智能購物小車模塊化構(gòu)建分析＊

秦 航，顏 穎

（江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330095）

1 智能購物小車總體功能模塊

智能購物小車總體功能模塊主要包含人機(jī)交互模塊、導(dǎo)航模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、避障模塊、自檢模塊、充電模塊、自助結(jié)賬模塊等功能模塊。如圖1所示。

圖1 購物車功能設(shè)計(jì)

2 各模塊工作原理

2.1 導(dǎo)航模塊

本模塊將購物車的自主導(dǎo)航模式和車聯(lián)網(wǎng)模式相結(jié)合，利用超市自帶的服務(wù)器對(duì)整個(gè)商場的購物區(qū)域進(jìn)行地圖區(qū)域劃分，一般商品擺放都會(huì)按照購物區(qū)域進(jìn)行，每種商品對(duì)應(yīng)一個(gè)地圖上的區(qū)域坐標(biāo)，將商品的區(qū)域地圖坐標(biāo)數(shù)據(jù)錄入到商品導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫，如表1所示，這樣就完成了商品與購物區(qū)域及地圖坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)。通過激光雷達(dá)傳感器收集的數(shù)據(jù)，利用后臺(tái)服務(wù)器對(duì)整個(gè)超市環(huán)境進(jìn)行二維柵格地圖構(gòu)建，生成全局地圖數(shù)據(jù)提供給全局路徑規(guī)劃器使用，并在混合了A*算法和DWA算法的基礎(chǔ)上對(duì)智能購物車進(jìn)行全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃，達(dá)到針對(duì)智能購物車的起點(diǎn)和終點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)路徑規(guī)劃的目的[1]。其次建立一個(gè)商品列表供顧客查詢自己想要購買的商品，當(dāng)顧客點(diǎn)擊想要購買的商品時(shí)，后端將商品列表在商品導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，查詢商品的所在購物區(qū)域和地圖坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過無線局域網(wǎng)將地圖坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送給購物車，導(dǎo)航模塊利用激光傳感器將購物車位置與地圖進(jìn)行匹配后進(jìn)行導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 購物車導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)流程圖

表1 商品導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫

導(dǎo)航導(dǎo)購：購物車上搭載的交互系統(tǒng)帶有地圖導(dǎo)航功能，超市可以將場所的地圖信息、坐標(biāo)信息、商品位置等信息上傳到后臺(tái)服務(wù)終端中，顧客可以輸入關(guān)鍵字檢索商品，也可以根據(jù)類別分層級(jí)按網(wǎng)頁瀏覽方式檢索商品，后臺(tái)服務(wù)器檢索確認(rèn)顧客所需商品的坐標(biāo)位置，購物小車自動(dòng)定位自身位置，通過不斷更新購物車所在空間的位置信息，利用動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃算法和SLAM技術(shù)，自主導(dǎo)航指引消費(fèi)者找到商品[2]。

顧客完成購物后，按下購物車上的“返程”鍵，購物車便進(jìn)入自主導(dǎo)航和自動(dòng)泊位模式。利用激光雷達(dá)的掃描功能可以構(gòu)建實(shí)時(shí)地圖，優(yōu)化自動(dòng)返程泊位路徑。通過導(dǎo)航模塊的定位功能和車聯(lián)網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)購物車的自主行駛和自動(dòng)泊位。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)或采用履帶式驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)模塊接收STM32 主板發(fā)送的指令，以驅(qū)動(dòng)購物車底盤機(jī)械結(jié)構(gòu)的行走，控制其行走方向和速度，使購物車向目標(biāo)商品移動(dòng)。根據(jù)使用場景、地面環(huán)境以及為了滿足購物車載物的要求，可采用部分新能源汽車中的新技術(shù)四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。輪轂電機(jī)可實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，控制左右車輪形成不同的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)±3°的轉(zhuǎn)向角度，從而控制購物車的轉(zhuǎn)向行駛[3]。也可以采用履帶式驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，履帶式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向角度更大，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)軌跡短，但履帶的磨損較大，導(dǎo)致其壽命縮短，不太符合經(jīng)濟(jì)性要求，因此建議選用輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

