林杰 孫海升 唐啟承 周成 黃奕秋 洪遠泉

摘 要：針對超市傳統(tǒng)購物車的缺陷，面向大型超市和無人售貨超市提出了基于機器視覺室內定位的智能購物車設計。系統(tǒng)包含自動跟隨和智能導購兩種模式，利用視覺模塊識別跟蹤AprilTag標簽，實現(xiàn)購物車的自動跟隨功能;融合物聯(lián)網技術和機器視覺室內定位技術實現(xiàn)購物車的智能導購功能。兩種模式配合使用，給用戶購物帶來了極大便利，有效提升了用戶的消費體驗，具有較好的市場價值和實用價值。

關鍵詞：機器視覺;室內定位;自動跟隨;智能導購;智能購物車;物聯(lián)網

中圖分類號：TP249 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-00-03

0 引 言

當前，大多超市由于存在商品導購技術落后、購物車需要手推等問題，降低了用戶的購物體驗。隨著互聯(lián)網技術的發(fā)展，線上交易營銷方式的沖擊導致實體銷售企業(yè)的發(fā)展更加艱難，迫切需要通過提供更好的購物環(huán)境來吸引消費者。由于技術的限制，現(xiàn)有的智能購物車存在識別精度不高、復雜環(huán)境出錯率較大和成本較高等問題[1]，不能在市場中廣泛推廣應用。因此，提供更加便捷智能的自動跟隨購物車代替人工導購模式，將成為現(xiàn)階段各大商店提高用戶消費體驗、吸引顧客愉快購物的重要技術手段。

本文針對目前實體超市行業(yè)存在的問題，設計了一種新型智能購物車。該購物車采用了成本較低、識別精度較高的室內機器視覺識別技術，配合使用AprilTag標志能在環(huán)境復雜的超市內完成智能導購以及自動跟隨。方便用戶選用自動跟隨模式[2]后在解放雙手的同時帶給用戶和超市極大的便利，節(jié)約人力資源及時間成本，大大提高了實體銷售行業(yè)的競爭力。

1 系統(tǒng)總體結構

如圖1所示，STM32作為各模塊通信的橋梁，是購物車系統(tǒng)的運行中樞。WiFi模塊ESP8266[3]將購物車的數(shù)據(jù)上傳和下載到云端服務器，顧客手機的APP連接云端服務器后便可實現(xiàn)購物車與手機的通信。顯示器作為顧客與購物車交互的一種方式，在完成手機APP已有功能的同時，還能避免用戶暫時無法使用手機而無法啟動購物車的情況出現(xiàn)。視覺模塊OpenMV用于識別AprilTag標志，獲得ID和3D數(shù)據(jù)完成室內定位和跟隨[4]，電機驅動模塊用來控制減速電機完成車體運動[5]。

2 功能與設計

本文所設計的購物車共有2個模式，分別為跟隨模式和導購模式。在跟隨模式下，顧客只需在背部佩帶AprilTag標簽，購物車便能實時跟隨顧客，解放顧客的雙手。導購模式需要在超市地板上鋪設導航地圖，顧客通過手機APP選擇自己需要的商品，購物車引導顧客走到商品處，方便顧客尋找商品。兩種模式均通過識別AprilTag標志讀取AprilTag的3D數(shù)據(jù)和ID。

2.1 跟隨模式設計

購物車的跟隨模式基于AprilTag的3D定位[6]技術實現(xiàn)。通過OpenMV[7]讀取AprilTag的3D數(shù)據(jù)定位顧客與購物車的空間位置。

如圖2所示，通過OpenMV尋找AprilTag函數(shù)就能得到AprilTag相對于OpenMV空間上的6個3D數(shù)據(jù)，分別是3個旋轉量Rx，Ry，Rz和3個坐標Tx，Ty，Tz，用于用戶跟蹤。

跟隨模式流程如圖3所示，顧客通過手機或顯示器選擇跟隨模式，此時購物車啟動跟隨模式，并等待顧客輸入領取的AprilTagID。顧客輸入完畢后，購物車首先識別顧客背上的ApilTagID號是否為要跟隨的ID號，以避免跟錯。如果是，則讀取3D數(shù)據(jù)，使用Rx，Ry，Rz調整購物車轉向，使購物車朝向顧客;使用Tx，Ty，Tz調整顧客與購物車的距離，使顧客與購物車的相對位置保持不變，實現(xiàn)智能跟隨。將上述數(shù)據(jù)作為測量值與經過試驗測得的設定角度、距離值作為設定值代入PID算法[8]，經PID算法使輸出值在遇到較大偏差時及時進行調整，若偏差較小則根據(jù)累計誤差使跟隨變得更加平緩，將PID輸出值轉換成電機驅動數(shù)據(jù)，主控板根據(jù)電機驅動數(shù)據(jù)驅動電機，保持顧客與購物車的相對距離不變。

