基于多種識(shí)別方式組合的智能分類垃圾桶研究

摘要：文章設(shè)計(jì)智能分類垃圾桶，使用高清攝像機(jī)、紅外熱像儀、物相分析儀和數(shù)據(jù)處理設(shè)備，采用機(jī)器視覺、熱成像分析、物相分析等方法識(shí)別判斷，對(duì)多種鑒定方法進(jìn)行全面審查，可有效提高垃圾分類的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：智能分類垃圾桶;垃圾分類;識(shí)別方式

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2021）23-00-03

垃圾分類是我國環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域一個(gè)新的發(fā)展熱點(diǎn)，在中國還處于起步階段。目前垃圾分類主要依靠人工操作[1]，居民缺乏分類意識(shí)，因此推行垃圾分類具有較強(qiáng)的可持續(xù)性、高難度和低準(zhǔn)確性[2]。

1 智能分類垃圾桶設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)組成

圖1（a）為三維模型，（b）為內(nèi)部結(jié)構(gòu)。垃圾箱分為室內(nèi)垃圾箱和室外垃圾箱。斗1配有旋轉(zhuǎn)裝置，用來控制斗10?；剞D(zhuǎn)裝置主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子11、中軸9、轉(zhuǎn)子2等。10個(gè)室內(nèi)貯物箱中有4個(gè)扇形垃圾箱，內(nèi)有危險(xiǎn)垃圾箱、濕式垃圾箱和干式垃圾箱。語音識(shí)別模塊安裝在抽屜4的蓋子中。

正常操作智能垃圾箱時(shí)，用戶只需要指定垃圾的類型，如紙板，聲控模塊接收器接收聲音信號(hào)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)盤11驅(qū)動(dòng)軸9，而轉(zhuǎn)子2、內(nèi)斗10、旋轉(zhuǎn)架3和垃圾袋安裝板7在中軸9上旋轉(zhuǎn)，4個(gè)扇形槽垃圾箱的旋轉(zhuǎn)蓋位于相應(yīng)的紙板內(nèi)斗下方，然后旋轉(zhuǎn)電機(jī)5的蓋子帶動(dòng)轉(zhuǎn)蓋6旋轉(zhuǎn)，打開垃圾箱，用戶完成垃圾的堆放。

2 智能分類垃圾桶機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2展示了內(nèi)桶的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。在圖中，旋轉(zhuǎn)圓盤6通過垃圾袋安裝板3和旋轉(zhuǎn)支架5與法蘭開關(guān)4連接到中心軸2，通過中心軸2和剛性開關(guān)1連接到中心轉(zhuǎn)子7外，通過旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)7驅(qū)動(dòng)主軸2旋轉(zhuǎn)，除旋轉(zhuǎn)圓盤6，為垃圾袋而設(shè)置的三號(hào)擋板與五號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置也將分別轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3（a）為垃圾袋安裝板的三維模型。設(shè)計(jì)成扇形面板，便于安裝垃圾袋與更換垃圾袋，將垃圾袋堆放在雪花中可防止垃圾袋被清除。圖3（b）是一個(gè)帶有旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的三維子項(xiàng)目模型。圖2中該桶位于轉(zhuǎn)子6的頂部。

2.2 開合蓋設(shè)計(jì)

圖4（a）是打開蓋時(shí)智能修復(fù)器的狀態(tài)，圖4（b）則是關(guān)閉蓋時(shí)智能存儲(chǔ)庫的狀態(tài)。在堆放垃圾時(shí)，語音識(shí)別模塊發(fā)動(dòng)機(jī)蓋推進(jìn)器3，根據(jù)聲音內(nèi)容，將垃圾桶蓋1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)式垃圾桶蓋1與垃圾桶蓋2重疊，如圖4（a）所示，將備用或垃圾類型的音頻內(nèi)容置于中風(fēng)通道的右下方。圖4（a）完成智能垃圾容器的開啟和旋轉(zhuǎn)。同時(shí)鏟斗電機(jī)蓋3驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)料斗罩1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)約90°，智能料斗返回封閉空間，如圖4（b）所示。

2.3 垃圾體積檢測結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用于檢查內(nèi)部垃圾箱的內(nèi)容，如圖5所示的垃圾體積檢測結(jié)構(gòu)，室外紅燈傳感器直接放置在垃圾袋安裝板2和內(nèi)部垃圾箱1之間的室外箱蓋下，作為容積指示器，紅外發(fā)射頭3安裝在垃圾袋安裝板2上，紅外接收器頭4安裝在斗1的外壁上，當(dāng)料斗內(nèi)的垃圾箱處于容積控制之外時(shí)，光電傳感器將信號(hào)引導(dǎo)到控制中心，提醒用戶更換垃圾袋。

