智能手推车及其应用方法

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智能手推车及其应用方法\n技术领域\n[0001] 智能手推车是一种具备智能感知，自动跟随功能的新型手推车，结合了无线Zigbee定位模块、全球定位系统与传感器监测功能，属于嵌入式应用与自动控制领域。\n背景技术\n[0002] 现有超市在用手推车大都是传统的人力手推车，最多只是对手推车的外观做了改进，加入一些附加的功能，以求更好的服务使用者，但并没有实质上的改进，也未能给使用者的购物过程带来真正的便利，对用户的使用体验也没有太大的改善。\n[0003] 现有加装在购物车上面的广告显示屏，只是利用了液晶屏显示技术，单纯的为用户播放一些打折促销的广告，内容反复无新意。虽然满足了商家的广告宣传，但给使用者的购物过程带来了不必要的麻烦。是一种强制使用者的接受广告的不良行为。\n[0004] 也有利用电子标签装置来实现小车的跟随购物这一过程，但电子标签存在一定的风险，如果标签丢失，小车就会跟随外人而去，或是找不到跟随的目标。例外，电子标签也存在跟随距离的问题，如果使用有源电子标签，那使用者首先要手持一个带有电源设备的装置，同样给购物带来了不便。\n[0005] 现有超市的手推车管理比较混乱，很多使用者喜欢把手推车推出超市，方便将物品放到汽车等交通工具上，但这给商家带来了很多麻烦，增加了手推车管理的难度，也容易造成手推车的丢失与不必要的损坏。针对这样的情况，超市只能雇佣更多的管理人员来对手推车进行回收，这样不仅增加了高额的人力成本，也降低了使用的效率。\n发明内容\n[0006] 嵌入式系统是控制、监视或者辅助机器和设备运行的装置，采用主流的ARM芯片、FPGA芯片和数字信号处理器(DSP)运算芯片作为主要的控制器，利用多组传感器对环境数据的采集分析，结合无线通讯技术的应用，实现了对环境的智能感知，自动适应。\n[0007] 本发明提供的一种智能手推车，其特征在于：\n[0008] 该智能手推车以下简称小车，该小车包括主控器、无线模块、电源、至少2个防撞传感器、电机、触摸屏、电子标签读卡器和摄像头；无线模块、电源、至少2个防撞传感器、电机、触摸屏、电子标签读卡器和摄像头都分别和主控器相连；\n[0009] 该主控器采用的是ARM处理器与FPGA芯片、DSP芯片之一或者两种结合，[0010] 定义小车车把位置为后端，\n[0011] 小车的前端和后端分别装有至少一个防撞传感器，该防撞传感器为超声波或者红外线传感器，小车的后端车把位置装有触摸屏、电子标签读卡器和摄像头；\n[0012] 小车的车筐底部装有主控器、无线模块和电源，无线模块为WIFI、Zigbee或蓝牙；\n电源为可插拔或者无线充电电池模块；\n[0013] 小车后端两个轮子为电机驱动的定向轮，前端两个轮子是万向轮。\n[0014] 应用所述智能手推车的方法，其特征在于，步骤如下：\n[0015] 该智能手推车以下简称小车，\n[0016] 在应用场合增设服务器、以及至少4个定位基站的无线定位系统或者小车增设GPS模块；\n[0017] 在服务器端录入应用场合的地图数据，通过无线模块发送到小车的无线模块上，小车通过无线模块报告小车的当前位置给服务器；\n[0018] 采用电子标签读卡器模块开启小车，摄像头首先识别找到的第一个可识别人形图像，并将这一图像进行保存，用主控器以这一保存的图像为基础图像，进行比较；经过比较，人形图像一致则继续进行跟随或者导航的动作，否则手推车将停止；\n[0019] 当用户选择小车跟随时，小车实时跟随，\n[0020] 当用户需要导航时，用户通过触摸屏向小车输入前往位置，小车会根据地图及小车当前位置，引领用户到达前往目标地点；\n[0021] 安装在小车后端的防撞传感器实时监测用户与手推车的距离，当这一距离在\n50-80厘米之内时，小车保持静止状态，当用户与手推车的距离大于或小于这一距离时，小车都运动保持与用户距离在50-80厘米之内；\n[0022] 当小车被用户推出应用场合范围时，无线定位系统或是GPS定位系统自动指引手推车回归到起始位置；防撞传感器在遇到障碍物的时候使得小车会自动避让；遇到人的时候小车停止，等待1-3分钟；用户不使用小车绕行；用户使用则让小车处于跟随或者导航状态；\n[0023] 采用无线充电技术对多数的小车进行无线充电，或者直接充电，或者更换电池。