垃圾自動(dòng)分類處理機(jī)—分揀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 垃圾自動(dòng)分類處理機(jī)—分揀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 垃圾自動(dòng)分類處理機(jī)—分揀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 隨著垃圾越來(lái)越多的趨勢(shì)，垃圾填埋場(chǎng)也開(kāi)始力不從心，如何讓垃圾減少土地污染，回收垃圾得到更好的利用，垃圾分類成為必須要攻克的問(wèn)題。但由于我國(guó)此前并未對(duì)垃圾分類有很好的普及，導(dǎo)致人們對(duì)垃圾分類并不很了解，并覺(jué)得這樣很麻煩。因此，為了減少人類勞動(dòng)和減輕垃圾處理廠的分類壓力，我們針對(duì)小區(qū)垃圾分類的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一款垃圾自動(dòng)分類處理機(jī)，這款垃圾自動(dòng)分類處理機(jī)是小區(qū)垃圾的初分類，主要是對(duì)可回收垃圾的分類處理，本文則對(duì)分類處理機(jī)的分

2、揀機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：垃圾分類；分揀機(jī)構(gòu)；圖像處理； IV Waste automatic sorting machine - sorting mechanism design Abstract With the trend of garbage more and more, landfills are beginning to lose their power, how to reduce land pollution, recycling waste to get better use, garbage classification has become

3、 a problem that must be overcome. However, because China has not before the garbage classification has a good popularity, resulting in people do not know about garbage classification, and feel that this is very troublesome. Therefore, in order to reduce human labor and reduce the pressure of garbag

4、e disposal plant classification, we have designed a waste automatic sorting machine for the problem of community garbage classification, this garbage automatic sorting machine is the initial classification of community garbage, mainly for the sorting of recyclable waste, this paper is the sorting me

5、chanism part of the sorting machine designed. Keywords: Garbage sorting; sorting mechanism; image processing; 目錄 1緒論 1 1.1研究背景及其意義 1 1.2機(jī)器視覺(jué)的構(gòu)成 1 1.3研究?jī)?nèi)容 2 1.4研究方法 3 2垃圾處理分類機(jī)分揀機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 3 2.1垃圾分揀機(jī)構(gòu)功能分析 3 2.2垃圾分揀機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn) 3 2.2.1各種材料的識(shí)別方法 4 2.2.2垃圾處理的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 5 2.3垃圾分揀機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 5 2.3.1拍攝方案的設(shè)計(jì)

6、 5 2.3.2傳送機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì) 6 3垃圾分類機(jī)分揀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3.1斜板設(shè)計(jì) 8 3.2 擋板式分揀機(jī)設(shè)計(jì) 8 3.2.1傳送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3.2.1.1 輸送帶機(jī)架 8 3.2.1.2 輸送帶 8 3.2.1.3傳動(dòng)滾筒和改向滾筒 11 3.2.1.4輸送帶受力計(jì)算 12 3.2.2傳動(dòng)功率的計(jì)算 13 3.2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13 3.3圖像采集硬件方案 14 3.3.1照明 14 3.3.2相機(jī) 15 3.3.3控制系統(tǒng) 17 3.4傳感器與控制器 17 4垃圾分揀機(jī)圖像處理 18 4.1高光譜成像 19 4.2 基于圖像識(shí)別的P

7、yTorch 算法 19 5設(shè)計(jì)總結(jié) 20 參考文獻(xiàn) 21 謝 辭 22 1緒論 1.1研究背景及其意義 垃圾分類就是指人們將自己家里的生活垃圾按照國(guó)家給出的規(guī)定或標(biāo)準(zhǔn)在初階段就進(jìn)行對(duì)垃圾的分類儲(chǔ)存、投放，在后期，垃圾處理機(jī)構(gòu)對(duì)垃圾分類搬運(yùn)和處理，最終這些處理過(guò)后的垃圾會(huì)直接或間接的變?yōu)楣操Y源，這一系列的統(tǒng)稱就是垃圾分類。但是，很多人不明白的是為什么垃圾分類會(huì)與自身相關(guān)，實(shí)際上，垃圾在人們家中產(chǎn)生時(shí)是屬于個(gè)人私有品，只有在前往垃圾桶丟棄它時(shí)，它才屬于公共資源，所以，垃圾分類需要在源頭就開(kāi)始執(zhí)行。每個(gè)國(guó)家進(jìn)行垃圾分類的目的是為了提高資源的利用率，在資源衰竭的今天希望垃圾能

