崔傳坤，王舜，張樂(lè)樂(lè)，馮麟皓，江亞峰，申?duì)D

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600)

0 引言

近年來(lái)，隨著人口不斷增長(zhǎng)及經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，生活垃圾也隨之不斷增加。垃圾分類(lèi)回收有助于減少環(huán)境污染，提高再生資源利用率等[1]，因此如何設(shè)計(jì)高效垃圾分類(lèi)裝置是關(guān)鍵。魏子瑄等[2]基于LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片和VS1053語(yǔ)音播報(bào)芯片設(shè)計(jì)了一款智能分類(lèi)垃圾桶。通過(guò)識(shí)別投放者的語(yǔ)音信息，實(shí)現(xiàn)了垃圾自動(dòng)分類(lèi)投放，但效果受限于投放者的主觀行為；SU S X等[3]基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)了智能垃圾分類(lèi)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)音告訴投放者進(jìn)行垃圾分類(lèi)，清潔工可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行垃圾桶容量的遠(yuǎn)程查看。但該系統(tǒng)仍然取決于投放者的主觀自覺(jué)性；王玥等[4]通過(guò)紅外檢測(cè)儀識(shí)別傳送帶上垃圾，并基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)了智能分類(lèi)垃圾桶，但不能實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)垃圾的分類(lèi)；張方超等[5]基于圖像視覺(jué)設(shè)計(jì)了垃圾分類(lèi)機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)對(duì)瓶罐類(lèi)垃圾進(jìn)行圖像分割和識(shí)別，并用機(jī)械手臂抓取實(shí)現(xiàn)垃圾分類(lèi)，但是垃圾分類(lèi)種類(lèi)有限且效率不高。從已有設(shè)計(jì)來(lái)看，目前垃圾分類(lèi)裝置或受主觀性影響，或識(shí)別垃圾的種類(lèi)不多，尚未達(dá)到社會(huì)對(duì)各類(lèi)生活垃圾的高效、精確識(shí)別和分類(lèi)需求。為此，文中基于機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì)了一款新型智能垃圾分類(lèi)裝置。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行可回收、廚余、有害和其他共4類(lèi)垃圾的自動(dòng)識(shí)別及分類(lèi)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試也驗(yàn)證了裝置的有效性，滿足了社會(huì)對(duì)生活垃圾的識(shí)別和分類(lèi)回收要求。

1 垃圾分類(lèi)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了更好地實(shí)現(xiàn)生活垃圾的分類(lèi)儲(chǔ)運(yùn)，本設(shè)計(jì)裝置需具備識(shí)別、分類(lèi)、投放和儲(chǔ)存等功能。為此本裝置采用雙層框架式結(jié)構(gòu)，整體為長(zhǎng)×寬×高=500 mm×500 mm×700 mm的長(zhǎng)方體，如圖1所示。裝置整體以鋁型材作為框架，上下兩層框架間通過(guò)合頁(yè)連接，主要便于實(shí)物裝置的安裝及使用過(guò)程中的垃圾傾倒。在上層裝置的上層支撐板上裝有投放識(shí)別機(jī)構(gòu)、光電傳感器、理線槽及系統(tǒng)控制盒等；在下層裝置的下層支撐板上裝有分類(lèi)儲(chǔ)運(yùn)機(jī)構(gòu)、限位開(kāi)關(guān)、萬(wàn)向輪等；在下層支撐板的底面裝有理線槽。分類(lèi)裝置的四周及頂部安裝有亞克力板密封板，觸摸顯示屏固定在上層裝置的側(cè)面密封板上。

1—投放識(shí)別機(jī)構(gòu)；2—觸摸顯示屏；3—光電傳感器；4—鋁型材框架；5—側(cè)板；6—下層支撐板；7—理線槽；8—分類(lèi)儲(chǔ)運(yùn)機(jī)構(gòu)；9—上層支撐板；10—系統(tǒng)控制盒。

1.1 投放識(shí)別機(jī)構(gòu)

投放識(shí)別機(jī)構(gòu)如圖2所示，主要用于生活垃圾的圖像采集、識(shí)別及分類(lèi)投放。該機(jī)構(gòu)由滑料板、攝像頭、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和投放轉(zhuǎn)盤(pán)等組成?；习骞潭ㄔ诼淞贤凹吧蠈禹敯迳?，攝像頭安裝在落料桶的頂部蓋板上，投放轉(zhuǎn)盤(pán)位于上層支撐板下方并固定在電機(jī)軸上，用于驅(qū)動(dòng)投放轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)的電機(jī)安裝在上層支撐板上。當(dāng)生活垃圾通過(guò)滑料板落入落料桶時(shí)，投放轉(zhuǎn)盤(pán)擋住落料桶便于攝像頭進(jìn)行垃圾識(shí)別。當(dāng)識(shí)別完成后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)投放轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)直至轉(zhuǎn)盤(pán)上圓形孔與落料桶對(duì)中，從而便于垃圾進(jìn)入分類(lèi)儲(chǔ)運(yùn)機(jī)構(gòu)。

