一种自主机器人的乱架图书管理系统的制作方法

本发明具体涉及一种基于自主机器人的乱架图书识别、查找方法，利用条码技术及机器人定位导航技术解决馆藏图书错架、乱架问题，属于图书馆自动化技术领域。

背景技术：

现代图书馆绝大多数采用开架借阅的方式，开架借阅的方式是指读者可以到书库的书架上直接挑选图书。图书的错架问题是每个开架借阅图书馆长期存在且亟需解决的问题。现有的解决办法主要分为两类，一类属于管理领域，即从规范读者行为、增强人员管理等方面入手，实施培训新读者分类排架知识，倡导规范使用代书板，吸纳志愿者参与日常管理，提供借阅指导服务等多项措施，投入的大量的人力物力后效果却不尽人意。另一类即属于技术领域，现今研究成果多集中在使用rfid射频技术，借助图书标签、书架标签、读写器等实现图书定位管理，但rfid的应用还存在着诸如技术标准、使用成本及系统集成等多方面的制约因素，难以大规模普及。同时另有采用一种色彩标签的方法也由于成本及操作问题使用较少。

为了解决上述图书馆内图书归位的难题，利用现有图书馆的硬件设备和软件系统，降低图书馆人工管理成本，提高图书馆服务质量，这里提出一种应用于图书馆机器人的图书定位与查找方法。

技术实现要素：

本发明针对现有的图书馆图书管理模式，利用条码技术及机器人定位导航技术，实现对错架图书的定位与查找，帮助读者找到错架图书，协助图书管理员快速整理书架，解决馆藏图书错架的问题。

为达成上述目的，本发明提出一种基于自主机器人、结合扫码技术与机器人定位导航技术的乱架图书识别、查找方法及管理系统，机器人包括一个主体及安装在主体上的构件，包括：深度相机101、扫描枪102、电动推杆103、激光传感器104、机器人本体105。将激光传感器104搭载在机器人本体105的正前方；深度相机101通过支架固定在机器人本体的上方80cm处以保证视野开阔；电动推杆103紧靠机器人边缘并与固定在支架与机器人本体上；扫描枪102与电动推杆103的顶端连接，扫描枪镜头向外安置，且方向与机器人向前运动方向垂直。应当理解，上述构件的安装位置和其组合仅仅是示例性的，在一些需要或者必要的例子中，这些构件的构造方式、组合和其安装位置可以是任意方式的。其具体实现包括如下步骤：

s1、将图书原有的条形码固定在书脊处；按照书架位置以及书架层数编制不同的二维码，书架编号顺序要和后续机器人上的扫描枪的扫码的先后顺序一致。在书架指定位置张贴二维码便于扫描定位；按照传统索书号将所有馆藏图书摆放到书架上。

该步骤针对现有图书馆的图书管理模式，复制图书原有的条形码，粘贴该条形码至书脊底端一侧，为所有书架编号,按照书架标志-分馆号-书架号-层号-起始标志的方式编码，条码的编号顺序要和后续机器人上的扫描枪的扫码先后顺序一致。制作相应的书架条形码，将书架条形码张贴在与图书条形码统一水平高度的书架边缘。

s2、管理终端控制移动机器人扫描图书馆建立场馆的二维导航地图。

该步骤中采用能够实现即使定位与地图创建功能的任意移动机器人作为本体，管理终端发送指令到机器人，启动地图创建模式，通过外置激光或者视觉传感器获得地图构建数据，控制机器人在馆内需要建图的区域内移动，采集完数据即可完成导航地图的创建。

s3、图书位置信息的自动采集，规划运动路径，控制机器人到达书架条形码附近，启动机器人全局扫描模式，利用扫描枪获取书架及条形码信息，结合当前机器人的位置及书架层高生成图书的位置信息。

该步骤中在管理终端为机器人在地图上规划能够覆盖所有书架的移动路径，启动机器人全局扫描模式，控制机器人到达书架条形码位置，利用扫描枪获取书架和图书的条形码信息，结合当前机器人的位置以及书架层高，生成图书的位置信息，位置信息记为(x,y,h),其中x、y由步骤s2中的二维导航地图决定，h由扫描到的书架二维码决定。

s4、用户查找指定图书时，根据条码号获取位置信息，将图书坐标发送至移动机器人本体，自主导航到图书的位置。

该步骤在用户终端输入需要查找的图书信息，用户终端查询到图书的原始位置信息，将图书坐标(x,y,h)发送至移动机器人本体，机器人以自主规划路径，到达图书所在书架的边缘位置，扫描边缘书架的含有层高信息的书架二维码，控制推杆运动直到扫描枪寻找到h即可到达指定层高，移动机器人根据坐标(x,y)自主移动至图书所在位置，完成图书查找。

s5、管理错位图书时，管理终端控制机器人扫描书架及图书的条形码，获书架信息及该书架上的所有图书信息，比对数据库中的原始位置信息，将错架图书的基本信息显示在管理终端，图书管理员借此完成错架图书的归位。