8、夠物盡其用，提高資源價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 每個(gè)城市對(duì)生活垃圾的分類標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的，從全世界各城市來(lái)看，分類的標(biāo)準(zhǔn)一般都涉及成分、產(chǎn)生量、回收過(guò)程，再與地方處理垃圾的綜合能力來(lái)結(jié)合，進(jìn)行對(duì)垃圾處理的方式和資源利用的安排。關(guān)于進(jìn)行小區(qū)垃圾集中分類的優(yōu)點(diǎn)是可以減少垃圾處理量、降低處理成本等，對(duì)于后續(xù)垃圾處理來(lái)說(shuō)，可以減少土地資源的消耗、提高資源的利用率，垃圾分類在大層面來(lái)說(shuō)具有社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。人們消耗大量的資源來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，然后對(duì)這些資源進(jìn)行大規(guī)模的消費(fèi)，但是卻沒(méi)有對(duì)這些產(chǎn)生的垃圾進(jìn)行處理，垃圾無(wú)公害化的處理費(fèi)用從近百元到近千元，如果不對(duì)這些行為進(jìn)行約束，反而任其發(fā)展，后果可能我們難以承受

9、。 全世界垃圾年增長(zhǎng)速度為8.42%，而中國(guó)垃圾增長(zhǎng)率達(dá)到10%以上。我國(guó)需要加緊進(jìn)行處理垃圾的速度才能盡可能避免垃圾圍城的窘?jīng)r，因?yàn)槲覈?guó)垃圾處理行業(yè)起步較晚，現(xiàn)階段垃圾處理的手段主要分為衛(wèi)生填埋和高溫堆肥，個(gè)別經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地發(fā)展焚燒技術(shù)。但無(wú)論是哪一種垃圾處理的方式，處理費(fèi)用都是十分高昂，若是處理不當(dāng)還會(huì)產(chǎn)生二次污染。所以，垃圾分類處理可以最大限度有效的減少資源浪費(fèi)，最大限度提取可再生資源，最大限度降低有毒有害物質(zhì)對(duì)環(huán)境的危害。 1.2機(jī)器視覺(jué)的構(gòu)成 機(jī)器視覺(jué)一項(xiàng)綜合技術(shù)，它作為人工智能正在快速發(fā)展的一個(gè)分支，它能夠處理用機(jī)器代替人眼來(lái)做一些測(cè)量和判斷，很多可代替人工的技術(shù)，比較常用的方面

10、是圖像處理、機(jī)械（機(jī)電）控制技術(shù)、光學(xué)成像、傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)。機(jī)器視覺(jué)就是這些測(cè)量和判斷可以是很細(xì)微的區(qū)別的東西，可以用來(lái)彌補(bǔ)人眼的失誤。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的運(yùn)作方式是將物體被相機(jī)或其他圖像攝取裝置取得的圖片轉(zhuǎn)換成為圖像信號(hào)（也可以說(shuō)是光信號(hào)），然后這些信號(hào)會(huì)傳送出去到圖像處理系統(tǒng)，這些圖像處理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)得到的圖像信號(hào)來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行分析，從而得到關(guān)于目標(biāo)物體的這個(gè)圖片的關(guān)鍵信息，系統(tǒng)將這些信息例如亮度、顏色等轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，接著對(duì)這些提取出來(lái)的數(shù)字化信息進(jìn)行計(jì)算和判斷，與前期的信息進(jìn)行對(duì)比，提取目標(biāo)物體的特征部分，最后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果來(lái)控制后續(xù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。 機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中一

