韓昌幸，申龍章，邱長軍，吳曉艷，李 琦

（南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，衡陽 421001）

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)購物已經(jīng)成為人們的第二大購物體驗(yàn)。而對于用戶來講，自動(dòng)售貨機(jī)既具備傳統(tǒng)實(shí)體店的即視選擇優(yōu)點(diǎn)，又由于其分布零散、范圍廣闊、支付方便等特點(diǎn)可與網(wǎng)店購物媲美，而在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[1]。

隨著自動(dòng)售貨機(jī)的普及，人們對其體驗(yàn)水平也勢必與日俱增。尤其隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，人們越來越傾向于伸手即得的購物體驗(yàn)。自動(dòng)售貨機(jī)通常置于人流量較大的地方，然而一方面由于所能設(shè)置的售貨機(jī)數(shù)量有限，另一方面遇到下雨或是炎熱天氣，即使是幾米開外也不夠方便[2]。

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)售貨機(jī)具備移動(dòng)功能，人們可以通過智能手機(jī)APP查找附近的可移動(dòng)自動(dòng)售貨機(jī)分布情況，并可瀏覽機(jī)器內(nèi)部貨品信息，選擇好所需要的自動(dòng)售貨機(jī)，而它就能在網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航下，自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到需要的人面前。雖然本文所做的工作是初步的，離自動(dòng)售貨機(jī)的可移動(dòng)應(yīng)用還有很遙遠(yuǎn)的距離，但從技術(shù)的儲備和學(xué)生相關(guān)能力的鍛煉方面來看[3]，具有一定的價(jià)值和意義。

1 可移動(dòng)自動(dòng)售貨機(jī)的原理及實(shí)現(xiàn)

可移動(dòng)自動(dòng)售貨機(jī)主要是在現(xiàn)有自動(dòng)售貨機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，增加其移動(dòng)功能。如圖1所示，人們在智能手機(jī)中使用售貨機(jī)專用APP，可查看地圖上附近的售貨機(jī)信息。當(dāng)其通過瀏覽APP上售貨機(jī)內(nèi)部貨品信息情況后，選擇自己需要的售貨機(jī)并下單，則當(dāng)前售貨機(jī)響應(yīng)，并自行運(yùn)行到需要的人面前。

圖1 可移動(dòng)自動(dòng)售貨機(jī)圖解

而自動(dòng)售貨機(jī)無線聯(lián)通系統(tǒng)由用戶端、自動(dòng)售貨機(jī)、無線路由器中繼和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺四部分組成。其中，自動(dòng)售貨機(jī)由人機(jī)交互部分、支付部分、貨架控制等部分組成，人們可以在任何時(shí)間選購自己所需的商品。通過無線中繼為自動(dòng)售貨機(jī)建立高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道，將所有商品銷售等信息傳輸?shù)狡髽I(yè)后臺，供運(yùn)營企業(yè)進(jìn)行業(yè)務(wù)分析和操作。遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)將完成售貨機(jī)的計(jì)費(fèi)、貨品管理和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航控制，如圖2所示。

圖2 可移動(dòng)自動(dòng)售貨機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 移動(dòng)售貨機(jī)的無線定位及路徑規(guī)劃研究

為了實(shí)現(xiàn)售貨機(jī)的無線定位，就首先要對售貨機(jī)內(nèi)置的發(fā)射機(jī)與無線接收機(jī)之間的天線高度和分離距離兩個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行評估。WiFi使用5dBi增益的Alfa AIPW525H雙天線，這種類型的天線具有很好的穿墻性能。所使用的接收機(jī)是一種通用的Broadcom BCM43142無線網(wǎng)絡(luò)適配器。通過設(shè)置好的WiFi AP，使用Alfa Inc.的設(shè)備建立一個(gè)默認(rèn)MAC網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通道設(shè)置為1，通訊頻率設(shè)置為2.4GHz。由于所需要的數(shù)據(jù)只是從特定AP傳輸信號的強(qiáng)度，因此不需要訪問internet，因此網(wǎng)絡(luò)仍然與它斷開連接。最后，在Homedale?開放源代碼下運(yùn)行Windows 8.1無線信號強(qiáng)度無線監(jiān)測，每間隔2秒時(shí)間記錄一次數(shù)據(jù)。為了精確定位售貨機(jī)位置，售貨機(jī)與天線位置要滿足下圖關(guān)系[4]。

