石洪鐘 龐睿麒 陳阮 蔡虎 孫潔

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)垃圾桶由于位置固定而導(dǎo)致垃圾容易拋出桶外的情況，本文提出了一種基于Kinect傳感器的具有智能捕捉垃圾功能的垃圾桶。該設(shè)計(jì)可以根據(jù)垃圾掉落的軌跡推算其落點(diǎn)位置，并移動(dòng)到落點(diǎn)接住垃圾。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)較大程度地增加了垃圾桶使用的便捷性。

關(guān)鍵詞：Kinect；傳感器；智能捕捉；便捷

中圖分類號(hào)：TP273；TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）02-0197-02

Intelligent Capture Trash Design Based on Kinect Sensor

SHI Hongzhong，PANG Ruiqi，CHEN Ruan，CAI Hu，SUN Jie

（China Jiliang University，Hangzhou 310000，China）

Abstract：Due to the situation that the trash can be easily thrown out of the barrel because of the fixed position，a trash can with smart trapping function based on the Kinect sensor is proposed in this paper. According to the design of garbage falling trajectory，calculate the location of its landing，and move to the landing catch garbage. The experiment shows that the design greatly increases the convenience of using the trash can.

Keywords：kinect；sensor；intelligent capture；convenient

0 引 言

在我們身處的社會(huì)中，“環(huán)保”可謂是一個(gè)非常重要的話題，垃圾桶也成為了人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵贰ｋm然普通的垃圾桶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的不便之處，比如說，丟垃圾時(shí)容易將垃圾拋投至桶外，帶來不必要的污染。而全自動(dòng)垃圾桶則可以解決這一問題。全自動(dòng)垃圾桶設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于Kinect傳感器的動(dòng)作捕捉技術(shù)。通過Kinect傳感器，對(duì)人體拋投動(dòng)作進(jìn)行分析，并計(jì)算出物體的落點(diǎn)，再通過無線網(wǎng)絡(luò)控制垃圾桶移動(dòng)至落點(diǎn)，接住拋物。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)結(jié)構(gòu)可分為軟件部分和硬件部分。其中硬件部分包括信號(hào)傳輸模塊和小車移動(dòng)模塊，用于實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送，以實(shí)現(xiàn)控制小車移動(dòng)到預(yù)定位置的功能。軟件部分主要包括深度測(cè)量算法、落點(diǎn)確認(rèn)算法以及去噪點(diǎn)干擾算法。

通過Kinect傳感器中用來完成識(shí)別工作的紅外線發(fā)射器和紅外攝像機(jī)，可獲得物體的像素值，經(jīng)過相應(yīng)的深度算法得到物體的深度值，即物體相對(duì)傳感器的距離。在物體下落的過程中，獲取多個(gè)深度值，經(jīng)過落點(diǎn)確認(rèn)算法（采用卡爾曼濾波算法），擬合出落點(diǎn)坐標(biāo)，再將這個(gè)坐標(biāo)信息通過藍(lán)牙傳輸?shù)叫≤嚨慕邮漳K。通過位置信息，控制小車到指定位置接住拋物。如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)傳輸模塊

為了實(shí)現(xiàn)小車在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)地自由移動(dòng)，我們對(duì)信號(hào)的傳輸需要采取無線傳輸?shù)姆绞健Ｄ壳巴ㄓ玫臒o線傳輸技術(shù)很多，例如，紅外線通訊、藍(lán)牙、WLAN等。盡管紅外線通信技術(shù)具有性價(jià)比高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單以及能抵抗一定程度的電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，但其傳輸角度會(huì)受到限制，并且實(shí)時(shí)性不盡如人意。WLAN，即無線局域網(wǎng)，它的靈活性和移動(dòng)性是毋庸置疑的，然而組建一個(gè)無線局域網(wǎng)代價(jià)過高，對(duì)于本設(shè)計(jì)來說是沒有必要的。

相比于前兩者，藍(lán)牙技術(shù)傳輸速度雖不及WLAN，但綜合考慮之下，藍(lán)牙技術(shù)不失為最合適的選擇。

藍(lán)牙設(shè)備的發(fā)射端與Kinect相連接，用于發(fā)送數(shù)據(jù)。接收端位于小車底部。

2.2 小車移動(dòng)模塊

全自動(dòng)尋物垃圾桶的移動(dòng)通過桶底部的小車模塊來實(shí)現(xiàn)。信號(hào)傳輸會(huì)將分析所得的物體落點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給位于小車移動(dòng)模塊的接收裝置，從而控制小車移動(dòng)到規(guī)定落點(diǎn)接住拋物。為了使小車在運(yùn)行時(shí)平穩(wěn)、快速，小車移動(dòng)模塊采用兩個(gè)減速電機(jī)以及兩個(gè)萬向?qū)л喿鳛榈撞康闹谓Y(jié)構(gòu)。電機(jī)是小車動(dòng)力的關(guān)鍵。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用了H橋電路和PWM波。為了能控制小車精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)至預(yù)定位置，控制核心采用了STC15F2K61S2芯片?？刂坪诵耐ㄟ^控制左右電機(jī)的增減速來實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 Kinect深度測(cè)量

