人智能化的工作模式可以有效地提高其工作效率，并在一定程度上提供基于科技發(fā)展的多項(xiàng)智能化服務(wù)，現(xiàn)已應(yīng)用于教育、家庭、交通以及救援等領(lǐng)域。

隨著市場(chǎng)需求和技術(shù)的發(fā)展，服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展空間將繼續(xù)擴(kuò)大。機(jī)器人除了需要具備日常乘客所需的基本信息查詢(xún)功能外，還需要進(jìn)一步豐富和完善它的個(gè)性化服務(wù)功能。因此，在大型樞紐機(jī)場(chǎng)應(yīng)用基于SLAM 的智能機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)行李放置功能、跟隨功能，使機(jī)器人化身為乘客的得力助手，對(duì)提升旅客出行服務(wù)具有重要意義。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 SLAM

同時(shí)定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM ）涉及一系列復(fù)雜的計(jì)算和算法，需要利用傳感器在未知環(huán)境中構(gòu)建地圖和結(jié)構(gòu)，并確定設(shè)備的位置和方向。因此，SLAM 問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為移動(dòng)機(jī)器人位置運(yùn)動(dòng)和觀測(cè)信息的概率計(jì)算問(wèn)題。針對(duì)某大型樞紐機(jī)場(chǎng)具有空間大、人員復(fù)雜以及服務(wù)項(xiàng)目繁多的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了智能化機(jī)器人，與傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)航顯設(shè)備相比，該機(jī)器具有靈活性高、服務(wù)主動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。SLAM 智能服務(wù)機(jī)器人在航站樓場(chǎng)景下，可通過(guò)面部識(shí)別技術(shù)獲取旅客行程信息，為旅客提供航班查詢(xún)、路線引導(dǎo)以及行李搬運(yùn)等便捷服務(wù)。

1.2 機(jī)器人導(dǎo)航中的同步定位

當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)入陌生環(huán)境時(shí)，要解決“我在哪”以及“我周?chē)沫h(huán)境是怎樣的”2 個(gè)問(wèn)題，只有這樣才可以更好地進(jìn)行移動(dòng)和工作。項(xiàng)目采用激光雷達(dá)SLAM 技術(shù)，該技術(shù)源于早期的一些基本測(cè)距和定位方法，例如紅外傳感器測(cè)距和超聲波傳感器測(cè)距。激光雷達(dá)對(duì)機(jī)場(chǎng)周邊的物體進(jìn)行感知、采集，獲取物體在三維空間中的坐標(biāo)和類(lèi)別信息，并形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)集。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)集與不同渠道的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人確定運(yùn)動(dòng)距離、感知環(huán)境變化以及移動(dòng)定位的功能。

1.3 機(jī)器人導(dǎo)航中的地圖構(gòu)建

在原有SLAM 的基礎(chǔ)上以及場(chǎng)景地圖信息構(gòu)建的掃描匹配過(guò)程中，多種常用方法將迭代最近點(diǎn)法與鄰域法結(jié)合在一起，以不同的機(jī)器人運(yùn)行速度實(shí)時(shí)調(diào)整并構(gòu)建簡(jiǎn)單的場(chǎng)景地圖，在一定程度上提高了SLAM 的效率和質(zhì)量。

1.3.1 避障

機(jī)器人需要在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中解決的問(wèn)題就是避障，而障礙物一般分為靜態(tài)障礙物和動(dòng)態(tài)障礙物，例如人體、柱子等。在靜態(tài)障礙物避障方面，基于矢量場(chǎng)直方圖法的自適應(yīng)閾值避障方法解決了機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程的靜態(tài)礙物，為保障避障時(shí)的絕對(duì)安全，在設(shè)定閾值時(shí)，需要讓機(jī)器人多跑線路，再取一個(gè)相對(duì)安全值。在避開(kāi)動(dòng)態(tài)障礙物方面，采用基于相對(duì)坐標(biāo)系的避障方法，即避開(kāi)靜態(tài)障礙物的坐標(biāo)系，在機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)自身尺寸，利用所攜帶傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)避障的功能。

