CN112783162A

CN112783162A - 一种智能购物***

Info

Publication number: CN112783162A
Application number: CN202011601164.1A
Authority: CN
Inventors: 杨琳; 吕中亮; 韩森坪; 韩宇; 祝瑞祥; 幸元兴
Original assignee: Chongqing University of Science and Technology
Current assignee: Chongqing University of Science and Technology
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-05-11

Abstract

本发明提供一种解放用户双手，提升用户的购物体验为背景，能够跟随载物重量变化进行速度变化的自动跟随购物***，包括包括处理器模块、电源模块、驱动模块、目标检测模块、压力检测模块、测距模块以及人机交互模块；本发明以用户、购物者的角度出发，解决用户从家到购物超市、商场之间的距离所造成的重物负担，传统的自动跟随购物******包括红外引导跟随、声呐引导跟随、室内定位、摄像头识别环境等方式，而本发明中购物***不做环境识别，只是通过摄像头识别人体脸部位置信息，进而跟随人体轨迹移动，从而使整个***更加简便、独立和灵活。

Description

一种智能购物***

技术领域

本发明涉及电子信息领域，具体涉及一种智能购物***。

背景技术

随着互联网技术的发展，线上交易营销方式的冲击导致实体销售企业的发展更加艰难，迫切需要通过提供更好的购物环境、更优的购物体验来吸引消费者。当购物较多时沉重的商品会加重顾客的体力负担，致使顾客的消费体验水平降低。自动跟随购物***这一设计则是为了解决上述问题，并且解放用户的双手，提升购物带来的愉悦。

自动跟随购物***作为轮式移动机器人研究的产物，自主跟随移动技术则是其核心技术之一。由于自动跟随购物***所应用的环境复杂，自动跟随移动技术在这方面的研究还需不断加强。此外，目前的自动跟随购物***以大型超市为主体进行研究设计，没有对于用户特定的应用场景去进行针对性的设计，不能为用户带来较大的便利，产品得不到良好的市场化。

本发明以用户、购物者的角度出发，主要解决用户从家到购物超市、商场之间的距离所造成的重物负担，传统的自动跟随购物******包括红外引导跟随、声呐引导跟随、室内定位、摄像头识别环境等方式，而本发明中购物***不做环境识别，只是通过摄像头识别人体脸部位置信息，进而跟随人体轨迹移动，从而使整个***更加简便、独立和灵活。

技术问题

为了解决现有技术中购物***没有对用户特定的应用场景去进行针对性的设计，不能为用户带来较大的便利，产品得不到良好的市场化的问题，本发明提供一种解放用户双手，提升用户的购物体验为背景，能够跟随载物重量变化进行速度变化的自动跟随购物***，包括包括处理器模块、电源模块、驱动模块、目标检测模块、压力检测模块、测距模块以及人机交互模块，其中，

所述目标检测模块用于信息的采集，为智能购物***的行驶方向提供决策的依据，采集人***置信息；

所述处理器模块用于对目标检测模块、压力检测模块、测距模块的信息进行整合，使驱动模块做出相应的决策；

所述驱动模块用于为智能购物***的移动提供动力；

所述压力检测模块用于对智能购物***载物重量的测量；

所述测距模块用于为智能购物***提供避障功能；

所述人机交互模块用于为用户提供一个控制整个***的入口，实现人为的模式设定、速度选择功能，为用户显示数据值；

所述电源模块用于提供***运行能量的来源。

进一步的，

所述目标检测模块包括摄像头；

所述摄像头在内部搭载了STM32H743VIT6核心处理器，其摄像头选取OV7725系列的传感器，内部使用C语言集成机器视觉的核心算法，并且为用户预留Python编程接口；

所述核心算法包括寻找色块算法、研究追踪算法、边缘检测算法、标志追踪算法、人脸检测算法。

进一步的，

所述处理器模块选用恩智浦公司的MK60DN512ZVLQ10处理器，共有144个引脚，具有串口、can总线、IIC总线多个接口。

进一步的，

所述驱动模块包括，电机，增量式光电编码器，测距传感器，压力检测模块，

所述电机选用RN380电机，参数如下表所示

RN380电机参数表

所述增量式光电编码器主要包括光源产生装置、码盘、光敏元件、放大电路四部分，码盘上具有等宽裂缝，当转轴带动码盘转动时，每转过一个裂缝光敏元件就会检测到光源的一次丢失，再经过放大电路，产生电脉冲信号，其输出信号为三组方波脉冲A、B和Z，根据A、B两组脉冲相位差90度，判断出旋转的方向和旋转速度，Z相脉为零位脉冲，为每转一周输出一个脉冲；

