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        一種基于樹莓派的新型智能多功用自動分類垃圾箱的設(shè)計與應(yīng)用分析

        2022-07-04 13:15:31嚴(yán)達(dá)黃思威
        科學(xué)與財富 2022年8期
        關(guān)鍵詞:創(chuàng)新設(shè)計智能

        嚴(yán)達(dá) 黃思威

        摘 要:面對中國經(jīng)濟(jì)已然由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段這個現(xiàn)實,實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是推動高質(zhì)量發(fā)展之路中的必然要求,綠色節(jié)能清潔成為了社會各界的發(fā)展轉(zhuǎn)型目標(biāo)。做好垃圾分類,回收并重復(fù)利用材料,提高對環(huán)境資源的利用率,降低碳排放,助力3060雙碳目標(biāo)的早日實現(xiàn)。面對社會上垃圾分揀的難點痛點,本文提出一種基于樹莓派的新型智能多功用自動分類垃圾箱,通過機械結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新優(yōu)化,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)泛化感知,實現(xiàn)垃圾智能分類,自動投放,滿載檢測等功能,該自動分類垃圾箱的設(shè)計方案具備可行性。

        關(guān)鍵詞:垃圾投放;智能,創(chuàng)新設(shè)計;城市生活垃圾;

        0 引言

        進(jìn)入20世紀(jì)以來,隨著經(jīng)濟(jì)和生活水平的快速提高,制造業(yè)作為支撐國民經(jīng)濟(jì)的主體,一方面為人類進(jìn)步和發(fā)展,積累并創(chuàng)造巨大財富做出突出貢獻(xiàn),另一方面也帶來了溫室效應(yīng),資源耗竭等問題,如今實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”已經(jīng)成為當(dāng)下全球的關(guān)注熱點和創(chuàng)新熱點。以制造業(yè)的產(chǎn)品生命周期為例,期間需要經(jīng)歷設(shè)計,制造、包裝、運輸、使用和回收處理六大過程。在每一過程中伴隨著碳排放,而垃圾分類處理作為產(chǎn)品生命周期的最后一環(huán),對于積極響應(yīng)雙碳目標(biāo),降低制造能源消耗,控制產(chǎn)品價值鏈間接排放有著重要意義。垃圾分類作為當(dāng)今社會熱點問題,對垃圾的正確分類已經(jīng)成了中國當(dāng)前發(fā)展的重大命題,對于幫助企業(yè)節(jié)能環(huán)保,減碳有著重要意義,同時有助于居民綠色環(huán)保理念的貫徹深入,重新構(gòu)建生活消費方式。對于當(dāng)前市場上存在的垃圾分類裝置并不符合現(xiàn)代社會發(fā)展的需要,例如體積龐大,只適合在公共場合投放,民用普及率不夠高,使用和投放成本過高等特點。

        經(jīng)過社會調(diào)查及研究發(fā)現(xiàn),設(shè)備的小型化更有利于垃圾分類的普及和推廣,所以我們在市場已有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上推出一種基于樹莓派的新型智能多功用自動分類裝置,利用其體積小,成本低的特點,易于大范圍推廣并應(yīng)用,在使用過程中可以充分發(fā)揮其性能,同時對于分類好的垃圾進(jìn)行處理,通過滿載檢測對于垃圾情況實時掌握,減少細(xì)菌滋生,降低環(huán)境污染。目前本裝置的具體執(zhí)行機構(gòu)是擋板,無法處理類別不同的堆疊垃圾,對于單個垃圾或者同類別的可以實現(xiàn)自動識別和歸類收集。對于收集到各類垃圾做到物盡即用,滿足社會的可持續(xù)發(fā)展,助力雙碳目標(biāo)的實現(xiàn),便利人們的生活和出行方式。

        1 分類裝置的工作流程設(shè)計

        首先,由使用者將垃圾扔入待處理平臺,設(shè)備自身攜帶的CSi攝像頭進(jìn)行識別與處理,通過建構(gòu)學(xué)習(xí)模型去識別垃圾的類別,同時識別過后將命令傳遞到舵機1去轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度,同時反饋舵機2去轉(zhuǎn)動對應(yīng)的角度去完成二者之間的相互定位,在投放垃圾入桶之前,投放口的超聲波傳感器會對垃圾的滿載情況進(jìn)行檢測,遇到滿載情況及時反饋到前端初始化,使得舵機3無法工作。當(dāng)垃圾未滿載時,舵機3就會將垃圾推入所屬垃圾桶類。

