一種自主追蹤超市購(gòu)物車的設(shè)計(jì)

河海大學(xué) 郭章旺 葛 菲 胡亦恒 侯劭文 聶小松

隨著人們物質(zhì)文化水平的提高，超市成為了人們消費(fèi)的主流場(chǎng)所之一。現(xiàn)階段，超市的購(gòu)物車主要有以下三種類型：(一)支架型購(gòu)物車；(二)托盤式購(gòu)物車；(三)日式購(gòu)物車。在購(gòu)物時(shí)，我們時(shí)常會(huì)遇到一些棘手問題：不得不一手選購(gòu)商品，另一只手拖著購(gòu)物車；甚至有時(shí)會(huì)把購(gòu)物車遺忘腦后，再想起時(shí)，已全然不知購(gòu)物車的蹤影。為解決以上問題，進(jìn)一步提高消費(fèi)者的購(gòu)物體驗(yàn)，本文提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)自主追蹤的超市購(gòu)物車的設(shè)計(jì)方法。

1 概述

本文闡述了一種基于STM32F103微處理器的自主追蹤超市購(gòu)物車的設(shè)計(jì)方法。此自追蹤購(gòu)物車的電路部分主要包括STM32F103控制器、HC-06藍(lán)牙通信電路、HC-SR04超聲波測(cè)距電路、攝像頭電路、電感前瞻電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；此自追蹤購(gòu)物車的機(jī)械設(shè)計(jì)部分主要有購(gòu)物車車體、驅(qū)動(dòng)輪、萬(wàn)向輪。

為使自跟蹤購(gòu)物車的有序運(yùn)行，需要預(yù)先在地面下埋好電磁導(dǎo)線。購(gòu)物車的電感前瞻電路通過采集信號(hào)，計(jì)算得到電磁導(dǎo)線的布線位置，控制購(gòu)物車只在鋪有電磁導(dǎo)線的軌跡上運(yùn)動(dòng)。

本文將從電路設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)和手機(jī)APP調(diào)試三個(gè)方面，分析自追蹤超市購(gòu)物車的設(shè)計(jì)。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 STM32F103微處理器

STM32的主流產(chǎn)品有：STM32F0、STM32F1、STM32F3；超低功耗產(chǎn)品有：STM32L0、STM32L1、STM32L4、STM32L4+、高性能產(chǎn)品有：STM32F2、STM32F4、STM32F7、STM32H7。（楊百軍.輕松玩轉(zhuǎn)STM32Cube:電子工業(yè)出版社,2017）本文所述自追蹤購(gòu)物車的主控芯片采用了STM32F103。STM32F103是STM32的增強(qiáng)型系列芯片。其內(nèi)部具有3個(gè)12位的us級(jí)A/D轉(zhuǎn)換器，選擇其一用于獲取電感前瞻電路采集到的軌跡信息；12通道DMA控制器，可用于攝像頭圖像采集；5個(gè)USART接口，選擇其一用于外接HC-06藍(lán)牙模塊，以便于從手機(jī)APP端對(duì)購(gòu)物車進(jìn)行控制；最多高達(dá)112個(gè)的快速I/O端口，可外接數(shù)量足夠多的HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，用于自追蹤購(gòu)物車的避障。

因此，使用STM32F103作為自追蹤購(gòu)物車的主控是十分合適的。

2.2 HC-SR04超聲測(cè)距模塊

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,超聲波在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用范圍越來越廣，超聲波測(cè)距技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)障礙物距離的精確測(cè)量。（劉為芹,于會(huì)山.超聲波測(cè)距系統(tǒng)的工作原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].無(wú)線互聯(lián)科技,2015(19):147-148）

本文所述自追蹤購(gòu)物車在車體四周安裝了HC-SR04超聲測(cè)距模塊，不僅用于消費(fèi)者保持適當(dāng)距離，也用于防止購(gòu)物車在跟蹤時(shí)，誤撞其他消費(fèi)者。一個(gè)HC-SR04模塊有四個(gè)接口，分別是：VCC、Trig、Echo、GND，采用I/O口Trig觸發(fā)測(cè)距，保持超過10us的高電平型號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，若有信號(hào)返回，則通過I/O口Echo輸出與一個(gè)高電平，高電平的持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

