游依婷 周章玉

摘 要 本文介紹了一種可自主導(dǎo)購的智能跟隨購物車，主要包括手機(jī)和車架、購物筐、觸摸顯示屏、車輪、直流電機(jī)、紅外通信模塊、超聲波傳感器、視覺識別系統(tǒng)和語音播報等。動力車輪和萬向輪組成四輪行進(jìn)系統(tǒng)，可讓車體進(jìn)行360°轉(zhuǎn)向;視覺識別系統(tǒng)由兩個攝像頭以及MiniPC構(gòu)成，可對目標(biāo)消費(fèi)者的位置進(jìn)行捕捉，從而達(dá)到較為精準(zhǔn)的跟隨效果;紅外通信模塊組成較為精準(zhǔn)的區(qū)域定位系統(tǒng)，可實時定位消費(fèi)者的具體位置。購物車可提供跟隨導(dǎo)購與傳統(tǒng)導(dǎo)購兩種購物模式，隨時為消費(fèi)者提供智能導(dǎo)購、語音提醒等服務(wù)，讓消費(fèi)者有較好的購物體驗。

關(guān)鍵詞 圖像識別;紅外通信;智能跟隨;導(dǎo)購;自動避障

隨著社會的快速發(fā)展，人工智能的理念深入人心，人們的生活離不開購物，而在各類大型購物商場中卻還未普及可自動跟隨的智能購物車，因此我們提出了具有跟隨和導(dǎo)購功能的智能購物車。此購物車采用Cortex-M4控制差速底盤，Openmv圖像識別以及算法處理實現(xiàn)目標(biāo)定位;采用紅外通信實現(xiàn)區(qū)域定位，與語音播報相結(jié)合，共同打造出友好的導(dǎo)購系統(tǒng);采用超聲波模塊實現(xiàn)自主避障。多個功能模塊結(jié)合使購物車可實現(xiàn)智能跟隨、智能導(dǎo)購和智能提醒。

1系統(tǒng)總體框架

此購物車系統(tǒng)的功能主要分為四部分——目標(biāo)追蹤、自動避障、區(qū)域定位和人機(jī)交互。整個購物車系統(tǒng)的總體框圖如圖 1所示。目標(biāo)的定位采用Openmv攝像頭對目標(biāo)物體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)Openmv自動檢測到目標(biāo)物體的特征后，會直接框選目標(biāo)物體，建立坐標(biāo)系，通過計算公式得到目標(biāo)物的相對坐標(biāo)、相對距離并傳輸給主控板。車體四周安裝多組超聲波傳感器，保證車體前方180度范圍內(nèi)的障礙物可被識別，但存在0.3cm的盲區(qū)。總體指標(biāo)良好，可進(jìn)行較順暢的自動避障。利用紅外通信可實現(xiàn)區(qū)域定位，在下位機(jī)紅外發(fā)射端周圍0.5m范圍內(nèi)可收到相關(guān)區(qū)域代碼，從而實現(xiàn)區(qū)域定位，并結(jié)合語音與導(dǎo)購系統(tǒng)實現(xiàn)人機(jī)交互，完成導(dǎo)購功能?；贘Q8XX的語音播報，結(jié)合紅外區(qū)域定位后可實現(xiàn)在特定場景下的語音提示功能。此語音播報功能的運(yùn)行速度尚佳、反應(yīng)較迅速，語音流暢且清晰。采用Qt對導(dǎo)購系統(tǒng)進(jìn)行編程設(shè)計，消費(fèi)者可直接通過導(dǎo)購系統(tǒng)的界面選擇自己的購物模式，導(dǎo)購系統(tǒng)設(shè)有一鍵導(dǎo)購、輔助導(dǎo)購兩種導(dǎo)購模式[1]。

2硬件的配置及其原理

此購物車系統(tǒng)使用的硬件設(shè)備模塊主要有——STM32F407核心板、Openmv識別模塊、HC-SR04超聲波模塊、STC12紅外通信核心板、MiniPC顯示屏和電機(jī)驅(qū)動模塊。車體部分主要是長方體形狀的車筐、推手及裝有2個萬向輪和2個橡膠輪的差速底盤。其中硬件設(shè)備功能模塊可主要分為三部分：

（1）第一部分為目標(biāo)定位系統(tǒng)。硬件采用Openmv模塊進(jìn)行信息采集以及圖像識別，通過算法處理可得到目標(biāo)的坐標(biāo)值以及與車體的距離;采用UART通信實現(xiàn)Openmv模塊與Cortex-M4通信;采用Cortex-M4通信接受目標(biāo)信息并對PWM參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)實時調(diào)整車體位于目標(biāo)正后方并保持一定距離，具體實現(xiàn)過程為——第一步，先對購物者進(jìn)行特征識別和特征信息存儲，首先對感興趣區(qū)中的目標(biāo)物體進(jìn)行特征點采集，目標(biāo)物體特征點識別記憶后自動儲存。第二步，根據(jù)綜合功能模塊降低環(huán)境因素對攝像頭的采集信息的影響。攝像頭將采集的圖像信息經(jīng)過處理后傳給底層的Cortex-M4主控芯片，主控Cortex-M4芯片對購物車跟隨方向進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)運(yùn)動模式開啟，Openmv將目標(biāo)物體用方型邊框自動框選，邊框內(nèi)有十字叉代表目標(biāo)的中心坐標(biāo)。

