基于多種識別方式組合的智能分類垃圾桶研究

摘要：文章設計智能分類垃圾桶，使用高清攝像機、紅外熱像儀、物相分析儀和數據處理設備，采用機器視覺、熱成像分析、物相分析等方法識別判斷，對多種鑒定方法進行全面審查，可有效提高垃圾分類的準確性。

關鍵詞：智能分類垃圾桶;垃圾分類;識別方式

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）23-00-03

垃圾分類是我國環境保護領域一個新的發展熱點，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，因此推行垃圾分類具有較強的可持續性、高難度和低準確性[2]。

1 智能分類垃圾桶設計原理及結構組成

圖1（a）為三維模型，（b）為內部結構。垃圾箱分為室內垃圾箱和室外垃圾箱。斗1配有旋轉裝置，用來控制斗10。回轉裝置主要包括發動機轉子11、中軸9、轉子2等。10個室內貯物箱中有4個扇形垃圾箱，內有危險垃圾箱、濕式垃圾箱和干式垃圾箱。語音識別模塊安裝在抽屜4的蓋子中。

正常操作智能垃圾箱時，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之后，發動機驅動盤11驅動軸9，而轉子2、內斗10、旋轉架3和垃圾袋安裝板7在中軸9上旋轉，4個扇形槽垃圾箱的旋轉蓋位于相應的紙板內斗下方，然后旋轉電機5的蓋子帶動轉蓋6旋轉，打開垃圾箱，用戶完成垃圾的堆放。

2 智能分類垃圾桶機械結構設計

2.1 內桶旋轉結構設計

圖2展示了內桶的旋轉結構。在圖中，旋轉圓盤6通過垃圾袋安裝板3和旋轉支架5與法蘭開關4連接到中心軸2，通過中心軸2和剛性開關1連接到中心轉子7外，通過旋轉發電機7驅動主軸2旋轉，除旋轉圓盤6，為垃圾袋而設置的三號擋板與五號轉動裝置也將分別轉動。

圖3（a）為垃圾袋安裝板的三維模型。設計成扇形面板，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）是一個帶有旋轉平臺的三維子項目模型。圖2中該桶位于轉子6的頂部。

2.2 開合蓋設計

圖4（a）是打開蓋時智能修復器的狀態，圖4（b）則是關閉蓋時智能存儲庫的狀態。在堆放垃圾時，語音識別模塊發動機蓋推進器3，根據聲音內容，將垃圾桶蓋1順時針旋轉90°，旋轉式垃圾桶蓋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容置于中風通道的右下方。圖4（a）完成智能垃圾容器的開啟和旋轉。同時鏟斗電機蓋3驅動旋轉料斗罩1逆時針轉動約90°，智能料斗返回封閉空間，如圖4（b）所示。

2.3 垃圾體積檢測結構設計

用于檢查內部垃圾箱的內容，如圖5所示的垃圾體積檢測結構，室外紅燈傳感器直接放置在垃圾袋安裝板2和內部垃圾箱1之間的室外箱蓋下，作為容積指示器，紅外發射頭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，當料斗內的垃圾箱處于容積控制之外時，光電傳感器將信號引導到控制中心，提醒用戶更換垃圾袋。

2.4 內桶結構設計

圖6展示了鏟斗內部零件的三維模型。垃圾桶外斗設計成圓筒形，內斗設計成扇形，內斗的兩個直角處設計有兩個凹半圓，主要用于清洗時拆卸內斗。

3 多識別方式的設計

3.1 機器視覺識別

垃圾箱里有一個攝像頭，可以對機器進行目視識別，機器視覺系統是一個圖像識別系統，和數據收集系統一樣，可以迅速高效地輸出并分析圖像對象類型[3]。

這個機器視覺控制垃圾箱使用椰子數據集，包含20多個不同的日常垃圾圖像，容量約為1 000個單元，可較好地比較和識別普通包裝垃圾。

圖7顯示，在六個實驗組中，早期階段和快速RCNN組合使用的時間最短，并且成功地評估了對象數量。檢測和屏蔽RCNN只需要很短的時間就能成功識別所有對象。

3.2 極光照射后熱成像識別

垃圾箱中配置小功率激光器和熱成像儀，可以產生物體經激光照射后形成的熱圖像。兩種圖像分析和識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]。通過對元素進行建模，可以將節點溫度與熱圖分離，并識別材料的特性，如塑料、金屬、玻璃和橡膠。

3.3 物相分析圖識別

該垃圾桶還裝有小型X射線發送與接收設備和能進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系分析的常規方法。

4 智能識別系統設計

利用傳感器功能設計智能檢測分類系統。要構建識別系統，須根據材料的特性選擇多個傳感器，金屬、透明、導電等傳感器裝配單元圖如圖8所示。

4.1 識別原理

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

4.2 識別過程

通過垃圾傾倒窗口進入矩形接收器，位于抽屜一側的條形碼掃描儀通過包裝識別垃圾類型，檢測到的垃圾通過旋轉門進入圓形艙口，并移動到圓形傾倒窗口。與此同時，車體右風扇開始工作，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，然后用旋轉門分離垃圾。

5 運輸自卸系統的設計

智能垃圾分離器應用了GPS定位、遙控、履帶移動裝置和液壓舉升等設備。如圖9所示，在智能垃圾分類箱下方設置了一個履帶移動裝置和遙控信號接收裝置。

6 結語

文章設計的實用性智能分類垃圾桶既節能又環保，能夠改善人們的生活環境，在居民小區、街道等戶外公共場所有廣泛的應用前景。

參考文獻：

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

[2] 魏子瑄，劉小剛，陳真貴，等.基于語音識別技術的智能分類垃圾桶[J].單片機與嵌入式系統應用，2020，20（1）：79-82.

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

[4] 侯林.海關進口塑料廢物智能分類識別技術的研究[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：工業設計。

指導老師：胡珊