應(yīng)用于無(wú)人超市的多元交互式導(dǎo)購(gòu)車設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)無(wú)人值守超市的運(yùn)營(yíng)需求，研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于STM32微控制器的智能導(dǎo)購(gòu)車系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括導(dǎo)航、避障、藍(lán)牙通信、UWB定位、故障預(yù)警、圖像識(shí)別和自動(dòng)計(jì)費(fèi)功能，旨在達(dá)成安全、實(shí)用、低成本的設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)集成多種智能化組件與一體化導(dǎo)購(gòu)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能跟隨、語(yǔ)音控制、商品識(shí)別和自動(dòng)計(jì)費(fèi)等多元交互式服務(wù)，為顧客在無(wú)人值守超市中帶來(lái)全新的智能化購(gòu)物體驗(yàn)。該系統(tǒng)深度貼合實(shí)際購(gòu)物場(chǎng)景，滿足顧客多樣化的購(gòu)物需求，通過(guò)自動(dòng)化購(gòu)物流程顯著提升購(gòu)物便捷性，為無(wú)人值守超市的普及與升級(jí)提供了技術(shù)支撐與參考案例。

關(guān)鍵詞：智能導(dǎo)購(gòu)車；STM32；UWB定位；語(yǔ)音識(shí)別；圖像識(shí)別；無(wú)人值守超市

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）08-0-05

0 引 言

隨著科技的飛速發(fā)展，零售業(yè)正面臨著前所未有的變革。無(wú)人值守超市和智能購(gòu)物車系統(tǒng)的問(wèn)世，為傳統(tǒng)零售業(yè)帶來(lái)了嶄新的發(fā)展機(jī)遇[1-2]。這些智能購(gòu)物車不僅在室內(nèi)環(huán)境中充當(dāng)顧客的向?qū)?，還兼具商品查詢與自動(dòng)避障功能，極大地改善了顧客的購(gòu)物體驗(yàn)。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于STM32的智能導(dǎo)購(gòu)車系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了導(dǎo)航、避障、定位、語(yǔ)音控制、商品識(shí)別和計(jì)價(jià)等多種功能，并配備語(yǔ)音交互與配套小程序，為無(wú)人值守超市提供了全面的智能化解決方案[3-5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用STM32F103作為主控芯片，融合電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、激光雷達(dá)避障方案、UWB空間定位技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別算法和圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能跟隨、語(yǔ)音控制、商品識(shí)別和自動(dòng)計(jì)費(fèi)等功能。

本文構(gòu)建了一個(gè)從顧客進(jìn)入超市到結(jié)賬離開(kāi)的全鏈條智能化輔助體系，旨在通過(guò)融合多種先進(jìn)技術(shù)，全面提升顧客購(gòu)物的便捷體驗(yàn)，有效縮減超市的運(yùn)營(yíng)成本，為無(wú)人超市的智能化升級(jí)提供強(qiáng)有力的實(shí)踐范例與技術(shù)支持[6-7]。

1.1 設(shè)計(jì)原則

針對(duì)無(wú)人值守購(gòu)物超市的導(dǎo)購(gòu)車，需要遵循安全、實(shí)用及低成本的原則，確保系統(tǒng)運(yùn)行的高效與穩(wěn)定[8-10]。

（1）安全性原則：智能導(dǎo)購(gòu)車需配備多級(jí)防護(hù)措施，確保其在無(wú)人環(huán)境下的安全運(yùn)行。包括限速設(shè)計(jì)、防撞結(jié)構(gòu)、圓滑外形，以及集成的視音頻預(yù)警系統(tǒng)和緊急制動(dòng)功能。采用精確定位與預(yù)設(shè)路徑規(guī)劃，以增強(qiáng)穩(wěn)定性。

（2）實(shí)用性原則：系統(tǒng)具有智能識(shí)別技術(shù)，能識(shí)別商品信息并提供個(gè)性化推薦，同時(shí)載貨空間可靈活適應(yīng)各類商品需求。用戶界面友好，支持觸控和語(yǔ)音控制，便于顧客查詢、導(dǎo)航及購(gòu)買商品。

