應用于無人超市的多元交互式導購車設計

摘 要：針對無人值守超市的運營需求，研究設計并實現了一款基于STM32微控制器的智能導購車系統。該系統集成了多項關鍵技術，包括導航、避障、藍牙通信、UWB定位、故障預警、圖像識別和自動計費功能，旨在達成安全、實用、低成本的設計目標。通過集成多種智能化組件與一體化導購系統開發，系統實現了智能跟隨、語音控制、商品識別和自動計費等多元交互式服務，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支撐與參考案例。

關鍵詞：智能導購車；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

隨著科技的飛速發展，零售業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的問世，為傳統零售業帶來了嶄新的發展機遇[1-2]。這些智能購物車不僅在室內環境中充當顧客的向導，還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。

本文設計并實現了一款基于STM32的智能導購車系統，該系統融合了導航、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 系統總體設計

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

本文構建了一個從顧客進入超市到結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，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支持[6-7]。

1.1 設計原則

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

（1）安全性原則：智能導購車需配備多級防護措施，確保其在無人環境下的安全運行。包括限速設計、防撞結構、圓滑外形，以及集成的視音頻預警系統和緊急制動功能。采用精確定位與預設路徑規劃，以增強穩定性。

（2）實用性原則：系統具有智能識別技術，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，平衡性能與預算，并利用現有網絡資源與藍牙、APP通信以降低成本。采取模塊化設計便于維護與升級，降低未來的替換成本，并建立高效的后臺管理系統以支持實時監控與維護。

1.2 框架設計

系統框架分為導購車主體、用戶端和信息顯示端，其系統總體框圖如圖1所示。

用戶可通過語音或者APP來操控導購車。用戶手持跟隨器內置UWB信標持續發射位置信號。此信號與基站交互，可精確定位用戶位置，而設置于導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，導購車利用激光雷達感知周圍環境，綜合用戶位置與環境避障信息，系統向電機和舵機發出精確控制指令，實現精準流暢的行駛與避讓。

系統集成了壓力傳感器與視覺傳感器，它們協同作業以高效識別裝載商品的信息。這些數據經過主控芯片處理后，不僅能夠即時通過藍牙傳送至用戶的移動設備，還能在導購車的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 結構設計

遵循安全、實用、低成本三大設計原則，系統整體設計結構如圖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、購物籃區及電池倉，在框體上配有兩個環形的互動燈帶，旨在提供醒目的狀態指示與安全警示。在常規購物車握把處增設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，電池倉頂部增設圍欄式擴展層架。電池倉內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 系統硬件設計

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

2.1 驅動功能設計

本系統驅動模塊核心搭載AT8236電機驅動芯片、MPU-60X0六軸陀螺儀傳感器和霍爾編碼器。為保障導購車行進穩定性，驅動MPU-60X0實時獲取數據，并通過DMP技術精準解算姿態，實時獲取速度與加速度。通過PID控制算法生成PWM信號，以此精確調節AT8236電機驅動動作，同時霍爾編碼器實時反饋電機轉速，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磁場變化測量旋轉軸的速度和方向，并輸出對應的電信號，如圖4所示。在計數過程中，系統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，在單一脈沖周期內完成四次計數。借助程序進行數據處理，有效優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，采用了位置閉環與速度閉環的雙環控制機制，控制流程如圖5所示。

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

2.2 跟隨定位功能設計

本系統選用LD14激光雷達作為測距模塊，選用BP-TWR-30芯片作為跟隨模塊，兩者協同工作，確保小車執行跟隨任務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系，精確計算出與周圍物體的距離。該雷達將獲取的數據傳遞給單片機，構建周邊環境地圖，如圖7所示。

BP-TWR-30芯片集成了DWM1000模組，該模組基于DW1000超寬帶收發技術，能夠作為標簽或基站使用。測距過程通過雙向通信實現：標簽首先發起Poll信號，基站回復Response信號，標簽再發送Final信號，通過計算時間差將其轉化為距離值。本項目部署了三個基站，標簽收集與各基站的距離數據后，匯總至基站0，并由基站0轉發至STM32處理器。STM32利用這些距離數據，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跟隨功能，如圖8所示。此外，系統具備良好的擴展性，可通過增加標簽數量和調整信號控制，實現對多個目標的跟蹤。

2.3 計價功能設計

首先，通過圖像拍攝與識別模塊識別商品種類及其基礎單價，隨后由稱重模塊獲取商品重量，結合這兩部分信息，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力變化轉換為電信號，經由HX711芯片放大并數字化處理后，通過I2C通信協議將商品重量信息傳輸至主控STM32單片機。系統結合商品種類和重量信息，最終計算并輸出商品的總價。

3 系統軟件設計

基于無人導購車的實際工作場景和硬件配置，本系統設計了“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、導購和返航三種功能。

3.1 運動控制

導購車通過UWB-TDOA技術實現跟隨、導購與返航功能。然而，在復雜的商場環境中，UWB信號傳播容易受到干擾，導致定位精度下降。為提高測量精度并確保系統穩定性，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，導購車內置了語音交互系統，如圖10所示。該系統集成了車載智能語音模塊，能夠通過麥克風接收用戶的語音指令，并將其轉換為可識別的文本信息。系統根據預設的指令識別庫生成識別結果，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功能，并執行相關的系統操作。

基于上述系統語音控制功能設計方案，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、實現自動避障，并獲得實時語音反饋。

該系統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或語速。未來，我們可以通過進一步優化算法，使智能導購車成為零售行業的高效助手。

3.3 APP控制

APP設計旨在優化用戶交互功能，用戶可通過APP查看商品信息和購物賬單，并實現購物車預約、賬單查詢等附加功能，從而提升產品的實用性。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，同時可開啟導購車的導購功能，自動導航至商品所在位置。當商品被放入購物車后，主控制器將商品的重量和數量信息發送至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，系統通過藍牙模塊發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 語

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

通過整合電機驅動技術、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，本系統為無人超市環境開創了全新的自動化購物業態，極大提高了顧客購物的便捷性和效率。展望未來，這一自主研發的智能導購車系統將持續優化升級，積極順應零售行業智能化趨勢，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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