\n[0024] 本发明利用多组传感器对环境数据的采集分析，结合无线通讯技术的应用，实现了对环境的智能感知，自动适应。\n附图说明\n[0025] 图1：智能手推车改造结构示意图\n[0026] 图2：无线数据传输定位示意图\n[0027] 图3：智能手推车硬件功能示意图\n具体实施方式\n[0028] 结合图1到四部分，在以下部分对这些图示进行详细描述：\n[0029] 美国德州仪器公司生产的CC2431系列Zigbee定位模块，它也是基于IEEE \n802.16.4协议的通讯的基础。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。既可以实现数据的自组网无线通信，也可以利用分布在环境中的多个节点实现精确的定位功能。基于以上的优势，Zigbee模块已经在工业控制、公共场所、农业控制、医疗等领域有了广泛的应用。全球定位系统包括接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件来构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分，只要是加装了全球定位系统模块的设备，都可以实现在户外的精确定位功能。利用Zigbee模块和全球定位模块，以及事先采集的超市地理数据信息，实现了对手推车的自动定位功能，从而实现小车的自动归位与导购功能。这样在每次使用者使用完手推车后，手推车都会自动参考地理信息回归到小车的初始位置。\n[0030] 图像识别是利用ARM微处理器和数字信号处理器(DSP)对图像进行处理、分析，以识别各种不同模式的目标和对像的技术。图像识别可能是以图像的主要特征为基础的。每个图像都有它的特征，如字母A有个尖，P有个圈、而Y的中心有个锐角等。利用对图像外形及颜色的识别，使得超市购物手推车具有识别使用者的能力，进一步实现对特定使用者的跟随购物功能。\n[0031] 在服务器端录入地图数据，通过无线通讯模块，主要使用无线网卡、蓝牙或Zigbee模块，发送到小车的无线通讯模块上，小车也可通过此模块报告自己的当前位置给服务器。\n[0032] 小车的启动采用电子标签(RFID)模块使小车处于开启状态。用户通过触摸屏向小车发送前往位置信息，小车会根据地图及小车当前位置，引领用户到达前往目标地点。\n[0033] 如图1中标号9所示，本设备是射频识别卡，即RFID(Radio Frequency Identification)，又称电子标签。可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。系统采用了RFID电子标签作为小车开启使用的电子钥匙，即只有拥有授权以后的电子卡片才可以启动智能手推车开始工作。\n[0034] 手推车被启动以后，会通过小车前端摄像头(图1中标号2)首先识别找到的第一个可识别人形图像，并将这一图像进行保存，之后会通过存储在存储器中的识别算法利用控制器(图1中标号4)比较机制，以这一保存的图像为基础图像，进行比较。经过比较，只有大致形象，即高低胖瘦，所穿衣服颜色都一致才能继续进行跟随的动作，否则手推车将停止前进动作。这一图像识别的过程是通过运算单元实时采集处理完成的，因此不必担心中途小车会跟错识别对象，造成不必要的混乱。另外，安装在小车顶部的防撞传感器(图1中标号3)，其中防撞传感器主要采用了红外线传感器和超声波传感器，也会实时监测使用者与手推车的距离，当这一距离在特定的距离时，小车也会保持静止状态，这样保证了使用者在停止状态挑选物品时小车的静止稳定性。当使用者与手推车的距离大于或小于这一距离时，小车都会做出跟随的反应，以保持与使用者的特定距离。另外，小车的行进速度也是依据使用者的前进速度进行实时的调节。这主要依据超声波返回信号的时间差来实时测试速度与距离的变化。\n[0035] 现有手推车的四个轮子主要是采取了万向轮，即在各个方向都可以自由旋转的轮子。