智能垃圾分類分揀小車

孫應(yīng)，陳岸奇，王振光，賈巍

（湖北文理學院 汽車與交通工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

垃圾分類得到大眾的廣泛關(guān)注和積極響應(yīng)。我國垃圾分類處理整體處于高速發(fā)展階段，在國家的大力推行下，垃圾分類制度日趨完善。傳統(tǒng)的垃圾分類步驟繁瑣，消耗人力物力大。我們的項目致力于從基本的分類環(huán)節(jié)解決問題，將智能制造運用于生活當中，節(jié)省人力物力。

1 總體設(shè)計原理

本小車系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：(1)OpenMV4 H7 plus 智能攝像頭識別模塊；(2)主控STM32F407 單片機最小系統(tǒng)；(3)GPS 慣導姿態(tài)檢測定位模塊；(4)通訊模塊；(5)無線充電模塊；(6)攝像頭機械驅(qū)動模塊；(7)行進結(jié)構(gòu)驅(qū)動模塊；(8)機械臂結(jié)構(gòu)驅(qū)動模塊。

本系統(tǒng)以 STM32F407 單片機為控制核心，運行時通過使用多個OpenMV4 H7plus 智能攝像頭識別周圍的垃圾與雜物，與內(nèi)部ROM 存儲的識別數(shù)據(jù)比對，通過用戶自定義權(quán)重來規(guī)劃行進路線來拾取并分類垃圾。整車主要采用機器視覺技術(shù)應(yīng)用圖像智能識別技術(shù)，使用多種智能模塊，可實現(xiàn)自動拾取或者遠程操控對垃圾進行識別，拾取，分類，投放。小車安裝了多個攝像頭采集數(shù)據(jù)，可進行全方位地識別周圍的物品，并可進行全向行進，自動規(guī)劃路線，靈巧地拾取垃圾并進行分類。

2 系統(tǒng)硬件組成設(shè)計

■2.1 攝像頭OpenMV4 H7plus

OpenMV 攝像頭是一款小巧，低功耗，低成本的模塊，可以很輕松地完成機器視覺應(yīng)用。通過 MicroPython 很容易在機器視覺算法中處理復雜的輸出。使用外部終端觸發(fā)拍攝或者執(zhí)行算法，也可以把算法的結(jié)果用來控制 IO 引腳。

攝像頭采用ANN 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合edgeimpulse 對各類垃圾進行識別訓練，各類垃圾圖片基數(shù)在2000 張以上，通過感光、特征點、色塊等參數(shù)進行判別。

■2.2 STM32F407ZET6 單片機最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)使用 STM32F407單片機作為主控部件，實現(xiàn)對攝像頭，GPS 等數(shù)據(jù)的分析處理，然后完成對電機，機械臂等外設(shè)的控制輸出。STM32F407 單片機最小系統(tǒng)板包含電源電路、復位按鍵、串口下載等模塊，同時將單片機的所有 IO 口通過排針的方式全部引出，便于在做嵌入式開發(fā)時，其他外設(shè)設(shè)備的連接。

圖1 OpenMV 攝像頭模塊

■2.3 定位模塊

定位模塊采用了組合導航（GPS+慣導）模塊，GPS 采用NEO-7N GPS 模塊，具有高靈敏度、低功耗、小型化、極高追蹤靈敏度等特點。用于車載，手持設(shè)備如 PDA，車輛監(jiān)控、手機、攝像機及其他移動定位系統(tǒng)的應(yīng)用。慣導模塊采用維特智能JY901 姿態(tài)傳感器，該產(chǎn)品是一款專業(yè)的姿態(tài)角度測量模塊，產(chǎn)品通過讀取傳感器的三軸加速度，三軸角速度，三軸磁場等原始數(shù)據(jù)，運用姿態(tài)動力學核心算法，結(jié)合卡爾曼濾波融合算法解算出實時穩(wěn)定的三軸姿態(tài)角度。

圖2 NEO-7N 模塊

圖3 J Y901 處理器

■2.4 通訊模塊

通訊模塊采用SIM800C 模塊，SIM800C 是一款四頻GSM/GPRS 模塊，性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價比高，能滿足客戶的多種需求。SIM800C 工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音，SMS 和數(shù)據(jù)信息的傳輸。SIM800C 尺 寸為17.6mm×15.7mm×2.3mm，能適用各種緊湊型產(chǎn)品的設(shè)計需求。

圖4 電機直流驅(qū)動模塊電路圖

圖5 無線充電接收線圈電路圖

■2.5 電機驅(qū)動模塊

本項目電機采用L298N 驅(qū)動模塊實現(xiàn)對電機進行控制。該驅(qū)動模塊供電電壓范圍為+5V~35V，最大工作功率20W，可以實現(xiàn)同時對兩路直流電機的驅(qū)動控制。使能端口ENA 為高電平時處于有效控制狀態(tài)，低電平時無控制信號輸出。在進行電機調(diào)速時我們根據(jù)電機工作狀態(tài)表使設(shè)置 IN1和 IN2，確定電機的轉(zhuǎn)動方向。單片機 輸出 PWM 波對驅(qū)動模塊使能端進行調(diào)速控制。

