新經(jīng)濟(jì)背景下生活垃圾智能分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐的價(jià)值分析*

■劉策 柳楊（通化師范學(xué)院）

生活垃圾作為一項(xiàng)增長(zhǎng)型資源，其具有基數(shù)大、品類(lèi)多等特點(diǎn)，且部分垃圾含有一定的危險(xiǎn)物質(zhì)，如未對(duì)垃圾進(jìn)行正確分類(lèi)與處理，將對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅。反之，采取科學(xué)處理工藝，對(duì)大量生活垃圾進(jìn)行加工在利用，可帶來(lái)大量的經(jīng)濟(jì)效益，例如，利用垃圾燃燒來(lái)進(jìn)行火力發(fā)電，可有效減輕電力企業(yè)的運(yùn)行成本。*

一、生活垃圾智能分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本文生活垃圾智能分揀系統(tǒng)主要由運(yùn)行導(dǎo)向線、自動(dòng)分揀裝置等組成。運(yùn)行導(dǎo)向線是分揀系統(tǒng)的引導(dǎo)裝置，一般分為紅色、藍(lán)色、綠色、灰色四類(lèi)，以保證裝置在運(yùn)行過(guò)程中，可依據(jù)顏色將信息反饋到操作系統(tǒng)中，以得出正確的操控指令。自動(dòng)分揀裝置則由電機(jī)、攝像裝置、抓取裝置、垃圾桶、集成電路平臺(tái)等組成，其在運(yùn)行過(guò)程中，依托于攝像裝置，對(duì)外界顏色信息進(jìn)行獲取，將信息反饋到集成模塊，然后由操控平臺(tái)發(fā)送相應(yīng)的指令需求，令裝置完成自動(dòng)化運(yùn)行。

（二）硬件設(shè)計(jì)

在對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以電路操控板、攝像傳感裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)三部分為主體進(jìn)行分析。在對(duì)電路操控板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用XS128 型號(hào)的單片機(jī)作為主系統(tǒng)，其具有多模塊運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，在運(yùn)行過(guò)程中主要是對(duì)外界傳感器接收到的信息進(jìn)行采集與分析，然后再依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)系統(tǒng)下位的操作單元進(jìn)行軌跡指令傳輸，以確定各操作部件的空間位置。在對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行選擇時(shí)，考慮到單片機(jī)的工作形態(tài)，其電路供給模式應(yīng)包含內(nèi)部供電形式、外部供電形式兩種，以確保芯片、攝像頭、分揀裝置可正確執(zhí)行程序指令。

在對(duì)攝像傳感裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為保證傳感器的動(dòng)態(tài)化運(yùn)行模式，應(yīng)將其分為連續(xù)型、隔行型兩種工作模式，且圖像生成格式應(yīng)為VGA，數(shù)據(jù)格式為YUV，幀頻傳輸速率為36fp，以滿足設(shè)備自身的運(yùn)行需求。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)是以BTS8780 芯片為主體，內(nèi)部支持的最大電流為74A，并具備邏輯性、有序性數(shù)據(jù)輸入功能。選用此類(lèi)芯片主要目的由于應(yīng)用形式簡(jiǎn)便，只需在芯片處接出引腳，然后由PWM 波便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操控。如電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只需單項(xiàng)運(yùn)行的話，則可將電機(jī)進(jìn)行接地控制，而另一端內(nèi)與芯片的第三引腳相連接便可。如電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需進(jìn)行雙向控制時(shí)，則需采取全橋的連接形式。在正確的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)下，極大增強(qiáng)設(shè)備自身的機(jī)動(dòng)性，同時(shí)電路操控板與電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)形成一種嵌套形式，以保證數(shù)據(jù)信息可及時(shí)在兩個(gè)系統(tǒng)間進(jìn)行傳遞，進(jìn)而令電機(jī)實(shí)現(xiàn)單轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)變，進(jìn)而滿足生活垃圾智能分揀系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行。

（三）軟件設(shè)計(jì)