这样虽然有利于手推车的灵活性，但要是不利于电机对小车的驱动，于是针对现有手推车进行了机械上的改造，对小车后端的万向轮(图1中标号5)用定向轮取代并与驱动电机连接，小车前段仍然使用万向轮。通过对电机不同转速的调节，实现小车前、后、左、右方向上的灵活驱动。\n[0036] 为了驱动电机能正常的工作，还需要添加电机驱动板来实现主控制器对电机转速的控制，并实现电压的转换，因为电机采用了12V的直流电供电，而控制单元则采用的是5V的直流供电，为了避免高电压对控制电路的干扰，采用了光耦元件来进行隔离。\n[0037] 控制电机的部分采用了PWM，简称脉宽调制。这是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。除此之外，脉宽调制还具有控制信号都是数字形式、抗噪声能力强、可实现超远距离通信等优势。当使用者做出转弯等动作时，手推车会控制转向方向的电机的PWM值，使之比另一个较大，这样手推车就可以对使用者的转弯动作做出较快的反应，以达到跟随的目的。\n[0038] 如图2所示，当手推车被使用者推出超市商场或完成交费活动时，基于Zigbee的无线定位系统或是全球定位系统便会自动指引手推车回归到起始位置。这要基于手推车内部实现保存的超市地理位置信息，结合实时Zigbee定位数据或是全球定位系统的辅助以完成在无人干预的情况而具有自动归位的功能。\n[0039] 为了避免在小车自动归位的过程中发生不必要的碰撞，手推车的四周也会有相关的防撞传感器(图1中标号8)，这样在遇到障碍物的时候手推车会自动避让。用户也可以在小车自动归位的过程中中断小车，而让小车处于跟随状态。\n[0040] 由于手推车内部已经保存有超市的地图信息，所以手推车可以实现商品的定位功能，即可以带领使用者寻找到想要的物品，这就需要在手推车上安装一块用以显示物品信息的触摸屏(图1中标号1)。使用者只要轻触屏幕上面保存的商品介绍，找到自己想要的商品，手推车就可以自动计算出购物的最佳行进路线。利用手推车内置的定位模块，也可以对手推车的位置进行实时的远程监控，避免手推车的丢失事件，节约了人力监管的成本。利用把手上面的显示器也可以显示一些商品的打折信息。\n[0041] 无线充电技术在近些年日益成熟，已经有了商业上的广泛应用，有着很好的前景，可以解决有线充电布线的繁杂与更换电池的不便，尤其在对大型数量产品进行充电时更是费时费力。一般超市的手推车都在500辆以上，大型超市的手推车一般都在1000辆之上，所以对众多手推车的电力恢复，无线充电模块是很好的解决方案。可利用手推车停放的特定位置对手推车进行不间断的充电，保证小车的连续工作。\n[0042] 智能手推车是采用电瓶供电(图1中标号6)，因此当手推车的数量达到一定程度时，对手推车的充电以及电池维护会是一件比较麻烦的事。因此，设计了两种电源充电方案来满足不同的应用规模，首先，引入了无线充电技术，利用高倚盛科技有限公司生产的GYS-12VDC系列无线充电器模块，这是源于无线电力输送技术，利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振，实现电能高效传输的技术。基于此，可以利用晚上超市任何的时间对放置特定区域或全超市的手推车进行无线充电，即方便了管理，也节省了成本，这是对充电管理的优化解决方案。另外，针对小规模的应用，可能仅仅是在手推车没电的情况下及时发出报警提示就可以了，直接充电或者更换电池，这也是作为对充电管理的简化解决方案。\n[0043] 结合以上描述，智能手推车可以主要应用在超市购物手推车的替代，为超市消费者带来全新的购物体验。另外，智能手推车也可以很好的应用在机场，公园，高尔夫球场等需要用到手推车的任何场所。其中，只要添加机场的地理信息，智能手推车就可以替代现有机场人力手推车来为旅客运送行李，并在使用完毕后自动归位，无需人工管理。在公园里，智能手推车需要添加全球定位系统模块，帮助旅客负载物品以及引导旅客参观景点。在高尔夫球场上，智能手推车可以用来装载游客随身物品、高尔夫球及球棒，跟随游客全程，并可以实时显示游客现在的地理位置。