■2.6 無線充電模塊

本項目采用了電池供電+無線充電的組合，在電池電壓不足的時候可以通過自動尋找安裝的無線充電器充電，也可在停機休息時使用無線充電器充電。無線充電模塊由充電線圈和超級電容構(gòu)成。采用半橋方式控制恒功率充電，半橋控制芯片為IR2104s。

■2.7 機械結(jié)構(gòu)

本項目機械結(jié)構(gòu)采用3D 打印構(gòu)建。機械結(jié)構(gòu)整體分為驅(qū)動，底盤，機械臂三大部分。車體采用麥克納姆輪進行移動，可在狹小的空間內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)和調(diào)頭以及橫向移動，驅(qū)動部分和底盤采用可調(diào)彈簧連接，保證了整車的穩(wěn)定性，底盤采用樹脂材料和鋁合金材料制作，在輕便的基礎(chǔ)上保證了堅固性。機械臂擁有4 自由度，可以實現(xiàn)全方位的抓取，機械爪驅(qū)動使用兩個25Kg 舵機，保證了機械爪抓取時的穩(wěn)定。小車整體拆裝簡單，便于更換損壞零件。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用STM32F407 單片機作為控制核心，引出單片機上的外部IO 連接到其他的傳感器和外圍設(shè)備，并對這些數(shù)據(jù)進行處理。主程序分為以下幾個部分：(1)初始化部分，負責建立單片機對各模塊的控制，確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷脚c方式。(2)驅(qū)動控制部分，主要控制電機和舵機，包括整個小車的運行，機械臂的姿態(tài)調(diào)整，機械爪的抓取。(3)姿態(tài)解算部分，此部分主要是處理GPS 和慣導的數(shù)據(jù)，主要是用于跟驅(qū)動部分聯(lián)動，調(diào)整小車的姿態(tài)，還可以根據(jù)用戶設(shè)定的規(guī)則匯報到上位機。(4)視覺識別部分，視覺處理是程序最重要的一部分之一，通過對多個攝像頭的圖像進行融匯處理，構(gòu)造一份小車周圍的270°左右的全景圖，可以同時對多個目標進行識別歸類。(5)通信部分，主要把各個模塊收集的數(shù)據(jù)和運算的結(jié)果給到上位機和對上位機發(fā)送的指令進行解碼實現(xiàn)對模塊的控制。主程序流程大概如圖所示，開機載入ROM 中的設(shè)置，對硬件分步初始化，狀態(tài)匯報給單片機做處理，攝像頭部分可以直接串流到通信模塊輸出到上位機。硬件模塊初始化有錯誤則停止初始化并匯報。若無錯誤則繼續(xù)初始化下一個設(shè)備，每個設(shè)備都有不同的中斷優(yōu)先級。當所有硬件的初始化都無錯誤完成后，進行軟件初始化，載入ROM 中的用戶配置，根據(jù)用戶配置來進行程序的運行。軟件部分程序的運行流程主要是對攝像頭和單片機數(shù)據(jù)的處理，首先各個攝像頭捕獲圖像，對視野內(nèi)的物品進行分類判斷，與用戶定義的雜物進行比對，采用比例圖像和深度圖像融合處理計算出距離，若目標距離小于機械臂獲取范圍則進入機械臂姿態(tài)處理部分，嘗試獲取物品。如果機械臂無法獲取，則進入車體姿態(tài)處理部分，嘗試移動車體靠近，直到機械臂可以獲取物品為止。當機械臂獲取物品后，將物品放入置物籃中，程序循環(huán)判斷置物籃狀態(tài)，當達到一定重量或者超出置物籃高度，進入卸載模式，卸載模式停止底攝像頭掃描雜物，僅判斷障礙物，小車朝著目標卸載點前進。卸載時機械臂循環(huán)抓取置物欄內(nèi)物品，判斷物品類型分類卸載。當置物籃為空時停止卸載，底盤攝像頭回到雜物掃描模式，重新進行裝載。當視野內(nèi)雜物全部清空或者無法獲取時，進入待機模式。電量等狀態(tài)信息會實時反饋通過通信模塊匯報給上位機或者用LED 燈光提示。當電池不足時，小車會嘗試尋找無線充電器進行充電，當在范圍內(nèi)無法尋找到充電器時，會給上位機匯報，當電池耗盡時會自動關(guān)閉停止運行。

圖6 超級電容充電電路圖

圖7 結(jié)構(gòu)模型圖

圖8 系統(tǒng)主程序流程圖

圖9 系統(tǒng)運行狀態(tài)切換流程圖

4 總結(jié)

實行垃圾分類處理既可以有效地改善城鄉(xiāng)環(huán)境，又能讓資源回收利用更有效率，可持續(xù)發(fā)展水平進一步提高。小車具有多種識別方式，默認模式為通過單片機存儲內(nèi)攝像頭學習的數(shù)據(jù)進行分類識別，也可以在上位機設(shè)置對不同物體的分類。小車在工作時會先通過攝像頭判斷目標位置并規(guī)劃接近路徑，再通過多攝像頭實時定位來規(guī)避障礙物，車載智能節(jié)能系統(tǒng)，在沒有工作時小車會自動尋找最近的無線充電器自行充電，在工作完成時會自行到角落休眠以節(jié)約電能。