2.4 內(nèi)桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6展示了鏟斗內(nèi)部零件的三維模型。垃圾桶外斗設(shè)計(jì)成圓筒形，內(nèi)斗設(shè)計(jì)成扇形，內(nèi)斗的兩個(gè)直角處設(shè)計(jì)有兩個(gè)凹半圓，主要用于清洗時(shí)拆卸內(nèi)斗。

3 多識(shí)別方式的設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器視覺識(shí)別

垃圾箱里有一個(gè)攝像頭，可以對(duì)機(jī)器進(jìn)行目視識(shí)別，機(jī)器視覺系統(tǒng)是一個(gè)圖像識(shí)別系統(tǒng)，和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)一樣，可以迅速高效地輸出并分析圖像對(duì)象類型[3]。

這個(gè)機(jī)器視覺控制垃圾箱使用椰子數(shù)據(jù)集，包含20多個(gè)不同的日常垃圾圖像，容量約為1 000個(gè)單元，可較好地比較和識(shí)別普通包裝垃圾。

圖7顯示，在六個(gè)實(shí)驗(yàn)組中，早期階段和快速RCNN組合使用的時(shí)間最短，并且成功地評(píng)估了對(duì)象數(shù)量。檢測和屏蔽RCNN只需要很短的時(shí)間就能成功識(shí)別所有對(duì)象。

3.2 極光照射后熱成像識(shí)別

垃圾箱中配置小功率激光器和熱成像儀，可以產(chǎn)生物體經(jīng)激光照射后形成的熱圖像。兩種圖像分析和識(shí)別方法可用于確定物體的材料特性和外部輪廓，溫度可能與熱像上溫度場的顏色不同[4]。通過對(duì)元素進(jìn)行建模，可以將節(jié)點(diǎn)溫度與熱圖分離，并識(shí)別材料的特性，如塑料、金屬、玻璃和橡膠。

3.3 物相分析圖識(shí)別

該垃圾桶還裝有小型X射線發(fā)送與接收設(shè)備和能進(jìn)行物相分析的小型物相分析儀。X射線定量相分析方法是測量相成分與相位關(guān)系分析的常規(guī)方法。

4 智能識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用傳感器功能設(shè)計(jì)智能檢測分類系統(tǒng)。要構(gòu)建識(shí)別系統(tǒng)，須根據(jù)材料的特性選擇多個(gè)傳感器，金屬、透明、導(dǎo)電等傳感器裝配單元圖如圖8所示。

4.1 識(shí)別原理

抽屜側(cè)面的條形碼掃描儀識(shí)別瓶子和包裝袋類型;金屬探測器可以利用電磁感應(yīng)原理分離金屬和非金屬廢料;紅外輻射傳感器（E3F-5DN1）可以區(qū)分非金屬垃圾中的透明垃圾和不透明垃圾。

4.2 識(shí)別過程

通過垃圾傾倒窗口進(jìn)入矩形接收器，位于抽屜一側(cè)的條形碼掃描儀通過包裝識(shí)別垃圾類型，檢測到的垃圾通過旋轉(zhuǎn)門進(jìn)入圓形艙口，并移動(dòng)到圓形傾倒窗口。與此同時(shí)，車體右風(fēng)扇開始工作，輕便的東西如紙、樹枝、樹葉等分開，落在L形刀片上，然后落在L形刀的分支上，這樣就可以使垃圾落到圓柱形垃圾板上，然后用旋轉(zhuǎn)門分離垃圾。

5 運(yùn)輸自卸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能垃圾分離器應(yīng)用了GPS定位、遙控、履帶移動(dòng)裝置和液壓舉升等設(shè)備。如圖9所示，在智能垃圾分類箱下方設(shè)置了一個(gè)履帶移動(dòng)裝置和遙控信號(hào)接收裝置。

6 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)的實(shí)用性智能分類垃圾桶既節(jié)能又環(huán)保，能夠改善人們的生活環(huán)境，在居民小區(qū)、街道等戶外公共場所有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 余華，葉超.基于SVM和GMM組合分類器的謊言識(shí)別方法[J].電子器件，2019，42（1）：4.

[2] 魏子瑄，劉小剛，陳真貴，等.基于語音識(shí)別技術(shù)的智能分類垃圾桶[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2020，20（1）：79-82.

[3] 馬新玲，郭兆陽，樂祺中，等.多種識(shí)別方式組合的智能分類垃圾桶[J].機(jī)械與電子，2020，38（12）：5.

[4] 侯林.海關(guān)進(jìn)口塑料廢物智能分類識(shí)別技術(shù)的研究[J].塑料科技，2020（5）：148-150.

作者簡介：李穎慧（1985—），女，山東青島人，碩士在讀，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)。

指導(dǎo)老師：胡珊