Openmv視覺界面被坐標(biāo)線性化，坐標(biāo)系統(tǒng)為160×120，其中一幀圖像的中心點為（80，60）。具體測距原理如圖 2所示，其中，Lm是長度，Bpix是攝像頭中球所占的像素（直徑的像素）。Rm是球真實的半徑，Apix是固定的像素，a是視角的一半。測距公式如下：

（2）第二部分為自動避障系統(tǒng)。傳感器采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給TRIG端口一個大于10us的高電平信號;模塊發(fā)送8個40KHz的方波后自動檢測是否有信號返回;有信號返回，通過端口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=（高電平時間*聲速（340m/s））/2。當(dāng)距離小于20cm時，Cortex-M4核心板控制電機(jī)進(jìn)行避障。

（3）第三部分為區(qū)域定位系統(tǒng)。下位機(jī)采用MCU核心板以及紅外發(fā)射頭構(gòu)成自制紅外發(fā)射電路，通過脈寬調(diào)制向上位機(jī)發(fā)送帶有信息的紅外光波，以傳輸相應(yīng)區(qū)域信息。發(fā)射部分：發(fā)射部分由STC12C5602AD模塊，指令編碼系統(tǒng)，信號調(diào)制系統(tǒng)和發(fā)射電路組成。指令編碼系統(tǒng)將本商城各區(qū)域?qū)?yīng)的編號進(jìn)行編碼，指令編碼信號經(jīng)過38K載波進(jìn)行調(diào)制，然后再由驅(qū)動電路來進(jìn)行功率放大，再由發(fā)射電路把調(diào)制后的編碼指令信號發(fā)射出去。

上位機(jī)采用自制紅外接收電路以及STM32核心板接收紅外信息實現(xiàn)定位，同時通過串口與QT通信。接收部分由紅外接收電路、信號解調(diào)系統(tǒng)、信號解碼系統(tǒng)、顯示電路和操作執(zhí)行電路組合而成。接收電路把接收到的已調(diào)信號進(jìn)行信號放大后送給信號解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)，再由信號解碼系統(tǒng)把已調(diào)信號還原為編碼信號。指令譯碼器將會把指令信號編碼進(jìn)行譯碼，最后再由驅(qū)動電路來執(zhí)行各種指令相對應(yīng)的操作控制[2]。

語音播報采用JQ8XX的語音模塊，當(dāng)STM32接收到區(qū)域代碼時，觸發(fā)模塊功能，模塊播放存儲于其中的音頻。

人機(jī)交互界面采用UP-MAGIC 7 INCH TFT LCD PANEL，同時用HanRun驅(qū)動，以顯示相關(guān)位置信息。

3軟件流程設(shè)計

軟件程序由以下部分組成——Openmv模塊識別目標(biāo)并傳送位置信息、紅外通信模塊進(jìn)行區(qū)域定位傳送區(qū)域信息、超聲波模塊進(jìn)行自動避障，STM32接受信息后控制底盤的行進(jìn)和語音模塊的播報。程序功能主要分為以下三部分：

（1）Openmv模塊聯(lián)合STM32實現(xiàn)目標(biāo)識別與追蹤。Openmv的坐標(biāo)系統(tǒng)為160×120，其中一幀圖像的中心點為（80，60）。系統(tǒng)啟動后，Openmv首先會對感興趣區(qū)域中的目標(biāo)進(jìn)行顏色、像素點和特征點的信息采集，得到先驗信息。運(yùn)動模式開始后，Openmv將根據(jù)先驗信息，實時地對目標(biāo)進(jìn)行識別，使用方框框出目標(biāo)，并將方框中心點的x坐標(biāo)值通過串口通信傳給STM32控制板;同時還將根據(jù)識別圖中目標(biāo)所占像素點與先驗信息比對，根據(jù)相應(yīng)距離計算方法，得出大致距離并發(fā)送至STM32控制板，完成目標(biāo)識別[3]。

控制板將得到的x坐標(biāo)值與圖像中心點的x坐標(biāo)值80進(jìn)行比較，可得知該目標(biāo)在車體前方的左右位置，再根據(jù)該坐標(biāo)值與中心坐標(biāo)值的偏差大小利用PID算法，控制購物車的轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)購物車實時處于目標(biāo)的正后方;同時，控制板將根據(jù)大致距離利用PID算法控制車體前進(jìn)，做到距離遠(yuǎn)時速度大，距離近時速度小的行進(jìn)，實現(xiàn)實時跟隨。

