張子旋，張愛清

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院, 安徽 蕪湖 241002)

0 引言

智能跟隨購(gòu)物車是基于現(xiàn)代定位技術(shù)和通訊技術(shù)所創(chuàng)造出的符合用戶購(gòu)物習(xí)慣的購(gòu)物車。目前有兩種實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨的方法：RSSI信號(hào)定位法和攝像頭識(shí)別跟隨法。RSSI指的是無(wú)線接收時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度,一般與無(wú)線模塊發(fā)射端和接收端的距離成反比，若使用戶攜帶無(wú)線接收模塊的發(fā)射模塊和角度傳感器，只需由Shadowing模型

(1)

可得到收發(fā)端的距離d，其中d0為參考距離，Pr(d0)為參考距離的接收功率，Pr(d)表示距離為d時(shí)的接收功率[1]。再由角度傳感器所采集的購(gòu)物車和用戶的角度信息得到二者角度差，購(gòu)物車將控制安裝在四個(gè)車輪胎上的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制購(gòu)物車運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到自動(dòng)跟隨用戶的效果。

基于RSSI信號(hào)定位法自動(dòng)跟隨購(gòu)物車實(shí)現(xiàn)的根本在于其能夠獲得用戶、購(gòu)物車位置信息，即無(wú)線信號(hào)大小(功率)與收、發(fā)端的距離滿足一定關(guān)系。而在本文的實(shí)驗(yàn)中，室內(nèi)的RSSI信號(hào)與收、發(fā)端的距離并沒有明顯的關(guān)系且所測(cè)得RSSI值具有較大的噪聲，經(jīng)分析其原因?yàn)椋浩渌麩o(wú)線設(shè)備對(duì)其信號(hào)造成干擾；熱噪聲。

基于攝像頭識(shí)別的自動(dòng)跟隨購(gòu)物車的跟隨功能實(shí)現(xiàn)的基本思想在于：網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的攝像頭布局覆蓋用戶和購(gòu)物車的運(yùn)動(dòng)空間并采集其位置信息，因此此方法只適用于室內(nèi)。但相比于通過分析RSSI信號(hào)功率大小確定距離的方法，此方案計(jì)算出的用戶到購(gòu)物車的距離更加準(zhǔn)確。

1 智能購(gòu)物車的結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)此跟隨購(gòu)物車所需的硬件有STM32F4智能芯片、OV2460攝像頭模塊、NRF24l01無(wú)線模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊及TFT顯示屏模塊。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要基于STM32F407微控制器，內(nèi)置上電復(fù)位，按鍵中斷，時(shí)鐘輸出等控制電路，處理器包括32位內(nèi)存，浮點(diǎn)運(yùn)算單元以及支持高效率，單周期指令的數(shù)字信號(hào)處理單元且主頻率高達(dá)168 MHz[2]。在本文的實(shí)驗(yàn)中，使用OV2640模塊作為圖像采集模塊，該模塊通過SCCB總線控制，TFT顯示屏與OV2460攝像頭模塊組合使用顯示屏顯示OV2460攝像頭模塊所拍攝到的畫面，用戶可以完全控制圖像質(zhì)量，數(shù)據(jù)格式和轉(zhuǎn)儲(chǔ)方式，其圖像處理功能過程包括白平衡，對(duì)比度，色度且可通過編程控制[3]。由于顯示屏所顯示的顏色是用RGB表示，而以HLS作為不同顏色區(qū)別標(biāo)準(zhǔn)更加精準(zhǔn)，因此，在程序中應(yīng)添加將RGB格式轉(zhuǎn)化為HLS格式的程序[4]。無(wú)刷直流電機(jī)是具有梯形反電勢(shì)波的永磁電機(jī),在實(shí)際控速中所用的方法是脈寬調(diào)制，也稱作PWM調(diào)制。由于無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過PWM波控制，而所使用的STM32F4芯片很容易產(chǎn)生PWM波形，本文中所采用的控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法皆為PWM波調(diào)制法[5]。

