基于多种识别方式组合的智能分类垃圾桶研究

摘要：文章设计智能分类垃圾桶，使用高清摄像机、红外热像仪、物相分析仪和数据处理设备，采用机器视觉、热成像分析、物相分析等方法识别判断，对多种鉴定方法进行全面审查，可有效提高垃圾分类的准确性。

关键词：智能分类垃圾桶;垃圾分类;识别方式

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2021）23-00-03

垃圾分类是我国环境保护领域一个新的发展热点，在中国还处于起步阶段。目前垃圾分类主要依靠人工操作[1]，居民缺乏分类意识，因此推行垃圾分类具有较强的可持续性、高难度和低准确性[2]。

1 智能分类垃圾桶设计原理及结构组成

图1（a）为三维模型，（b）为内部结构。垃圾箱分为室内垃圾箱和室外垃圾箱。斗1配有旋转装置，用来控制斗10。回转装置主要包括发动机转子11、中轴9、转子2等。10个室内贮物箱中有4个扇形垃圾箱，内有危险垃圾箱、湿式垃圾箱和干式垃圾箱。语音识别模块安装在抽屉4的盖子中。

正常操作智能垃圾箱时，用户只需要指定垃圾的类型，如纸板，声控模块接收器接收声音信号之后，发动机驱动盘11驱动轴9，而转子2、内斗10、旋转架3和垃圾袋安装板7在中轴9上旋转，4个扇形槽垃圾箱的旋转盖位于相应的纸板内斗下方，然后旋转电机5的盖子带动转盖6旋转，打开垃圾箱，用户完成垃圾的堆放。

2 智能分类垃圾桶机械结构设计

2.1 内桶旋转结构设计

图2展示了内桶的旋转结构。在图中，旋转圆盘6通过垃圾袋安装板3和旋转支架5与法兰开关4连接到中心轴2，通过中心轴2和刚性开关1连接到中心转子7外，通过旋转发电机7驱动主轴2旋转，除旋转圆盘6，为垃圾袋而设置的三号挡板与五号转动装置也将分别转动。

图3（a）为垃圾袋安装板的三维模型。设计成扇形面板，便于安装垃圾袋与更换垃圾袋，将垃圾袋堆放在雪花中可防止垃圾袋被清除。图3（b）是一个带有旋转平台的三维子项目模型。图2中该桶位于转子6的顶部。

2.2 开合盖设计

图4（a）是打开盖时智能修复器的状态，图4（b）则是关闭盖时智能存储库的状态。在堆放垃圾时，语音识别模块发动机盖推进器3，根据声音内容，将垃圾桶盖1顺时针旋转90°，旋转式垃圾桶盖1与垃圾桶盖2重叠，如图4（a）所示，将备用或垃圾类型的音频内容置于中风通道的右下方。图4（a）完成智能垃圾容器的开启和旋转。同时铲斗电机盖3驱动旋转料斗罩1逆时针转动约90°，智能料斗返回封闭空间，如图4（b）所示。

2.3 垃圾体积检测结构设计

用于检查内部垃圾箱的内容，如图5所示的垃圾体积检测结构，室外红灯传感器直接放置在垃圾袋安装板2和内部垃圾箱1之间的室外箱盖下，作为容积指示器，红外发射头3安装在垃圾袋安装板2上，红外接收器头4安装在斗1的外壁上，当料斗内的垃圾箱处于容积控制之外时，光电传感器将信号引导到控制中心，提醒用户更换垃圾袋。

2.4 内桶结构设计

图6展示了铲斗内部零件的三维模型。垃圾桶外斗设计成圆筒形，内斗设计成扇形，内斗的两个直角处设计有两个凹半圆，主要用于清洗时拆卸内斗。

3 多识别方式的设计

3.1 机器视觉识别

垃圾箱里有一个摄像头，可以对机器进行目视识别，机器视觉系统是一个图像识别系统，和数据收集系统一样，可以迅速高效地输出并分析图像对象类型[3]。

这个机器视觉控制垃圾箱使用椰子数据集，包含20多个不同的日常垃圾图像，容量约为1 000个单元，可较好地比较和识别普通包装垃圾。

图7显示，在六个实验组中，早期阶段和快速RCNN组合使用的时间最短，并且成功地评估了对象数量。检测和屏蔽RCNN只需要很短的时间就能成功识别所有对象。

3.2 极光照射后热成像识别

垃圾箱中配置小功率激光器和热成像仪，可以产生物体经激光照射后形成的热图像。两种图像分析和识别方法可用于确定物体的材料特性和外部轮廓，温度可能与热像上温度场的颜色不同[4]。通过对元素进行建模，可以将节点温度与热图分离，并识别材料的特性，如塑料、金属、玻璃和橡胶。

3.3 物相分析图识别

该垃圾桶还装有小型X射线发送与接收设备和能进行物相分析的小型物相分析仪。X射线定量相分析方法是测量相成分与相位关系分析的常规方法。

4 智能识别系统设计

利用传感器功能设计智能检测分类系统。要构建识别系统，须根据材料的特性选择多个传感器，金属、透明、导电等传感器装配单元图如图8所示。

4.1 识别原理

抽屉侧面的条形码扫描仪识别瓶子和包装袋类型;金属探测器可以利用电磁感应原理分离金属和非金属废料;红外辐射传感器（E3F-5DN1）可以区分非金属垃圾中的透明垃圾和不透明垃圾。

4.2 识别过程

通过垃圾倾倒窗口进入矩形接收器，位于抽屉一侧的条形码扫描仪通过包装识别垃圾类型，检测到的垃圾通过旋转门进入圆形舱口，并移动到圆形倾倒窗口。与此同时，车体右风扇开始工作，轻便的东西如纸、树枝、树叶等分开，落在L形刀片上，然后落在L形刀的分支上，这样就可以使垃圾落到圆柱形垃圾板上，然后用旋轉门分离垃圾。

5 运输自卸系统的设计

智能垃圾分离器应用了GPS定位、遥控、履带移动装置和液压举升等设备。如图9所示，在智能垃圾分类箱下方设置了一个履带移动装置和遥控信号接收装置。

6 结语

文章设计的实用性智能分类垃圾桶既节能又环保，能够改善人们的生活环境，在居民小区、街道等户外公共场所有广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 余华，叶超.基于SVM和GMM组合分类器的谎言识别方法[J].电子器件，2019，42（1）：4.

[2] 魏子瑄，刘小刚，陈真贵，等.基于语音识别技术的智能分类垃圾桶[J].单片机与嵌入式系统应用，2020，20（1）：79-82.

[3] 马新玲，郭兆阳，乐祺中，等.多种识别方式组合的智能分类垃圾桶[J].机械与电子，2020，38（12）：5.

[4] 侯林.海关进口塑料废物智能分类识别技术的研究[J].塑料科技，2020（5）：148-150.

作者简介：李颖慧（1985—），女，山东青岛人，硕士在读，研究方向：工业设计。

指导老师：胡珊