（3）低成本原則：選用成本效益高的組件，平衡性能與預(yù)算，并利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源與藍(lán)牙、APP通信以降低成本。采取模塊化設(shè)計(jì)便于維護(hù)與升級(jí)，降低未來(lái)的替換成本，并建立高效的后臺(tái)管理系統(tǒng)以支持實(shí)時(shí)監(jiān)控與維護(hù)。

1.2 框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框架分為導(dǎo)購(gòu)車主體、用戶端和信息顯示端，其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

用戶可通過(guò)語(yǔ)音或者APP來(lái)操控導(dǎo)購(gòu)車。用戶手持跟隨器內(nèi)置UWB信標(biāo)持續(xù)發(fā)射位置信號(hào)。此信號(hào)與基站交互，可精確定位用戶位置，而設(shè)置于導(dǎo)購(gòu)車上的信標(biāo)通過(guò)方位角算法（AOA）計(jì)算出用戶與車輛的相對(duì)位置，該信息隨即被傳遞至STM32主控制器。同時(shí)，導(dǎo)購(gòu)車?yán)眉す饫走_(dá)感知周圍環(huán)境，綜合用戶位置與環(huán)境避障信息，系統(tǒng)向電機(jī)和舵機(jī)發(fā)出精確控制指令，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)流暢的行駛與避讓。

系統(tǒng)集成了壓力傳感器與視覺(jué)傳感器，它們協(xié)同作業(yè)以高效識(shí)別裝載商品的信息。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)主控芯片處理后，不僅能夠即時(shí)通過(guò)藍(lán)牙傳送至用戶的移動(dòng)設(shè)備，還能在導(dǎo)購(gòu)車的OLED顯示屏上清晰展示，為顧客提供了透明直觀的購(gòu)物反饋與愉悅體驗(yàn)。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

遵循安全、實(shí)用、低成本三大設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)身整體流暢，從上至下分為視覺(jué)識(shí)別攝像頭、互動(dòng)顯示屏、購(gòu)物籃區(qū)及電池倉(cāng)，在框體上配有兩個(gè)環(huán)形的互動(dòng)燈帶，旨在提供醒目的狀態(tài)指示與安全警示。在常規(guī)購(gòu)物車握把處增設(shè)LCD顯示屏，實(shí)時(shí)展示選購(gòu)商品詳情與賬單信息。

①—攝像頭；②—顯示屏；③—一層置物框；④—二層置物框；⑤—電池倉(cāng)；⑥—輪子；⑦—天線充電接口；⑧—散氣孔；⑨—雷達(dá)；⑩—互動(dòng)LED燈帶；—語(yǔ)音模塊；—電機(jī)組。

為最大化空間利用率，電池倉(cāng)頂部增設(shè)圍欄式擴(kuò)展層架。電池倉(cāng)內(nèi)部嵌入電機(jī)和控制芯片，在背后配有無(wú)線充電接口，底部安裝激光雷達(dá)探測(cè)器方便探查障礙物。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、跟隨定位模塊、測(cè)距模塊、語(yǔ)音模塊和稱重計(jì)價(jià)模塊。本系統(tǒng)采用STM32F103作為主控芯片，該芯片以高集成度和易于開(kāi)發(fā)著稱，同時(shí)具備高性能運(yùn)行能力、實(shí)時(shí)處理功能、數(shù)字信號(hào)處理能力，以及低功耗和寬電壓操作特性，從而確保了系統(tǒng)運(yùn)行的高效性和穩(wěn)定性。

2.1 驅(qū)動(dòng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模塊核心搭載AT8236電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、MPU-60X0六軸陀螺儀傳感器和霍爾編碼器。為保障導(dǎo)購(gòu)車行進(jìn)穩(wěn)定性，驅(qū)動(dòng)MPU-60X0實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，并通過(guò)DMP技術(shù)精準(zhǔn)解算姿態(tài)，實(shí)時(shí)獲取速度與加速度。通過(guò)PID控制算法生成PWM信號(hào)，以此精確調(diào)節(jié)AT8236電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，同時(shí)霍爾編碼器實(shí)時(shí)反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速，如圖3所示。

2.1.1 MPU-60X0六軸陀螺儀傳感器

2.1.2 霍爾編碼器

霍爾編碼器可通過(guò)感應(yīng)磁場(chǎng)變化測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的速度和方向，并輸出對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，如圖4所示。在計(jì)數(shù)過(guò)程中，系統(tǒng)采用四倍頻來(lái)提升編碼器的精度，通過(guò)對(duì)AB兩相每一個(gè)邊沿跳變的計(jì)數(shù)，在單一脈沖周期內(nèi)完成四次計(jì)數(shù)。借助程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，有效優(yōu)化編碼器的精度和測(cè)量精度。