1.3.2 構(gòu)建實(shí)際應(yīng)用地圖

構(gòu)建在航站樓環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用地圖，例如機(jī)場(chǎng)自建的地理信息系統(tǒng)（GIS）將為機(jī)器人導(dǎo)航提供更精確的空間數(shù)據(jù)，機(jī)器人與GIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航、商業(yè)線路指引等可視化應(yīng)用。激光雷達(dá)建立的掃描圖只有黑色和灰色，分別代表障礙物體和未知區(qū)域，缺少白色區(qū)域，即已知區(qū)域（可通行區(qū)域）。當(dāng)只有灰色和黑色時(shí)，無(wú)法在導(dǎo)航中使用該地圖。原激光掃描圖的基礎(chǔ)上對(duì)地圖進(jìn)行美化，以實(shí)現(xiàn)可視化呈現(xiàn)的目標(biāo)。如圖1 所示。

2 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向模塊

采用雙差速輪高效聯(lián)動(dòng)變速驅(qū)動(dòng)和萬(wàn)向輪輔助裝置，內(nèi)置減速機(jī)和250 W 輪轂伺服電機(jī)，通過(guò)高精度聯(lián)軸器與電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。起動(dòng)力矩大，易于啟動(dòng)和停車(chē)，適用于人流密集型場(chǎng)景。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模塊

該模塊采用雙層控制結(jié)構(gòu)，使PLC 系統(tǒng)與控制板相結(jié)合，上位工控機(jī)主要用于環(huán)境感知和數(shù)據(jù)處理，下位機(jī)接收工控機(jī)指令和輔助設(shè)備信息，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，二者通過(guò)RS232 通信協(xié)同工作。

2.3 環(huán)境感知模塊

該模塊搭載了視覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)以及紅外等傳感器，將環(huán)境感知的信息上傳給工控機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)搭配了32 寸大屏顯示，如圖1 所示。

3 機(jī)場(chǎng)服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用

3.1 智能服務(wù)機(jī)器人

機(jī)場(chǎng)智能服務(wù)機(jī)器人（移動(dòng)式智慧航顯）是一款具備認(rèn)知能力的機(jī)器人，其設(shè)計(jì)初衷是為旅客提供自助服務(wù)，滿(mǎn)足旅客的個(gè)性化需求，為旅客提供多元化的服務(wù)體驗(yàn)。該機(jī)器人的外形如圖2 所示，該機(jī)器人目前已在某大型樞紐機(jī)場(chǎng)航站樓為旅客提供服務(wù)。雷達(dá)掃描儀和攝像頭還可以獲取建筑物信息、繪制機(jī)場(chǎng)地圖、進(jìn)行機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航、不斷掃描周?chē)h(huán)境、避開(kāi)附近的障礙物和人員以及保障運(yùn)行安全。依托機(jī)場(chǎng)“One ID”人像平臺(tái)，該機(jī)器人還搭載了激光雷達(dá)、超聲定位以及人臉識(shí)別等多項(xiàng)技術(shù)，可以在人群中自由穿梭。

3.2 機(jī)器人在旅客出行中的應(yīng)用

機(jī)場(chǎng)智能服務(wù)機(jī)器人通過(guò)前期掃描繪制航站樓內(nèi)地圖，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位的功能。對(duì)接機(jī)機(jī)場(chǎng)“One ID”人像平臺(tái)和離港信息系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，旅客無(wú)須使用身份證驗(yàn)證，只需要面對(duì)機(jī)器人，就可以自動(dòng)完成查詢(xún)并提示引導(dǎo)，旅客“即刷即走”。與傳統(tǒng)的航班顯示屏相比，移動(dòng)式智慧航顯能突出旅客出行的航班信息、航班狀態(tài)、登機(jī)口信息以及位置，無(wú)須在航班信息引導(dǎo)屏上檢索自己的航班信息，能具體了解登機(jī)口位置與路線，可以對(duì)乘機(jī)時(shí)間進(jìn)行預(yù)判。