11、般運(yùn)用模塊是圖像捕捉、光源系統(tǒng)、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機(jī)械控制執(zhí)行模塊。機(jī)器視覺(jué)經(jīng)常運(yùn)用在一些人們需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間枯燥的機(jī)械性活動(dòng)中，或者是用在一些不適于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境，或者是人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合，系統(tǒng)在重復(fù)性高的工業(yè)生產(chǎn)的工程中可以提高生產(chǎn)的靈活性和效率，和提高工廠的自動(dòng)化程度。 對(duì)于一個(gè)可以運(yùn)行機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，照明、鏡頭、相機(jī)、圖像采集卡缺一不可；同時(shí)隨著時(shí)代的發(fā)展，PLC的高運(yùn)行速度足夠快速處理視覺(jué)處理任務(wù)，從前用來(lái)加快處理視覺(jué)任務(wù)的視覺(jué)采集卡與處理器則慢慢的退出了市場(chǎng)。本節(jié)簡(jiǎn)要的介紹一下這四個(gè)部分；首先是照明，光照質(zhì)量直接影響輸入照片的輸入

12、質(zhì)量和應(yīng)用效果，所以照明是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)輸入的重要部件。但是由于運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)的設(shè)備并不固定，所以市場(chǎng)也并沒(méi)有對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此可以針對(duì)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行不同的應(yīng)用，從而選出相應(yīng)的照明裝置，達(dá)到此場(chǎng)照明的最佳效果。其次是鏡頭，在進(jìn)行鏡頭選擇時(shí)需要尤為注意鏡頭的焦距、目標(biāo)高度、放大倍數(shù)、到目標(biāo)的距離、畸變等因素，這些是影響成像的關(guān)鍵。再其次是相機(jī)，高速相機(jī)一般為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)所經(jīng)常選用的相機(jī)，現(xiàn)在有許多廠家對(duì)高速相機(jī)進(jìn)行特定優(yōu)化，可以根據(jù)不同的實(shí)際情況對(duì)按需選取不同的相機(jī)。最后是圖像采集卡,作為同樣是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的部件的圖像采集卡，其中有一種典型的捕獲卡可以快速的將圖像傳送到處

13、理系統(tǒng)，還可以兼容PCI或AGP，同時(shí)圖像采集卡的接口類型直接決定了攝像頭的接口是否是黑白、是否是模擬相機(jī)等。 1.3研究?jī)?nèi)容 本文以住宅小區(qū)垃圾分類處理為例，設(shè)計(jì)一臺(tái)以主要處理生活垃圾為主的自動(dòng)垃圾分類處理機(jī)，結(jié)合塑料、紙類、玻璃、其他分辨的功能要求，研究垃圾處理機(jī)的分揀機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，主要研究?jī)?nèi)容如下： （1） 垃圾處理機(jī)的功能分析，確定垃圾分類的分揀方案。 （2） 垃圾分揀圖像采集系統(tǒng)是將各垃圾進(jìn)行圖像采集，以獲得圖像處理軟件所需的圖像，然后通過(guò)目標(biāo)識(shí)別和判斷進(jìn)行傳送帶將垃圾傳送到對(duì)應(yīng)的分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)處，配合后續(xù)計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行機(jī)構(gòu)的后續(xù)動(dòng)作。包括:1)傳送設(shè)備和分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)的的設(shè)

14、計(jì); 2)圖像采集系統(tǒng)部分硬件的確定。 （3） 基于機(jī)器視覺(jué)的垃圾分類識(shí)別圖像處理的方法研究 針對(duì)各種材料對(duì)光線明暗的反射，像素率等的不同，進(jìn)行各方案一定可行性的研究和探討。 1.4研究方法 根據(jù)本課題的研究?jī)?nèi)容和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)確定本課題的研究方法: (1) 確定系統(tǒng)的總體技術(shù)路線：綜合各方考量，決定選擇當(dāng)前比較容易對(duì)垃圾種類進(jìn)行辨別的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)可深度學(xué)習(xí)的模式進(jìn)行模擬人類思考模式進(jìn)行垃圾種類的自動(dòng)識(shí)別與分揀。 (2) 確定識(shí)別目標(biāo)物體的方法：根據(jù)研究對(duì)象在種類、光暗反射率、成像光譜各方面的差異，為此選擇合適的識(shí)別方法。 (3) 確定分揀目標(biāo)物體的方法：