该步骤在批量查找错位图书位置时，图书管理员在管理终端启动机器人全局扫描模式，机器人本体按照规划的路径运动并扫描每一层书架及图书的条形码，获得书架编码及该书架上的所有图书信息，比对数据库中的原始位置信息，确认扫描的图书编码是否归属本层书架，如果不归属本书架就判断该图书属于错架图书，扫描结束后将错架图书的基本信息显示在管理终端，图书管理员借此完成错架图书的查找与归位。

s6、增加新书时，在新书书脊上张贴条形码，根据索书号把图书放在指定书架，启动机器人全局扫描模式，获得新书图书位置信息，更新原始位置信息。

该步骤在增加新书时，先按照步骤s1所述的方法在新书书脊上张贴条形码，根据索书号把图书放在指定书架，再按照步骤s3在管理终端控制机器人运动到指定书架位置，启动机器人全局扫描模式，获得新书图书位置信息，更新原始位置信息。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

有益效果

对现有图书馆设施改动较小，利用馆内现有硬件设备和软件系统，引入机器人解决图书馆内图书归位的难题，实现对错架图书的识别与查找，帮助读者找到错架图书，协助图书管理员快速整理书架，解决馆藏图书错架的问题。

附图说明

图1为系统的硬件结构图。

图2为软件结构图。

图3为系统信息流向图。

图4为系统所用本体机器人样式结构图。

图5为书架及图书条码张贴示意图。

图6为运用机器人识别、查找图书示意图。

具体实施方式

以下结合附图具体说明本发明技术方案。。

图1为为乱架图书识别、查找系统的硬件结构图，管理终端和用户终端均可用普通计算机替代。深度相机和激光传感器作为创建导航地图时采集深度数据的传感器，可以用其他能实现相同功能的传感器替代。推杆

图2示例性地表示了图书定位与查找系统软件结构图，此系统包括机器人控制模块、批量查询模块、管理界面模块、地图构建模块、图书扫描模块，定位导航模块、推杆控制模块、单个查询模块，用户界面模块。

图3为乱架图书识别、查找系统信息流向图。机器人用扫描枪获取图书和书架的条码信息，利用视觉或激光传感器获取建图的信息，定位时根据已知的位置信息自主导航到指定地点。管理终端和用户终端将控制信息传送到机器人本体，同时接收从查询结果。

图4示例性地表示了图书定位与查找系统所用本体机器人样式结构图。机器人105具有一个主体以及设置在主体上的各个构件，这些构件包括：kinect摄像头101、扫描枪102、电动推杆103、sick激光传感器104、p3-dx机器人105。应当理解，图3中，前述构件均为移动服务机器人上的常用设置，其具体构造、功能和效果在此不再赘述。这些构件图3所示的安装位置和其组合仅仅是示例性的，在一些需要或者必要的例子中，这些构件的构造方式、组合和其安装位置可以是任意方式的。

图5示例性地表示了本发明所述书架及图书条形码张贴示意图。

图6示例性地表示了运用本方法使用机器人识别、查找图书的示意图。

下面结合附图所示，更加具体地描述前述应用于图书馆机器人的图书定位与查找方法的示例性实现。

s1、将图书原有的条形码固定在书脊处；按照书架位置以及书架层数编制不同的条形码，条码的编号顺序要和后续机器人上的扫描枪的扫码先后顺序一致。张贴条码在在书架指定位置方便扫描定位；按照传统索书号将所有馆藏图书摆放到书架上，具体步骤如下：

s11,针对现有图书馆的图书管理模式，将现有图书的条形码复制粘贴书脊底端一侧；

s12,为所有书架编号,按照书架标志-分馆号-书架号-层号-起始标志的方式编码，制作相应的书架条形码。以1位表示书架，2位表示分馆号，3位表示书架号，1位表示层号，1位表示起止位的格式编码书架，为每一个书架的每一层制作书架我二维码，将书架条码张贴在与图书条形码统一水平高度的书架边缘，如图4所示。

