摘 要：針對無人值守超市的運營需求，研究設(shè)計并實現(xiàn)了一款基于STM32微控制器的智能導(dǎo)購車系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了多項關(guān)鍵技術(shù)，包括導(dǎo)航、避障、藍牙通信、UWB定位、故障預(yù)警、圖像識別和自動計費功能，旨在達成安全、實用、低成本的設(shè)計目標。通過集成多種智能化組件與一體化導(dǎo)購系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)實現(xiàn)了智能跟隨、語音控制、商品識別和自動計費等多元交互式服務(wù)，為顧客在無人值守超市中帶來全新的智能化購物體驗。該系統(tǒng)深度貼合實際購物場景，滿足顧客多樣化的購物需求，通過自動化購物流程顯著提升購物便捷性，為無人值守超市的普及與升級提供了技術(shù)支撐與參考案例。

關(guān)鍵詞：智能導(dǎo)購車；STM32；UWB定位；語音識別；圖像識別；無人值守超市

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-0-05

0 引 言

隨著科技的飛速發(fā)展，零售業(yè)正面臨著前所未有的變革。無人值守超市和智能購物車系統(tǒng)的問世，為傳統(tǒng)零售業(yè)帶來了嶄新的發(fā)展機遇[1-2]。這些智能購物車不僅在室內(nèi)環(huán)境中充當顧客的向?qū)В€兼具商品查詢與自動避障功能，極大地改善了顧客的購物體驗。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一款基于STM32的智能導(dǎo)購車系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了導(dǎo)航、避障、定位、語音控制、商品識別和計價等多種功能，并配備語音交互與配套小程序，為無人值守超市提供了全面的智能化解決方案[3-5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)采用STM32F103作為主控芯片，融合電機驅(qū)動技術(shù)、激光雷達避障方案、UWB空間定位技術(shù)、語音識別算法和圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)了智能跟隨、語音控制、商品識別和自動計費等功能。

本文構(gòu)建了一個從顧客進入超市到結(jié)賬離開的全鏈條智能化輔助體系，旨在通過融合多種先進技術(shù)，全面提升顧客購物的便捷體驗，有效縮減超市的運營成本，為無人超市的智能化升級提供強有力的實踐范例與技術(shù)支持[6-7]。

1.1 設(shè)計原則

針對無人值守購物超市的導(dǎo)購車，需要遵循安全、實用及低成本的原則，確保系統(tǒng)運行的高效與穩(wěn)定[8-10]。

（1）安全性原則：智能導(dǎo)購車需配備多級防護措施，確保其在無人環(huán)境下的安全運行。包括限速設(shè)計、防撞結(jié)構(gòu)、圓滑外形，以及集成的視音頻預(yù)警系統(tǒng)和緊急制動功能。采用精確定位與預(yù)設(shè)路徑規(guī)劃，以增強穩(wěn)定性。

（2）實用性原則：系統(tǒng)具有智能識別技術(shù)，能識別商品信息并提供個性化推薦，同時載貨空間可靈活適應(yīng)各類商品需求。用戶界面友好，支持觸控和語音控制，便于顧客查詢、導(dǎo)航及購買商品。

（3）低成本原則：選用成本效益高的組件，平衡性能與預(yù)算，并利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源與藍牙、APP通信以降低成本。采取模塊化設(shè)計便于維護與升級，降低未來的替換成本，并建立高效的后臺管理系統(tǒng)以支持實時監(jiān)控與維護。

1.2 框架設(shè)計

系統(tǒng)框架分為導(dǎo)購車主體、用戶端和信息顯示端，其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

用戶可通過語音或者APP來操控導(dǎo)購車。用戶手持跟隨器內(nèi)置UWB信標持續(xù)發(fā)射位置信號。此信號與基站交互，可精確定位用戶位置，而設(shè)置于導(dǎo)購車上的信標通過方位角算法（AOA）計算出用戶與車輛的相對位置，該信息隨即被傳遞至STM32主控制器。同時，導(dǎo)購車利用激光雷達感知周圍環(huán)境，綜合用戶位置與環(huán)境避障信息，系統(tǒng)向電機和舵機發(fā)出精確控制指令，實現(xiàn)精準流暢的行駛與避讓。

系統(tǒng)集成了壓力傳感器與視覺傳感器，它們協(xié)同作業(yè)以高效識別裝載商品的信息。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過主控芯片處理后，不僅能夠即時通過藍牙傳送至用戶的移動設(shè)備，還能在導(dǎo)購車的OLED顯示屏上清晰展示，為顧客提供了透明直觀的購物反饋與愉悅體驗。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