所述测距传感器为激光测距传感器；

所述压力传感器包括24位A/D转换器芯片并集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器芯片所需要的***电路。

进一步的，

所述人机交互模块为TFT显示屏，并且通过按键作为用户的输入接口。

进一步的，

所述电源模块采用7.2V可充电锂电池。

本发明的有益效果是，本发明以用户、购物者的角度出发，主要解决用户从家到购物超市、商场之间的距离所造成的重物负担，传统的自动跟随购物******包括红外引导跟随、声呐引导跟随、室内定位、摄像头识别环境等方式，而本发明中购物***不做环境识别，只是通过摄像头识别人体脸部位置信息，进而跟随人体轨迹移动，从而使整个***更加简便、独立和灵活。

附图说明

图1为本发明***架构图。

图2为本发明编码器工作原理图。

图3为PWM原理图。

图4为RTC晶振电路图。

图5为50M有源晶振电路图。

图6为MCU电源电路图。

图7为JTAG接口电路图。

图8为复位按键电路图。

图9为OV7725与STM32H743VIT6的接口电路。

图10为OpenMV电源电路图。

图11为压力传感器内部电路图。

图12为激光传感器电气接线图。

图13为编码器采集接口电路。

图14为隔离电路。

图15为电机驱动电路图。

图16为驱动电源管理框图。

图17为降压电路图。

图18为升压电路图。

图19为TFT显示屏接口电路图。

图20为按键电路图。

图21为3.3V稳压电路图。

图22为5V稳压电路图。

图23为可调节稳压电路图。

图24为两轮差速运动控制模型图。

图25为人脸二维信息获取图。

图26为PID控制框图。

图27为第一算法特征模板图。

图28为软件***总体方案图。

图29为主程序结构框图。

图30为避障子程序流程图。

图31为摄像头子程序流程图。

图32为压力传感器数据传输时序图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种解放用户双手，提升用户的购物体验为背景，能够跟随载物重量变化进行速度变化的自动跟随购物***，包括包括处理器模块、电源模块、驱动模块、目标检测模块、压力检测模块、测距模块以及人机交互模块，其中，

所述驱动模块用于为智能购物***的移动提供动力；

所述压力检测模块用于对智能购物***载物重量的测量；

所述测距模块用于为智能购物***提供避障功能；

所述电源模块用于提供***运行能量的来源。

进一步的，

所述目标检测模块包括摄像头；

进一步的，

所述电机选用RN380电机，参数如下表所示

RN380电机参数表

由于本发明采用轮式结构，对其运动控制则为对电机的速度控制。电机的种类按供电形式不同可分为交流电机和直流电机。交流电机需要交流电源供电，并且对其调速需要借助变频设备来实现，因此交流电机会增大整个***的复杂度。本发明采用直流电机，只需通过改变供电电压就能调节电机的转动速度。

对于直流电机功率的选定，需要通过如下式进行相应的计算：

F＝μ×M×g

P＝F×V/η

其中F为自动购物***与地面之间的总摩擦力(N)，μ为车轮与地面的摩擦系数，一般为0.01到0.3之间。M为购物***总体质量(Kg)，g为万有引力常量9.8，V表示购物***运行速度(m/s)，η表示机械传动效率，一般为0.8左右，P则为电机功率(W)。

本发明中，已知购物***重量为4Kg，载重量为5Kg，则总重量M＝4+5＝9Kg。购物*** 行驶速度约为人体行走速度，则V＝1m/s。μ取0.15。得：

P＝F×V/η＝μ×M×g×V/η＝0.15×9×9.8×1/0.8＝16.5W

根据上述计算结果，并充分考虑购物***负载能力，本发明选用RN380电机，其主要参数如表2.1所示。可知，RN380额定功率为26.68w，能满足本发明需求。

如图2所示，所述增量式光电编码器主要包括光源产生装置、码盘、光敏元件、放大电路四部分，码盘上具有等宽裂缝，当转轴带动码盘转动时，每转过一个裂缝光敏元件就会检测到光源的一次丢失，再经过放大电路，产生电脉冲信号，其输出信号为三组方波脉冲A、B和Z，根据A、B两组脉冲相位差90度，判断出旋转的方向和旋转速度，Z相脉为零位脉冲，为每转一周输出一个脉冲；

