一种新型快捷的智能垃圾归类装置_陈建姣.pdf

56|电子制作 2023 年 3 月智能应用0 引言中国是人口大国，又是废物制造大国，由于人民水平提高，中国废物总量在持续增长1。据统计，目前每年全国的固体废弃物的规模已达到了 21 亿吨2，2021 年全国的日常垃圾处理总量预计为 27119 万吨，垃圾分类处理行业处理量约为 2.69 亿吨，较 2020 年增长了 5.49%。对于这样巨大的废弃物总量，环境保护也成了“低碳生活”概念的一个做法3，目前解决废弃物的减量性、无害性和资源性质已迫在眉睫。面对可循环利用再生资源的分类回收主要靠人工回收、分拣，存在回收费时费力、易造成再次污染等问题4，本文提出了一种关于人工智能应用的垃圾归类装置，其具体装置模型如图 1 所示。相比传统的人工分类，该垃圾归类装置减少了因知识水平受限不懂分类和后续分类流程缺失的问题，其从实用性出发，利用 API 技术，机器视觉识别投掷垃圾的垃圾种类，继而利用 PWM 控制舵机翻转，实现最基础垃圾自动归类功能。让高效的智能垃圾归类装置逐步代替效率较低的人工分类，使垃圾能够根据自身的类别，最快被归类到相应的地方，加快垃圾分类的进程，从而最大限度地实现可循环再生利用资源物的集中回收。本文所使用 API接口技术设计的垃圾归类装置运用前景广阔，可以在适当修改结构大小后，运用到个体商铺、住宅、大型集中处理处等各个地方进行分类工作。1 系统硬件设计本系统以人工智能应用下的机器视觉为核心，由主控模块、摄像头驱动及图像识别模块、舵机驱动模块和语音播报模块组成。主控模块启用，当摄像头检测到物品后拍摄记录其信息并经过图像识别判别物品所属垃圾类型，继而舵机驱动挡板翻转。该装置配有三个舵机，一号舵机向不同方向驱动挡板翻转用于区分可回收垃圾、其他垃圾或厨余垃圾、有害垃圾；二号舵机的驱动用于区分可回收垃圾或其他垃圾；三号舵机的驱动则用于区分厨余垃圾或有害垃圾，最终使物品落入相应垃圾桶中，并用语音模块播报完成一次分类。该装置具有识别率较高、操作简便的特点，大部分常见的生活垃圾分类的问题都能通过该装置解决，其硬件设计过程如图 2 所示。1.1 主控模块本系统的处理器采用树莓派 4B，这是一款采用 ARM 的迷你电脑主板，而 4B 在 3B 的基础上，对处理器性能，多媒体特性，内存以及接口方面都进行了突破性的提升。树莓派 4B 的 GPIO 口引脚图如图 3 所示，我们将 GPIO 引脚与驱动板 IO 口插连，由树莓派控制驱动板的 PCA9685，从而驱动三个舵机，执行代码使某一舵机翻转 0180 度。因此，选择的这一处理器拥有装置开发相应的操作系统，功能齐全，能够支持各种外设，应用空间比较广泛，是搭建智能装置系统的理想选择。1.2 摄像头驱动及图像识别模块调用该模块首先开启树莓派原装摄像头 Raspberry camera，检测是否有人投放垃圾，当摄像头检测到有垃圾被投放到挡板上时，自动拍摄图片保存到 cv2 库中，OpenCV 环境下可以对摄像头采集的每一帧数据做处理分析，从而识别物体，运用起来十分高效。然后要实现图像中垃圾类型的识别，需要通过代码验证申请天行 APIKEY，正确后进入访问申请的垃圾分类 API 接口，再将保存在 cv2一种新型快捷的智能垃圾归类装置陈建姣（绍兴文理学院 数理信息学院，浙江绍兴，312000）基金项目：绍兴文理学院校级项目基于机器视觉的垃圾归类装置。摘要：面对居民生活水平提高伴随而来的垃圾产生量骤增且没有规范回收的问题，本文设计了一种能够自主进行垃圾归类的装置。该装置以树莓派4B及驱动板为处理器，首先由摄像头拍下所扔垃圾的照片，将其传入固有路径下的文件夹，利用人工智能应用领域的机器视觉技术，经过程序验证APIKEY后访问链接图像垃圾分类功能的API，使用图像Base64的方式识别后，返回其垃圾名称及类型，驱动PWM控制舵机翻转即可将垃圾归类到相应垃圾箱中，最后通过语音播报提示完成分类。这种分类方式可以减少垃圾分配的工人损伤程度，同时使更多资源可以被重复利用，符合可持续发展战略。