15、首先要選擇構(gòu)成機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的硬件設(shè)備以及用于目標(biāo)分揀的機(jī)械設(shè)備，識(shí)別目標(biāo)物體之后再進(jìn)行分揀物體，因?yàn)樾枰獙⒆R(shí)別出來(lái)的物體從群體中進(jìn)行正確的分揀，所以需要考慮使用何種裝置用何種方式進(jìn)行分揀。 (4) 進(jìn)行系統(tǒng)控制過(guò)程的配合：在系統(tǒng)能夠目標(biāo)識(shí)別和目標(biāo)分揀基本任務(wù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化處理識(shí)別目標(biāo)、分揀目標(biāo)的過(guò)程的算法和系統(tǒng)性能，而這個(gè)過(guò)程中，目標(biāo)物體可能正處于一個(gè)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，這是一個(gè)上下緊密相連的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，這個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)可能在控制時(shí)需要進(jìn)行一定的考慮提高系統(tǒng)的分揀速度與準(zhǔn)確，從而將目標(biāo)物體分揀進(jìn)合適的地方。 2垃圾處理分類機(jī)分揀機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 垃圾分類機(jī)主要運(yùn)用于實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)各種垃圾分揀的初分類，擬減

16、少后續(xù)垃圾處理的費(fèi)用和人工。根據(jù)垃圾分類機(jī)的工作過(guò)程和所需要的功能，將之分為三部分：（1）分揀機(jī)構(gòu)裝置；（2）打包及推出裝置；（3）PLC電路控制部分。 2.1垃圾分揀機(jī)構(gòu)功能分析 垃圾分類處理機(jī)主要用于實(shí)現(xiàn)人群密集投放垃圾的自動(dòng)化分類，旨在減少垃圾分類中的人力勞動(dòng)，降低人力輸出，縮短人們因?yàn)榉诸惱馁M(fèi)的精力。根據(jù)垃圾分類處理機(jī)的工作過(guò)程及各部分的功能，可將處理機(jī)總共分成3部分：垃圾的分揀裝置，垃圾打包裝置和數(shù)字控制部分；圖2-1為垃圾分類處理機(jī)工作過(guò)程的示意圖。 圖2-1 垃圾分類處理機(jī)工作過(guò)程 2.2垃圾分揀機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn) 垃圾分揀機(jī)構(gòu)主要用于垃圾投放進(jìn)來(lái)

17、以后實(shí)現(xiàn)各種垃圾的分辨，然后將之投放進(jìn)正確的垃圾桶內(nèi)。本文集中于研究垃圾分揀的實(shí)時(shí)過(guò)程，設(shè)計(jì)分揀裝置，并基于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的分類來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文的垃圾分類處理機(jī)主要分為左右兩個(gè)部分，左面是廚余垃圾的處理，右面則是其他生活垃圾的分類處理。根據(jù)垃圾自動(dòng)分類機(jī)的工作過(guò)程，需要進(jìn)入分揀系統(tǒng)的垃圾可能存在玻璃、紙類、塑料和其他生活垃圾，主要攻克部分就是將玻璃、紙類、塑料三者分開(kāi)來(lái)，其余的垃圾直接投入“其他”垃圾桶。下圖2-2為本次設(shè)計(jì)中垃圾箱整體的結(jié)構(gòu)。 圖2-2 垃圾分類示意圖 垃圾分揀系統(tǒng)的工作過(guò)程為：垃圾放入投放口→機(jī)器劃開(kāi)垃圾袋→機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)始分辨垃圾→傳送帶將垃圾傳送至指定位置→分揀機(jī)構(gòu)將

