一种自主追踪超市购物车的设计

河海大学 郭章旺 葛 菲 胡亦恒 侯劭文 聂小松

随着人们物质文化水平的提高，超市成为了人们消费的主流场所之一。现阶段，超市的购物车主要有以下三种类型：(一)支架型购物车；(二)托盘式购物车；(三)日式购物车。在购物时，我们时常会遇到一些棘手问题：不得不一手选购商品，另一只手拖着购物车；甚至有时会把购物车遗忘脑后，再想起时，已全然不知购物车的踪影。为解决以上问题，进一步提高消费者的购物体验，本文提出一种能够实现自主追踪的超市购物车的设计方法。

1 概述

本文阐述了一种基于STM32F103微处理器的自主追踪超市购物车的设计方法。此自追踪购物车的电路部分主要包括STM32F103控制器、HC-06蓝牙通信电路、HC-SR04超声波测距电路、摄像头电路、电感前瞻电路、电机驱动电路；此自追踪购物车的机械设计部分主要有购物车车体、驱动轮、万向轮。

为使自跟踪购物车的有序运行，需要预先在地面下埋好电磁导线。购物车的电感前瞻电路通过采集信号，计算得到电磁导线的布线位置，控制购物车只在铺有电磁导线的轨迹上运动。

本文将从电路设计、机械设计和手机APP调试三个方面，分析自追踪超市购物车的设计。

2 电路设计

2.1 STM32F103微处理器

STM32的主流产品有：STM32F0、STM32F1、STM32F3；超低功耗产品有：STM32L0、STM32L1、STM32L4、STM32L4+、高性能产品有：STM32F2、STM32F4、STM32F7、STM32H7。（杨百军.轻松玩转STM32Cube:电子工业出版社,2017）本文所述自追踪购物车的主控芯片采用了STM32F103。STM32F103是STM32的增强型系列芯片。其内部具有3个12位的us级A/D转换器，选择其一用于获取电感前瞻电路采集到的轨迹信息；12通道DMA控制器，可用于摄像头图像采集；5个USART接口，选择其一用于外接HC-06蓝牙模块，以便于从手机APP端对购物车进行控制；最多高达112个的快速I/O端口，可外接数量足够多的HC-SR04超声波测距模块，用于自追踪购物车的避障。

因此，使用STM32F103作为自追踪购物车的主控是十分合适的。

2.2 HC-SR04超声测距模块

随着科学技术的飞速发展,超声波在生产、生活中的应用范围越来越广，超声波测距技术能够实现对障碍物距离的精确测量。（刘为芹,于会山.超声波测距系统的工作原理与应用设计[J].无线互联科技,2015(19):147-148）

本文所述自追踪购物车在车体四周安装了HC-SR04超声测距模块，不仅用于消费者保持适当距离，也用于防止购物车在跟踪时，误撞其他消费者。一个HC-SR04模块有四个接口，分别是：VCC、Trig、Echo、GND，采用I/O口Trig触发测距，保持超过10us的高电平型号，模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回，若有信号返回，则通过I/O口Echo输出与一个高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回的时间。

根据路程的计算方法，测试距离=（Echo高电平时间）*声速/2，可以得到自追踪购物车距离附近障碍物的距离，从避免了因为误撞而导致的损失。

2.3 摄像头电路

本文所述自追踪购物车采用了能够实现“硬件二值化”的OV7725摄像头，图像的二值化，就是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的只有黑和白的视觉效果。考虑到超市里使用的普遍是日光灯，而日光灯发出的光里不含有红外线。因此笔者在自追踪购物车的摄像头前加装了红外滤光片和偏振片，周围整体环境的图像经过滤光片处理后，剩下的就是一个放置在消费者身上的红外发射装置的一个小圆点。

若周围光线环境较差，笔者在设计了动态调节阈值的算法，如果物体同背景的差别表现不在灰度值上(比如纹理不同)，可以将这个差别特征转换为灰度的差别，然后利用阈值选取技术来分割该图像，动态调节阈值实现图像的二值化可动态观察其分割图像的具体结果。（吴辰夏.二值化图像特征及其应用[D].浙江大学,2013）