s2、管理终端控制移动机器人扫描图书馆建立场馆的二维导航地图。本实施方式采用移动机器人作为本体，管理终端发送指令到机器人，启动地图创建模式，通过外置激光或者视觉传感器获得地图构建数据，控制机器人在馆内需要建图的区域内移动，采集完数据即可完成导航地图的创建。具体的实施方案依赖于ros机器人操作系统。具体步骤如下：

s21运行roscore启动节点管理器，配置环境变量ros_master_url以及hostname，实现主机(机器人本体)和从机(管理终端)的通信

s22运行roslaunchnav2d_gmapping.launch命令启动包括costmap/grid/move_base/odom/robotmodel等节点，启动激光传感器并采集其信息。

s221将里程计的信息传给/odom，通过/odom发布出来并广播变换，建立坐标系/odom和/base_link之间的联系。

s222配置move_base，将/odom坐标系的位姿作为输入到move_base，然后配置move_base.xml文件，其中包括全局和局部的代价地图等。

s23运行rosrunrosaria_clientinterface命令，控制机器人本体绘图。

s24运行rviz及其配置文件可以监控地图构建的过程并实现交互。

s3、规划运动路径，控制机器人到达书架条形码附近，启动机器人全局扫描模式，利用扫描枪获取书架及条形码信息，结合当前机器人的位置以及扫描枪滑动的高度，生成图书的位置信息。具体步骤如下：

s31，在管理终端控制机器人本体运动，根据机器人上的相机获取实时图像信息，运动到条形码附近，调整机器人的位姿，使机器人上的扫描枪对准书架上的条形码，获取当前书架信息位置(xb，yb)；

s32，通过推杆控制模块控制电动推杆自下向上运动，判断推杆上的扫描枪是否获取到书架上的条码信息，获取到条码信息时暂停推杆运动。由于书架编码是按顺序的，通过自身计算与扫码结果比对，如果数据相同则说明位置正确，即可继续扫描图书条形码；

s33，控制机器人移动，获取同一层图书的信息，直到扫描到书架边缘的条码停止。为本层图书的信息增加一个数据项，即图书所在书架、层数及图书在地图上的位置坐标(x，y)。

s4、查找指定图书时，根据条码号获取位置信息，将图书坐标发送至移动机器人本体，自主导航到图书的位置。具体步骤如下：

s41，用户终端输入需要查找的图书书名或者条码号，即可查询到步骤s33采集到该图书的书架、层数信息；

s42，用户终端将图书坐标信息(x，y)发送给机器人本体；

s43，机器本体加载地图信息，启动move_base节点，并且加载配置文件，运行amcl结点，加载目的地坐标信息文件，进行定点导航，跟随机器人的运动路径即可到达图书所在书架，根据s41查询到的层高，可确定图书的位置。

s5、批量查找错位图书位置时，管理终端运行机器人扫描书架及图书的条形码，获书架信息及该书架上的所有图书信息，比对数据库中的原始位置信息，将错架图书的基本信息显示在管理终端，图书管理员借此完成错架图书的查找，图书归位后再次全局扫描，更新位置信息。具体步骤如下：

s51，图书管理员在管理终端启动机器人，按照书架的编码顺序获取相应书架的地图坐标(xb，yb)，按照s43的步骤定点导航到书架位置；

s52，扫描书架上的条形码，获取当前书架编码，查询当前书架当前层原始图书信息；

s53，执行s33，获取当前书架当前层的现有图书信息，与步骤s52中获取的信息比对，筛选出不属于当前书架或者当前层的图书，发送至管理终端；

s54，扫描至书架边缘信息时，启动推杆控制模块，将扫描枪往上推一层，扫描到此层的条码信息，执行步骤s53，直至扫完整个书架；

s55，获取下一个书架的起始位置坐标，重新执行步骤s51-s54，完成所有错架图书的信息采集，图书管理员借此完成错架图书的查找与归位。

s6、增加新书时，在新书书脊上张贴条形码，根据索书号把图书放在指定书架，启动机器人全局扫描模式，获得新书图书位置信息，更新原始位置信息。具体步骤如下：

s61，按照步骤s1所述的方法在新书书脊上张贴条形码，根据索书号把图书放在指定书架；

s62，按照步骤s3在管理终端控制机器人运动到指定书架位置，通过扫描枪获取新书图书位置信息，维护原始位置信息数据。