1—落料桶；2—攝像頭；3—擋板；4—滑料板；5—驅(qū)動(dòng)電機(jī)；6—上層支撐板；7—投放轉(zhuǎn)盤(pán)。

1.2 分類(lèi)儲(chǔ)運(yùn)機(jī)構(gòu)

分類(lèi)儲(chǔ)運(yùn)機(jī)構(gòu)如圖3所示，主要是為了實(shí)現(xiàn)4類(lèi)生活垃圾的分類(lèi)存儲(chǔ)。該機(jī)構(gòu)由中間軸、支撐座、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、垃圾桶、固定板、萬(wàn)向球、同步帶輪等組成。中間軸上固定有支撐座、固定板和大同步帶輪，4類(lèi)垃圾桶放置于支撐座上方并穿過(guò)固定板上的孔來(lái)限制徑向運(yùn)動(dòng)，用以支撐分類(lèi)儲(chǔ)運(yùn)機(jī)構(gòu)并減少摩擦力的萬(wàn)向輪和用以回轉(zhuǎn)定位的限位開(kāi)關(guān)安裝在下層支撐板上；電機(jī)固定在下層支撐板的下方，電機(jī)軸上安裝有小同步帶輪，與中間軸上的大同步帶輪以同步帶連接，并保證傳動(dòng)比為2∶1。當(dāng)識(shí)別結(jié)束后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)與識(shí)別結(jié)果對(duì)應(yīng)的垃圾桶旋轉(zhuǎn)至落料桶的下方，等待垃圾落入。待垃圾落入后，分類(lèi)儲(chǔ)運(yùn)機(jī)構(gòu)開(kāi)始在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直至觸碰到限位開(kāi)關(guān)。

1—萬(wàn)向球；2—限位開(kāi)關(guān)；3—同步帶輪；4—中間軸；5—垃圾桶；6—固定板；7—法蘭；8—驅(qū)動(dòng)電機(jī)；9—支撐座。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)框圖

垃圾分類(lèi)裝置的控制系統(tǒng)主要是將由攝像頭識(shí)別的垃圾準(zhǔn)確投入到各類(lèi)垃圾桶中，并通過(guò)光電傳感器對(duì)垃圾桶內(nèi)垃圾量進(jìn)行滿載監(jiān)測(cè)，控制系統(tǒng)框架如圖4所示，總共包括識(shí)別檢測(cè)單元、投放顯示單元和分類(lèi)儲(chǔ)運(yùn)單元。識(shí)別檢測(cè)單元中的圖像識(shí)別模塊主要是對(duì)投放生活垃圾進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果通過(guò)UART回傳至單片機(jī)[6]，而滿載檢測(cè)模塊主要是用漫反射方式進(jìn)行測(cè)距，當(dāng)距離達(dá)到預(yù)設(shè)值后將會(huì)回傳電信號(hào)，進(jìn)行滿載報(bào)警。投放顯示單元一方面通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)投放轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，另一方面利用UART口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與觸摸顯示屏的連接，完成宣傳動(dòng)畫(huà)、垃圾種類(lèi)、滿載檢測(cè)結(jié)果、垃圾投入狀態(tài)等信息的播放。分類(lèi)儲(chǔ)運(yùn)單元主要通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)并基于帶輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)垃圾桶的轉(zhuǎn)動(dòng)，此外，采用LXW5-11N1限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行垃圾桶的回轉(zhuǎn)定位。

圖4 控制系統(tǒng)框架圖

2.2 關(guān)鍵元件選型及其電路設(shè)計(jì)

1)單片機(jī)

為了實(shí)現(xiàn)垃圾分類(lèi)裝置的驅(qū)動(dòng)控制、圖像識(shí)別與屏幕顯示等功能的相互配合，設(shè)計(jì)中采用功耗低、性?xún)r(jià)比高的STC89C52單片機(jī)作為控制核心。該單片機(jī)工作電壓為3.8 V～5 V，采用12 MHz的晶振，電容C1、C2主要用于過(guò)濾高頻信號(hào)，使晶振工作更加穩(wěn)定，其外圍電路如圖5所示。圖中I/O口P1.0-P1.2、P1.3-P1.5分別用于連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器A、B；P2.4、P2.5用于接收光電傳感器及限位開(kāi)關(guān)所回傳的電信號(hào)。