VCU（整車控制器）接收到ECU（電子控制單元）信號(hào)，并采集得到各類傳感器信號(hào)經(jīng)過處理計(jì)算，決策出1個(gè)主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)角和4個(gè)車輪驅(qū)動(dòng)力矩，并分別通過CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）發(fā)給轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器和輪轂電機(jī)控制器，主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)角由轉(zhuǎn)向電機(jī)執(zhí)行，驅(qū)動(dòng)力矩由輪轂電機(jī)執(zhí)行[4]。

增加電機(jī)位置傳感器通過轉(zhuǎn)向角度變化的模擬量分別計(jì)算四個(gè)車輪應(yīng)有的車速,并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID（比例-積分-導(dǎo)數(shù)控制器）控制方法對(duì)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出，如圖3所示。

圖3 四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制模塊

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，結(jié)合控制成本考慮，智能購物車底盤整體驅(qū)動(dòng)性能目標(biāo)參數(shù)如表2所示。

表2 智能購物車底盤驅(qū)動(dòng)模塊參數(shù)

2.3 避障模塊

避障模塊主要利用超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)，超聲波傳感器具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，檢測迅速方便，易于做到實(shí)時(shí)控制，且具有一定的測量精度等優(yōu)點(diǎn)。超聲波傳感器通常采用壓電晶體材料，由超聲發(fā)射和接收兩個(gè)模塊組成。工作原理是由超聲發(fā)射模塊將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波進(jìn)行定向發(fā)射，超聲波碰到物體后會(huì)產(chǎn)生反射回波，反射回波信號(hào)由接收模塊轉(zhuǎn)換成電信號(hào)回傳給控制模塊[5]。如圖4 所示，超聲波在空氣中的傳播速度為V，發(fā)送和接受的時(shí)間差為△t，傳感器到障礙物的距離S 為速度與時(shí)間差的乘積的一半，如式（1）所示：

購物車以STM32為控制系統(tǒng)核心，在硬件上采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)模型，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，承載靈活，可以朝任意方向移動(dòng),五路超聲波傳感器分別測量小車左方、左前方、前方、右前方、右方障礙物的距離，并根據(jù)所測數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的避障措施。

2.4 無線充電模塊

圖4 超聲波傳感器原理

該模塊安裝在購物車底部，采用電磁感應(yīng)的無線充電技術(shù)為購物車提供續(xù)航的電源。透過固定區(qū)域的充電基板發(fā)送高頻率電磁波，利用供電方（充電板）和受電方（購物車）雙方產(chǎn)生的感應(yīng)磁通量來進(jìn)行電力傳輸，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，成本低，是常見的無線充電方法，原理如圖5 所示，初級(jí)線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端[6]。

圖5 電磁感應(yīng)無線充電原理

電磁充電技術(shù)能量可傳輸距離較短，充電板與購物車電力接收線圈之間以磁場傳送能量，兩者之間不用電線連接，因此充電器及用電的裝置都可以做到無導(dǎo)電接點(diǎn)外露，對(duì)于公共場所使用的智能購物車安全性較好，但會(huì)受擺放位置影響，所以該模塊布置在購物車底板的前端，與固定區(qū)域的充電板接觸，為內(nèi)置電池充電。

3 結(jié)論

本文主要闡述在軟硬件搭建的平臺(tái)下，智能購物車在導(dǎo)航模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、避障模塊、無線充電模塊中采用的硬件設(shè)施，其中導(dǎo)航模塊采用激光傳感器，驅(qū)動(dòng)模塊采用步進(jìn)電機(jī)，避障模塊采用超聲波傳感器，自檢模塊利用電流電壓檢測原理，在購物車發(fā)生行為異常時(shí)自動(dòng)斷電以起到保護(hù)作用，充電模塊利用電磁感應(yīng)原理對(duì)購物車進(jìn)行無線充電。通過對(duì)智能購物車功能實(shí)現(xiàn)的原理和流程框架的梳理，為智能購物車的模塊化設(shè)計(jì)提供一定的思路。