一种基于UWB的超市多功能购物车的制作方法

本实用新型涉及购物车技术领域，具体涉及一种基于uwb的超市多功能购物车。

背景技术：

超市的购物车是超市内部方便消费者采购的辅助工具，用于存放物品，减轻消费者的负担，一个大型超市需要配置大量的购物车，目前，国内的购物车大都以实用性为主，功能除了载物基本没有其他的，购物车的灵活性也存在较大安全隐患，当物品重量达到一定程度时，购物车往往就变得难以操控。国外的一些发达国家已经有在超市购物车上安装条形码扫描器、商品导航器等。对于消费者来说，这样的功能不是很全面，不能起到解放双手，提升购物体验的作用。对于残障人士这类弱势群体，购物车如何设计的方便供他们使用等这些问题不可小觑，依然急迫的等待去改变。同时，大规模超市也相应的也需要较多的工作人员，除去收银员，还有配货员，导购员，人员成本相应较高。在崇尚设计生活化，服务人性化的现代社会，功能单一、体积笨重、成本较高的购物车已经逐渐不能满足现代人的需求，因此，对购物车的结构进行重新设计制造变得越来越迫切。

技术实现要素：

本实用新型针对背景技术的不足，提供了一种基于uwb的超市多功能购物车，它可以总计商品价格，可以替代收银员，同时还免去了消费者排队等候的时间，节省消费者的购物时间；也配备了配货功能，可以替代配货员；还拥有对货物的定位功能，可以替代导购员。大大节约了人员成本。它可以完全解放消费者的双手，增强购物体验感。本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于uwb的超市多功能购物车，包括车体、车轮模块、机械臂、摄像模块、扫码枪、光电管、uwb模块，所述车轮模块固定在车体的底部，所述机械臂的一端固定在车体的车头中间位置，另一端连接有摄像模块，所述车体的车尾处固定有扫码枪，所述车体的四周固定有光电管，所述uwb模块固定在车体的前端和两侧，所述车体上还固定有主控制器和电源，所述车轮模块、机械臂、摄像模块、扫码枪、光电管和uwb模块分别通过电气回路连接至主控制器和电源。

所述车轮模块包括车轮和电机，所述电机通过电机轴和车轮连接，电机通电后可带动车轮转动，所述车轮固定在车体的底部。

所述车轮采用麦克纳姆轮。

所述机械臂包括连接架、u形架、舵机和抓手，所述连接架、u形架、舵机和抓手依次连接，所述连接架固定在车体的车头中间位置。

所述舵机和u形架至少有三组，所述三组u形架和舵机依次连接，所述机械臂有六个自由度。

所述光电管至少有八个。

所述uwb模块至少包括三个基站模块和一个标签模块。

所述主控制器设置有触控显示屏，所述主控制器采用stm32f4芯片。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果为：

1、本实用新型的车轮采用麦克纳姆轮，可实现购物车360°任意方向移动，具有较强的抓地力和防滑等性能，能够配合跟随和避障灵活作出反应，特别适合室内移动。

2、本实用新型车体前端固定有机械臂，采用六自由度控制，当收到摄像模块反馈的物品信息时，灵活调节各自由度位置实现精准抓取，可实现任意方向无死角抓取商品。

3、本实用新型采用超宽带无线通信技术（uwb）进行定位，uwb的主要特点是抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大，发送功率非常小。低发射功率大大延长系统电源工作时间，各uwb标签互不影响，精度高，定位准确。

4、本实用新型中具有扫码枪，扫码模块装于车的后方，与超市对应开发的app相配合，方便顾客自主结算时使用，免去了消费者排队等候的时间，节省了消费者的购物时间。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型机械臂结构示意图；

图3为本实用新型连接线路示意图；

图4为本实用新型跟随模式原理示意图；

图5为本实用新型导航抓取模式原理示意图；

其中：1为车体、2为车轮模块、3为机械臂、4为摄像模块、5为扫码枪、6为光电管、7为uwb模块、8为主控制器、9为电源、10为车轮、11为电机、12为连接架、13为u形架、14为舵机、15为抓手。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

