基于AI智能識(shí)別的自動(dòng)垃圾分類技術(shù)研究

蕭志鈺

摘 要：當(dāng)前我國(guó)城市生活垃圾回收現(xiàn)狀不容樂(lè)觀，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)社會(huì)化發(fā)展的進(jìn)程，也不利于生態(tài)文明建設(shè)。因此，文章結(jié)合垃圾分類設(shè)計(jì)了一種基于AI智能視覺(jué)識(shí)別分揀的自動(dòng)垃圾分類技術(shù)，該技術(shù)不僅能夠高效、智能處理生活垃圾，還能夠降低回收成本，提高回收效率，對(duì)于建設(shè)綠色節(jié)能中國(guó)具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：AI智能視覺(jué)識(shí)別分揀;自動(dòng)垃圾分類;技術(shù)

0 引言

根據(jù)調(diào)查，荊州生活垃圾日產(chǎn)生量約為1 000噸，年遞增率為5%。如果實(shí)行生活垃圾分類收集和廢棄物的有效回收，垃圾量可望減少40%～50%，資源回收利用率達(dá)30%～40%。而人工處理垃圾分類工作耗時(shí)較大且存在分類不合理以及人員健康問(wèn)題，嚴(yán)重影響了垃圾分類的效率。信息時(shí)代下人工智能技術(shù)的應(yīng)用能夠有效解決這一問(wèn)題，用智能化系統(tǒng)代替人工操作，在提高回收效率的同時(shí)也有效保證了工作的精細(xì)化和科學(xué)化水平[1]。然而，垃圾分類需要全社會(huì)群眾的廣泛參與，而且需要每一位市民全面認(rèn)識(shí)不同垃圾的分類方式;還存在分類意識(shí)普及和群眾分類知識(shí)學(xué)習(xí)等方面的問(wèn)題，造成現(xiàn)階段我國(guó)垃圾分類工作的困難。基于這些問(wèn)題，利用人工智能對(duì)垃圾的種類進(jìn)行識(shí)別和分類形成智能化的垃圾分類技術(shù)便十分有必要[2]。

1 以AI智能視覺(jué)識(shí)別分揀為基礎(chǔ)的自動(dòng)垃圾分析技術(shù)探討

1.1 技術(shù)工作流程

垃圾分類技術(shù)研究主要做了以下工作：首先，對(duì)垃圾分類工藝流程、架構(gòu)總體布局的進(jìn)行研究，給出智能視覺(jué)識(shí)別分揀垃圾分類系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)分析垃圾分類工藝流程，給出智能視覺(jué)識(shí)別分揀垃圾分類系統(tǒng)的整體架構(gòu)。其次，設(shè)計(jì)了基于TensorFlow深度學(xué)習(xí)理論、人工智能視覺(jué)識(shí)別識(shí)別系統(tǒng)平臺(tái)[3]。平臺(tái)上建立物體投入啟動(dòng)分析模塊：運(yùn)用Python語(yǔ)言編程樹莓派開發(fā)模塊，通過(guò)接入開源的Open CV垃圾種類圖像數(shù)據(jù)處理庫(kù)，搭配USB免驅(qū)動(dòng)高清攝像頭和紅外對(duì)射探測(cè)器，完成開啟攝像頭、圖庫(kù)對(duì)比分析、驅(qū)動(dòng)控制等系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)。最后，完成了以4B/4G樹莓派開發(fā)系統(tǒng)為控制主體的垃圾智能分揀、自動(dòng)分類控制方案研究，并基于垃圾智能分揀、自動(dòng)分類機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研制，對(duì)產(chǎn)品外形進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化[4]。

1.2 技術(shù)路線

本項(xiàng)目運(yùn)用AI智能視覺(jué)識(shí)別技術(shù)開展對(duì)家庭生活垃圾進(jìn)行分揀、分類的技術(shù)研究，把人工智能技術(shù)與傳統(tǒng)環(huán)保產(chǎn)業(yè)相融合，設(shè)計(jì)垃圾自動(dòng)分類裝置，并推廣應(yīng)用于日常生活垃圾分類處理。一方面，智能垃圾分揀、分類裝置易操作、分類精度高，可大大降低垃圾分類難度，從源端降低了荊州垃圾處理系統(tǒng)的處理負(fù)荷和成本，避免二次污染，有效實(shí)現(xiàn)垃圾“三化”處理。另一方面，將AI智能識(shí)別技術(shù)運(yùn)用于垃圾智能分揀、自動(dòng)分類的過(guò)程，把基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能的新技術(shù)引入環(huán)保產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)荊州目前以垃圾終端處理為主的傳統(tǒng)環(huán)保企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和升級(jí)，帶動(dòng)環(huán)保產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展[5]。

該技術(shù)的運(yùn)行路線主要分為以下幾步：（1）前期。對(duì)家庭垃圾智能分揀技術(shù)和分類流程進(jìn)行了研究，確定了家庭垃圾自動(dòng)分類技術(shù)及裝置的整體方案。（2）中期。應(yīng)用人工智能視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)完善了平臺(tái)設(shè)計(jì)，并結(jié)合樹莓派開發(fā)系統(tǒng)作為技術(shù)核心形成了垃圾分類的控制方案。（3）后期。對(duì)設(shè)計(jì)方案中的各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了制造和裝配，并對(duì)比研究各種指標(biāo)，通過(guò)模塊實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行進(jìn)一步的匹配和調(diào)試工作，最終形成了基于AI智能視覺(jué)識(shí)別分揀的自動(dòng)垃圾分類技術(shù)。