遵循安全、實用、低成本三大設(shè)計原則，系統(tǒng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。機身整體流暢，從上至下分為視覺識別攝像頭、互動顯示屏、購物籃區(qū)及電池倉，在框體上配有兩個環(huán)形的互動燈帶，旨在提供醒目的狀態(tài)指示與安全警示。在常規(guī)購物車握把處增設(shè)LCD顯示屏，實時展示選購商品詳情與賬單信息。

①—攝像頭；②—顯示屏；③—一層置物框；④—二層置物框；⑤—電池倉；⑥—輪子；⑦—天線充電接口；⑧—散氣孔；⑨—雷達；⑩—互動LED燈帶；—語音模塊；—電機組。

為最大化空間利用率，電池倉頂部增設(shè)圍欄式擴展層架。電池倉內(nèi)部嵌入電機和控制芯片，在背后配有無線充電接口，底部安裝激光雷達探測器方便探查障礙物。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括主控模塊、驅(qū)動模塊、跟隨定位模塊、測距模塊、語音模塊和稱重計價模塊。本系統(tǒng)采用STM32F103作為主控芯片，該芯片以高集成度和易于開發(fā)著稱，同時具備高性能運行能力、實時處理功能、數(shù)字信號處理能力，以及低功耗和寬電壓操作特性，從而確保了系統(tǒng)運行的高效性和穩(wěn)定性。

2.1 驅(qū)動功能設(shè)計

本系統(tǒng)驅(qū)動模塊核心搭載AT8236電機驅(qū)動芯片、MPU-60X0六軸陀螺儀傳感器和霍爾編碼器。為保障導(dǎo)購車行進穩(wěn)定性，驅(qū)動MPU-60X0實時獲取數(shù)據(jù)，并通過DMP技術(shù)精準解算姿態(tài)，實時獲取速度與加速度。通過PID控制算法生成PWM信號，以此精確調(diào)節(jié)AT8236電機驅(qū)動動作，同時霍爾編碼器實時反饋電機轉(zhuǎn)速，如圖3所示。

2.1.1 MPU-60X0六軸陀螺儀傳感器

2.1.2 霍爾編碼器

霍爾編碼器可通過感應(yīng)磁場變化測量旋轉(zhuǎn)軸的速度和方向，并輸出對應(yīng)的電信號，如圖4所示。在計數(shù)過程中，系統(tǒng)采用四倍頻來提升編碼器的精度，通過對AB兩相每一個邊沿跳變的計數(shù)，在單一脈沖周期內(nèi)完成四次計數(shù)。借助程序進行數(shù)據(jù)處理，有效優(yōu)化編碼器的精度和測量精度。

2.1.3 PID控制策略

在PID控制策略中，采用了位置閉環(huán)與速度閉環(huán)的雙環(huán)控制機制，控制流程如圖5所示。

位置閉環(huán)控制依賴于編碼器產(chǎn)生的脈沖信號累計以監(jiān)測電機實時位置，并與目標位置進行比較，計算得到控制偏差，通過比例、積分、微分運算調(diào)節(jié)消除此偏差，見式（3）：

2.2 跟隨定位功能設(shè)計

本系統(tǒng)選用LD14激光雷達作為測距模塊，選用BP-TWR-30芯片作為跟隨模塊，兩者協(xié)同工作，確保小車執(zhí)行跟隨任務(wù)時能有效與障礙物保持安全間距。

LD14激光雷達具有距離測量、角度測量的功能，通過旋轉(zhuǎn)掃描并運用三角測量原理，基于激光反射與接收器之間形成的幾何關(guān)系，精確計算出與周圍物體的距離。該雷達將獲取的數(shù)據(jù)傳遞給單片機，構(gòu)建周邊環(huán)境地圖，如圖7所示。

BP-TWR-30芯片集成了DWM1000模組，該模組基于DW1000超寬帶收發(fā)技術(shù)，能夠作為標簽或基站使用。測距過程通過雙向通信實現(xiàn)：標簽首先發(fā)起Poll信號，基站回復(fù)Response信號，標簽再發(fā)送Final信號，通過計算時間差將其轉(zhuǎn)化為距離值。本項目部署了三個基站，標簽收集與各基站的距離數(shù)據(jù)后，匯總至基站0，并由基站0轉(zhuǎn)發(fā)至STM32處理器。STM32利用這些距離數(shù)據(jù)，采用三角定位算法確定標簽位置，從而指揮小車行動以實現(xiàn)跟隨功能，如圖8所示。此外，系統(tǒng)具備良好的擴展性，可通過增加標簽數(shù)量和調(diào)整信號控制，實現(xiàn)對多個目標的跟蹤。