由图1可知，本实施例包括车体1、车轮模块2、机械臂3、摄像模块4、扫码枪5、光电管6、uwb模块7、主控制器8和电源9，车体1采用铝合金框架结构，铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，用来做购物车车体能够减轻购物车的重量，另外，车身上的车篮椅和推杆位置使用了亚克力，该材料同样具有优良的强度和较低的密度，使得购物车变得更加轻便。

所述车体1底部固定有车轮模块2，车轮模块2包括车轮10和电机11，本实施例中的车轮10采用麦克纳姆轮，麦克纳姆轮可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等多种运动方式，可实现购物车360度任意方向移动。用最合适的运动规律随着顾客的移动快速做出反应并紧跟顾客。电机11采用555减速电机，车轮10和电机11连接，由电机11控制车轮10移动，本结构具有高的承载能力，平稳静音，具有较强的抓地力和防滑等性能，能够配合跟随和避障灵活作出反应。

所述机械臂3的一端固定在车体1的车头中间位置，另一端连接有摄像模块4，由图2可知，机械臂3由连接架12、u形架13、舵机14和抓手15构成，本实施例中的u形架13和舵机14至少有三组，每个u形架13上连接有一个舵机14，一端的u形架13还通过连接架12和车体1的车头中间位置连接，另一端舵机14上连接有抓手15。本实施例中的机械臂3采用6自由度控制，具有x移动，y移动，z移动，x转动，y转动，z转动六个自由度，当收到摄像模块4反馈的物品信息时，灵活快捷的调节各自由度位置以实现精准的抓取。抓手15是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而具有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等，可针对不同的产品进行个性化的定制，以实现更好的抓取。

机械臂3的一端还连接有摄像模块4，本实施例中摄像模块4采用openmv4机器视觉模块，它的功能强大，识别很快快捷，相当于购物车的眼睛，在导航抓取模块中，购物车通过它近距离识别商品，然后将信息反馈给主控制器8，主控制器8对信息进行处理，通过与主控制器8连接的机械臂3控制抓取商品。

所述车体1车尾处固定有扫码枪5，顾客可用扫码枪5对购物车内所购商品自行进行扫码，通过对蓝牙模块的充分利用，用进制的协议与对应开发的app相结合，可以直接通过app付款。方便顾客自主结算，节省了顾客的购物时间，同时扫码枪5之间也互成网络，可以对每天的出货量进行记录。

所述车体1车身四周均匀固定有光电管6，光电管6共八个，均匀分布于车身四周，无死角探测障碍物，探测障碍物距离约10～30cm,对检测到的障碍物能及时反馈，可以避开其他顾客或者别的购物车和障碍物，避免碰撞的发生。

所述车体1的前端和两侧固定有uwb模块7，uwb模块7包括uwb三个基站模块和一个标签模块，标签模块根据本实用新型的两种工作模式分别有两种状态，在跟随模式中，标签模块由顾客带在身上，购物车对持有标签模块的顾客进行定位跟随，三个基站模块固定在车体1上，基站模块将标签模块距离信息传给主控制器8，主控制器8获取位置信息后，通过与主控制器8连接的电机11控制购物车跟随着标签模块移动，在导航抓取模式中，标签模块固定在车体1的前端，基站模块对标签模块进行定位，然后将定位信息发送至主控制器8，购物车就可以知道自己的位置。

所述车体1上还固定有主控制器8和电源9，所述车轮模块2、机械臂3、摄像模块4、扫码器5、光电管6、uwb模块7分别与主控制8连接，主控制器8对各个模块的信息统一进行处理后，将命令发送至各个模块，控制购物车的移动和抓取，控制器8采用stm32f4芯片，stm32系列单片机是工程上用的最为广泛的单片机，它功能强大，价格相对便宜，资料多，完全符合我们的需要。同时，主控制器8还具有触控显示屏幕，可以将扫码器5所识别的商品信息和价格在显示屏幕上显示，方便顾客直观的进行浏览和操作。电源9固定在车体1上，为主控制8和与主控制器8连接的车轮模块2的电机11、机械臂3、摄像模块4、扫码枪5、光电管6、uwb模块7提供电力，图3描述了具体的连接方式。

