一種自主追蹤超市購物車的設計

河海大學 郭章旺 葛 菲 胡亦恒 侯劭文 聶小松

隨著人們物質文化水平的提高，超市成為了人們消費的主流場所之一。現階段，超市的購物車主要有以下三種類型：(一)支架型購物車；(二)托盤式購物車；(三)日式購物車。在購物時，我們時常會遇到一些棘手問題：不得不一手選購商品，另一只手拖著購物車；甚至有時會把購物車遺忘腦后，再想起時，已全然不知購物車的蹤影。為解決以上問題，進一步提高消費者的購物體驗，本文提出一種能夠實現自主追蹤的超市購物車的設計方法。

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物車的設計方法。此自追蹤購物車的電路部分主要包括STM32F103控制器、HC-06藍牙通信電路、HC-SR04超聲波測距電路、攝像頭電路、電感前瞻電路、電機驅動電路；此自追蹤購物車的機械設計部分主要有購物車車體、驅動輪、萬向輪。

為使自跟蹤購物車的有序運行，需要預先在地面下埋好電磁導線。購物車的電感前瞻電路通過采集信號，計算得到電磁導線的布線位置，控制購物車只在鋪有電磁導線的軌跡上運動。

本文將從電路設計、機械設計和手機APP調試三個方面，分析自追蹤超市購物車的設計。

2 電路設計

2.1 STM32F103微處理器

STM32的主流產品有：STM32F0、STM32F1、STM32F3；超低功耗產品有：STM32L0、STM32L1、STM32L4、STM32L4+、高性能產品有：STM32F2、STM32F4、STM32F7、STM32H7。（楊百軍.輕松玩轉STM32Cube:電子工業出版社,2017）本文所述自追蹤購物車的主控芯片采用了STM32F103。STM32F103是STM32的增強型系列芯片。其內部具有3個12位的us級A/D轉換器，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USART接口，選擇其一用于外接HC-06藍牙模塊，以便于從手機APP端對購物車進行控制；最多高達112個的快速I/O端口，可外接數量足夠多的HC-SR04超聲波測距模塊，用于自追蹤購物車的避障。

因此，使用STM32F103作為自追蹤購物車的主控是十分合適的。

2.2 HC-SR04超聲測距模塊

隨著科學技術的飛速發展,超聲波在生產、生活中的應用范圍越來越廣，超聲波測距技術能夠實現對障礙物距離的精確測量。（劉為芹,于會山.超聲波測距系統的工作原理與應用設計[J].無線互聯科技,2015(19):147-148）

本文所述自追蹤購物車在車體四周安裝了HC-SR04超聲測距模塊，不僅用于消費者保持適當距離，也用于防止購物車在跟蹤時，誤撞其他消費者。一個HC-SR04模塊有四個接口，分別是：VCC、Trig、Echo、GND，采用I/O口Trig觸發測距，保持超過10us的高電平型號，模塊自動發送8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回，若有信號返回，則通過I/O口Echo輸出與一個高電平，高電平的持續時間就是超聲波從發射到返回的時間。

根據路程的計算方法，測試距離=（Echo高電平時間）*聲速/2，可以得到自追蹤購物車距離附近障礙物的距離，從避免了因為誤撞而導致的損失。

2.3 攝像頭電路

本文所述自追蹤購物車采用了能夠實現“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的灰度值設置為0或255，也就是將整個圖像呈現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，而日光燈發出的光里不含有紅外線。因此筆者在自追蹤購物車的攝像頭前加裝了紅外濾光片和偏振片，周圍整體環境的圖像經過濾光片處理后，剩下的就是一個放置在消費者身上的紅外發射裝置的一個小圓點。

若周圍光線環境較差，筆者在設計了動態調節閾值的算法，如果物體同背景的差別表現不在灰度值上(比如紋理不同)，可以將這個差別特征轉換為灰度的差別，然后利用閾值選取技術來分割該圖像，動態調節閾值實現圖像的二值化可動態觀察其分割圖像的具體結果。（吳辰夏.二值化圖像特征及其應用[D].浙江大學,2013）