機(jī)場(chǎng)機(jī)器人工作地點(diǎn)為室內(nèi)，傳感器須探測(cè)機(jī)器人本體200 cm 范圍內(nèi)的障礙物，因此，選用的傳感器包括編碼器（測(cè)轉(zhuǎn)速，速度控制）、紅外測(cè)距傳感器（靜態(tài)避障）、超聲波傳感器（動(dòng)態(tài)避障，測(cè)定障礙物距離）、紅外傳感器測(cè)距、激光雷達(dá)（判斷有無(wú)人員靠近）以及高清雙目攝像機(jī)（人臉采集，人臉識(shí)別比對(duì)）。

其中，人臉識(shí)別采集采用基于位置信息與表征信息融合的跟蹤算法對(duì)視頻序列中的相同目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，為每個(gè)目標(biāo)分配獨(dú)立的ID 號(hào)，當(dāng)人低頭或者人臉被其他人或物體遮擋時(shí)，通過(guò)頭肩檢測(cè)算法依然能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行跟蹤，確保人員檢測(cè)目標(biāo)跟蹤的準(zhǔn)確性，對(duì)于同一個(gè)ID 號(hào)的所有人臉，臉部抓拍攝像頭內(nèi)嵌的人臉質(zhì)量算法通過(guò)角度、模糊度以及光照亮度等信息綜合評(píng)判1 張人臉圖片的質(zhì)量評(píng)分，即從同一個(gè)旅客名下的所有人臉圖片中篩選質(zhì)量最優(yōu)的1 張圖片，將最優(yōu)的人臉部分裁剪后上傳至機(jī)器人內(nèi)嵌電腦。當(dāng)旅客再次出現(xiàn)在機(jī)器人前面時(shí)，攝像頭自動(dòng)抓拍人臉，并與之前存儲(chǔ)人臉圖像進(jìn)行比對(duì)，從而完成查詢(xún)登機(jī)口、查詢(xún)線路、驅(qū)動(dòng)機(jī)器開(kāi)艙門(mén)以及行駛等任務(wù)。

機(jī)器人安裝的超聲波傳感器利用發(fā)生器發(fā)射超過(guò)頻率大于20 kHz 的聲波，采用I/O 口TRIG 觸發(fā)測(cè)距（需要大于或等于10 μm 的高電平才能觸發(fā)測(cè)距）。模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)頻率為40 kHz的方波來(lái)檢測(cè)返回信號(hào)。返回信號(hào)通過(guò)I/O 口輸出高電平，返回信號(hào)的脈沖寬度與距離成正比。測(cè)距公式為L(zhǎng)=C×t/2（其中，L 為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C 為超聲波在空氣中的運(yùn)動(dòng)速度；t 為從發(fā)出信號(hào)到接收信號(hào)的時(shí)間差）。紅外傳感作為測(cè)距和障礙物避讓的一種補(bǔ)充，當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收，通過(guò)反射光線的強(qiáng)弱判斷障礙物的距離。當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，紅色指示燈點(diǎn)亮，端口輸出低電平。傳感器輸出端口OUT 可以直接連接單片機(jī)I/O 口，在單片機(jī)接收外部中斷信號(hào)后，通過(guò)設(shè)定的機(jī)器人內(nèi)部程序改變底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)方向和速度，完成機(jī)器人躲避障礙物的動(dòng)作。機(jī)場(chǎng)服務(wù)機(jī)器人采用6 路紅外避障，均布在機(jī)器人圓形底盤(pán)上，通過(guò)機(jī)器人可以了解周邊障礙物的信息，同時(shí)結(jié)合超聲波傳感器探測(cè)到的障礙物信息，從而繪制環(huán)境中障礙物的總分布圖。機(jī)器人根據(jù)分布圖來(lái)判斷周邊障礙物的情況，根據(jù)設(shè)定的避障算法調(diào)節(jié)電機(jī)方向和速度，進(jìn)而有效躲避障礙物。