所述测距传感器为激光测距传感器；

进一步的，

所述电源模块采用7.2V可充电锂电池。

下面对本发明的硬件电路进行说明

最小***是能使MUC正常工作的最小硬件电路单元，本发明MK60DN512ZVLQ10的最小系统主要包括核心芯片、晶振电路、电源电路、Jlink接口电路以及复位按键电路组成。

MK60DN512ZVLQ10以Cortex-M4为内核，其内部主要包括了如下可用资源：

1)512KB的FLASH、128KB的SRAM

2)4个PIT定时器

3)16个DMA通道

4)3个FTM模块(多功能计数器、可实现PWM/输入捕获/正交解码)

5)2个I2C模块

6)2个LPTMR模块

7)6个UART模块

8)3个SPI模块

晶振电路的作用是为芯片提供准确的工作时钟，晶体振荡器分为无源晶振和有源晶振两种类型。需要外接电源的晶振称为有源晶振。MK60DN512ZVLQ10内部集成多用途时钟产生器模块(Multipurpose Clock Generator,MCG)模块。用于将晶振输入时钟倍频至*** 所需时钟。

MK60DN512ZVLQ10共需两个晶振，一个是芯片的主晶振，用于产生芯片和外设的工作时钟，相当于整个***的脉搏，使用的是50MHZ的有源晶振。另一个是实时定时器晶振(RTC)，用于给日期及时间计数累加的时钟，使用的是32.768KHZ的无源晶振。两个晶振电路图如图4和5所示。

MK60DN512ZVLQ10的供电为3.3V电压，为了后续软件程序下载以及调试的便捷，并且为了保护核心芯片，所以设计了5V转化为3.3V的稳压电路。如图6所示。

此电路通过集成芯片AMS1117-3.3实现。其工作原理是通过对输出电压采样，然后反馈到调节电路去调节输出级调整管的阻抗。当输出电压低时，就调节输出级的阻抗变小从而减小调整管的压降，当输出电压偏高时，就调节输出级的阻抗变大从而增大调节管的压降，这样就维持了输出电压的稳定。

图中的C26、C25是输出滤波电容，具有抑制自激振荡的作用。不接这两个电容，输出为振荡波形。C24和C8是输入电容，其作用为防止断电后出现电压倒置。

MK60DN512ZVLQ10芯片使用的是ARM Cortex-M4内核，该内核内部集成了JTAG(Joint Test Action Group)接口，通过JTAG接口可以实现程序的下载和调试功能。图7为JTAG接口电路。

复位分为外部复位与内部复位两种。外部复位有上电复位、按下“复位按钮”复位。内部复位有看门狗定时器复位、低电压复位、低漏唤醒(LLWU)复位、MCG丢失时钟复位、软件复位、锁定复位、EzPort复位等。按键复位属于外部复位中的按下“复位按钮”复位，其功能是使MCU重新一切开始进行工作。其主要在软件程序

下载、调试时使用，为了防止程序出现问题，导致MCU不能正常工作的情况。电路图如图8。

下面对本发明传感器信号采集电路进行说明

本发明的核心思路是通过传感器采集不同外界信息，然后经过MCU进行相应处理，从而控制自动购物***跟随移动。信号采集主要传感器为OpenMV摄像头(目标检测模块)、压力传感器(压力检测模块)、激光传感器(测距模块)。以下将分别介绍上述传感器的内部硬件结构以及与处理器的接口电路。

OpenMV作为一款自带核心处理器的摄像头，其内部电路较为复杂，具有处理器STM32H743VIT6的最小***电路，摄像头采集电路、USB接口电路、SD卡存储电路等。本文只介绍本发明中所运用到OpenMV功能资源的电路，其中包括OV7725摄像头与 STM32H743VIT6的接口电路、STM32H743VIT6与MK60DN512ZVLQ10的接口电路以及电源电路。