18、垃圾投放入垃圾桶。 2.2.1各種材料的識(shí)別方法 各種材料的識(shí)別方法可以通過(guò)利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)、恢復(fù)、分割和特征提取等處理，對(duì)圖像進(jìn)行圖像處理和分析。同樣的不同的目標(biāo)提取的方法針對(duì)不同識(shí)別對(duì)象，識(shí)別整個(gè)圖像的形狀、大小、的位置、與圖像中其他物體的差異或一個(gè)整體的圖像背景的差異都會(huì)影響具體處理方法的選取。表2-1為各物體的分辨方法。 表2-1 各物體的分辨方法 分辨目標(biāo) 差異 區(qū)分方法 其他垃圾 玻璃 尖銳的形狀物體，或有晶體狀顆粒 常規(guī)玻璃對(duì)于可見(jiàn)光波段的反射率一般在8%-10%之間 紙類 規(guī)則的方形物體；或

19、類球體 對(duì)光的吸收率為20%，反射量為80%左右。 塑料 有一定形狀；或瓶罐類 反射光較小，透光率好 金屬 汽水鋁罐，柱狀體 對(duì)波長(zhǎng)在200nm~500nm的光的反射率都約94% 廚余 2.2.2垃圾處理的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 對(duì)于進(jìn)行執(zhí)行分揀動(dòng)作的機(jī)構(gòu)，我們需要考慮它運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)作，受控制時(shí)的過(guò)程復(fù)雜性，執(zhí)行動(dòng)作時(shí)的響應(yīng)速度和靈敏度，綜合考慮后，選出了兩種代表性的機(jī)構(gòu)方案。 一種是能夠根據(jù)既定程序和要求自動(dòng)完成物體傳輸或操作的機(jī)械裝置。機(jī)械裝置一般由多個(gè)關(guān)節(jié)組成，具有多個(gè)自由度，可以與氣缸、機(jī)架、凸輪等運(yùn)動(dòng)部件一起在工作時(shí)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。而另一種機(jī)構(gòu)是基于氣缸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這種機(jī)械

20、結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，僅由氣缸和彈射板組成。這種機(jī)構(gòu)自由度小，控制簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)速度快，成本低，能適應(yīng)多種工作環(huán)境。與小組成員進(jìn)行討論后，雖然基于氣缸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的成本低、自由度小，但由齒輪與軸帶動(dòng)擋板進(jìn)行擺動(dòng)的過(guò)程速度可以較緩和，避免垃圾被推出垃圾桶范圍。 2.3垃圾分揀機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 本文對(duì)垃圾處理機(jī)的垃圾分揀部分進(jìn)行研究,利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同種類垃圾的自動(dòng)識(shí)別和分類。從前文對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的簡(jiǎn)單介紹可以看出，垃圾分類的工作過(guò)程為：傳感器感覺(jué)到物體到達(dá)輸送帶，圖像采集器開(kāi)始攝取圖像并傳送到圖像處理器進(jìn)行處理、提取、識(shí)別，系統(tǒng)識(shí)別判斷之后將識(shí)別結(jié)果傳輸?shù)娇刂破魇箞?zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作。因此，實(shí)現(xiàn)分揀功能需

21、要的設(shè)備主要包括傳送設(shè)備、傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 2.3.1拍攝方案的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)中，我們將相機(jī)放置在傳送設(shè)備前端的上部，以得到最大的視野范圍，執(zhí)行機(jī)構(gòu)則位于傳送帶后端，圖2-2為該機(jī)構(gòu)示意圖。 圖2-3 拍攝方案示意圖 將相機(jī)置于傳送帶垂直上方，此時(shí)相機(jī)的視野范圍大，可以涵蓋整個(gè)傳送。拍攝前進(jìn)行相機(jī)的標(biāo)定，使得圖像左下角與坐標(biāo)原點(diǎn)一致，以拍攝區(qū)域其中一點(diǎn)為（X1,Y1）為例，通過(guò)下列公式算出垃圾到達(dá)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的時(shí)間； 設(shè)傳送帶運(yùn)動(dòng)速度為v； （2.1） （2.2） （2.3） 式中： t1---物體到達(dá)傳送帶末端時(shí)間 t2---傳送帶末