关键词：机器视觉；API技术；智能垃圾分类；树莓派主控图 1 装置模型图主控模块执行程序摄像头驱动及图像识别模块记录物品信息并判别类型舵机驱动模块控制舵机翻转语音播报模块提示完成分类图 2 硬件设计框图DOI:10.16589/11-3571/|57智能应用库中的图片用 base64 方式打开，在 API 平台的图像识别接口会检测用户上传的图片中的主体坐标位置，识别完成后会保留返回垃圾的图片、名称和种类。继续返回到cv2 库 中，若 为 OpenCV图片类型则最终在连接的显示屏上输出垃圾的图片及种类名称。1.3 语音播报模块该 部 分 采 用 JQ6500模块外接，连接树莓派任意两个I/O口，如图4所示。用 USB 线连接 JQ6500 和电脑，将准备好的语音下载到模块中，再用串口调试一下指令，调发送数据以十六进制，最后用程序实现语音播报。1.4 舵机驱动模块舵机驱动模块由舵机控制挡板将垃圾投向某一个垃圾桶。该模块由三个 DG-996 舵机组成，分别连接了三块挡板，并由两个轴承支撑，其采用了驱动板的 PCA9685 芯片，该芯片使用 I2C 控制，输出 16 路 12 位分辨率的PWM，可控制输出频率 40Hz 1000Hz。其操作简单，可以连接舵机的棕色线至树莓派的GND,舵机红色线至树莓派的 5V，舵机黄色线连接至树莓派的某一 GPIO 输出端口的 PWM，只需要给芯片控制对应寄存器的值，即可一直输出 PWM 信号，实现树莓派对舵机的驱动。根据 PCA9685 芯片能够独立输出多路可调节的 PWM 波的特点，该模块选取了芯片输出的16 路 PWM 脉冲的 PWM0、PWM1、PWM2 三路，如图 5 所示。将其调整为舵机控制所需的PWM 脉冲，并按要求改变占空比5,控制舵机的旋转方向及转速，在舵机转动后带动挡板将垃圾倒入指定垃圾桶，结束后自动翻转至水平。挡板能够承受大部分垃圾的投掷，较重的垃圾可能会损坏挡板，同时需要定期擦拭清洁。2 系统软件设计该装置利用树莓派 4B 作为处理器，建立OpenCV 环境，当摄像头识别到使用者将物体投掷挡板上时，自动拍下图像，将其保存到固有路径下的文件夹，再通过 Python 接入 API 域口名，由 urllib 链接的2.54-2*20J84040393938383737363635353434333332323131303029292828272726262525242423232222212120201919181817171616151514141313121211111010998877665544332211VCC+5VGNDGNDGPIO2GPIO3GPIO4GPIO5GPIO6GPIO13GPIO14GPIO15GPIO16GPIO17GPIO18GPIO19GPIO20GPIO21GPIO22GPIO23GPIO24GPIO25GPIO26GPIO8GPIO9GPIO10GPIO11GPIO12GPIO27ID_SCID_SDGPIO7(SDA1)(SCL1)(GPIO_GCLK)(GPIO_GEN0)(GPIO_GEN2)(GPIO_GEN3)(SPI_MOSI)(SPI_MISO)(SPI_SCLK)(TXD0)(RXD0)(GPIO_GEN4)(GPIO_GEN5)(GPIO_GEN1)(GPIO_GEN6)(SPI_CE0_N)(SPI_CE1_N)图 3 树莓派 4B GPIO 引脚电路图12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940J1GPIO EXPANSION3V35VGNDGNDGPIO2GPIO3GPIO4GPIO17GPIO27GPIO22GPIO10GPIO9GPIO11ID_SDGPIO5GPIO6GPIO13GPIO19GPIO26GPIO14GPIO15GPIO18GPIO23GPIO24GPIO25GPIO8GPIO7ID_SDGPIO12GPIO16GPIO20GPIO21SPK+16SPK-15ADC_L14ADC_R13DC-5V12GND11TX10RX9K11K22K33K44K55SGND6ADKEY7BUSY8J2JQ6500-16P模块LS3Speak