根据“远看大、近看小”的原理可知，当购物车离消费者身上红外发生装置距离较远时，其所占图像的像素点就少，相反地，当购物车离消费者身上红外发生装置距离较近时，其所占图像的像素点就多。因此，可以通过计算图像里红外发生装置所占图像像素点的个数，初步判断消费者与购物车之间的距离。

2.4 电感前瞻电路

电磁导线在通入变化的电流，则导线周围会产生变化的磁场，且磁场与电流的变化规律具有一致性。如果在此磁场中，放置一电感，则该电感上会产生感应电动势，且该感应电动势的大小和通过线圈回路的磁通量的变化率成正比。由于在导线周围不同位置，磁感应强度的大小和方向不同，所以不同位置上的电感产生的感应电动势也应该是不同的。据此，可以大致确定电感的位置。

使用电感前瞻作为循迹传感器，需要进行以下两个步骤：信号的滤波及信号的放大。

（1）信号的滤波

电磁导线采用20kHz的交变磁场作为路径导航信号，可以有效地避开周围其它磁场的干扰。信号的放大，需要选频放大。根据，已知感应电动势的频率f=20kHz,感应线圈为L=10mH，则谐振电容的容量应为C=6.33nF。通常在市场上，可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为6.8nF,因此采用6.8nF的电容作为谐振电容。

（2）信号的放大

为便于电压采样，我们要对信号进行放大。考虑到三极管信号放大不可避免温漂较大的缺点，笔者采用了集成运放进行信号的放大处理。集成运放的优势是受温度影响小、可靠性高，同时也减小了实际应用中静电现象的干扰。

3 机械设计

3.1 轮胎设计

如今超市中常见的购物车采用的四轮结构，考虑到购物车的实用性和灵巧性，本文所述自追踪购物车采用如图1所示的两个驱动轮加两个万向轮的设计。自追踪购物车的两个驱动轮分别使用两个电机驱动电路，在主控芯片STM32F103上也分配了更多的I/O口来控制驱动轮的运行。

与传统的四轮设计相比，两个驱动轮加两个万向轮的设计的优势在于：可以利用两个驱动轮的差速，实现“零半径”的360°转向，大大提高了自追踪购物车的灵巧性。

3.2 外形设计

本文所述自追踪购物车采用圆形的外形设计。在购物车车身进行“零半径”转向时，能够保持车身各部位与周围物体的距离不发生变化，相比于传统的长方形购物车，在进行“零半径”转向时，由于长方形购物车对角线的距离大于边的长度，因此长方形购物车车身与周围物体的距离就会发生变化，不仅灵巧性大大降低，同时会造成自追踪购物车运行紊乱。

图1 自追踪购物车两个驱动轮加两个万向轮设计图

4 手机APP调试

笔者为所述自追踪购物车安装了HC-06蓝牙模块，每个购物车都有对应的蓝牙模块，消费者通过打开手机蓝牙，找到购物车对应的蓝牙模块，输入密码后，完成配对连接后，便可以通过手机APP对自追踪购物车经行一系列操作，例如：车身跟随、车身停止、增减跟随距离等。

考虑到的信息传输距离是有限的，当车身距离消费者距离过远时，或者当摄像头追踪的红外发射装置丢失时，手机APP将发送信息提醒消费者，并显示购物车的具体位置。

5 总结

如今，超市已然越来越多消费者首选的购物地点，其商品多、种类全、方便快捷的特点满足了广大消费者的消费需求。然，超市里的购物车仍停留在过去的四轮水平，给消费者购物带来了不便。

鉴于此，笔者提出了一种自主追踪超市购物车。消费者在使用购物车前，取下购物车上红外发射装置，放置于身上，购物车上的摄像头捕捉到图像，可以实现对消费者的追踪；电感前瞻电路安装在购物车的前部，计算出循迹路线方案；安装在购物车四周的超声波测距模块，不仅用于与消费者保持适当距离，也用于防止碰撞的发生；消费者还可以通过手机APP，方便快捷地实现对购物车进行一些基本的操作。

本文所述自追踪购物车的设计，旨在“解放”消费者的双手，进一步提高消费者在超市的购物体验，让科技逐渐走进百姓的生活。