        2工作組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

        按照系統(tǒng)的設(shè)計特點,一般有如下主要功能模組:將控制端分為主控制器和副控制器兩個主要部分,并選用樹莓派3B+和Arduino開發(fā)板分別作為一級開發(fā)板和二級開發(fā)板的主控芯片。樹莓派3B+實現(xiàn)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分類任務(wù),Arduino負(fù)責(zé)進(jìn)行滿載報警和分類動作的執(zhí)行。樹莓派作為主控制器,主要負(fù)責(zé)處理csi攝像頭傳回的圖像數(shù)據(jù)。利用AlexNet模型和圖像算法,對于圖像中垃圾物進(jìn)行判斷,并將所得結(jié)果傳遞給 Arduino 控制器。Arduino作為副控制器,負(fù)責(zé)接收樹莓派處理后的垃圾物類別信息,并依據(jù)此信息去控制電機完成相應(yīng)的分揀動作。分類系統(tǒng)中傳感器主要由csi攝像頭和超聲波傳感器組成。攝像頭結(jié)合紅外補光燈,使得視野范圍更大,有助于獲取垃圾物的圖像;超聲波傳感器則通過測量垃圾桶內(nèi)儲存的實際污物總量,是否達(dá)到了垃圾桶容積的百分之七十五從而實現(xiàn)滿載報警。動作執(zhí)行部分主要是三部步進(jìn)電機,步進(jìn)電機通過PID控制算法,結(jié)合驅(qū)動電路,調(diào)節(jié)電機的回轉(zhuǎn)方位和角度,使電機工作實現(xiàn)指定角度轉(zhuǎn)動以及投放口的準(zhǔn)確重合。

        3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的選擇

        充分考慮了智能分類與垃圾識別設(shè)備的具體使用場合的特殊性,決定將圖像技術(shù)全面部署在低功耗、易于應(yīng)用的嵌入式平臺樹莓派3B+上。樹莓派存在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存較少且計算力較差,所以怎樣使用部署的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模塊就變得特別關(guān)鍵。經(jīng)過對比現(xiàn)有的各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,準(zhǔn)確率較高的模型是LeNet-5、AlexNet、VGG、ResNet,因ALexNet運行效率快并且占用存儲空間少,故適合垃圾分類識別算法設(shè)計。

        AlexNet在激活函數(shù)上選取了非線性非飽和的relu函數(shù),并在雙gpu上運行,每個gpu負(fù)責(zé)一半網(wǎng)絡(luò)的運算,在relu層加入LRN,可形成某種形式的橫向抑制,從而提高網(wǎng)絡(luò)的泛華能力。池化方式采用overlapping pooling。通過八層卷積層運算提取圖片特征,并利用大量數(shù)據(jù)集進(jìn)行測試,提高識別準(zhǔn)確率。

        4分類裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

        對于分類裝置功能的實現(xiàn)分為垃圾桶主體、分類執(zhí)行機構(gòu),殼體三大部分。使用Solidworks軟件對垃圾桶的機器硬件方案設(shè)計進(jìn)行了構(gòu)建,機器架構(gòu)包括上、中、下三層,上層結(jié)構(gòu)包括垃圾投放口、蓄電池、樹莓派的開發(fā)板和攝像機頭;中層裝有機械傳動裝置,包含步進(jìn)電機,電磁鐵、履帶行車底盤和固定底座;下層安裝四箱體,包含筒體。

        4.1垃圾桶主體設(shè)計

        垃圾桶主體選用截面為正方形的的筒體,便于后續(xù)的角度計算,減少垃圾分類的死角,提高分類效率。桶身材料采用塑料材料制成,面對分類對象的種類的復(fù)雜性,需要考慮到垃圾桶的耐腐蝕性,耐用性,經(jīng)濟(jì)實用型,塑料具備加工簡單,價格便宜,考慮到分類裝置的使用場景,塑料材料更多的適合室內(nèi)使用,對于投放在室外,桶身材料需要考慮抗老化的問題。對于單個桶身尺寸方面采取200*200*300的設(shè)置,符合市面上常規(guī)售賣的尺寸,符合家用需求。

        4.2分類執(zhí)行機構(gòu)

        分類執(zhí)行機構(gòu)作為垃圾分類的核心機構(gòu),主要由底板、撥板、擋盤,三部步進(jìn)電機構(gòu)成,對于執(zhí)行機構(gòu)的外形設(shè)置采取圓形設(shè)置,便于執(zhí)行機構(gòu)的定位,執(zhí)行,復(fù)位。底板與撥板之間采取同心軸連接,采用固定的交錯90角度相連,可以相互活動。動力來源于兩部獨立控制的步進(jìn)電機,當(dāng)重物放置在底板上時需要較大的扭矩去帶動,故中心軸和底板材料的結(jié)構(gòu)強度需要足夠高,考慮不銹鋼材料去應(yīng)用。撥板的運轉(zhuǎn)只發(fā)生在底板和擋盤的相互完成定位后,撥板逆時針轉(zhuǎn)動固定的90度,將待分類垃圾撥轉(zhuǎn)到相應(yīng)類別的垃圾桶。待完成撥轉(zhuǎn)后,自動復(fù)位到初始位置,與底板形成交錯角度,考慮撥板的應(yīng)用場景和使用環(huán)境,材料需要考慮剛度和耐磨性,以金屬材料為主。擋盤的主要作用是接受樹莓派傳遞的類別標(biāo)簽,通過PID控制步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)固定的角度達(dá)到標(biāo)簽垃圾桶的上方,同時返回角度數(shù)值給底板提供旋轉(zhuǎn)角度參數(shù),便于定位,隨后撥板進(jìn)行投放步驟,當(dāng)本次操作完成時,自動復(fù)原,同時利用擋盤和底板的交錯角度達(dá)到密封的作用,保證分類垃圾之間不會進(jìn)行異味的交織,對于擋盤的材料,我們選擇塑料件去制作擋盤,考慮到擋盤的耐腐蝕,抗老化等問題。