OV7725是一款具有30W像素的彩色摄像头，广泛应用与图像采集领域。其控制方式通过SCCB接口协议进行寄存器配置，SCCB接口本质为I2C。I2C接口通过丛集的唯一地址识别访问，可以实现对每一个器件的控制，从而进行白平衡、gama、色彩校正、曝光控制等。OV7725图像数据通过8位接口进行传输，在VGA模式下可以达到60fps的帧率。OV7725与STM32H743VIT6的接口电路如图9。

根据图1自动跟随购物***嵌入式***框图，目标检测模块与核心处理器接口通

过UART串口进行数据传输，则STM32H743VIT6与MK60DN512ZVLQ10的接口电路为串口通信电路。其接口电路图如3.9所示。其中的TXD、RXD为芯片的串行数据引脚，双方的的TX、 RX需反接。

OpenMV有两种供电接口，一种为USB供电接口，另一种为排针供电接口。OpenMV为5V 供电，并且留有3.3V电压输出接口。其电路图如图10所示。

下面对本发明压力传感器采集电路进行说明

根据图1自动跟随购物***嵌入式***框图，压力传感器与核心处理器接口通过I/O口进行数据传输，。该接口所用协议为类似I2C协议，均由一根时钟线和一根数据线组成，但该时钟线并不是由时钟信号产生，而是通过控制MCU的I/O口不断进行高低电平的改变，从而达到时钟效果，且时序也于I2C协议不同。压力传感器核心是HX711集成芯片，其内部电路图如图11所示。

如图11所示本发明提供一种压力传感电路,包括第一电容，第二电容，第三电容，第四电容，HX711芯片，第一电阻，第二电阻，第三电阻，第四电阻，第一三级管；

第一电容第一端接地，第一电容第二端分别与第一三极管E极和HX711芯片VSUP端口连接；

第二电容第一端与HX711芯片AVDD端口连接，第二电容第二端第三电容第一端连接；

第三电容第一端和HX711芯片AGND端口连接,第三电容第二端和HX711芯片VBG端口连接；

第四电容第一端和HX711芯片INNA端口连接,第四电容第二端和HX711芯片INPA端口连接；

第一电阻第一端分别与第一三极管C极和HX711芯片AVDD端口连接，第一电阻第二端分别与第二电阻第一端和HX711芯片VFB端口连接；

第二电阻第一端与HX711芯片VFB端口连接,第二电阻第二端与第三电容第一端连接；

第三电阻第一端与传感器第一端口连接，第三电阻第二端与第四电容第二端连接；

第四电阻第一端与传感器第二端口连接，第三电阻第二端与第四电容第一端连接；

传感器第三端口与第二电容第一端连接；

传感器第四端口接地；

第一三极管B极与HX711芯片BASE端口连接。

进一步的，

所述HX711芯片VSUP端口连接稳压电路供电电源，所述稳压电路供电电源范围为2.6～ 5.5V；

所述HX711芯片AVDD端口连接模拟电源，所述模拟电源范围为2.6～5.5V；

所述HX711芯片AGND接地；

所述HX711芯片VBG连接参考电源输出端口。

HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比， HX711集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的***电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B则为固定的32增益，用于***参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，***板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。

压力传感器与核心处理器接口通过I/O口进行数据传输，其接口图如图2所示。该接口所用协议为类似I2C协议，均由一根时钟线和一根数据线组成，但该时钟线并不是由时钟信号产生，而是通过控制MCU的I/O口不断进行高低电平的改变，从而达到时钟效果，且时序也于I2C协议不同。

HX711为串行数据总线型A/D转化器。作为串行通讯方式，那么掌握其时序图对于该器件的使用和操作起到了至关重要的作用。串口通讯线由管脚PD-SCK和DOUT组成，用来输出数据，选择输入通道和增益。当数据输出管脚DOUT为高电平，表明A/D转换器还未准备好输出数据，此时串口时钟输入信号PD-SCK应为低电平。当DOUT从高电平变低电平后，PD-SCK 应输入25至27个不等的时钟脉冲。其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出24位数据的最高位(MSB)，直至第24个时钟脉冲用来选择下一个A/D转换的输入通道和增益。其时序如图3所示：

HX711可以在产生VAVDD和AGND电压，即711模块上的E+和E-电压。该电压通过VAVDD＝VBG(R1+R2)/R2计算。VBG为模块儿基准电压1.25v，R1＝20K,R2＝8.2K。

