蔡镕澤，陳章鑫，陳銀樹(shù)，江永鑫

（廈門理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024）

隨著新零售商業(yè)模式的快速形成與發(fā)展，智能化購(gòu)物體驗(yàn)思想對(duì)傳統(tǒng)零售以及制造業(yè)造成極大沖擊[1]。超市的誕生給人們的日常生活帶來(lái)極大的便利，但我國(guó)普遍存在的超市購(gòu)物車目前只滿足裝載商品的功能[2]。如今隨著智能跟隨技術(shù)廣泛的應(yīng)用，凸顯出傳統(tǒng)購(gòu)物車存在著很多弊端，如在收費(fèi)時(shí)排隊(duì)過(guò)長(zhǎng)、找不到所需商品等。超市購(gòu)物作為顧客主要的線下消費(fèi)方式之一，購(gòu)物模式的改變迫在眉睫[3]，因此跟隨購(gòu)物車應(yīng)運(yùn)而生。

本研究旨在設(shè)計(jì)一款自動(dòng)跟隨購(gòu)物車，能通過(guò)識(shí)別消費(fèi)者身上的二維碼實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨，并根據(jù)消費(fèi)者行走路徑和速度來(lái)控制自身的方向和速度；在跟隨過(guò)程中，車上顯示屏能夠?qū)崟r(shí)顯示購(gòu)物車位置信息；最后，在消費(fèi)者結(jié)完賬時(shí)，購(gòu)物車能循跡回到初始存放位置，在此過(guò)程中購(gòu)物車能夠自動(dòng)避障。對(duì)此，本次設(shè)計(jì)采用HT66F70A單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)購(gòu)物車的啟動(dòng)、速度和方向控制；通過(guò)UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取購(gòu)物車的位置信息以便于消費(fèi)者確定目標(biāo)方向，并通過(guò)OpenMV機(jī)器視覺(jué)模塊、超聲波傳感器、灰度傳感器獲取購(gòu)物車具體狀態(tài)，進(jìn)而采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)[4]控制購(gòu)物車。

該設(shè)計(jì)不僅可以解決傳統(tǒng)購(gòu)物車人力托運(yùn)的不便，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化購(gòu)物，提升消費(fèi)者的購(gòu)物體驗(yàn)，還可以降低超市人力成本，提高工作效率。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用HT66F70A單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)接收攝像頭和超聲波模塊的數(shù)據(jù)，輸出PWM值控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)購(gòu)物車與前方障礙物小于安全距離時(shí)，單片機(jī)對(duì)購(gòu)物車發(fā)出停止信號(hào)，使購(gòu)物車停止；當(dāng)購(gòu)物車方向需發(fā)生偏移時(shí)，單片機(jī)通過(guò)控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速矯正購(gòu)物車的方向，以此實(shí)現(xiàn)購(gòu)物車前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止功能。同時(shí)，結(jié)合UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)購(gòu)物車室內(nèi)定位功能，以實(shí)時(shí)顯示購(gòu)物車的位置信息。此外，單片機(jī)還可以根據(jù)灰度傳感器所返回的數(shù)據(jù)控制購(gòu)物車，使購(gòu)物車沿軌跡返回至初始位置，并通過(guò)超聲波模塊實(shí)現(xiàn)其在返回途中遇障停止的功能。該購(gòu)物車的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

整體的技術(shù)路線具體如下：

⑴ 攝像頭實(shí)時(shí)捕捉二維碼的位置信息傳遞給單片機(jī)；

⑵ 合泰單片機(jī)通過(guò)控制購(gòu)物車啟動(dòng)自動(dòng)跟隨模式；

⑶ 消費(fèi)者可以通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前所在的購(gòu)物區(qū)域；

⑷ 合泰單片機(jī)通過(guò)接收灰度傳感器的信號(hào)控制購(gòu)物車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)返回功能；

⑸ 超聲波模塊和灰度傳感器實(shí)時(shí)傳遞數(shù)據(jù)給單片機(jī)以調(diào)整購(gòu)物車的位置。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 購(gòu)物車的硬件模塊清單

跟隨購(gòu)物車主要由合泰單片機(jī)、繼電器、STM32單片機(jī)、超聲波傳感器、灰度傳感器、UWB室內(nèi)定位、OpenMV機(jī)器視覺(jué)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等硬件組成，相關(guān)型號(hào)和參數(shù)具體見(jiàn)表1。

表1 跟隨購(gòu)物車各硬件模塊及其參數(shù)表

2.2 硬件設(shè)計(jì)

該跟隨購(gòu)物車的硬件電路主要包括5部分：HT66F70A芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、OpenMV機(jī)器視覺(jué)模塊、傳感器模塊、UWB室內(nèi)定位模塊。硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

本設(shè)計(jì)使用HT66F70A單片機(jī)作為跟隨購(gòu)物車的控制核心，通過(guò)PD0、PD1、PD2、PD3四個(gè)引腳來(lái)連接第一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N，驅(qū)動(dòng)購(gòu)物車的4個(gè)輪子；P2連接STM32最小系統(tǒng)板，接收超聲波模塊通過(guò)STM32引腳E0、E1傳回的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集；通過(guò)PC0、PC1分別控制購(gòu)物車左右2個(gè)灰度傳感器，識(shí)別用黑膠帶鋪設(shè)而成的循跡軌跡，實(shí)現(xiàn)購(gòu)物車的循跡回歸功能。OpenMV通過(guò)攝像頭識(shí)別二維碼，并通過(guò)P0、P1、P2、P3、P7、P8控制第二個(gè)L298N實(shí)現(xiàn)購(gòu)物車自動(dòng)跟隨消費(fèi)者功能。繼電器連接2個(gè)L298N實(shí)現(xiàn)購(gòu)物車的功能切換。UWB定位標(biāo)簽通過(guò)T、R引腳將位置相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給STM32單片機(jī)，經(jīng)三邊測(cè)距算法[5]測(cè)出購(gòu)物車的位置信息并在顯示屏上顯示。