根據(jù)路程的計(jì)算方法，測(cè)試距離=（Echo高電平時(shí)間）*聲速/2，可以得到自追蹤購(gòu)物車距離附近障礙物的距離，從避免了因?yàn)檎`撞而導(dǎo)致的損失。

2.3 攝像頭電路

本文所述自追蹤購(gòu)物車采用了能夠?qū)崿F(xiàn)“硬件二值化”的OV7725攝像頭，圖像的二值化，就是將圖像上的像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為0或255，也就是將整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的只有黑和白的視覺效果。考慮到超市里使用的普遍是日光燈，而日光燈發(fā)出的光里不含有紅外線。因此筆者在自追蹤購(gòu)物車的攝像頭前加裝了紅外濾光片和偏振片，周圍整體環(huán)境的圖像經(jīng)過濾光片處理后，剩下的就是一個(gè)放置在消費(fèi)者身上的紅外發(fā)射裝置的一個(gè)小圓點(diǎn)。

若周圍光線環(huán)境較差，筆者在設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閾值的算法，如果物體同背景的差別表現(xiàn)不在灰度值上(比如紋理不同)，可以將這個(gè)差別特征轉(zhuǎn)換為灰度的差別，然后利用閾值選取技術(shù)來分割該圖像，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閾值實(shí)現(xiàn)圖像的二值化可動(dòng)態(tài)觀察其分割圖像的具體結(jié)果。（吳辰夏.二值化圖像特征及其應(yīng)用[D].浙江大學(xué),2013）

根據(jù)“遠(yuǎn)看大、近看小”的原理可知，當(dāng)購(gòu)物車離消費(fèi)者身上紅外發(fā)生裝置距離較遠(yuǎn)時(shí)，其所占圖像的像素點(diǎn)就少，相反地，當(dāng)購(gòu)物車離消費(fèi)者身上紅外發(fā)生裝置距離較近時(shí)，其所占圖像的像素點(diǎn)就多。因此，可以通過計(jì)算圖像里紅外發(fā)生裝置所占圖像像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，初步判斷消費(fèi)者與購(gòu)物車之間的距離。

2.4 電感前瞻電路

電磁導(dǎo)線在通入變化的電流，則導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)與電流的變化規(guī)律具有一致性。如果在此磁場(chǎng)中，放置一電感，則該電感上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和通過線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導(dǎo)線周圍不同位置，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向不同，所以不同位置上的電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也應(yīng)該是不同的。據(jù)此，可以大致確定電感的位置。

使用電感前瞻作為循跡傳感器，需要進(jìn)行以下兩個(gè)步驟：信號(hào)的濾波及信號(hào)的放大。

（1）信號(hào)的濾波

電磁導(dǎo)線采用20kHz的交變磁場(chǎng)作為路徑導(dǎo)航信號(hào)，可以有效地避開周圍其它磁場(chǎng)的干擾。信號(hào)的放大，需要選頻放大。根據(jù)，已知感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率f=20kHz,感應(yīng)線圈為L(zhǎng)=10mH，則諧振電容的容量應(yīng)為C=6.33nF。通常在市場(chǎng)上，可以購(gòu)買到的標(biāo)稱電容與上述容值最為接近的電容為6.8nF,因此采用6.8nF的電容作為諧振電容。

（2）信號(hào)的放大

為便于電壓采樣，我們要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大?？紤]到三極管信號(hào)放大不可避免溫漂較大的缺點(diǎn)，筆者采用了集成運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)的放大處理。集成運(yùn)放的優(yōu)勢(shì)是受溫度影響小、可靠性高，同時(shí)也減小了實(shí)際應(yīng)用中靜電現(xiàn)象的干擾。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)