因此得出VAVDD＝4.3V

在4.3V的供电电压下5Kg的传感器最大输出电压是4.3v*1mv/V＝4.3mV

经过128倍放大后，最大电压为4.3mV*128＝550.4mV

经过AD转换后输出的24bit数字值最大为：550.4mV*2^24/4.3V≈21474假设重力为A Kg，(x<5Kg),测量出来的AD值为y

5Kg传感器输出，发送给AD模块儿的电压为A Kg*4.3mV/5Kg＝0.86A mV经过 128倍增益后为128*0.86A＝110.08AmV

转换为24bit数字信号为110.08A mV*2^24/4.3V＝429496.7296A

所以y＝429496.7296A/100＝4294.967296A

因此得出A＝(y/4294.967296)Kg≈y/4.30g

因为不同的传感器斜率特性曲线不一样，因此，每一个传感器需要矫正这里的4.30 这个除数。当发现测出来的重量偏大时，增加该数值。如果测试出来的重量偏小时，减小改数值。该数值一般在4.0-5.0之间。因传感器线性斜率不同而定。每个传感器都要校准。如果传感器测量值偏大，则需改大该数值，若传感器测量值偏小，则需改小该数值。

本发明提供的压力传感器电路稳定性较好，可靠性高，可以满足高精度压力传感器对于传感器电路的需求。

下面对激光传感器采集电路进行说明。

激光传感器作为检测障碍的主要器件，本发明选用的为激光传感器为MyAntenna公司的摩天L1型激光测距传感器。其电气接线图如12所示。该传感器有串口通信方式和I2C通信方式，本发明选择简单稳定的串口通信方式，且具有如下特性：

通过对激光相位差的检测，感知目标物距离，可以达到毫米级的分辨率；

温度适应能力强，漂移量较小；

高信噪比使得目标的颜色、表面粗糙度和材质等对检测结构影响很小；

小体积，方便使用；

下面对本发明编码器采集电路进行说明

本发明选用的编码器为逐飞科技公司的1024线Mini编码器，其具有体积小(直径15* 长18mm)重量轻(11.22克)、精度高、抗干扰能力强(可在多灰尘和潮湿环境下工作)等特点。与MCU处理器接线图如图13所示。核心处理器通过FTM模块的正交解码功能采集编码器返回的脉冲信号，从而获取自动跟随购物***的运行速度。

下面对本发明驱动控制电路进行说明。

本***的驱动控制电路主要作用是将MCU电路中的信号进行放大，从而实现对电机的控制。自动跟随购物***采用了两轮双驱动方式，所以驱动控制电路应为双路驱动。并且根据功能需求，购物***需要倒车功能，所以每路均用两路PWM进行控制。通过控制两路 PWM的占空比，从而实现电机的正反转。本发明的驱动电路共包括三个部分，分别为信号隔离电路(与MCU的接口电路)、电机驱动电路、电源电路。

电机驱动的隔离电路主要用于防止出现电机在断电时，内部的线圈绕组产生较大的感应电压将MUC击穿的现象。其电路图如图14所示。

由于单片机输出信号的驱动能力有限，从而引入了电机驱动电路。整个工作过程是单片机做普通驱动信号，驱动大功率管如Mos管，来产生大电流从而驱动电机，并且信号占空比大小能够经过驱动芯片控制加在电机上的平均电压实现转速的调整。

本发明采用的电机驱动电路是IR2104芯片和H桥共同构建的电路，其电路图如图15所示。H桥是一个典型的直流电机控制电路，电机位置处于H桥中间，要使电机运转，必需使对角线上的一对开关导通，经过不同的电流方向来控制电机的正反转。

整个驱动模块中主要芯片有HCPL2630(5V供电)、IR2104(12V供电)，但电源电压为7.2V。所以其电源电路需要降压和升压两部分。驱动模块中电源管理框图如图16所示。

降压电路采用了LM7805芯片，其具有输出电压纹波小、使用方便等特点。降压电路图如图17所示。C3电容为LM7805稳压集成电路所要求的，其用于稳定LM7805内部放大器的工作状态，同时改善电压调整的过渡响应。C3电容数值为生产厂家规定，不得小于0.1uF。C1、C2为负载电路退耦电容，其数值与负载工作方式有关。