模擬超市設(shè)計(jì)出超市平面圖，如圖3所示。本設(shè)計(jì)在超市模型圖的3個(gè)相鄰直角處放置了3個(gè)UWB Mini 3基站，用于接收購(gòu)物車上定位標(biāo)簽傳來(lái)的信號(hào)數(shù)據(jù)，通過(guò)三邊測(cè)距算法完成對(duì)定位標(biāo)簽與基站之間的測(cè)距，最后將數(shù)據(jù)返回給標(biāo)簽，經(jīng)STM32單片機(jī)處理完畢后在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示出購(gòu)物車的位置信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)思路，整體程序主要包括4部分，分別為主程序、循跡子程序、自動(dòng)跟隨子程序和室內(nèi)定位子程序。各個(gè)程序的流程圖及相應(yīng)功能具體如下。

3.1 主程序

購(gòu)物車上電后，程序開(kāi)始運(yùn)行。首先進(jìn)行攝像頭、傳感器、GPIO等的初始化，接著進(jìn)入主循環(huán)判斷定時(shí)器二是否開(kāi)啟，如果是則執(zhí)行空語(yǔ)句，反之則顯示地圖。主程序流程圖如圖4所示。

3.2 循跡子程序

如圖5所示，開(kāi)啟定時(shí)器中斷，每到定時(shí)時(shí)間就進(jìn)入此中斷，根據(jù)超聲波傳感器判斷前方是否有障礙物，如果有就向單片機(jī)發(fā)送停止信號(hào)，反之則根據(jù)灰度傳感器傳回的信號(hào)是否偏移來(lái)判斷，再通過(guò)電機(jī)的差速來(lái)矯正購(gòu)物車的方向，并判斷是否到達(dá)終點(diǎn)，如果是則停止尋跡，否則重新進(jìn)入定時(shí)器中斷。

3.3 自動(dòng)跟隨子程序

如圖6所示，進(jìn)入定時(shí)器中斷2后，首先清除定時(shí)器中斷2標(biāo)志位，將攝像頭和傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷。根據(jù)S的值調(diào)整購(gòu)物車的狀態(tài)，最后退出定時(shí)器中斷2。

3.4 室內(nèi)定位子程序

如圖7所示，啟動(dòng)室內(nèi)定位功能后，將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)3遍測(cè)距算法確定購(gòu)物車位置信息并在顯示屏上顯示，之后進(jìn)入判斷程序，直至購(gòu)物車位置不變或檢測(cè)到黑線，退出室內(nèi)定位功能。

4 系統(tǒng)測(cè)試和結(jié)果驗(yàn)證

將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)后完成該跟隨購(gòu)物車的組裝，作品如圖8所示。

對(duì)該跟隨購(gòu)物車的功能進(jìn)行測(cè)試：首先，模擬超市搭載購(gòu)物車運(yùn)行環(huán)境，打開(kāi)UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)并給跟隨購(gòu)物車上電。其次，在購(gòu)物車正前方移動(dòng)二維碼引導(dǎo)購(gòu)物車在模擬環(huán)境內(nèi)隨意走動(dòng)，檢測(cè)其定位功能和自動(dòng)跟隨功能，如圖9和圖10所示。通過(guò)二維碼將購(gòu)物車引導(dǎo)至收銀臺(tái)后的黑膠帶區(qū)，打開(kāi)循跡開(kāi)關(guān)觀察其循跡情況，如圖11所示。

經(jīng)測(cè)試，所設(shè)計(jì)的購(gòu)物車可以跟隨二維碼移動(dòng)，左右轉(zhuǎn)彎較為平滑。其在鋪有黑膠帶的地面上能循跡前進(jìn)，且在循跡過(guò)程中遇到障礙物時(shí)會(huì)停止運(yùn)行。購(gòu)物車移動(dòng)過(guò)程中定位較為準(zhǔn)確，能定位出其當(dāng)前所在超市分區(qū)的位置，并在顯示屏上顯示。整體運(yùn)行穩(wěn)定，功耗低，使用方便。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于HT66F70A的跟隨購(gòu)物車。該購(gòu)物車具有自動(dòng)跟隨、循跡、自動(dòng)避障、室內(nèi)定位等功能。該購(gòu)物車運(yùn)用PWM技術(shù)以及OpenMV模塊實(shí)現(xiàn)購(gòu)物車自動(dòng)跟隨消費(fèi)者的功能，通過(guò)直流電機(jī)L298N來(lái)控制購(gòu)物車停止、前進(jìn)、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的功能。購(gòu)物車通過(guò)識(shí)別消費(fèi)者身后的二維碼，跟隨在其身后并與之保持一定距離。工作時(shí)購(gòu)物車通過(guò)UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示其當(dāng)前所在的區(qū)域。在消費(fèi)者結(jié)賬完畢后，購(gòu)物車通過(guò)灰度傳感器檢測(cè)黑膠帶，循跡回歸初始存放位置，并在循跡過(guò)程中啟動(dòng)超聲波傳感器檢測(cè)障礙物，遇障停止。

與傳統(tǒng)的購(gòu)物車相比，本設(shè)計(jì)消除了傳統(tǒng)購(gòu)物車人力托運(yùn)的不便，降低了超市的人力成本，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的購(gòu)物方式，為消費(fèi)者帶來(lái)更舒適的購(gòu)物體驗(yàn)。