在對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)控程序控制是分揀裝置的上位模塊系統(tǒng)，為保證軟件程序運(yùn)行的精準(zhǔn)性，本文采取的設(shè)計(jì)形式是以開(kāi)源式系統(tǒng)為主，其支持多語(yǔ)言開(kāi)發(fā)、交互界面統(tǒng)一的特點(diǎn)。軟件在運(yùn)行過(guò)程中分揀裝置一般執(zhí)行下列指令，第一，系統(tǒng)在啟動(dòng)以后，進(jìn)行初始化自檢，通過(guò)攝像傳感裝置對(duì)外界信息進(jìn)行確認(rèn)，并將景象信息映射到數(shù)據(jù)層內(nèi)，當(dāng)所有信息采集完畢以后作為數(shù)據(jù)基準(zhǔn)參數(shù)貫穿于整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)中。第二，當(dāng)裝置運(yùn)行到固定位置后，攝像頭將對(duì)外界信息進(jìn)行采集，然后進(jìn)行顏色識(shí)別，此時(shí)數(shù)據(jù)信息回傳到整體主模塊操作系統(tǒng)中，然后系統(tǒng)依據(jù)顏色信息對(duì)零部件進(jìn)行指令操控，如操控機(jī)械爪夾取垃圾桶。第三，待裝置將垃圾桶進(jìn)行傾倒后，則源數(shù)據(jù)參數(shù)將執(zhí)行復(fù)位操控，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)整體化操控。

（四）機(jī)械手控制設(shè)計(jì)

智能分揀系統(tǒng)中的機(jī)械手作為驅(qū)動(dòng)裝置，在接受系統(tǒng)操作指令后，正確執(zhí)行指令來(lái)完成操作任務(wù)。在對(duì)機(jī)械手的空間位置設(shè)定時(shí)，圖像坐標(biāo)系是攝像裝置的采集信息為主，在單個(gè)像素中，圖像空間位置則代表坐標(biāo)起始點(diǎn)，且應(yīng)將圖像架構(gòu)的左頂角位置作為像素中心點(diǎn)，圖像整體寬度為170x140，即橫軸水平與原點(diǎn)之間的距離最大值為170，縱軸豎直與原點(diǎn)之間的距離最大值140。控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的上位傳輸系統(tǒng)的固定初始距離，應(yīng)以靜態(tài)機(jī)械手的位置為基準(zhǔn)，一般設(shè)定在傳送帶的邊緣位置。從工作原理來(lái)講，機(jī)械手在運(yùn)行過(guò)程中，依據(jù)攝像裝置對(duì)外界信息進(jìn)行采集，經(jīng)由內(nèi)部數(shù)據(jù)信息處理由控制中心直接發(fā)送相關(guān)指令，令機(jī)械手完成垃圾分揀工作。數(shù)據(jù)信息在傳遞到處理模塊時(shí)，需經(jīng)歷數(shù)據(jù)緩存區(qū)，通過(guò)圖像中顯示的空間節(jié)點(diǎn)信息來(lái)進(jìn)行計(jì)算，如目標(biāo)與機(jī)械手的相對(duì)空間位置、機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)路徑及角速度等。在精密算法的控制下，機(jī)械手對(duì)垃圾進(jìn)行拾取，此類(lèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的時(shí)間段分為指令傳輸時(shí)間、緩沖計(jì)算時(shí)間、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行時(shí)間三部分，其中承接攝像裝置信息傳輸及坐標(biāo)定位的時(shí)間屬于系統(tǒng)內(nèi)的向量型空間信息。

此外，在具體程序設(shè)定時(shí)，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的信息進(jìn)行分析，如在進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖計(jì)算時(shí)，攝像裝置內(nèi)有新的成像目標(biāo)時(shí)，則應(yīng)將目標(biāo)信息納入到抓取機(jī)械手的指令范圍內(nèi)，然后按照先進(jìn)先出模式，執(zhí)行第一個(gè)目標(biāo)抓取指令。

（五）末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂終端操控系統(tǒng)屬于嵌套式鋼性連接結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行功能與起重機(jī)的升降機(jī)械臂相符，在執(zhí)行分揀指令時(shí)，機(jī)械臂按照系統(tǒng)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)軌跡運(yùn)行，此時(shí)，機(jī)械臂的空間運(yùn)動(dòng)范圍與垃圾本身具有一定的活動(dòng)空間，以此來(lái)對(duì)運(yùn)行中的機(jī)械臂進(jìn)行空間位置調(diào)整，增強(qiáng)冗余精度。然而垃圾分揀裝置要想實(shí)現(xiàn)商用，設(shè)備外界環(huán)境因素將極大影響設(shè)備本身的工作屬性，如周邊工作條件無(wú)法與預(yù)期運(yùn)動(dòng)參數(shù)相契合，則在機(jī)械臂軌跡運(yùn)行時(shí)，易與外界障礙物發(fā)生碰撞，當(dāng)碰撞產(chǎn)生的作用力大于機(jī)械設(shè)備的鋼性力時(shí)，則必然加大設(shè)備自身的損耗。鑒于此，應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行緩沖區(qū)域設(shè)定，確保末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在緩沖保護(hù)區(qū)域內(nèi)，考慮到垃圾重量、機(jī)械臂運(yùn)行強(qiáng)度等，應(yīng)將末端執(zhí)行設(shè)備的重量限值設(shè)定為50kg，且同一工作環(huán)節(jié)中的空間自由度應(yīng)為6項(xiàng)，最大擴(kuò)張半徑應(yīng)小于120mm，氣動(dòng)內(nèi)控壓強(qiáng)應(yīng)高于1.2MPa，允許最大的柔性形變量為30mm。采用上述設(shè)計(jì)形式，可保證設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，可有效減少外界環(huán)境的干擾，令設(shè)備自身可精準(zhǔn)執(zhí)行指令。