升压电路采用的是MC34063芯片，该芯片在电源处理中较为常用，可以实现升压、降压及电源极性反转等功能，其升压电路如图18所示。

其输出电压公式为：

V_out＝1.25×(1+R₃/R₁)

根据输出电压公式可知，其输出电压仅与R₃、R₁数值有关，因1.25V为基准电压，恒定不变。输出电压为恒定值12V，则R₃与R₁比值应该为8.6左右。

下面对本发明人机交互模块进行说明。

本发明所选用的人机交互模块由TFT显示屏和按键共同组成。TFT显示屏与MCU的接口电路如图19所示。其通行方式为SPI串行口通信，3.3V电压供电。其内部芯片为ST7735，可以进行彩色图像显示。

按键电路如图20所示，为用户提供选择、输入接口。一共设计了5个按键，Key1、Key2 主要用于上下的光标的选择，Key3、Key4主要用于数值调整，Key3为减，Key4为加，Key5 为确定按键。

下面对本发明电源电路进行说明。

根据2.10小节电源设计框图，本***供需3个不同电压，分别为3.3V、5V及7.2V。电源供电为7.2V，所以需要将电源电压降压为3.3V和5V。为了***的灵活性，本***选用共有3路稳压电路的稳压模块，分别为3.3V稳压、5V稳压和可调节稳压。可调节稳压电路主要进行5V供电的作用。

3.3V稳压电路如图21所示，此电路采用的是SPX29300芯片，有3个引脚。 SPX2930系列芯片具有两种典型应用电路，分别为固定输出电路和可调节输出电路。其输出电压具有稳定、纹波小及电流大等特点。

5V稳压电路如图22所示，采用MP2482芯片，是一款单片降压型开关模式转化器，且具有一个内置的50mΩ内部功率MOSFET开关。

其输入电压为4.5V至30V，输出电压计算公式为：

上述电路输出电压为5V，可得R₁₁与R₁₂的比值为5.25左右，所以得出电阻R₁₂的阻值为5.1K，电阻R₁₁的阻值为27K。

可调节稳压电路如图23所示，所用芯片为AS1015,。左侧为输入电压，右侧输出，R1为滑动变阻器，其输出电压可通过电阻R1调节大小。输出电压公式为：

由于本发明可调节稳压电路需要输出5V电压，则根据公式，R₃与R₁的比值为5.25左右。根据电路R₃为固定阻值1K，则需将R₁阻值调制0.19K左右。

下面对本发明的自动跟随算法进行说明。

本发明的自动跟随购物******为三轮结构，其两轮为驱动轮，一轮为支撑轮，所以此购物***整体运动控制依靠两轮实现。如图24所示，构建了两轮差速控制的运动学模型。

该运动学模型定义了左右驱动轮的线速度分别为Vl和Vr，其初始时刻为Vl1和Vr1。其中两驱动轮的中点为A1，A1在坐标系XOY中坐标表示为(x1,y1)。购物***的瞬时速度为 V1，瞬时角速度为ω1，β1为线速度与X轴的夹角，L为两驱动轮的间距，θ1表示初始位置和下一刻位置的转角，其中θ1＝θ2，R为购物***转动半径。购物***位置信息则可用向量P＝[x,y,β]T表示。

购物***的瞬时线速度V1表达式为：

瞬时角速度为ω1的表达式为：

结合式上式可求出购物***转动过程中的半径：

可得出购物***运动模型为：

下面对本发明自动跟随算法的实现进行说明

购物***运动位置与左右车轮的线速度以及左右车轮之间的距离L有关，实际中L为定值，主要通过控制两轮的转速从而实现跟随人体跟随。本发明自动跟随算法主要通过摄像头识别人脸位置信息，利用人脸位置信息的偏差作为输入，然后使用PID算法控制购物系统左右车轮转速，从而保证购物***能稳定追随人体移动。

自动跟随购物***依靠OpenMV摄像头获取人脸位置信息，由于摄像头采集为二维图像，所以根据采集的图像构建一个二维坐标系，如图25所示。其中C点为图像的正视点，坐标 (x0,y0)为图像中心坐标，也是人脸位置的基准坐标。(x1,y1)为人脸实际坐标，则人脸位置偏差信息则为(x1-x0,y1-y0)。