22、端到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的時(shí)間 △t---圖像處理時(shí)間 t---從圖像采集到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的時(shí)間 s---傳送帶到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的距離 2.3.2傳送機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì) 根據(jù)現(xiàn)有的自動(dòng)分揀機(jī)構(gòu)進(jìn)行改良優(yōu)化，使之更加適應(yīng)我們的垃圾分類機(jī)，目前自動(dòng)分揀機(jī)主要分為七類：交叉帶分揀機(jī)、翻盤式分揀機(jī)、滑塊式分揀機(jī)、擋板式分揀機(jī)、膠帶浮出式分揀機(jī)、輥筒浮出式分揀機(jī)、條板傾斜式分揀機(jī)?；瑝K式分揀機(jī)、膠帶浮出式分揀機(jī)、條板傾斜式分揀機(jī)、輥筒浮出式分揀機(jī)這四種分揀機(jī)都是特殊的帶式輸送機(jī)，滑塊式分揀機(jī)的傳送帶是由金屬管組成的，管上帶有滑塊裝置，當(dāng)物體到達(dá)指定通道口時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，就會(huì)使滑塊推動(dòng)著物體逐漸離開(kāi)輸送帶；膠

23、帶浮出式分揀機(jī)是當(dāng)物體到達(dá)通道口時(shí)，位于輸送機(jī)底部的受單獨(dú)鏈條的多條膠帶就會(huì)浮起，從底部托起物體，將它從輸送機(jī)的一側(cè)推出；輥筒浮出式分揀機(jī)的工作原理和膠帶浮出式分揀機(jī)非常相似，只不過(guò)輥筒式分揀機(jī)并不是由膠帶運(yùn)送，而是由輥筒，同時(shí)輥筒浮出式分揀機(jī)的輥筒是斜向安裝的，一般用于輥筒式或鏈條式的主輸送機(jī)上，還有一種輥筒浮出式分揀機(jī)是采用一排能左右旋轉(zhuǎn)的輥筒，以氣泵提升，向左或向右都可以將商品抬起排出。 翻盤式分揀機(jī)和條板傾斜式分揀機(jī)都是通過(guò)傾斜來(lái)使得物體從輸送機(jī)上掉落，不過(guò)翻盤式分揀機(jī)是輸送機(jī)上的托盤傾翻從而將貨物分揀出去，這種分揀機(jī)常用于快遞行業(yè)和機(jī)場(chǎng)的行李分揀；條板傾斜式分揀機(jī)是物體放在輸送機(jī)的

24、條板上，當(dāng)?shù)竭_(dá)位置后，條板的一端就會(huì)升起，使物品內(nèi)的板條同時(shí)傾斜，物體滑出輸送機(jī)，這種輸送機(jī)在一定限度內(nèi)對(duì)物品的長(zhǎng)度沒(méi)有限制。 擋板式分揀機(jī)是有擋板一端作為支點(diǎn)，可以旋轉(zhuǎn)。當(dāng)擋板移動(dòng)時(shí)，它會(huì)擺動(dòng)后形成一堵墻阻擋貨物繼續(xù)向前移動(dòng)，利用輸送機(jī)對(duì)商品的摩擦力推動(dòng)，使商品沿著擋板表面移動(dòng)，從輸送機(jī)上離開(kāi)。平時(shí)那塊擋板在輸送機(jī)的一側(cè)，并不會(huì)阻礙物品的移動(dòng)，只有在收到進(jìn)行擺動(dòng)指令時(shí)才會(huì)進(jìn)行動(dòng)作，擋板安裝時(shí)并不會(huì)與輸送帶的表面進(jìn)行接觸，因?yàn)閾醢逍枰臀矬w進(jìn)行接觸運(yùn)用摩擦力將物體推下輸送機(jī)，所以經(jīng)常使用滾輪或光滑的塑料材料安裝在擋板表面以減小摩擦力。 經(jīng)過(guò)上述各分揀機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及結(jié)合我們分揀機(jī)所需要的環(huán)