erGND图 4 JQ6500 连接电路图VCC10kR110kR210kR310kR410kR510kR610kR710kR810kR910kR1010kR1110kR12GNDA01A12A23A34A45LED06LED17LED28LED39LED410LED511LED612LED713VSS14LED815LED916LED1017LED1118LED1219LED1320LED1421LED1522OE#23A524EXTCLK25SCL26SDA27VDD28GND0.1uC1VCCGNDGND220R20220R13220R14220R15220R16220R17220R18220R19220R21220R22220R23220R24220R25220R26220R27220R28SDASCLOEPWM0PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM6PWM7PWM8PWM9PWM10PWM11PWM12PWM13PWM14PWM15图 5 PCA9685PWM 脉冲电路图58|电子制作 2023 年 3 月智能应用APIKEY 库检验输入的 APIKEY 是否正确，若正确则进入访问 API 口，并将保存的图像转换为 base64 格式进行垃圾名称和类型识别，该过程需要完成 OpenCV 图像采集，提取特征点进行矢量化，然后在接口后台，将图像特征点与全网图像的特征值进行比对，得到可能的识别结果，在成功识别后会返回一个 list，包含 name、trust、lajitype 三个参数，即垃圾名称、图像可信度和垃圾种类，其中 trust 越接近 100，识别结果的可信度越高。识别完成后，系统将垃圾名称和类型显示在显示屏上，默认显示 list 中第一组参数值，然后通过树莓派控制电机驱动板 PCA9685，运用脉冲宽度调制技术（PWM），分时复用实现多舵机控制信号，输出舵机的旋转方向。舵机封装在一个便于使用安装的外壳里，可以比较精确地转动设定的角度6，以此控制挡板向不同方向翻转，使垃圾落入相应的垃圾箱中，包括可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾、其他垃圾四类，最后程序调用语音播报模块提醒使用者已完成垃圾分类，其功能实现具体流程如图 6 所示。3 装置实验测试本装置实现了在树莓派安装的 OpenCV 环境下采用python 控制每个模块的执行，后进行测试。在测试环节，我们选取了剪刀、电池、橘子皮、废纸等物品进行试验，首先开启电源，将选取的测试物品依次投入挡板，在执行程序完成检测后，显示屏会显示投入垃圾名称及种类，并播报“垃圾分类已完成”，提醒使用者完成一次分类，实现人机交互，图 7 为检测垃圾种类示意图。图 7 检测垃圾种类示意图我们对选取的六种物品分别进行了 50 次识别，其识别结果如表1 所示。其中剪刀、电池和螺丝刀的识别率都能达到 100%；橘子皮的识别率为 96%，有两次被识别为柚子皮；废纸和塑料瓶的识别率为94%，废纸揉成纸团的形状会对识别结果产生一定的影响，柱状塑料瓶的形状容易被识别为其他同形状的物品。总之，该装置识别率较高，能够识别大部分物品，但物体形状不同所选取的特征点也会不同，会对最后结果产生一定的影响。表1 六种物品识别结果物品名称进行50次的识别率剪刀100%电池100%橘子皮96%废纸94%塑料瓶94%螺丝刀100%垃圾桶初始化挡板初始角度90摄像头是否检测到物体使用API进行垃圾识别是否为可回收垃圾或其他垃圾一号舵机带动挡板翻转至0是否为可回收垃圾二号舵机带动挡板翻转至0语音提示完成一次垃圾分类垃圾分类未开始二号舵机带动挡板翻转至180三号舵机带动挡板翻转至0一号舵机带动挡板翻转至180三号舵机带动挡板翻转之180是否为湿垃圾，厨余垃圾否否否否是是是是结束图 6 功能实现流程图（下转第 43 页）|43实验研究00.511.522.533.544.55020406080100120期望值本文算法PIDfuzzy时间/秒角位移/度 图 9 转盘质量 15 kg负载端施加脉冲信号，通过转矩传感器转化为额定的负载转矩，可得到如图 10 的仿真结果。