PID算法作为最经典的控制算法之一，其分别代表比例(P)、积分(I)、微分(D)控制。比例环节主要反映控制***中的偏差信号(本***主要为人脸位置偏差)，如果产生偏差信号，则控制器产生作用，进而减小偏差；积分环节主要消除稳态误差，提高***的无差度；微分环节反映了偏差信号的变化趋势，可以加快控制***的调节速度。

自动跟随购物***的PID控制框图如图26所示。本***有两个反馈结构，其中主反馈以摄像头采集图像的中心坐标(x0,y0)作为输入信号，通过摄像头实际反馈的人脸位置坐标(x1,y1)产生的偏差信号，然后经过PID的比例调节、积分调节、微分调节产生相应的电机驱动信号，最后通过改变购物***位置姿态从而改变OpenMV摄像头采集的实际人脸位置信息。局部反馈的作用是通过编码器对电机进行测速反馈，从而实现精确控制电机转速的目的。

传统PID计算公式如下：

其中Kp、Ki、Kd为常系数，e(k)为输入信号与反馈信号产生的偏差。

根据图26，自动跟随购物******具有两个反馈环节，并结合传统PID计算公式，列出如下公式：

u(k)＝u₁(k)+u₂(k)+u₃(k)

下面对本发明人脸识别算法进行说明。

人脸检测归于计算机视觉范畴，主要分为人脸分辨和人脸识别。人脸分辨需要区分出不同的人脸，其需要大量的样本数据，通过采集的人脸和样本数据进行比对，从而判断出检测的人脸是否为所需目标。人脸识别则只需检测出是否有人脸的存在，而不需判断出不同的人脸。根据自动跟随购物***基础功能需求以及整体设计的复杂度考虑，本发明选用人脸识别的方式，其跟随目标为图像中最大的人脸。

OpenMV实现人脸识别采用了第一算法，可以快速在图像中找到人脸，并且返回人脸的位置信息。第一算法是针对灰度图像的一种特征提取算法，主要通过如图27所示的特征模板去进行人脸和非人脸的区分。根据图27可知，特征模板内有黑色和白色两种不同颜色的矩形，并且定义了模板的特征值为白色矩形对应的像素值之和减去黑色矩形对应的像素和，特征值反映的是灰度图像的变化情况。对于图中的A、C两种模板，其特征值的计算公式为：

S＝∑白色矩形像素-∑黑色矩形像素

对于B模板，其特征值计算公式为：

S＝∑白色矩形像素-2*∑黑色矩形像素

在第一算法中，通过改变特征模板的大小和位置，希望把矩形特征模板放在人脸区域的位置计算出来的特征值和放到非人脸区域计算出的特征值差异越大越好，所以如何选取合适的特征模板和提高特征值计算的速度则成了第一算法使用的难点。其中特征模板的选取可以通过AdaBoost算法来训练，特征值的计算速度可以通过积分图的方法来进行提高。 Adaboost是一种迭代算法，其核心思想是针对同一个训练集训练不同的分类器(弱分类器)，然后把这些弱分类器集合起来，构成一个更强的最终分类器(强分类器)。

下面对本发明软件***进行说明

根据整体设计思路，***通过传感器采集外界信息，然后控制购物***进行人体跟随移动，设计了如图28所示的软件***总体方案，软件设计主要包括信息的采集、信息的处理以及信息的执行。

主程序设计以MCU为主控思路设计，框图如图29所示，***在上电复位或按键复位后，进行初始化操作，首先是MCU内部初始化，如I/O、定时器、中断等初始化；其次对外接设备进行相应的初始化操作，如激光测距、压力传感器、显示屏等；然后打开中断、定时器，程序进入到主循环之中；随后进行标志变量Flag的判断，初始值为0，其值根据按键进行相应的设定，总共分为3不同的模式，其功能如下：

1)Flag＝＝0：为等待模式，等待用户进行按键操作，选择相应的功能模式。

2)Flag＝＝1：为正常工作模式，障碍物的判断具有最高优先级，如果判断出前方无障碍，则会进行OpenMV人脸识别，获取人***置信息，然后会根据压力传感器采值的大小，程序自动调整内部参数；若判断前方存在障碍时，Flag置0，回归等待阶段。