2.1.3 PID控制策略

在PID控制策略中，采用了位置閉環(huán)與速度閉環(huán)的雙環(huán)控制機(jī)制，控制流程如圖5所示。

位置閉環(huán)控制依賴于編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)累計(jì)以監(jiān)測(cè)電機(jī)實(shí)時(shí)位置，并與目標(biāo)位置進(jìn)行比較，計(jì)算得到控制偏差，通過(guò)比例、積分、微分運(yùn)算調(diào)節(jié)消除此偏差，見(jiàn)式（3）：

2.2 跟隨定位功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用LD14激光雷達(dá)作為測(cè)距模塊，選用BP-TWR-30芯片作為跟隨模塊，兩者協(xié)同工作，確保小車執(zhí)行跟隨任務(wù)時(shí)能有效與障礙物保持安全間距。

LD14激光雷達(dá)具有距離測(cè)量、角度測(cè)量的功能，通過(guò)旋轉(zhuǎn)掃描并運(yùn)用三角測(cè)量原理，基于激光反射與接收器之間形成的幾何關(guān)系，精確計(jì)算出與周圍物體的距離。該雷達(dá)將獲取的數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，構(gòu)建周邊環(huán)境地圖，如圖7所示。

BP-TWR-30芯片集成了DWM1000模組，該模組基于DW1000超寬帶收發(fā)技術(shù)，能夠作為標(biāo)簽或基站使用。測(cè)距過(guò)程通過(guò)雙向通信實(shí)現(xiàn)：標(biāo)簽首先發(fā)起Poll信號(hào)，基站回復(fù)Response信號(hào)，標(biāo)簽再發(fā)送Final信號(hào)，通過(guò)計(jì)算時(shí)間差將其轉(zhuǎn)化為距離值。本項(xiàng)目部署了三個(gè)基站，標(biāo)簽收集與各基站的距離數(shù)據(jù)后，匯總至基站0，并由基站0轉(zhuǎn)發(fā)至STM32處理器。STM32利用這些距離數(shù)據(jù)，采用三角定位算法確定標(biāo)簽位置，從而指揮小車行動(dòng)以實(shí)現(xiàn)跟隨功能，如圖8所示。此外，系統(tǒng)具備良好的擴(kuò)展性，可通過(guò)增加標(biāo)簽數(shù)量和調(diào)整信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的跟蹤。

2.3 計(jì)價(jià)功能設(shè)計(jì)

首先，通過(guò)圖像拍攝與識(shí)別模塊識(shí)別商品種類及其基礎(chǔ)單價(jià)，隨后由稱重模塊獲取商品重量，結(jié)合這兩部分信息，最終確定商品的總價(jià)格。

圖像拍攝模塊采用集成OV7725攝像頭芯片的攝像頭組件，利用樹(shù)莓派4B與云端GPU協(xié)同完成圖像識(shí)別。稱重模塊由HX711芯片和壓力傳感器組成，壓力傳感器將物理應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)由HX711芯片放大并數(shù)字化處理后，通過(guò)I2C通信協(xié)議將商品重量信息傳輸至主控STM32單片機(jī)。系統(tǒng)結(jié)合商品種類和重量信息，最終計(jì)算并輸出商品的總價(jià)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于無(wú)人導(dǎo)購(gòu)車的實(shí)際工作場(chǎng)景和硬件配置，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了“LCD屏幕交互、手機(jī)端控制和語(yǔ)音控制”三重交互模式，并提供了跟隨、導(dǎo)購(gòu)和返航三種功能。

3.1 運(yùn)動(dòng)控制

導(dǎo)購(gòu)車通過(guò)UWB-TDOA技術(shù)實(shí)現(xiàn)跟隨、導(dǎo)購(gòu)與返航功能。然而，在復(fù)雜的商場(chǎng)環(huán)境中，UWB信號(hào)傳播容易受到干擾，導(dǎo)致定位精度下降。為提高測(cè)量精度并確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用Chan算法獲取初始定位值，通過(guò)比較殘差與門限值來(lái)鑒別并剔除非視距誤差，并利用卡爾曼濾波算法得到精確的位置坐標(biāo)[11-13]，具體流程如圖9所示。