圖5 單片機(jī)外圍電路

2)圖像識(shí)別模塊

本裝置的圖像識(shí)別模塊需要實(shí)現(xiàn)生活垃圾的采集，并且可嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行圖像識(shí)別及分類(lèi)，故文中選用OpenMV4 H7 PLUS作為圖像識(shí)別模塊，如圖6(a)所示，其集成一塊主頻480 MHz的STM32H743II，擁有更為優(yōu)異的性能，在導(dǎo)入已訓(xùn)練好的模型后有助于實(shí)現(xiàn)垃圾的準(zhǔn)確識(shí)別和分類(lèi)。圖6(b)為STM32H743II與STC89C52的電路連接圖，使用STM32H743II中的串口1與STC89C52進(jìn)行通信，其上的P0為UART1 RX端，P1為UART1 TX端，分別與STC89C52中的P3.1、P3.0相連。

圖6 圖像識(shí)別模塊

3)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊

為了實(shí)現(xiàn)投放轉(zhuǎn)盤(pán)及分類(lèi)儲(chǔ)運(yùn)機(jī)構(gòu)的精確旋轉(zhuǎn)角度控制，文中選用42步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行動(dòng)力源，其步距角為1.8°，即當(dāng)細(xì)分器處于n細(xì)分狀態(tài)時(shí)，要使輸出軸旋轉(zhuǎn)1.8°，細(xì)分器需接收n個(gè)方波脈沖[7]；選用ZD-M42S作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其支持脫機(jī)、使能、鎖定、128細(xì)分可調(diào)等功能，基于步進(jìn)電機(jī)控制原理及該驅(qū)動(dòng)器的128可調(diào)細(xì)分功能，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精準(zhǔn)定位，以保證投放的準(zhǔn)確性。圖7為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)物圖及電路連接圖，STC89C52中的P1.0、P1.1、P1.2分別與驅(qū)動(dòng)器中的CP、DIR、EN端相連，42步進(jìn)電機(jī)中的黑、綠、紅、藍(lán)線分別與驅(qū)動(dòng)器中的A+、A-、B+、B-相連。

圖7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

4)滿載檢測(cè)模塊

為了監(jiān)測(cè)桶內(nèi)垃圾是否已滿，選用E3F-DS30F1漫反射光電傳感器作為本裝置的滿載檢測(cè)模塊。當(dāng)傳感器上發(fā)射器射出光束時(shí)，由于障礙物遮擋而造成光束漫反射，待接收器接收到足夠強(qiáng)度光束后，傳感器輸出相應(yīng)開(kāi)關(guān)信號(hào)。該傳感器可調(diào)距離7～30 cm，響應(yīng)時(shí)間在2 ms以下，采用NPN輸出，滿足本裝置的滿載檢測(cè)使用要求。光電傳感器實(shí)物圖和電路圖如圖8所示，其中P2.4用于檢測(cè)高低電平變化，傳輸電信號(hào)。

圖8 光電傳感器電路圖

3 智能識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模型的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的垃圾分類(lèi)裝置主要用于可回收、有害、廚余及其他共4類(lèi)垃圾的識(shí)別與分類(lèi)。為了實(shí)現(xiàn)垃圾的精確分類(lèi)，文中選用MobileNet V1可分離卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)集訓(xùn)練模型[8]。MobileNet V1是Google提出的用于嵌入式設(shè)備的輕量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其能夠在保證模型性能的前提下大大減少網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量，且可以在計(jì)算資源有限的條件下通過(guò)小型化參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)識(shí)別率的最大化。相比起傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該模型的主要特點(diǎn)在于將標(biāo)準(zhǔn)卷積拆分為深度卷積和逐點(diǎn)卷積兩部分。圖9給出了MobileNet V1模型可分離卷積的原理。首先是對(duì)采集到圖片信息進(jìn)行深度卷積，深度卷積指不跨通道的卷積，是將輸入特征中的通道與對(duì)應(yīng)的該通道上的卷積核進(jìn)行卷積操作，并保證特征圖的數(shù)量不變，以此達(dá)到對(duì)輸入特征的濾波；接著進(jìn)行逐點(diǎn)卷積，采用1×1的卷積核將濾波后的特征圖在通道方向進(jìn)行擴(kuò)展和整合處理，用以獲得輸出特征圖，即提取出輸出特征[9]。在MobileNet V1模型中有兩個(gè)超參數(shù)：寬度因子α和分辨率因子ρ。通過(guò)調(diào)整上述參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)模型計(jì)算量的縮放，從而有助于改變模型大小來(lái)滿足不同設(shè)備的需求。

圖9 MobileNet V1原理圖

在垃圾識(shí)別過(guò)程中，通過(guò)攝像頭獲取垃圾圖像信息，再將獲取的圖像導(dǎo)入至已訓(xùn)練好的MobileNet模型中進(jìn)行圖像匹配，根據(jù)輪廓、色彩、材質(zhì)等特征識(shí)別方法[10]尋求兩者間的共同點(diǎn)，進(jìn)而根據(jù)識(shí)別算法識(shí)別出所投垃圾類(lèi)別。