2 基于攝像頭的購(gòu)物車實(shí)現(xiàn)方案

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

此方案硬件由兩個(gè)部分構(gòu)成：購(gòu)物車組件和攝像頭組件，如圖1所示。其中購(gòu)物車組件包括STM32F4智能微芯片、NRF24l01無(wú)線模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、亞力克小車底盤及所需電源。攝像頭組件包括STM32F4智能微芯片、OV2460攝像頭模塊、NRF24l01無(wú)線模塊、TFT顯示屏模塊及所需電源。其工作流程為：由多個(gè)攝像頭組件組成的攝像頭網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)區(qū)域，對(duì)應(yīng)的TFT顯示屏呈現(xiàn)其攝像頭所采集的圖像信息，由每個(gè)攝像頭組件內(nèi)的智能微芯片逐點(diǎn)掃描識(shí)別TFT有無(wú)用戶或者購(gòu)物車(或用戶和購(gòu)物車同被一個(gè)攝像頭組件識(shí)別到)，由TFT顯示屏所采集空間區(qū)域大小的實(shí)際面積與TFT顯示屏對(duì)該面積用像素表示的關(guān)系可得出每個(gè)像素點(diǎn)在實(shí)際空間中所代表的實(shí)際面積大小，將已識(shí)別的購(gòu)物車和用戶在TFT顯示屏上的像素信息由此縮放關(guān)系換成位置坐標(biāo)儲(chǔ)存在攝像頭組件的STM32F4智能微芯片中，并由公式(2)、(3)計(jì)算出此兩坐標(biāo)點(diǎn)的距離d和相對(duì)角度a。

(2)

a=arctan(|y2-y1|/|x2-x1|).

(3)

得到用戶和購(gòu)物車的實(shí)際位置關(guān)系后，攝像頭組件中的NRF24l01無(wú)線發(fā)送模塊將購(gòu)物車與用戶的相對(duì)距離d和相對(duì)角度a傳遞給購(gòu)物車組件的NRF24l01無(wú)線接收模塊，當(dāng)購(gòu)物車組件的STM32F4智能芯片對(duì)所接收的信息進(jìn)行相應(yīng)的邏輯處理后，將發(fā)送不同指令(不同的脈沖信號(hào))給直流電機(jī)從而控制購(gòu)物車的運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了購(gòu)物車的自動(dòng)跟隨。

圖1 硬件實(shí)現(xiàn)

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

對(duì)于攝像頭組件，STM32F4智能芯片中硬件初始化控制程序包括：初始化外部設(shè)備及其相應(yīng)的所用的IO口，即初始化串口，設(shè)置串口波特率，初始化定時(shí)器，初始化OV2460模塊及ILI9342顯示屏模塊，初始化NRF24L01并設(shè)置其為發(fā)送模式。主函數(shù)所執(zhí)行的功能為：驅(qū)動(dòng)攝像頭開始采集圖像信息并將其采集的信息顯示到顯示屏上，對(duì)TFT顯示屏每個(gè)像素點(diǎn)逐點(diǎn)掃描識(shí)別有無(wú)購(gòu)物車或用戶，并由上文所描述的方法計(jì)算用戶與購(gòu)物車的位置信息，通過無(wú)線模塊將相應(yīng)的位置信息發(fā)送出去。對(duì)于控制攝像頭采集信息這一過程的程序(將每個(gè)像素點(diǎn)的RGB值存儲(chǔ)到STM32F4外接的SD卡中)放置在中斷函數(shù)里執(zhí)行，只有當(dāng)攝像頭模塊采集完一幀畫面且將此幀畫面的數(shù)據(jù)信息保存好之后，才會(huì)結(jié)束中斷程序并轉(zhuǎn)到主程序執(zhí)行。由于攝像頭是靜止的，即一個(gè)攝像頭所拍攝的畫面是有限的，若希望攝像頭拍攝整個(gè)場(chǎng)地的畫面(購(gòu)物車能在整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)做跟隨用戶的運(yùn)動(dòng))，則需要建立多組攝像頭組件對(duì)一個(gè)購(gòu)物車組件的無(wú)線連接方式，如圖2所示，當(dāng)攝像頭只采集到用戶的位置信息時(shí)將僅把用戶的位置信息傳遞給購(gòu)物車組件，且在發(fā)送數(shù)據(jù)的末尾加上一位標(biāo)志位數(shù)據(jù)以表明此數(shù)據(jù)是用戶。當(dāng)攝像頭只采集到購(gòu)物車位置信息時(shí)，僅把購(gòu)物車的位置信息發(fā)送給購(gòu)物車組件，且在發(fā)送數(shù)據(jù)的末尾處加一標(biāo)志位，以表明此數(shù)據(jù)是購(gòu)物車。同時(shí)，當(dāng)購(gòu)物車組件收到攝像頭組件傳來的數(shù)據(jù)僅為用戶或購(gòu)物車的位置信息時(shí)，等待其他攝像頭組件傳遞與前一攝像頭組件互補(bǔ)的數(shù)據(jù)，因?yàn)樵跀z像頭網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的區(qū)域內(nèi)一定可以識(shí)別到用戶和購(gòu)物車，且每個(gè)攝像頭組件硬件條件幾乎相同，因此在對(duì)用戶或購(gòu)物車識(shí)別所花費(fèi)的時(shí)間也幾乎相等。僅當(dāng)購(gòu)物車組件收到用戶和購(gòu)物車的位置信息后，才會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并計(jì)算出購(gòu)物車應(yīng)行駛的方向和速度。

