基于機器視覺室內(nèi)定位的智能購物車設(shè)計

引 言

當(dāng)前，大多超市由于存在商品導(dǎo)購技術(shù)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(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，線上交易營銷方式的沖擊導(dǎo)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(shù)的限制，現(xiàn)有的智能購物車存在識別精度不高、復(fù)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(yīng)用。因此，提供更加便捷智能的自動跟隨購物車代替人工導(dǎo)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(shù)手段。

本文針對目前實體超市行業(yè)存在的問題，設(shè)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(nèi)機器視覺識別技術(shù)，配合使用 AprilTag 標(biāo)志能在環(huán)境復(fù)雜的超市內(nèi)完成智能導(dǎo)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(jié)構(gòu)

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(wù)器，顧客手機的 APP 連接云端服務(wù)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(biāo)志，獲得 ID 和 3D 數(shù)據(jù)完成室內(nèi)定位和跟隨 [4]，電機驅(qū)動模塊用來控制減速電機完成車體運動 [5]。

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 功能與設(shè)計

本文所設(shè)計的購物車共有 2 個模式，分別為跟隨模式和導(dǎo)購模式。在跟隨模式下，顧客只需在背部佩帶 AprilTag 標(biāo)簽，購物車便能實時跟隨顧客，解放顧客的雙手。導(dǎo)購模式需要在超市地板上鋪設(shè)導(dǎo)航地圖，顧客通過手機 APP 選擇自己需要的商品，購物車引導(dǎo)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(biāo)志讀取 AprilTag 的3D 數(shù)據(jù)和 ID。

2.1 跟隨模式設(shè)計

購物車的跟隨模式基于 AprilTag 的 3D 定位 [6] 技術(shù)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(zhuǎn)量 Rx，Ry，Rz 和 3 個坐標(biāo) Tx，Ty，Tz，用于用戶跟蹤。

2019年 / 第6期 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 77

圖 2 AprilTag 輸出的 3D 數(shù)據(jù)

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(lǐng)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(diào)整購物車轉(zhuǎn)向，使購物車朝向顧客 ；使用 Tx，Ty，Tz 調(diào)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(jīng)過試驗測得的設(shè)定角度、距離值作為設(shè)定值代入 PID 算法 [8]，經(jīng) PID 算法使輸出值在遇到較大偏差時及時進行調(diào)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(zhuǎn)換成電機驅(qū)動數(shù)據(jù)，主控板根據(jù)電機驅(qū)動數(shù)據(jù)驅(qū)動電機，保持顧客與購物車的相對距離不變。

2.2 導(dǎo)購模式設(shè)計

購物車導(dǎo)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(wǎng)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(zhǔn)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(nèi)定位標(biāo)記。圖 4 所示為 10 個 AprilTag 及其ID 號

 

圖 4 AprilTag 圖

導(dǎo)購模式需要在超市鋪設(shè)導(dǎo)航地圖。超市地圖如圖 5 所示。在超市地面上的每個轉(zhuǎn)彎口和每個貨架旁都放置一個AprilTag 標(biāo)志，當(dāng)購物車行駛到某個 AprilTag 標(biāo)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(zhuǎn)向指令。將相鄰兩個 AprilTag 標(biāo)志用黑線連接， 給購物車循跡，引導(dǎo)購物車到下一個 AprilTag 標(biāo)志處。

當(dāng)顧客通過手機 APP 或顯示器選擇了導(dǎo)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(yīng)一個路徑數(shù)組，路徑數(shù)組的每一個位對應(yīng)一個 AprilTagID，每一位值指示到達對應(yīng) AprilTag 時的轉(zhuǎn)向或停止指令。購物車在導(dǎo)購時，執(zhí)行黑線循跡程序，同時判斷是否檢測到 AprilTag。當(dāng)檢測到 AprilTag 并獲得 AprilTagID后，就從路徑數(shù)組中獲得對應(yīng) AprilTagID 的轉(zhuǎn)向指令，根據(jù)轉(zhuǎn)向指令驅(qū)動電機轉(zhuǎn)向，如果轉(zhuǎn)向指令為左轉(zhuǎn)，則購物車左轉(zhuǎn) ；如果轉(zhuǎn)向指令為右轉(zhuǎn)，則購物車右轉(zhuǎn)。當(dāng)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(dǎo)購流程如圖 6 所示。

3 購物車軟件設(shè)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(shè)計

手機 APP 在 Android Studio 環(huán)境中開發(fā)，將云服務(wù)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?qū)з從Ｊ竭x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(dǎo)購模式界面，用戶只需根據(jù)需求或喜好點擊相應(yīng)的模式即可。若選擇智能導(dǎo)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商品。

3.2 顯示器界面設(shè)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(yīng)的任務(wù)要求。

（1）用戶只需點擊相應(yīng)圖標(biāo)即可選擇智能跟隨模式或智能導(dǎo)購模式。

（2）顯示器交互界面顯示當(dāng)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(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，萬物聯(lián)網(wǎng)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(shè)計的集跟隨、導(dǎo)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(shè)計的購物車在室內(nèi)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。