3.2 數(shù)據(jù)樣本的構(gòu)建

文中用于訓(xùn)練和測(cè)試的數(shù)據(jù)集來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)和OpenMV攝像頭拍攝。依據(jù)現(xiàn)行分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，在保證數(shù)據(jù)集具有典型性和代表性的同時(shí)兼顧訓(xùn)練效率，采集可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾及其他垃圾共3 600張形態(tài)、顏色、角度等影響因素均不同的照片，其中訓(xùn)練樣本占比80%，即2 880張；測(cè)試樣本占比20%，即720張[11]。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

4.1 模型訓(xùn)練測(cè)試

在完成數(shù)據(jù)集采集后，利用MobileNet模型進(jìn)行學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。調(diào)整寬度因子α為1.0、分辨率因子ρ為0.86，設(shè)置學(xué)習(xí)率為0.001，置信度為0.75，并使用全連接層作為分類(lèi)器進(jìn)行訓(xùn)練，共訓(xùn)練80輪，輸出其訓(xùn)練過(guò)程中訓(xùn)練效果最好的模型。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，結(jié)果如圖10所示，其訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的平均準(zhǔn)確率達(dá)97.18%，測(cè)試集的平均準(zhǔn)確率達(dá)95.55%，訓(xùn)練效果較為理想，表明該模型具有較好的可靠性[12]。

圖10 模型訓(xùn)練結(jié)果

4.2 實(shí)物制作及測(cè)試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法，課題組進(jìn)行了基于視覺(jué)識(shí)別的智能垃圾分類(lèi)裝置制作及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如圖11所示。測(cè)試時(shí)完全根據(jù)實(shí)際生活中的垃圾投放，實(shí)驗(yàn)在戶外正常光照條件下進(jìn)行，分早晨、中午、晚上3個(gè)時(shí)間段，分別針對(duì)上文經(jīng)模型訓(xùn)練后的16種垃圾進(jìn)行400次隨機(jī)投放測(cè)試。

圖11 智能垃圾分類(lèi)裝置運(yùn)作流程

表1給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。由表可以看出在中午光照充足的時(shí)候，分類(lèi)平均正確率可達(dá)94.00%；在早晨、晚上光照不足的條件下，本裝置自帶的光源起到良好作用，分類(lèi)平均正確率也可達(dá)92.00%、94.00%。此外，本裝置3個(gè)時(shí)間段累計(jì)1 200次的分類(lèi)投放平均準(zhǔn)確率達(dá)93.33%，符合預(yù)期效果，驗(yàn)證了文中所設(shè)計(jì)裝置具有較好的垃圾分類(lèi)性能。

表1 垃圾投放測(cè)試結(jié)果 單位：%

5 結(jié)語(yǔ)

為了解決現(xiàn)行垃圾分類(lèi)效率不高、人工成本過(guò)大等問(wèn)題，提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的新型智能垃圾分類(lèi)裝置。通過(guò)理論設(shè)計(jì)和實(shí)物測(cè)試可得出如下結(jié)論：

1)文中所設(shè)計(jì)的智能垃圾分類(lèi)裝置采用雙層框架式結(jié)構(gòu)，并將投放識(shí)別結(jié)構(gòu)和分類(lèi)儲(chǔ)運(yùn)機(jī)構(gòu)分別安裝于上、下兩層，實(shí)現(xiàn)了不同位置不同功能，提高了垃圾分類(lèi)效率，同時(shí)使得垃圾在倒取過(guò)程中更為便捷；

2)文中所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)角度的精準(zhǔn)控制、滿載的準(zhǔn)確檢測(cè)及垃圾的正確回收，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互界面的實(shí)時(shí)顯示，控制性能優(yōu)異；

3)文中通過(guò)對(duì)MobileNet V1模型的訓(xùn)練以及兩個(gè)超參數(shù)的調(diào)整，展現(xiàn)了識(shí)別系統(tǒng)的優(yōu)異性能，實(shí)現(xiàn)了可回收、其他、廚余和有害這4類(lèi)垃圾的準(zhǔn)確識(shí)別與分類(lèi)，避免了人工分類(lèi)過(guò)程中主觀因素的影響。

由裝置的應(yīng)用測(cè)試表明，其具備了生活垃圾的自動(dòng)識(shí)別、分類(lèi)回收、滿載檢測(cè)和界面顯示等功能，且性能優(yōu)異，對(duì)于減少環(huán)境污染和提高資源利用具有積極的應(yīng)用價(jià)值；但在生活實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，生活垃圾種類(lèi)更為繁雜。因此，后續(xù)仍將會(huì)對(duì)本裝置的識(shí)別模型進(jìn)行進(jìn)一步的訓(xùn)練，不斷擴(kuò)大樣本數(shù)據(jù)，從而滿足日常生活垃圾的分類(lèi)需求。