3)Flag＝＝2：为参数调整模式，进入此模式中，可以通过按键进行内部参数的调节，退出时Flag置为0，且程序回归到等待阶段。

避障模块依靠激光传感器进行实现，激光传感器与核心处理器的通信协议采用UART，因此避障子程序主要完成激光传感器的串口驱动。在上电后，首先对MCU的UART口进行初始化，随后进行激光测距功能的配置，关于激光传感器的ASCLL文本通信协议格式如表5.1。

表 ASCLL文本通信协议格式

本发明选用连续测量功能，MCU通过串口向激光传感器发送字符“iACM”，串口发送的函数为：uart_putbuff(UART3,"iACM",2)；，其中函数的参数UART3表示选择使用串口3进行发送，2表示共发送2个字符。

购物***需要持续不断检测前方是否有障碍物的存在(检测距离小于0.20m)，如有，则紧急制动，等待用户进行下一步操作。如图30为避障子程序流程图。

下面对OpenMV人脸识别子程序设计

OpenMV摄像头主要功能是识别人脸信息，并且将人脸位置信息通过UART协议返回至核心处理器中，所以OpenMV摄像头子程序主要完成摄像头初始化、人脸识别、串口通信等相关功能。由于OpenMV是一款自带处理器的摄像头，为用户预留Python编程接口，所以在进行程序设计时主要考虑程序运行思路，而对于硬件底层驱动程序不需要进行过多设计。其子程序流程图如图31所示。

OpenMV摄像头主要程序代码如下：

img＝sensor.snapshot()

objects＝img.find_features(face_cascade,threshold＝0.75, scale_factor＝1.25)

face＝find_max(objects)

下面对压力传感器的子程序设计进行说明

压力传感器主要用于检测购物***内部承载货物的重量，对其子程序的设计主要操作为初始化，然后核心处理器不断接收压力传感器的压力数据。压力传感器与处理器的接口为两根，MCU初始化接口一根为输出、一根为输入。MCU接收压力传感器数据时序图如图32 所示，首先将输出口置为低电平，等待输入口传送数据，然后输出口产生24次下降沿，在下降沿时读取输入口数据，在第25次下降沿到来时，进行接收口数据转化，数据转化代码为count＝count^0x800000，变量count是压力数据。

下面对电机驱动的子程序设计

电机的转动原理是在其两端加入电压，电压值的高低则决定了电机转动速度，电压越高，其转速越快。本发明采用直流电机，只需通过改变供电电压就能调节电机的转动速度，改变电压值的方法采用脉宽调制法(PWM)。

在PWM驱动控制中，首先会按照一个固定频率接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，其原理图如图3所示。

如图所示，可得式：

V_d＝V_max×D

D＝t₁/T＝(T-t₂)/T

其中，Vd电机平均速度，Vmax、Vmin为电机最大速度和最小速度，D为占空比。当我们改变占空比时，即可达到调速的目的。

本发明不需单独设置一个开关去实现PWM，只需通过控制处理器引脚的高低电平时间，高电平对应“接通”，低电平对应“断开”，进而改变电压的平均值大小。每个电机均采用两路PWM接口，从而实现控制电机的正反转。电机的频率设定通过处理器总线时钟分频得到，核心控制器电机控制接口初始化部分代码如下：

ftm_pwm_init(FTM0,FTM_CH5,15*1000,0)；//PWM初始化

ftm_pwm_init(FTM0,FTM_CH6,15*1000,0)；

ftm_pwm_init(FTM0,FTM_CH3,15*1000,0)；

ftm_pwm_init(FTM0,FTM_CH4,15*1000,0)；

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种智能购物***，其特征在于，包括处理器模块、电源模块、驱动模块、目标检测模块、压力检测模块、测距模块以及人机交互模块，其中，

所述驱动模块用于为智能购物***的移动提供动力；

所述压力检测模块用于对智能购物***载物重量的测量；

所述测距模块用于为智能购物***提供避障功能；

所述电源模块用于提供***运行能量的来源。

2.如权利要求1所述的一种智能购物***，其特征在于，

所述目标检测模块包括摄像头；

3.如权利要求1所述的一种智能购物***，其特征在于，

4.如权利要求1所述的一种智能购物***，其特征在于，

所述电机选用RN380电机，参数如下表所示

RN380电机参数表

所述测距传感器为激光测距传感器；

5.如权利要求1所述的一种智能购物***，其特征在于，

6.如权利要求1所述的一种智能购物***，其特征在于，

所述电源模块采用7.2V可充电锂电池。