3.2.1 查詢(xún)登機(jī)口

查詢(xún)登機(jī)口的步驟如下：1） 視頻流檢測(cè)可用人臉，抓拍到可用人臉后將圖像發(fā)送到人臉比對(duì)模塊進(jìn)行人臉1∶N比對(duì)（N 為人臉庫(kù)中所有人臉照片的數(shù)量）。2） 通過(guò)比對(duì)找到人臉關(guān)聯(lián)查詢(xún)用戶(hù)的登機(jī)口信息。3） 返回用戶(hù)登機(jī)口數(shù)據(jù)。

3.2.2 行李托運(yùn)

行李托運(yùn)的步驟如下：1） 視頻流檢測(cè)可用人臉，抓拍到可用人臉后保存到本地，并將其作為打開(kāi)行李艙門(mén)時(shí)驗(yàn)證的底庫(kù)人臉圖像。2）當(dāng)打開(kāi)艙門(mén)時(shí)，視頻流檢測(cè)抓拍的可用人臉圖像后，將其與本地保存的底庫(kù)人臉圖像進(jìn)行1 ∶1比對(duì)。2） 比對(duì)成功，向艙門(mén)輸出打開(kāi)艙門(mén)信號(hào)，艙門(mén)打開(kāi)。

3.2.3 移動(dòng)導(dǎo)航

移動(dòng)導(dǎo)航的步驟如下：1） 應(yīng)用程序向底盤(pán)傳入終點(diǎn)的點(diǎn)位名稱(chēng)，下發(fā)移動(dòng)任務(wù)。2）底盤(pán)接收移動(dòng)任務(wù)，開(kāi)始移動(dòng)。3） 將移動(dòng)任務(wù)執(zhí)行結(jié)果發(fā)送至應(yīng)用程序。

3.3 拓展應(yīng)用

3.3.1 乘機(jī)服務(wù)

機(jī)器人還可以應(yīng)用于行李托運(yùn)環(huán)節(jié)，通過(guò)識(shí)別旅客身份及航班信息，將旅客信息運(yùn)送到行李托運(yùn)處并完成托運(yùn)。

3.3.2 商業(yè)拓展

未來(lái)機(jī)器人可結(jié)合商業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)航站樓內(nèi)商業(yè)店鋪引導(dǎo)并開(kāi)啟跟隨模式，旅客可將行李放置在機(jī)器人存儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)，暢享機(jī)場(chǎng)提供的商品與美食，也可以實(shí)現(xiàn)商品廣告推薦功能。

圖1 智能感知設(shè)備示意圖

圖2 機(jī)場(chǎng)智能服務(wù)機(jī)器人（移動(dòng)式智慧航顯）

3.3.3 全景人員巡視

機(jī)器人可用于全景人臉巡視，機(jī)器人四周設(shè)計(jì)有雙目攝像頭，可全方位識(shí)別周?chē)四樞畔?，區(qū)分VIP 客戶(hù)和異常人員（包括航班臨飛找尋人員、托運(yùn)行李異常人員、行跡可疑人員以及外貌可疑人員等），結(jié)合業(yè)務(wù)的具體需求，機(jī)器人將針對(duì)不同人群做出不同反應(yīng)，可作為現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)安保系統(tǒng)的補(bǔ)充力量。

3.3.4 巡檢及勤務(wù)輔助

機(jī)器人可更精細(xì)地區(qū)分人流密度（某一區(qū)域不同人群類(lèi)型的密集度），可為機(jī)場(chǎng)勤務(wù)安保、商業(yè)選址提供數(shù)據(jù)參考及決策支持。

4 旅客隱私保護(hù)及敏感信息處理

4.1 信息采集階段

當(dāng)旅客靠近智能機(jī)器人設(shè)備時(shí)，不自動(dòng)開(kāi)啟拍攝和收集功能。

在智能機(jī)器人服務(wù)的首頁(yè)，清晰地顯示2 種查詢(xún)航班信息的選項(xiàng)，即輸入證件號(hào)/航班號(hào)查詢(xún)或使用人臉識(shí)別。

