可移動自動售貨機設(shè)計及其關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)研究

韓昌幸，申龍章，邱長軍，吳曉艷，李 琦

（南華大學(xué) 機械工程學(xué)院，衡陽 421001）

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)購物已經(jīng)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(tǒng)實體店的即視選擇優(yōu)點，又由于其分布零散、范圍廣闊、支付方便等特點可與網(wǎng)店購物媲美，而在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(shè)置的售貨機數(shù)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(shè)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(nèi)部貨品信息，選擇好所需要的自動售貨機，而它就能在網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)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(yīng)用還有很遙遠的距離，但從技術(shù)的儲備和學(xué)生相關(guān)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(xiàn)

可移動自動售貨機主要是在現(xiàn)有自動售貨機技術(shù)基礎(chǔ)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(dāng)其通過瀏覽APP上售貨機內(nèi)部貨品信息情況后，選擇自己需要的售貨機并下單，則當(dāng)前售貨機響應(yīng)，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(lián)通系統(tǒng)由用戶端、自動售貨機、無線路由器中繼和遠程監(jiān)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(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道，將所有商品銷售等信息傳輸?shù)狡髽I(yè)后臺，供運營企業(yè)進行業(yè)務(wù)分析和操作。遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)將完成售貨機的計費、貨品管理和運動導(dǎo)航控制，如圖2所示。

圖2 可移動自動售貨機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 移動售貨機的無線定位及路徑規(guī)劃研究

為了實現(xiàn)售貨機的無線定位，就首先要對售貨機內(nèi)置的發(fā)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(shù)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(wǎng)絡(luò)適配器。通過設(shè)置好的WiFi AP，使用Alfa Inc.的設(shè)備建立一個默認MAC網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通道設(shè)置為1，通訊頻率設(shè)置為2.4GHz。由于所需要的數(shù)據(jù)只是從特定AP傳輸信號的強度，因此不需要訪問internet，因此網(wǎng)絡(luò)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(jiān)測，每間隔2秒時間記錄一次數(shù)據(jù)。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(guān)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(biāo)計算，實現(xiàn)定位。

因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為路徑規(guī)范算法可使售貨機運行在未知環(huán)境信息的情況下具有良好的適用性[5,6]。

圖4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃

如圖4所示，路徑規(guī)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(jié)合當(dāng)前位置的輸入值，網(wǎng)絡(luò)及時調(diào)整第二隱層權(quán)值參數(shù)，因此wj1，wj2是動態(tài)變化的。它們的值每迭代一次后結(jié)果都可能不一校。通過連接權(quán)值的實時調(diào)整，下一時刻的路徑節(jié)點位置信息通過網(wǎng)絡(luò)計算輸出，售貨機則用剛輸出的節(jié)點信息作為自己的當(dāng)前位置信息，再進行下一步的規(guī)劃，如此往復(fù)，直至到達目標(biāo)點為止[7,8]。

路徑規(guī)劃主要目的可以分為兩個子目標(biāo)，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(shè)計兩個能量函數(shù)來描述這兩方面的物理意義，分別是目標(biāo)能量函數(shù)Eg和障礙物能量函數(shù)Eo。最終就可以將路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化成帶有約束條件的優(yōu)化問題，通過尋找能量函數(shù)的極值點來解決路徑規(guī)劃問題[9～11]。

首先對障礙物和售貨機都退化成質(zhì)點。在沒有障礙物的情況下最優(yōu)路徑就是給定起始位置與目標(biāo)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(biāo)點盡可能的小。而目標(biāo)能量函數(shù)Eg和障礙物能量函數(shù)Eo可以通過式(4)～式(6)來表示。

其中（xg，yg）為目標(biāo)位置坐標(biāo)，（xR（t+1），yR（t+1））為售貨機t+1時刻坐標(biāo)，N表示售貨機移動的步數(shù)， M為傳感器探測到的碰撞障礙物個數(shù)，A為常數(shù)項。因此式(6)的最后一項的物理意義是：當(dāng)售貨機與障礙物相碰時，在障礙物能量函數(shù)上加一個懲罰函數(shù)，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(huán)境下進行了算法仿真實驗。路徑規(guī)劃仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 路徑規(guī)劃仿真圖

3 結(jié)論

1）提出了可移動自動售貨機的概念和原理結(jié)構(gòu)設(shè)計，在成本并未增加很高的基礎(chǔ)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(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，目前存在的主要問題是如何實現(xiàn)無線定位和路徑規(guī)劃上，本文通過WiFi監(jiān)測信號計算獲取定位坐標(biāo)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實現(xiàn)售貨機運行路徑規(guī)劃，可初步解決這一問題。