3.2 語(yǔ)音控制

為滿足用戶多元化的交互需求，導(dǎo)購(gòu)車內(nèi)置了語(yǔ)音交互系統(tǒng)，如圖10所示。該系統(tǒng)集成了車載智能語(yǔ)音模塊，能夠通過(guò)麥克風(fēng)接收用戶的語(yǔ)音指令，并將其轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的文本信息。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的指令識(shí)別庫(kù)生成識(shí)別結(jié)果，并以二進(jìn)制代碼的形式通過(guò)并行接口傳輸至核心處理器。核心處理器接收到二進(jìn)制指令后，通過(guò)查表操作匹配相應(yīng)功能，并執(zhí)行相關(guān)的系統(tǒng)操作。

基于上述系統(tǒng)語(yǔ)音控制功能設(shè)計(jì)方案，用戶可以通過(guò)語(yǔ)音指令控制車輛的移動(dòng)方向、查詢特定商品的位置、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，并獲得實(shí)時(shí)語(yǔ)音反饋。

該系統(tǒng)具備高度的靈活性和個(gè)性化功能，允許用戶自定義語(yǔ)音指令，并選擇不同的語(yǔ)音音調(diào)或語(yǔ)速。未來(lái)，我們可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化算法，使智能導(dǎo)購(gòu)車成為零售行業(yè)的高效助手。

3.3 APP控制

APP設(shè)計(jì)旨在優(yōu)化用戶交互功能，用戶可通過(guò)APP查看商品信息和購(gòu)物賬單，并實(shí)現(xiàn)購(gòu)物車預(yù)約、賬單查詢等附加功能，從而提升產(chǎn)品的實(shí)用性。用戶可在個(gè)人中心完成注冊(cè)登錄并完善個(gè)人資料，獲取歷史購(gòu)物記錄、支付憑證等信息。

用戶通過(guò)APP掃描購(gòu)物車二維碼進(jìn)行藍(lán)牙連接，在搜索欄輸入商品名稱即可獲取該商品的價(jià)格、位置等信息，同時(shí)可開(kāi)啟導(dǎo)購(gòu)車的導(dǎo)購(gòu)功能，自動(dòng)導(dǎo)航至商品所在位置。當(dāng)商品被放入購(gòu)物車后，主控制器將商品的重量和數(shù)量信息發(fā)送至APP界面顯示，計(jì)算并顯示所購(gòu)商品的總價(jià)及賬單信息。用戶點(diǎn)擊“買單”時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送下單請(qǐng)求并接收支付二維碼信息，將支付二維碼顯示在APP界面，用戶可通過(guò)微信或支付寶完成支付。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)人值守型超市的特定需求，創(chuàng)新性地研發(fā)了一套綜合智能導(dǎo)購(gòu)車系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103微控制器為核心，集成了導(dǎo)航引導(dǎo)、智能避障、藍(lán)牙通信、UWB定位、故障預(yù)警、圖像識(shí)別及自動(dòng)計(jì)價(jià)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循安全可靠、高度實(shí)用和成本效益三大原則，確保系統(tǒng)不僅能夠智能跟隨顧客、響應(yīng)語(yǔ)音指令，還能準(zhǔn)確識(shí)別商品并實(shí)時(shí)計(jì)價(jià)，顯著提升了用戶體驗(yàn)。

通過(guò)整合電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、激光雷達(dá)精準(zhǔn)避障功能，以及先進(jìn)的語(yǔ)音識(shí)別與圖像處理算法，本系統(tǒng)為無(wú)人超市環(huán)境開(kāi)創(chuàng)了全新的自動(dòng)化購(gòu)物業(yè)態(tài)，極大提高了顧客購(gòu)物的便捷性和效率。展望未來(lái)，這一自主研發(fā)的智能導(dǎo)購(gòu)車系統(tǒng)將持續(xù)優(yōu)化升級(jí)，積極順應(yīng)零售行業(yè)智能化趨勢(shì)，以更卓越的性能滿足市場(chǎng)對(duì)智慧購(gòu)物日益增長(zhǎng)的需求。

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