1.天花板；2.用戶；購(gòu)物車運(yùn)動(dòng)的水平面；3.一個(gè)攝像頭所能監(jiān)控的場(chǎng)地；4.一個(gè)攝像頭組件

對(duì)于購(gòu)物車組件，STM32F4智能芯片中硬件初始化控制程序包括：初始化串口即設(shè)定其傳輸?shù)牟ㄌ芈剩⒊跏蓟〞r(shí)器，配置產(chǎn)生PWM波所需要的IO口，初始化NRF24L01無(wú)線模塊。控制由NRF24L01接收和分析所接收數(shù)據(jù)部分程序在外部中斷函數(shù)執(zhí)行，定時(shí)器中斷函數(shù)主要用于產(chǎn)生所需要的PWM脈沖信號(hào)并將此脈沖信號(hào)傳遞給直流電機(jī)的信號(hào)輸入端，主函數(shù)執(zhí)行的功能為：依據(jù)外部中斷函數(shù)反饋的信息計(jì)算產(chǎn)生對(duì)應(yīng)PWM脈沖信號(hào)的參數(shù)大小并將此參數(shù)傳遞到定時(shí)器中斷中，其表現(xiàn)功能是控制購(gòu)物車的行駛，使購(gòu)物車按照用戶的軌跡運(yùn)動(dòng)，達(dá)到自動(dòng)跟隨用戶的效果。這樣安排程序執(zhí)行結(jié)構(gòu)是為了提高購(gòu)物車自動(dòng)跟隨的準(zhǔn)確率，減少硬件損壞以及節(jié)約時(shí)間，由于主函數(shù)的作用是控制購(gòu)物車的四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也即控制購(gòu)物車的速度和行駛方向，然而若將接收和分析無(wú)線模塊傳遞的數(shù)據(jù)部分的程序?qū)懺谥骱瘮?shù)中，可能會(huì)導(dǎo)致購(gòu)物車組件響應(yīng)無(wú)線接收失敗或響應(yīng)延遲，從而使購(gòu)物車無(wú)法及時(shí)按照用戶的位置信息作出調(diào)整。此外電機(jī)響應(yīng)PWM信號(hào)和達(dá)到新的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要時(shí)間，若將PWM脈沖產(chǎn)生部分程序?qū)懺谥鞒绦蛑袝?huì)使電機(jī)轉(zhuǎn)速突變而有損電機(jī)硬件。

3 結(jié)論

從介紹RSSI信號(hào)定位法的原理出發(fā)，指出RSSI信號(hào)定位法在實(shí)際執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生的方案性問題，并分析該問題可能產(chǎn)生的原因，提出攝像頭定位法，且對(duì)此方案的可行性做了詳細(xì)的介紹，給出了智能購(gòu)物車的硬件材料和使用這些材料所對(duì)應(yīng)的程序，最后簡(jiǎn)述了攝像頭定位法實(shí)際應(yīng)用時(shí)的程序?qū)崿F(xiàn)執(zhí)行流程。