若Openmv未識別到目標(biāo)信息，則將傳送-1至STM32控制板，控制板收到-1后將控制車體緩慢轉(zhuǎn)動以輔助攝像頭的目標(biāo)識別，若長時間未能識別，則購物車將處于報錯狀態(tài)：原地打轉(zhuǎn)。

（2）STC12控制板和紅外發(fā)射頭組成的發(fā)射模塊以及STM32核心板和紅外接收頭組成的接收部分共同實現(xiàn)區(qū)域定位。發(fā)射部分程序主要由38kHz載波產(chǎn)生函數(shù)、引導(dǎo)碼函數(shù)、數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)0編碼函數(shù)、結(jié)束碼函數(shù)和信息整合發(fā)送函數(shù)組成。在信息整合函數(shù)中依次發(fā)送引導(dǎo)碼、數(shù)據(jù)碼和結(jié)束碼。接收部分程序主要是嵌套循環(huán)和判斷，判斷收到高低電平時間以確定脈沖間隔時間從而解碼。

（3）HC-SR04超聲波模塊聯(lián)合STM32實現(xiàn)自動避障。此部分程序主要由中斷觸發(fā)程序、高電平計數(shù)器和調(diào)整電機(jī)PWM三部分組成。程序一開始即為觸發(fā)函數(shù)，其功能是將Trig電平拉高，使得超聲波模塊工作并觸發(fā)定時器中斷，開啟計數(shù)器功能，得到物體距離=計數(shù)器當(dāng)前值/（時鐘周期/預(yù)分頻值）*340/2。STM32根據(jù)讀取的距離值調(diào)整左右輪的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)避障[4]。

4系統(tǒng)調(diào)試

（1）將攝像頭采集到的圖片信息通過處理后傳給Cortex-M4控制板，根據(jù)識別結(jié)果調(diào)整參數(shù)，通過串口通信將結(jié)果顯示于電腦的串口調(diào)試助手中，結(jié)果將顯示攝像頭與Cortex-M4控制板通信正常、數(shù)據(jù)處理正常，PID參數(shù)調(diào)整成功。

（2）調(diào)試紅外發(fā)射模塊。通過定時器產(chǎn)生38kHz的脈沖并帶有載波信號，為保證通信成功，可通過示波器觀察波形數(shù)據(jù)。根據(jù)示波器顯示的結(jié)果可知輸出波形正確無誤，接通紅外接收模塊，進(jìn)行通信測試，接收模塊可接收信號并解碼。

（3）其他模塊測試如超聲波模塊、編碼器PWM參數(shù)調(diào)整算法測試均采用步驟一中的串口打印方式輔助測試，經(jīng)調(diào)試后測試結(jié)果正常。

（4）確定PID跟隨目標(biāo)參數(shù)。車體搭好后根據(jù)實際跟隨結(jié)果，多次調(diào)整Kp、Kd參數(shù)值，使跟隨達(dá)到最佳效果，最后中心定位PID算法中Kp=0.15，Kd=0.35;車距調(diào)整PID算法中Kp=0.1，Kd=0.2[5]。

5結(jié)束語

本智能商城購物車采用圖像識別即顏色識別以及特征點監(jiān)測，結(jié)合感興趣區(qū)域減小誤差，并通過攝像頭測距算法，實現(xiàn)目標(biāo)的坐標(biāo)與距離的定位;通過主控板對購物車的控制，能夠讓車體靈活移動;基于QT開發(fā)人機(jī)交互界面，能夠通過觸屏控制車體;通過超聲波測距，讓購物車實現(xiàn)自動避障;通過紅外通信，上位機(jī)可根據(jù)下位機(jī)所發(fā)送信息判斷當(dāng)前位置，并用語音播出。

各項功能相結(jié)合，此購物車系統(tǒng)可實現(xiàn)作品初始時的功能設(shè)想——既實現(xiàn)實時跟隨，也可以自主避障，而且能隨時定位區(qū)域位置，同時具有導(dǎo)購、人機(jī)交互以及語音播報等功能。綜上，本購物車可為用戶提供一個良好的導(dǎo)購體驗。

參考文獻(xiàn)

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[5] 王維波，粟寶鵑，猴春望.QT5.9C++開發(fā)指南[M].北京：人民郵電出版社，2018：65.

作者簡介

游依婷（1999-），女，四川成都人;學(xué)生，現(xiàn)就讀學(xué)校：西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院電子信息工程專業(yè)，研究方向：嵌入式控制和信號處理。

周章玉（1999-），女，四川內(nèi)江人;學(xué)生，現(xiàn)就讀學(xué)校：西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院電子信息工程專業(yè)，研究方向：嵌入式控制和信號處理。