2.3 計價功能設(shè)計

首先，通過圖像拍攝與識別模塊識別商品種類及其基礎(chǔ)單價，隨后由稱重模塊獲取商品重量，結(jié)合這兩部分信息，最終確定商品的總價格。

圖像拍攝模塊采用集成OV7725攝像頭芯片的攝像頭組件，利用樹莓派4B與云端GPU協(xié)同完成圖像識別。稱重模塊由HX711芯片和壓力傳感器組成，壓力傳感器將物理應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)由HX711芯片放大并數(shù)字化處理后，通過I2C通信協(xié)議將商品重量信息傳輸至主控STM32單片機。系統(tǒng)結(jié)合商品種類和重量信息，最終計算并輸出商品的總價。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于無人導(dǎo)購車的實際工作場景和硬件配置，本系統(tǒng)設(shè)計了“LCD屏幕交互、手機端控制和語音控制”三重交互模式，并提供了跟隨、導(dǎo)購和返航三種功能。

3.1 運動控制

導(dǎo)購車通過UWB-TDOA技術(shù)實現(xiàn)跟隨、導(dǎo)購與返航功能。然而，在復(fù)雜的商場環(huán)境中，UWB信號傳播容易受到干擾，導(dǎo)致定位精度下降。為提高測量精度并確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用Chan算法獲取初始定位值，通過比較殘差與門限值來鑒別并剔除非視距誤差，并利用卡爾曼濾波算法得到精確的位置坐標[11-13]，具體流程如圖9所示。

3.2 語音控制

為滿足用戶多元化的交互需求，導(dǎo)購車內(nèi)置了語音交互系統(tǒng)，如圖10所示。該系統(tǒng)集成了車載智能語音模塊，能夠通過麥克風(fēng)接收用戶的語音指令，并將其轉(zhuǎn)換為可識別的文本信息。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的指令識別庫生成識別結(jié)果，并以二進制代碼的形式通過并行接口傳輸至核心處理器。核心處理器接收到二進制指令后，通過查表操作匹配相應(yīng)功能，并執(zhí)行相關(guān)的系統(tǒng)操作。

基于上述系統(tǒng)語音控制功能設(shè)計方案，用戶可以通過語音指令控制車輛的移動方向、查詢特定商品的位置、實現(xiàn)自動避障，并獲得實時語音反饋。

該系統(tǒng)具備高度的靈活性和個性化功能，允許用戶自定義語音指令，并選擇不同的語音音調(diào)或語速。未來，我們可以通過進一步優(yōu)化算法，使智能導(dǎo)購車成為零售行業(yè)的高效助手。

3.3 APP控制

APP設(shè)計旨在優(yōu)化用戶交互功能，用戶可通過APP查看商品信息和購物賬單，并實現(xiàn)購物車預(yù)約、賬單查詢等附加功能，從而提升產(chǎn)品的實用性。用戶可在個人中心完成注冊登錄并完善個人資料，獲取歷史購物記錄、支付憑證等信息。

用戶通過APP掃描購物車二維碼進行藍牙連接，在搜索欄輸入商品名稱即可獲取該商品的價格、位置等信息，同時可開啟導(dǎo)購車的導(dǎo)購功能，自動導(dǎo)航至商品所在位置。當商品被放入購物車后，主控制器將商品的重量和數(shù)量信息發(fā)送至APP界面顯示，計算并顯示所購商品的總價及賬單信息。用戶點擊“買單”時，系統(tǒng)通過藍牙模塊發(fā)送下單請求并接收支付二維碼信息，將支付二維碼顯示在APP界面，用戶可通過微信或支付寶完成支付。

4 結(jié) 語

本文針對無人值守型超市的特定需求，創(chuàng)新性地研發(fā)了一套綜合智能導(dǎo)購車系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103微控制器為核心，集成了導(dǎo)航引導(dǎo)、智能避障、藍牙通信、UWB定位、故障預(yù)警、圖像識別及自動計價等多項先進技術(shù)。設(shè)計嚴格遵循安全可靠、高度實用和成本效益三大原則，確保系統(tǒng)不僅能夠智能跟隨顧客、響應(yīng)語音指令，還能準確識別商品并實時計價，顯著提升了用戶體驗。

通過整合電機驅(qū)動技術(shù)、激光雷達精準避障功能，以及先進的語音識別與圖像處理算法，本系統(tǒng)為無人超市環(huán)境開創(chuàng)了全新的自動化購物業(yè)態(tài)，極大提高了顧客購物的便捷性和效率。展望未來，這一自主研發(fā)的智能導(dǎo)購車系統(tǒng)將持續(xù)優(yōu)化升級，積極順應(yīng)零售行業(yè)智能化趨勢，以更卓越的性能滿足市場對智慧購物日益增長的需求。

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