圖3 售貨機(jī)與天線位置

而售貨機(jī)可通過式(1)～式(3)完成坐標(biāo)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)定位。

因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)高度的并行分布計(jì)算、具有良好非線性擬合能力的特點(diǎn)，可移動(dòng)自動(dòng)售貨機(jī)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為路徑規(guī)范算法可使售貨機(jī)運(yùn)行在未知環(huán)境信息的情況下具有良好的適用性[5,6]。

圖4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃

如圖4所示，路徑規(guī)劃時(shí)，移動(dòng)售貨機(jī)本體攜帶的傳感器實(shí)時(shí)檢測周圍的障礙物分布情況，結(jié)合當(dāng)前位置的輸入值，網(wǎng)絡(luò)及時(shí)調(diào)整第二隱層權(quán)值參數(shù)，因此wj1，wj2是動(dòng)態(tài)變化的。它們的值每迭代一次后結(jié)果都可能不一校。通過連接權(quán)值的實(shí)時(shí)調(diào)整，下一時(shí)刻的路徑節(jié)點(diǎn)位置信息通過網(wǎng)絡(luò)計(jì)算輸出，售貨機(jī)則用剛輸出的節(jié)點(diǎn)信息作為自己的當(dāng)前位置信息，再進(jìn)行下一步的規(guī)劃，如此往復(fù)，直至到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)為止[7,8]。

路徑規(guī)劃主要目的可以分為兩個(gè)子目標(biāo)，一是避開障礙物，另一個(gè)就是要求路徑盡可能短。因此可以設(shè)計(jì)兩個(gè)能量函數(shù)來描述這兩方面的物理意義，分別是目標(biāo)能量函數(shù)Eg和障礙物能量函數(shù)Eo。最終就可以將路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化成帶有約束條件的優(yōu)化問題，通過尋找能量函數(shù)的極值點(diǎn)來解決路徑規(guī)劃問題[9～11]。

首先對障礙物和售貨機(jī)都退化成質(zhì)點(diǎn)。在沒有障礙物的情況下最優(yōu)路徑就是給定起始位置與目標(biāo)位置之間的直線連線。由于障礙物的約束，實(shí)際上是要求售貨機(jī)每一步的位置集合距離目標(biāo)點(diǎn)盡可能的小。而目標(biāo)能量函數(shù)Eg和障礙物能量函數(shù)Eo可以通過式(4)～式(6)來表示。

其中（xg，yg）為目標(biāo)位置坐標(biāo)，（xR（t+1），yR（t+1））為售貨機(jī)t+1時(shí)刻坐標(biāo)，N表示售貨機(jī)移動(dòng)的步數(shù)， M為傳感器探測到的碰撞障礙物個(gè)數(shù)，A為常數(shù)項(xiàng)。因此式(6)的最后一項(xiàng)的物理意義是：當(dāng)售貨機(jī)與障礙物相碰時(shí)，在障礙物能量函數(shù)上加一個(gè)懲罰函數(shù)，懲罰越大，則表明碰撞的障礙物越多。為了驗(yàn)證算法的可行性，本文在 MATLAB R2013a環(huán)境下進(jìn)行了算法仿真實(shí)驗(yàn)。路徑規(guī)劃仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 路徑規(guī)劃仿真圖

3 結(jié)論

1）提出了可移動(dòng)自動(dòng)售貨機(jī)的概念和原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在成本并未增加很高的基礎(chǔ)上，極大程度的提高了人們的購物體驗(yàn)，提高自動(dòng)售貨機(jī)的市場競爭力；

2）可移動(dòng)自動(dòng)售貨機(jī)在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，目前存在的主要問題是如何實(shí)現(xiàn)無線定位和路徑規(guī)劃上，本文通過WiFi監(jiān)測信號計(jì)算獲取定位坐標(biāo)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)售貨機(jī)運(yùn)行路徑規(guī)劃，可初步解決這一問題。