1.3 技術(shù)方案

智能垃圾箱主要包括箱體、箱蓋和控制3部分組成。箱體中通過(guò)隔板分為4個(gè)區(qū)域，分別盛放不同類型的垃圾，底部用于安裝控制系統(tǒng)[6]。

1.3.1 箱蓋體

箱蓋體主要由箱蓋、圓形擋板、旋轉(zhuǎn)底板、旋轉(zhuǎn)蓋板、攝像頭組成。

功能：紅外對(duì)射探測(cè)器感知是否有垃圾扔進(jìn)圓形擋板內(nèi)，啟動(dòng)攝像頭，攝像頭對(duì)垃圾進(jìn)行拍照，并通過(guò)控制系統(tǒng)與開源的垃圾分類服務(wù)器內(nèi)的圖庫(kù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷垃圾的種類，控制蓋板旋轉(zhuǎn)一定角度至相應(yīng)種類垃圾盛放位置的上方，控制旋轉(zhuǎn)底板轉(zhuǎn)出圓形擋板，該類垃圾掉入相應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)垃圾分類。

1.3.2 箱體

根據(jù)4類垃圾分類，將箱體用隔板隔成4個(gè)空間，分別用來(lái)盛放干垃圾、濕垃圾、有毒垃圾、可回收垃圾。在箱體的上方安裝有3個(gè)舵機(jī)，通過(guò)內(nèi)齒輪嚙合的帶傳動(dòng)，帶動(dòng)蓋板旋轉(zhuǎn)。

1.3.3 箱底

箱子底部主要用來(lái)安裝控制系統(tǒng)?？刂茩C(jī)構(gòu)主要包括樹莓派開發(fā)模塊，以Python語(yǔ)言編程和Open CV圖像處理庫(kù)，搭配USB免驅(qū)動(dòng)攝像頭和紅外對(duì)射探測(cè)器等硬件深度學(xué)習(xí)人工智能（OpenCV，TensorFlow），可實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的探測(cè)、開啟攝像頭、圖庫(kù)對(duì)比分析、控制箱蓋旋轉(zhuǎn)等，實(shí)現(xiàn)垃圾的分類[7]。

1.4 產(chǎn)品工作流程

在接通產(chǎn)品的控制機(jī)構(gòu)電源以后，設(shè)備顯示屏開啟，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部程序開始運(yùn)行，在進(jìn)行垃圾識(shí)別分揀之前，需要對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部的紅外探測(cè)器對(duì)射進(jìn)行初始化設(shè)置，完成之后開啟產(chǎn)品攝像頭進(jìn)行工作。在工作過(guò)程中，把一個(gè)垃圾扔進(jìn)產(chǎn)品的內(nèi)部圓形擋板內(nèi)，攝像頭會(huì)對(duì)垃圾進(jìn)行自動(dòng)拍照，照片隨后進(jìn)入控制系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行分析和識(shí)別，進(jìn)而確定垃圾種類，此時(shí)紅外信號(hào)被垃圾物品遮擋，驅(qū)動(dòng)蓋板電機(jī)，使蓋板旋轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)垃圾種類盛放處上方。隨后，擋板電機(jī)工作，轉(zhuǎn)動(dòng)擋板，同時(shí)通過(guò)圓形擋板的作用使垃圾掉入箱體內(nèi)相應(yīng)位置，完成垃圾分類[8]。

1.5 產(chǎn)品技術(shù)組成

1.5.1? 技術(shù)方案

技術(shù)方案包括視覺(jué)識(shí)別分揀垃圾分類系統(tǒng)工作工藝流程設(shè)計(jì)、整體架構(gòu)布局以及智能視覺(jué)識(shí)別分揀垃圾分類系統(tǒng)在內(nèi)的總體設(shè)計(jì)方案[9]。

1.5.2? 基于TensorFlow深度學(xué)習(xí)理論、人工智能視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的構(gòu)建

運(yùn)用Python語(yǔ)言編程樹莓派開發(fā)模塊，通過(guò)接入開源的Open CV垃圾種類圖像數(shù)據(jù)處理庫(kù)，搭配USB免驅(qū)動(dòng)高清攝像頭和紅外對(duì)射探測(cè)器，完成開啟攝像頭、圖庫(kù)對(duì)比分析、驅(qū)動(dòng)控制等系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.5.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

以 4B/4G樹莓派開發(fā)系統(tǒng)為控制主體的垃圾智能分揀、自動(dòng)分類控制方案設(shè)計(jì)的完善優(yōu)化[10]。

1.5.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于垃圾智能分揀、自動(dòng)分類機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研制，利用若干個(gè)MG995、180°數(shù)碼機(jī)器人金屬標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制，完成齒形皮帶的帶傳動(dòng)使蓋板整體旋轉(zhuǎn)至特定種類盛放處上方，再通過(guò)底板旋轉(zhuǎn)和擋板的遮擋作用，實(shí)現(xiàn)垃圾自動(dòng)收集的分揀分類機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和研制。

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，開展基于AI智能視覺(jué)識(shí)別分揀的自動(dòng)垃圾分類技術(shù)研究，即運(yùn)用智能視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，運(yùn)用Tensorflow深度學(xué)習(xí)理論，通過(guò)Python編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，針對(duì)設(shè)備啟動(dòng)、感應(yīng)、拍照、分析、識(shí)別、分揀、回位各個(gè)節(jié)點(diǎn)，完成全過(guò)程智能分揀、自動(dòng)分類的裝置設(shè)計(jì)和研究。

在當(dāng)前在國(guó)家環(huán)保政策的引導(dǎo)下，以及人們對(duì)于智慧生活的向往，家庭生活垃圾智能分揀、自動(dòng)分類技術(shù)及裝置的研發(fā)具有巨大的市場(chǎng)前景。

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（編輯 姚 鑫）