此外，为配合本购物车还开发了对应的app，顾客可以通过app来启动购物车；app中还可以显示超市的商品基本信息，推送商品的活动。另外，顾客通过app也可以进行结算付款。将多功能购物车配合app使用可以更便捷的控制购物车，给使用者带来更高效的服务体验。同时现在大型超市中购物车数量多，一次性更换现有购物车将会使面临成本高的问题。本公司购物车核心模块具有可拆卸功能，即可将主要模块安装于现有购物车，使现有购物车具备跟随和扫码功能，最大程度上为超市提供便利。

本实用新型的工作原理为：

本实用新型具有两种不同的工作模式：一种是跟随模式，主要是购物车对携带标签的使用者进行定位，完成实时跟踪并保持一定距离。当使用者挑选好货物后，可以走向购物车，使用扫码模块将进行购买商品的信息录入。当购物结束后，消费者按下结算按钮，手机app提示付款，消费者输入付款密码后，完成购物。

第二种模式是导航抓取模式，首先由消费者使用手机app选择需要购买的商品，随后购物车对这些商品进行定位，通过深度学习算法规划到达目标商品的最优路线，快速到达目标商品位置，通过摄像模块识别具体的商品，选择最优路径前往商品所在货架，用机械臂抓取商品，将商品打包好放入指定位置，消费者取走即可。

由图4可知，其中跟随模式的原理为：

uwb的三个基站模块固定在购物的三个位置，标签模块在购物者手中，定义其中的三个基站模块分别为a0、a1、a2，标签模块为t1。其中，a0到t1的距离为d0，a1到t2的距离为d1，a3到t3的距离为d2。

1、首先判断d0是否小于40cm，若小于40cm则购物车停止运动。

2、若d0大于40cm，判断|d1-d2|是否小于10cm，若小于10cm，则购物车直行。

3、若|d1-d2|大于10cm，则开始判断d1与d2的大小

若d1>d2，则手持标签的购物者在车的右方，购物车右转直至d0<40cm(停止)或|d1-d2|<10cm(直行)。

若d1>d2，则手持标签的购物者在车的左方，购物车左转直至d0<40cm(停止)或|d1-d2|<10cm(直行)。

注：跟随功能采用pid算法，使跟随过程更加流畅。

uwb测距以及定位是有专属性的，即不同的被定位的标签是有不同的名称的，所以实际应用中购物车跟随不会出现跟错消费者的情况。每一辆跟随车都有一套uwb模块，则标签也是不同的。

由图5可知，导航抓取模式的原理的不同之处在于标签位于车体1前端，通过实时定位标签的位置，然后通过串口通信将标签的位置信息传给主控，主控将根据此时的标签位置信息与商品的位置信息比较，然后然后两个位置信息拟合成一条线路，让购物车在这条线路上前进，最终实现到达指定货架。

机械臂3工作原理为：

购物车采用的是六自由度机械臂3，它由x移动，y移动，z移动，x转动，y转动，z转动六个自由度组成。通过主控制器8获得物体的空间坐标即x,y,z三轴坐标，机械臂3通过臂上的连接架12协助调整不同关节转相应旋转角度，使抓手15对准物体中心，即实际坐标与中心坐标重合时的位置，再根据距离，每一个舵机相互配合来向前抓取。

连接架12的工作原理：

舵机的控制一般需要一个20ms的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms～2.5ms范围内的角度控制脉冲部分，由pwm波进入内部电路产生一个偏置电压，触发电机通过减速齿轮带动电位器移动，使电压差为零时，电机停转，从而达到伺服的效果。

舵机pwm的协议都是相同的，协议一般为:

高电平宽度在0.5ms～2.5ms控制舵机转过不同的角度：

t=0.5ms——————-舵机会转动0°

t=1.0ms——————-舵机会转动45°

t=1.5ms——————-舵机会转动90°

t=2.0ms——————-舵机会转动135°

t=2.5ms——————-舵机会转动180°

pwm占空比是指在一个周期内，信号处于高电平的时间占据整个信号周期的百分比，由于pwm周期为20ms，所以（以舵机会转动45°为例），占空比就应该为1ms/20ms=5%

不同宽度的脉冲可以产生不同的角度输出，可以利用定时器和io口模拟产生pwm波，通过定时控制占空比从而达到角度的控制。

上面仅对本实用新型的较佳实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本实用新型的保护范围之内。