        4.3殼體部分

        殼體部分包括頂蓋,殼體,底座三個部分,更多的承擔(dān)的是縱向的載荷,為此殼體部分的高度不宜過高,防止重心過高的現(xiàn)象的發(fā)生,避免分類裝置傾倒。按照某市實行生活每立方米生活垃圾的重量壓縮前約為0.42噸進(jìn)行計算。本分類裝置單桶容積12升,預(yù)計可以容納5.04kg重量的生活垃圾,四個分類桶預(yù)計可以容納20.16kg生活垃圾,這對于底座的承載能力提出了更高的要求,對于材料的強度和剛度有了更高的要求,對此殼體部分選用高密度聚乙烯和聚丙烯兩種塑料,做到經(jīng)濟(jì)性與實用性兼容。

        5.控制邏輯的設(shè)計

        5.1 Arduino控制設(shè)計

        系統(tǒng)通電后,首先對于Arduino 控制器及其外設(shè)進(jìn)行初始化,隨后將訓(xùn)練好的深度學(xué)習(xí)模型導(dǎo)入到主控制器中,便于開展后續(xù)的垃圾物識別工作。樹莓派對于csi攝像頭發(fā)出指令,拍照,通過訓(xùn)練好的深度學(xué)習(xí)模型判斷圖像中是否存在垃圾物,若不存在,等待下次拍照;若存在,則利用訓(xùn)練好的深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行分析處理,獲得當(dāng)前圖像垃圾物的類別。并將處理結(jié)果發(fā)送至 Arduino 控制器,控制電機進(jìn)行角度方向的旋轉(zhuǎn),并完成投放。

        5.2識別設(shè)計

        此系統(tǒng)中攝像頭通過排線直接與樹莓派的csi接口連接,樹莓派通過對攝像頭的控制,對待檢測的垃圾物進(jìn)行拍照,并將拍攝的照片與學(xué)習(xí)模型中的垃圾種類參數(shù)比較,從而獲得待檢測的垃圾物的種類,并將類別結(jié)果發(fā)送至Arduino控制器,完成其他投放動作。

        6.結(jié)束語

        城市生活垃圾已經(jīng)成為制約城市發(fā)展的一大關(guān)鍵因素,在新發(fā)展理念的倡導(dǎo)下,生活垃圾分類作為其中重要的一環(huán),對于降低污染,減少碳排放有著重要的作用。以當(dāng)前生活垃圾分類難、人工分類任務(wù)重、生活垃圾分類點利用率不足等現(xiàn)實狀況為出發(fā)點,符合要求的科學(xué)家設(shè)計出了上文中所述生活垃圾分類裝置。

        該裝置較傳統(tǒng)的人工分揀方式具有如下優(yōu)勢:(1)裝置小型化,利于家庭場景的推廣應(yīng)用;(2)垃圾分揀迅速,節(jié)省人力,智能化;(3)滿載報警,實時監(jiān)控;(4)圖像識別垃圾,分類高效,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可學(xué)習(xí)性高;(5)投放口交錯設(shè)置,避免垃圾異味擴散,凈化空氣品質(zhì)

        綜上所述,本設(shè)備能夠更迅速地將生活垃圾進(jìn)行分類,并同時避免生活垃圾臭味排放,從而改善城市空氣質(zhì)量,對緩解生活垃圾分類困難、費時耗力的問題有一定的幫助,并具備了相當(dāng)?shù)膶嶋H推廣應(yīng)用價值。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 張浩 李淑青 杜澤英 孫悅 李鑫瑞 張宇華,基于SolidWorks的智能垃圾分類裝置設(shè)計與控制,大學(xué)物理實驗第34卷第4期(2021年8月),66-69

        [2] 高士雅,胡曉穎,董景峰,生活垃圾分類回收處理體系及智能分類垃圾箱設(shè)計,物流技術(shù)2021年第40卷第7期,110-114

        [3]劉志峰,黃海鴻,李磊,劉赟,綠色制造:碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下制造業(yè)的必然選擇,金屬加工冷加工2022年第1期,15-18

        作者簡介:嚴(yán)達(dá)(2002—)男,湖北天門人,學(xué)歷:本科在讀,主要研究方向:車身工程與智能制造。

        黃思威 (2001-) 男,湖北應(yīng)城人,學(xué)歷:本科在讀,主要研究方向:車身工程與智能制造。

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