25、境和成本等因素，決定選用擋板式分揀機(jī)，擋板選用曲線型，以便更好的進(jìn)入滑道內(nèi)，工作面采用光滑的塑料材料，持久耐用，減少維護(hù)成本。圖2-3為擋板式分揀機(jī)的圖。 圖2-4 擋板式分揀機(jī)示意圖 輸送帶操作安全，輸送帶使用簡(jiǎn)便，維修容易，運(yùn)費(fèi)低廉，節(jié)省人力物力。傳送帶皮帶部分選用尼龍材質(zhì)帆布運(yùn)輸帶，在潮濕有水的環(huán)境也可以運(yùn)行。圖2-4為分揀機(jī)構(gòu)傳送帶基本形狀。 圖2-5 分揀機(jī)構(gòu)傳送帶方向 綜合各方面因素，本章對(duì)實(shí)現(xiàn)分揀系統(tǒng)需求的方法提出比較明確的方案，對(duì)垃圾分類的分揀系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，基于各種原理詳細(xì)介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了垃圾分揀系統(tǒng)的拍攝方案，最后選擇了處理和控制過(guò)程簡(jiǎn)單

26、，準(zhǔn)確率高的方案作為本文的分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 3垃圾分類機(jī)分揀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 本章主要完成垃圾分類機(jī)分揀機(jī)設(shè)計(jì)部分，包括分揀機(jī)械部分的改進(jìn)、對(duì)垃圾分辨特性進(jìn)行特別的照明設(shè)計(jì)、完成分揀機(jī)硬件方案選擇。 3.1斜板設(shè)計(jì) 在垃圾投放口與輸送帶之間，采用一片斜板來(lái)進(jìn)行二者的連接，由前節(jié)可以看到，垃圾箱的投放口在離地1200mm處，同時(shí)輸送帶機(jī)架在900mm處，然后可以得出，斜板的長(zhǎng)度為728mm，寬度為650mm，厚度為10mm，為了防止垃圾從斜板中掉落，斜板兩邊附有高150mm的薄擋片。 圖3.1 斜板 3.2 擋板式分揀機(jī)設(shè)計(jì) 3.2.1傳送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 由傳送帶特殊工作環(huán)境可得知，連續(xù)單向

27、運(yùn)動(dòng)，全天制不定時(shí)運(yùn)作。傳送帶部分分為左邊和右邊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)相機(jī)檢測(cè)到是廚房垃圾時(shí)，傳送帶向左邊運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)到是玻璃等其他垃圾時(shí)，輸送帶向右邊運(yùn)動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步的分揀。傳送帶各部分裝置一般分為驅(qū)動(dòng)裝置、輸送帶、頭部傳動(dòng)滾筒、改向滾筒、托輥等。 3.2.1.1 輸送帶機(jī)架 綜合多方面考量，從價(jià)格、環(huán)境、重量、安裝難易程度等，本文設(shè)計(jì)決定采用鋁合金框架作為輸送帶的機(jī)架，輸送帶機(jī)架高900mm，采用鋁合金管作支撐，直徑為200mm。 3.2.1.2 輸送帶 輸送帶的速度取決于輸送物料所需要的速度，它是傳送設(shè)備的承載機(jī)構(gòu)，所以要一定的耐磨性、較高的強(qiáng)度和良好的撓曲性。輸送帶一般分為橡膠運(yùn)輸帶、塑料運(yùn)

28、輸帶、鋼帶、金屬網(wǎng)帶等。橡膠運(yùn)輸帶由數(shù)層棉織布用硫化橡膠黏結(jié)而成，帶的上、下面及左右兩側(cè)都覆以橡膠保護(hù)層，棉織布的層數(shù)與膠帶的寬度有關(guān)，層數(shù)加多，能承載的總壓力也越多，但層數(shù)增加時(shí)，帶的橫向撓曲性減小。本文根據(jù)《GB/T 23677-2017輕型輸送帶》、《GB/T 4490-1994 輸送帶尺寸》給出的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)。 輸送帶骨架由尼龍織物組成，由于輸送帶運(yùn)送的貨物會(huì)含有尖銳物體，所以輸送需要覆蓋層，覆蓋層為橡膠。從運(yùn)行環(huán)境與國(guó)標(biāo)的對(duì)比，輸送帶的總厚度采用厚度5毫米，輸送帶寬度為B=500mm；輸送帶采用環(huán)形帶，長(zhǎng)度為12.00米。 表3.1《GB/T 23677-2017輕型輸送帶》輸送帶