識(shí)別物體下落軌跡的工作自然需要由Kinect傳感器來完成。描述物體的空間位置需要建立一個(gè)三維坐標(biāo)軸。X、Y軸分別描述物體左右、上下的位置，Z軸描述物體距離傳感器的遠(yuǎn)近，即深度識(shí)別。其中物體的左右、上下的位置可通過測(cè)量空間中的一些參照物確定，問題的關(guān)鍵還是在于深度的識(shí)別。

Kinect傳感器中完成深度識(shí)別工作的重要部分是紅外線發(fā)射器和紅外攝像機(jī)。紅外線發(fā)射器發(fā)出的鐳射光通過發(fā)射器鏡頭前的光柵，均勻地投射到需要測(cè)量的空間。然而由于測(cè)量空間中的物體表面是粗糙的、不均勻的，紅外線會(huì)在物體表面形成隨機(jī)的散斑。然后通過紅外攝像頭記錄空間的每個(gè)散斑。對(duì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)地計(jì)算，可得到3D深度圖像。

在深度識(shí)別的基礎(chǔ)之上對(duì)X、Y軸坐標(biāo)進(jìn)行提取。在Kinect發(fā)送的數(shù)據(jù)流中，我們可得到每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度值。接下來，我們對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行遍歷，在遍歷的過程中，對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的深度值進(jìn)行判斷。若該像素點(diǎn)位于測(cè)試空間內(nèi)，則對(duì)該像素點(diǎn)的灰度賦值，否則灰度賦值為0。如此一來，可以在測(cè)試過程中將Kinect深度識(shí)別范圍中的物體與其他物體區(qū)分開來。

接下來繼續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的物體加以識(shí)別，并在此基礎(chǔ)上確定物體的X、Y坐標(biāo)值。在劃定實(shí)驗(yàn)區(qū)域的深度范圍后，判斷處于該范圍內(nèi)的像素點(diǎn)。對(duì)于某個(gè)像素點(diǎn)所映射的實(shí)際空間點(diǎn)而言，像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)i與其X、Y坐標(biāo)值存在一定的比例關(guān)系，即：i=X+kY，（k為常數(shù)）。根據(jù)該關(guān)系式我們即可確定物體的X、Y坐標(biāo)。

然而，實(shí)際情況下的物體具有一定的體積，因而它在Kinect傳感器上所映射的圖像并不是一個(gè)理想的空間點(diǎn)，而是具有一定面積的圖形。為此，我們通過求取深度值的平均值來求得物體中心點(diǎn)的坐標(biāo)，并利用物體中心點(diǎn)坐標(biāo)來描述物體位置。

在完成了確定識(shí)別、確定物體空間坐標(biāo)的關(guān)鍵問題后，我們就需要將數(shù)據(jù)傳送給垃圾桶底部小車，讓小車控制桶身到達(dá)指定落點(diǎn)。

3.2 落點(diǎn)確認(rèn)卡爾曼濾波算法

在物體下落的過程中，通過傳感器記錄物體下落的過程。為得到物體的落點(diǎn)，需要對(duì)軌跡進(jìn)行擬合。本設(shè)計(jì)采用的是卡爾曼濾波算法?？柭鼮V波具有多輸入多輸出、非平穩(wěn)隨機(jī)過程等許多優(yōu)點(diǎn)，它也是線性無偏最小方差準(zhǔn)則下的最優(yōu)估計(jì)。本設(shè)計(jì)選取物體下落過程中的一些坐標(biāo)值，通過卡爾曼算法擬合出物體運(yùn)動(dòng)軌跡，由此可得出物體落點(diǎn)。再將落點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸至小車。

3.3 去除噪點(diǎn)干擾

由于Kinect傳感器在實(shí)際檢測(cè)中存在噪點(diǎn)的干擾，這些噪點(diǎn)會(huì)影響深度判斷，因而需要去除噪點(diǎn)。物體通過傳感器映射的圖像是由一系列連續(xù)的像素點(diǎn)組成的，而噪點(diǎn)則是一些隨機(jī)的、斷續(xù)的像素點(diǎn)。根據(jù)這兩者之間的不同，可采用“有限狀態(tài)機(jī)”方法去除噪點(diǎn)，即在遍歷像素點(diǎn)的過程中判斷像素點(diǎn)的深度值是否在閾值之內(nèi)。若連續(xù)的若干個(gè)像素點(diǎn)都在閾值之內(nèi)，則可判斷該圖像屬于一個(gè)物體。由此可降低噪點(diǎn)干擾。如圖2所示。

4 結(jié) 論

本文從傳統(tǒng)垃圾桶的改進(jìn)之處出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于Kinect傳感器的智能捕捉垃圾桶，并闡述了其總體結(jié)構(gòu)和具體實(shí)現(xiàn)步驟。該方案與傳統(tǒng)垃圾桶相比具有更為便捷的優(yōu)點(diǎn)。

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