如果旅客選擇使用人臉識(shí)別進(jìn)行查詢(xún)，就可以在設(shè)備屏幕上顯示告知“我們將收集您的人臉信息并做必要處理，以匹配查詢(xún)航班和登機(jī)口信息”，并提供“同意”、“不同意”選項(xiàng)供旅客選擇。在旅客結(jié)束服務(wù)后，自動(dòng)退出查詢(xún)結(jié)果頁(yè)面，返回首頁(yè)顯示頁(yè)面。

4.2 信息存儲(chǔ)階段

系統(tǒng)僅保留旅客的查詢(xún)記錄和航班信息并生成日志，其作用主要是當(dāng)查詢(xún)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)用于查找原因，在日志中不保留旅客的人臉信息。

以加密的形式存儲(chǔ)旅客的人臉信息，并設(shè)置訪問(wèn)權(quán)限機(jī)制，同時(shí)保留訪問(wèn)和傳輸?shù)募夹g(shù)日志。

5 函數(shù)及接口設(shè)計(jì)

5.1 協(xié)議形式和連接方式

基于TCP socket 的網(wǎng)絡(luò)通信，協(xié)議接口內(nèi)容采用類(lèi)url的字符串格式，接口反饋數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用json 格式，同級(jí)字段間沒(méi)有前后關(guān)系，解析時(shí)使用json 的標(biāo)準(zhǔn)解析方式。

連接方式為T(mén)CP 連接，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為T(mén)CP 客戶(hù)端，服務(wù)器端口為31001，服務(wù)器IP 地址如下：1） 192.168.10.10（這個(gè)是底盤(pán)主機(jī)的靜態(tài)IP 地址，TCP 客戶(hù)端主機(jī)需要通過(guò)路由器等設(shè)備與底盤(pán)主機(jī)建立局域網(wǎng)連接，有相同網(wǎng)段192.168.10.*）。2）底盤(pán)通過(guò)API 連接局域網(wǎng)Wi-Fi， 再通過(guò)API 獲取的局域網(wǎng)IP。

5.2 導(dǎo)航任務(wù)相關(guān)接口

接口描述如下：參數(shù)中的location 的坐標(biāo)是相對(duì)于“地圖”坐標(biāo)系的，由于直接調(diào)用（x、y、θ）在使用中不夠直觀和方便，因此提供“事先標(biāo)錨點(diǎn)，而后使機(jī)器人重返錨點(diǎn)”的工作形式，“錨點(diǎn)”統(tǒng)一用marker 代稱(chēng)。在機(jī)器人采用自動(dòng)導(dǎo)航和避障的過(guò)程中，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)規(guī)劃路徑和調(diào)節(jié)速度，不需要操作者干預(yù)，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 導(dǎo)航任務(wù)相關(guān)接口參數(shù)表

6 結(jié)語(yǔ)

航站樓智能服務(wù)機(jī)器人所代表的自助服務(wù)是智慧機(jī)場(chǎng)建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，可以在提高旅客出行體驗(yàn)、節(jié)約機(jī)場(chǎng)人力資源成本方面發(fā)揮重要作用。某大型樞紐機(jī)場(chǎng)在國(guó)內(nèi)其他機(jī)場(chǎng)中率先啟用SLAM 智能服務(wù)機(jī)器人，并不斷對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理，為旅客提供相關(guān)服務(wù)（例如航站樓問(wèn)詢(xún)指引、行李搬運(yùn)、店鋪推薦、機(jī)場(chǎng)游玩攻略、登機(jī)口智能尋人、餐飲配送以及樓內(nèi)巡查等），后續(xù)可通過(guò)與各品牌門(mén)店?duì)I銷(xiāo)活動(dòng)、機(jī)場(chǎng)活動(dòng)等進(jìn)行關(guān)聯(lián)，加強(qiáng)航站樓運(yùn)營(yíng)的服務(wù)保障，從而顯著提高旅客出行舒適度與便捷性。