根據“遠看大、近看小”的原理可知，當購物車離消費者身上紅外發生裝置距離較遠時，其所占圖像的像素點就少，相反地，當購物車離消費者身上紅外發生裝置距離較近時，其所占圖像的像素點就多。因此，可以通過計算圖像里紅外發生裝置所占圖像像素點的個數，初步判斷消費者與購物車之間的距離。

2.4 電感前瞻電路

電磁導線在通入變化的電流，則導線周圍會產生變化的磁場，且磁場與電流的變化規律具有一致性。如果在此磁場中，放置一電感，則該電感上會產生感應電動勢，且該感應電動勢的大小和通過線圈回路的磁通量的變化率成正比。由于在導線周圍不同位置，磁感應強度的大小和方向不同，所以不同位置上的電感產生的感應電動勢也應該是不同的。據此，可以大致確定電感的位置。

使用電感前瞻作為循跡傳感器，需要進行以下兩個步驟：信號的濾波及信號的放大。

（1）信號的濾波

電磁導線采用20kHz的交變磁場作為路徑導航信號，可以有效地避開周圍其它磁場的干擾。信號的放大，需要選頻放大。根據，已知感應電動勢的頻率f=20kHz,感應線圈為L=10mH，則諧振電容的容量應為C=6.33nF。通常在市場上，可以購買到的標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）信號的放大

為便于電壓采樣，我們要對信號進行放大。考慮到三極管信號放大不可避免溫漂較大的缺點，筆者采用了集成運放進行信號的放大處理。集成運放的優勢是受溫度影響小、可靠性高，同時也減小了實際應用中靜電現象的干擾。

3 機械設計

3.1 輪胎設計

如今超市中常見的購物車采用的四輪結構，考慮到購物車的實用性和靈巧性，本文所述自追蹤購物車采用如圖1所示的兩個驅動輪加兩個萬向輪的設計。自追蹤購物車的兩個驅動輪分別使用兩個電機驅動電路，在主控芯片STM32F103上也分配了更多的I/O口來控制驅動輪的運行。

與傳統的四輪設計相比，兩個驅動輪加兩個萬向輪的設計的優勢在于：可以利用兩個驅動輪的差速，實現“零半徑”的360°轉向，大大提高了自追蹤購物車的靈巧性。

3.2 外形設計

本文所述自追蹤購物車采用圓形的外形設計。在購物車車身進行“零半徑”轉向時，能夠保持車身各部位與周圍物體的距離不發生變化，相比于傳統的長方形購物車，在進行“零半徑”轉向時，由于長方形購物車對角線的距離大于邊的長度，因此長方形購物車車身與周圍物體的距離就會發生變化，不僅靈巧性大大降低，同時會造成自追蹤購物車運行紊亂。

圖1 自追蹤購物車兩個驅動輪加兩個萬向輪設計圖

4 手機APP調試

筆者為所述自追蹤購物車安裝了HC-06藍牙模塊，每個購物車都有對應的藍牙模塊，消費者通過打開手機藍牙，找到購物車對應的藍牙模塊，輸入密碼后，完成配對連接后，便可以通過手機APP對自追蹤購物車經行一系列操作，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，當車身距離消費者距離過遠時，或者當攝像頭追蹤的紅外發射裝置丟失時，手機APP將發送信息提醒消費者，并顯示購物車的具體位置。

5 總結

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

鑒于此，筆者提出了一種自主追蹤超市購物車。消費者在使用購物車前，取下購物車上紅外發射裝置，放置于身上，購物車上的攝像頭捕捉到圖像，可以實現對消費者的追蹤；電感前瞻電路安裝在購物車的前部，計算出循跡路線方案；安裝在購物車四周的超聲波測距模塊，不僅用于與消費者保持適當距離，也用于防止碰撞的發生；消費者還可以通過手機APP，方便快捷地實現對購物車進行一些基本的操作。

本文所述自追蹤購物車的設計，旨在“解放”消費者的雙手，進一步提高消費者在超市的購物體驗，讓科技逐漸走進百姓的生活。