秦 航,顏 穎
(江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江西 南昌 330095)
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)
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(chǎng)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(chǎng)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。
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(chǎng)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)
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(cè)迅速方便,易于做到實(shí)時(shí)控制,且具有一定的測(cè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的避障措施。
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(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)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。
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(cè)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。