二、生活垃圾智能分揀系統(tǒng)的實(shí)踐

智能分揀系統(tǒng)在對(duì)顏色進(jìn)行識(shí)別時(shí)，由于本次設(shè)計(jì)采用的紅色、藍(lán)色、綠色、灰色四類(lèi)顏色，識(shí)別過(guò)程應(yīng)以灰度測(cè)量數(shù)據(jù)值為主，每一種顏色所代表的灰度值具有較大偏差，在實(shí)際確認(rèn)過(guò)程中，攝像裝置應(yīng)精準(zhǔn)的將數(shù)據(jù)值信息傳輸?shù)较到y(tǒng)模塊中，然后依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的比對(duì)，即閾值、灰度值之間的成比情況來(lái)對(duì)顏色進(jìn)行選取，進(jìn)而精準(zhǔn)分析出與顏色相對(duì)應(yīng)的垃圾種類(lèi)。除顏色識(shí)別外，軌跡精準(zhǔn)識(shí)別的形式也作為系統(tǒng)本身的工作特性，在系統(tǒng)接到數(shù)據(jù)成像信息時(shí)，依托于視覺(jué)技術(shù)，將芯片內(nèi)的信息進(jìn)行掃描識(shí)別，并將信息的產(chǎn)生點(diǎn)與顏色灰度值進(jìn)行比對(duì)，如灰度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于閾值時(shí)，則可將實(shí)際中心線作為導(dǎo)向，來(lái)將數(shù)據(jù)信息整合為定向參數(shù)值，進(jìn)而為后續(xù)設(shè)備的運(yùn)行提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)服務(wù)支持。裝置在運(yùn)行過(guò)程中，依托于集成操控模塊可實(shí)現(xiàn)分化處理，令不同工作指令在同一時(shí)間下運(yùn)行，如夾取環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)、軌跡預(yù)算環(huán)節(jié)等，在內(nèi)部精確算法的作用下，可對(duì)各類(lèi)各環(huán)節(jié)的操作軌跡進(jìn)行精準(zhǔn)確認(rèn)，在內(nèi)部參數(shù)基準(zhǔn)的限定下，令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化操控。

在對(duì)系統(tǒng)尋跡的形式路徑進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，生活垃圾智能分揀系統(tǒng)的運(yùn)行依托于整體各模塊之間的銜接形式，在外部攝像裝置對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)后，依據(jù)閾值與系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，以分析出當(dāng)前分揀裝置所處的中心位置與各驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的中心坐標(biāo)點(diǎn)，然后系統(tǒng)內(nèi)的邏輯程序?qū)?duì)指令進(jìn)行順位發(fā)送，以制定出當(dāng)前分揀裝置各系統(tǒng)的運(yùn)行路徑。在對(duì)裝置的工作誤差進(jìn)行分析時(shí)，需采用多數(shù)據(jù)綜合的方式，即將紅色、藍(lán)色、綠色、灰色四類(lèi)顏色的垃圾進(jìn)行基準(zhǔn)參數(shù)設(shè)定，保證光線強(qiáng)度、攝像頭空間參數(shù)信息的一致，然后令生活垃圾智能分揀裝置進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)，保證運(yùn)行周期大于15 圈，以此來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合測(cè)量。智能分揀裝置在運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行軌跡線的最大波動(dòng)范圍應(yīng)不超過(guò)1.5cm，以保證在攝像裝置的成像區(qū)域內(nèi)，機(jī)械手的指令運(yùn)行模式可將垃圾精準(zhǔn)的投放到存儲(chǔ)裝置中。

三、結(jié)語(yǔ)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的支持下，令垃圾智能分揀系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行，在內(nèi)部多模塊的設(shè)定下，可為系統(tǒng)本身提供獨(dú)立式操控系統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)的操控需求。通過(guò)硬件與軟件的設(shè)計(jì)形式，分揀系統(tǒng)自身可實(shí)現(xiàn)多元化操控，令整體操作工藝滿足設(shè)備的各項(xiàng)操作行為。