在负载端伴有负载转矩扰动的情况下，本文控制方法对于此多刚体运动系统相较于PID控制和模糊控制算法，负载扰动产生的角度偏移量小，更快趋于稳态，具有较强的抗干扰能力。00.511.522.533.544.55020406080100120期望值本文算法PIDfuzzy时间/秒角位移/度 图 10 突加负载扰动4 结论针对传统直流减速电机带动复杂负载建立数学模型困难、控制效果不佳的问题，本文利用 Simulink 仿真软件搭建直流减速电机带动复杂负载的物理模型，解决了复杂传动系统建模困难问题，并运用一种基于反步滑模方法实现电机位置跟踪。仿真结果验证了该种控制方法在带动不同质量复杂结构负载下，都能够避免直流电机控制过程中的超调与振荡现象，并且具有较强的抗干扰能力，这在一定程度上扩大了直流减速电机在实际生产中的应用范围。参考文献 1 周剑青,屈福政.一种机器人关节用伺服电机行星减速器的刚柔耦合动力学仿真 J.机械传动,2021,45(10):91-95.2 刘秦川,白瑞林,朱渊博.基于负载模拟器的同步带传动模型构建 J.机械设计与制造,2020(12):191-193+197.3Okubanjo A,Oyetola O,Olaluwoye O,et al.Modeling and Simulation of DC Motor Using Simelectronics and Simulink.2019.4 黄知超,罗从杰.基于优化粒子数和分段权值的粒子群直线电机 PID 整定 J.组合机床与自动化加工技术,2020(02):96-100.5 刘沛,蒋超.蚁群算法优化 PID 的机器人位置伺服控制 J.国外电子测量技术,2021,40(06):59-63.6 郑子超,余文涛,程国扬.工业伺服系统大范围位置控制器的设计与验证 J.组合机床与自动化加工技术,2021(06):86-89.7 张江华.直流电机无抖动滑模位置控制 J.组合机床与自动化加工技术,2017(02):89-93.8 Chiasson J.A new approach to dynamic feedback linearization control of an induction motorJ.Automatic Control IEEE Transactions on,1998,43(3):391-397.9 吴健,花国祥,席万强,俞斌.面向电力巡检的四旋翼无人机非线性控制器设计J.组合机床与自动化加工术,2021(08):72-75+80.10 奚文龙,唐文秀,许李尚,刘方悦.基于一阶低通滤波器滑模反步法的直流电机位置控制 J.重庆邮电大学学报(自然科学版),2017,29(04):550-556.4 结语本文设计的垃圾归类装置主要利用了机器视觉技术，PCA9685 控制 PWM 原理、API 技术，可以快速地将常见的生活垃圾进行分类，且经过测试识别率较高，减轻了人工分类的压力，快捷方便、操作简单，人机关系友好，可在生活中广泛运用，如社区、校园、街道等各个场所。但该设计仍有提升空间，需要进一步改善物品形状对识别结果产生的影响，从而对社会环境做出更多的贡献。参考文献 1 高泽梅,霍艳凤.浅谈生活垃圾分类现状及对策研究 J.中小企业管理与科技(上旬刊),2021(10):164-166.2 王 慧 芳.垃 圾 分 类 的 意 义 及 原 则 J.老 字 号 品 牌 营销,2021(01):83-84.3 陈景文.建设生态文明保护人民健康 J.大连日报，2020-03-30(6).4盛丹,高昕欣,郭禹城,胡臻祺.一种智能垃圾回收处理装置J.科技与创新,2019(21):128-129.5 周英路,王志亮,朱松青,高海涛,李永.基于 PCA9685的多路舵机控制器设计 J.南京工程学院学报(自然科学版),2017,15(04):26-31.6 吴清,刘红周,郑建荣.分时复用 PWM 模块的多舵机控制信号的实现 J.微特电机,2016,44(08):113-116.（上接第 58 页）