3.1 輪胎設(shè)計(jì)

如今超市中常見的購(gòu)物車采用的四輪結(jié)構(gòu)，考慮到購(gòu)物車的實(shí)用性和靈巧性，本文所述自追蹤購(gòu)物車采用如圖1所示的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪加兩個(gè)萬(wàn)向輪的設(shè)計(jì)。自追蹤購(gòu)物車的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別使用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，在主控芯片STM32F103上也分配了更多的I/O口來控制驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)行。

與傳統(tǒng)的四輪設(shè)計(jì)相比，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪加兩個(gè)萬(wàn)向輪的設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于：可以利用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的差速，實(shí)現(xiàn)“零半徑”的360°轉(zhuǎn)向，大大提高了自追蹤購(gòu)物車的靈巧性。

3.2 外形設(shè)計(jì)

本文所述自追蹤購(gòu)物車采用圓形的外形設(shè)計(jì)。在購(gòu)物車車身進(jìn)行“零半徑”轉(zhuǎn)向時(shí)，能夠保持車身各部位與周圍物體的距離不發(fā)生變化，相比于傳統(tǒng)的長(zhǎng)方形購(gòu)物車，在進(jìn)行“零半徑”轉(zhuǎn)向時(shí)，由于長(zhǎng)方形購(gòu)物車對(duì)角線的距離大于邊的長(zhǎng)度，因此長(zhǎng)方形購(gòu)物車車身與周圍物體的距離就會(huì)發(fā)生變化，不僅靈巧性大大降低，同時(shí)會(huì)造成自追蹤購(gòu)物車運(yùn)行紊亂。

圖1 自追蹤購(gòu)物車兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪加兩個(gè)萬(wàn)向輪設(shè)計(jì)圖

4 手機(jī)APP調(diào)試

筆者為所述自追蹤購(gòu)物車安裝了HC-06藍(lán)牙模塊，每個(gè)購(gòu)物車都有對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙模塊，消費(fèi)者通過打開手機(jī)藍(lán)牙，找到購(gòu)物車對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙模塊，輸入密碼后，完成配對(duì)連接后，便可以通過手機(jī)APP對(duì)自追蹤購(gòu)物車經(jīng)行一系列操作，例如：車身跟隨、車身停止、增減跟隨距離等。

考慮到的信息傳輸距離是有限的，當(dāng)車身距離消費(fèi)者距離過遠(yuǎn)時(shí)，或者當(dāng)攝像頭追蹤的紅外發(fā)射裝置丟失時(shí)，手機(jī)APP將發(fā)送信息提醒消費(fèi)者，并顯示購(gòu)物車的具體位置。

5 總結(jié)

如今，超市已然越來越多消費(fèi)者首選的購(gòu)物地點(diǎn)，其商品多、種類全、方便快捷的特點(diǎn)滿足了廣大消費(fèi)者的消費(fèi)需求。然，超市里的購(gòu)物車仍停留在過去的四輪水平，給消費(fèi)者購(gòu)物帶來了不便。

鑒于此，筆者提出了一種自主追蹤超市購(gòu)物車。消費(fèi)者在使用購(gòu)物車前，取下購(gòu)物車上紅外發(fā)射裝置，放置于身上，購(gòu)物車上的攝像頭捕捉到圖像，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)消費(fèi)者的追蹤；電感前瞻電路安裝在購(gòu)物車的前部，計(jì)算出循跡路線方案；安裝在購(gòu)物車四周的超聲波測(cè)距模塊，不僅用于與消費(fèi)者保持適當(dāng)距離，也用于防止碰撞的發(fā)生；消費(fèi)者還可以通過手機(jī)APP，方便快捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)購(gòu)物車進(jìn)行一些基本的操作。

本文所述自追蹤購(gòu)物車的設(shè)計(jì)，旨在“解放”消費(fèi)者的雙手，進(jìn)一步提高消費(fèi)者在超市的購(gòu)物體驗(yàn)，讓科技逐漸走進(jìn)百姓的生活。