可移動自動售貨機設計及其關鍵實現技術研究

韓昌幸，申龍章，邱長軍，吳曉艷，李 琦

（南華大學 機械工程學院，衡陽 421001）

0 引言

隨著網絡技術的發展，網絡購物已經成為人們的第二大購物體驗。而對于用戶來講，自動售貨機既具備傳統實體店的即視選擇優點，又由于其分布零散、范圍廣闊、支付方便等特點可與網店購物媲美，而在全世界范圍內得到了廣泛應用[1]。

隨著自動售貨機的普及，人們對其體驗水平也勢必與日俱增。尤其隨著網絡的普及，人們越來越傾向于伸手即得的購物體驗。自動售貨機通常置于人流量較大的地方，然而一方面由于所能設置的售貨機數量有限，另一方面遇到下雨或是炎熱天氣，即使是幾米開外也不夠方便[2]。

本文所設計的自動售貨機具備移動功能，人們可以通過智能手機APP查找附近的可移動自動售貨機分布情況，并可瀏覽機器內部貨品信息，選擇好所需要的自動售貨機，而它就能在網絡導航下，自動運動到需要的人面前。雖然本文所做的工作是初步的，離自動售貨機的可移動應用還有很遙遠的距離，但從技術的儲備和學生相關能力的鍛煉方面來看[3]，具有一定的價值和意義。

1 可移動自動售貨機的原理及實現

可移動自動售貨機主要是在現有自動售貨機技術基礎上，增加其移動功能。如圖1所示，人們在智能手機中使用售貨機專用APP，可查看地圖上附近的售貨機信息。當其通過瀏覽APP上售貨機內部貨品信息情況后，選擇自己需要的售貨機并下單，則當前售貨機響應，并自行運行到需要的人面前。

圖1 可移動自動售貨機圖解

而自動售貨機無線聯通系統由用戶端、自動售貨機、無線路由器中繼和遠程監控管理平臺四部分組成。其中，自動售貨機由人機交互部分、支付部分、貨架控制等部分組成，人們可以在任何時間選購自己所需的商品。通過無線中繼為自動售貨機建立高速、穩定的數據傳輸通道，將所有商品銷售等信息傳輸到企業后臺，供運營企業進行業務分析和操作。遠程監控管理系統將完成售貨機的計費、貨品管理和運動導航控制，如圖2所示。

圖2 可移動自動售貨機網絡結構圖

2 移動售貨機的無線定位及路徑規劃研究

為了實現售貨機的無線定位，就首先要對售貨機內置的發射機與無線接收機之間的天線高度和分離距離兩個主要參數進行評估。WiFi使用5dBi增益的Alfa AIPW525H雙天線，這種類型的天線具有很好的穿墻性能。所使用的接收機是一種通用的Broadcom BCM43142無線網絡適配器。通過設置好的WiFi AP，使用Alfa Inc.的設備建立一個默認MAC網絡，網絡通道設置為1，通訊頻率設置為2.4GHz。由于所需要的數據只是從特定AP傳輸信號的強度，因此不需要訪問internet，因此網絡仍然與它斷開連接。最后，在Homedale?開放源代碼下運行Windows 8.1無線信號強度無線監測，每間隔2秒時間記錄一次數據。為了精確定位售貨機位置，售貨機與天線位置要滿足下圖關系[4]。

圖3 售貨機與天線位置

而售貨機可通過式(1)～式(3)完成坐標計算，實現定位。

因為神經網絡高度的并行分布計算、具有良好非線性擬合能力的特點，可移動自動售貨機采用神經網絡結構作為路徑規范算法可使售貨機運行在未知環境信息的情況下具有良好的適用性[5,6]。

圖4 基于神經網絡的路徑規劃

如圖4所示，路徑規劃時，移動售貨機本體攜帶的傳感器實時檢測周圍的障礙物分布情況，結合當前位置的輸入值，網絡及時調整第二隱層權值參數，因此wj1，wj2是動態變化的。它們的值每迭代一次后結果都可能不一校。通過連接權值的實時調整，下一時刻的路徑節點位置信息通過網絡計算輸出，售貨機則用剛輸出的節點信息作為自己的當前位置信息，再進行下一步的規劃，如此往復，直至到達目標點為止[7,8]。

路徑規劃主要目的可以分為兩個子目標，一是避開障礙物，另一個就是要求路徑盡可能短。因此可以設計兩個能量函數來描述這兩方面的物理意義，分別是目標能量函數Eg和障礙物能量函數Eo。最終就可以將路徑規劃問題轉化成帶有約束條件的優化問題，通過尋找能量函數的極值點來解決路徑規劃問題[9～11]。

首先對障礙物和售貨機都退化成質點。在沒有障礙物的情況下最優路徑就是給定起始位置與目標位置之間的直線連線。由于障礙物的約束，實際上是要求售貨機每一步的位置集合距離目標點盡可能的小。而目標能量函數Eg和障礙物能量函數Eo可以通過式(4)～式(6)來表示。

其中（xg，yg）為目標位置坐標，（xR（t+1），yR（t+1））為售貨機t+1時刻坐標，N表示售貨機移動的步數， M為傳感器探測到的碰撞障礙物個數，A為常數項。因此式(6)的最后一項的物理意義是：當售貨機與障礙物相碰時，在障礙物能量函數上加一個懲罰函數，懲罰越大，則表明碰撞的障礙物越多。為了驗證算法的可行性，本文在 MATLAB R2013a環境下進行了算法仿真實驗。路徑規劃仿真結果如圖5所示。

圖5 路徑規劃仿真圖

3 結論

1）提出了可移動自動售貨機的概念和原理結構設計，在成本并未增加很高的基礎上，極大程度的提高了人們的購物體驗，提高自動售貨機的市場競爭力；

2）可移動自動售貨機在現有技術基礎上，目前存在的主要問題是如何實現無線定位和路徑規劃上，本文通過WiFi監測信號計算獲取定位坐標，采用神經網絡算法實現售貨機運行路徑規劃，可初步解決這一問題。