2.2 導購模式設計

購物車導購模式是基于循跡[9]以及識別AprilTag的ID實現(xiàn)的。

AprilTag與QRCode均通過在一個矩陣空間中的黑色和白色方塊進行信息表示，但由于組成QRCode的像素比AprilTag多，所以QRCode可以存儲上百個字節(jié)的數(shù)據(jù)，一般用來存儲網站的地址數(shù)據(jù);AprilTag存儲的數(shù)據(jù)一般用于識別AprilTag的ID。也正是如此，識別AprilTag的準確度和抗干擾能力要比QRCode高很多，AprilTag中的TAG36H10有2 319個ID，即使是大型超市，AprilTag也有能力進行室內定位標記。圖4所示為10個AprilTag及其ID號。

導購模式需要在超市鋪設導航地圖。超市地圖如圖5所示。在超市地面上的每個轉彎口和每個貨架旁都放置一個AprilTag標志，當購物車行駛到某個AprilTag標志時，讀取其ID，從而獲悉購物車所處位置，并根據(jù)路徑數(shù)組得到此處的AprilTag轉向指令。將相鄰兩個AprilTag標志用黑線連接，給購物車循跡，引導購物車到下一個AprilTag標志處。

當顧客通過手機APP或顯示器選擇了導購模式并輸入想要買的商品后，購物車的主控板就能接收到商品信息。一個商品信息對應一個路徑數(shù)組，路徑數(shù)組的每一個位對應一個AprilTagID，每一位值指示到達對應AprilTag時的轉向或停止指令。購物車在導購時，執(zhí)行黑線循跡程序，同時判斷是否檢測到AprilTag。當檢測到AprilTag并獲得AprilTagID后，就從路徑數(shù)組中獲得對應AprilTagID的轉向指令，根據(jù)轉向指令驅動電機轉向，如果轉向指令為左轉，則購物車左轉;如果轉向指令為右轉，則購物車右轉。當檢測到停止指令時，購物車便到達了指定地點并停止。至此，購物車就完成了一段路徑的行走。導購流程如圖6所示。

3 購物車軟件設計

購物車的交互方式如圖7所示，主要由兩種方式操控。一種是手機APP[10]控制，APP主界面如圖8所示;另一種是由購物車上的顯示器控制，顯示器界面如圖9所示。

顧客可以使用手機連接超市的WiFi，進入APP后便能對購物車下達指令。也可以使用購物車上的顯示器，選擇顯示器上的其中一種模式來操控購物車。

3.1 手機APP設計

手機APP在Android Studio環(huán)境中開發(fā)，將云服務器和WiFi模塊作為中樞進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，主要實現(xiàn)的功能包括跟隨模式或導購模式選擇、商品搜索、商品瀏覽等。

（1）手機APP的主界面包括智能跟隨模式界面和智能導購模式界面，用戶只需根據(jù)需求或喜好點擊相應的模式即可。若選擇智能導購模式，則界面會出現(xiàn)輸入框，用戶在輸入框中輸入想購買的商品并搜索，或點擊底部按鈕切換界面。

（2）無論選擇哪種模式，用戶都可以切換至商品界面，在該界面中，用戶可以在搜索框中輸入自己想了解或者購買的商品，也可以瀏覽該界面下的品。

3.2 顯示器界面設計

顯示器為智能購物車上的控制面板，用戶使用交互界面可方便快捷地操作購物車，對購物車提出對應的任務要求。

（1）用戶只需點擊相應圖標即可選擇智能跟隨模式或智能導購模式。

（2）顯示器交互界面顯示當前購物車所在區(qū)域、所購買商品總價以及商店的商品推送，以增強用戶的消費體驗。

4 結 語

隨著物聯(lián)網的迅速發(fā)展，萬物聯(lián)網是未來的必然趨勢，無人超市等新型超市的出現(xiàn)也說明了這一點。本文設計的集跟隨、導購于一身的智能購物車，最大程度解決了顧客尋找商品不便的問題，同時還解決了孕婦、老人等手腳不方便的顧客難以攜帶商品等問題。與其他智能購物車相比，本文設計的購物車在室內定位方面擁有成本低、精度高、適用范圍廣等優(yōu)點。綜上所述，本購物車具有較高的實用價值以及較廣闊的市場前景。

參 考 文 獻

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[5]王恒，李陳康.基于雙單片機的無刷直流電機調速系統(tǒng)的設計[J].物聯(lián)網技術，2015，5（12）：47-50.

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[10]張國防，白曉波，孫超.基于Android的APP開發(fā)平臺的搭建[J].通訊世界，2015（12）：68-69.