29、總厚度規(guī)格 總厚度 0.5 0.8 1.0 1.3 1.6 2.0 2.5 3.0 4.0 5.0 5.6 6.3 8.0 注：超出表中R10系列的規(guī)格可由供需雙方確定。 單位為毫米 表3.2 《GB/T4490-1994輸送帶尺寸》輸送帶長(zhǎng)度及其極限偏差 輸送帶類型 輸送帶長(zhǎng)度，m 極限偏差 環(huán)形帶 ≤15 50mm >15~20 75mm >20 0.5% 表3.3 《GB/T4490-1994輸送帶尺寸》輸送帶寬度及其極限偏差 輸送帶寬度，mm 極限偏差 輸送帶寬度，mm 極限偏差 30

30、0 5mm 1600 1% 400 1800 500 2000 600 1% 2200 650 2400 800 2600 1000 2800 1200 3000 1400 3200 本文選用NN-100的尼龍芯膠布三層橡膠覆蓋層的輸送帶，查表3.4，上覆蓋膠厚1.5mm，下膠厚1.5mm。 表3.4 常用輸送帶型號(hào)與規(guī)格 織物類型 織物構(gòu)造 織物型號(hào) 膠布厚度（mm/P） 強(qiáng)度系列（N/mm) 覆蓋膠厚度 mm 寬度范圍 帶長(zhǎng)（m） 尼龍 經(jīng) 緯 2層 3層 4層 5層 6層 上覆蓋膠 下覆蓋膠 ≤300

31、 綿綸（N） 錦綸（N) NN-100 0.70 200 300 400 500 600 1.5-8 0-4.5 400-2500 NN-125 0.75 250 375 500 625 750 NN-150 0.80 300 450 600 750 900 NN-200 0.90 400 600 800 1000 1200 500-2500 NN-250 1.10 500 750 1000 1250 1500 NN-300 1.25 - 900 1200 1500 1800 NN-350 1.3

32、5 - 1050 1400 1750 2100 800-2500 NN-400 1.70 - - 1600 2000 2400 NN-500 1.80 - - 2000 2500 3000 3.2.1.3傳動(dòng)滾筒和改向滾筒 頭部傳動(dòng)滾筒的的直徑和長(zhǎng)度符合《GB/T 10595 2009》的規(guī)定。由帶寬B=500mm，本文選擇直徑200mm，長(zhǎng)度為200mm的傳動(dòng)滾筒，轉(zhuǎn)速在800-1000r/min之間。 表3.5 《GB/T 10595 2009》輸送機(jī)滾筒的直徑的標(biāo)準(zhǔn) 滾筒直徑 200、250、315、400、500、630、8

33、00、1000、1250、1400、1600、1800 表3.6 輸送機(jī)滾筒長(zhǎng)度、直徑與帶寬的組合 帶寬B 滾筒長(zhǎng)度L 滾筒直徑D 300 400 200、250、315、400 400 500 200、250、315、400、500 500 600 650 750 200、250、315、400、500、630 800 950 200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1400 改向滾筒主要用于改變輸送機(jī)的運(yùn)行方向，通常用于180、90和<45的方向改變，改向滾筒一般布置在輸送機(jī)尾部，它的結(jié)構(gòu)型式與傳動(dòng)滾筒一致，改向滾筒

34、的直徑關(guān)系與傳動(dòng)滾筒的直徑有著匹配關(guān)系，選用改向滾筒的直徑參見(jiàn)下表。所以尾部改向滾筒由表3.7可以得出，尾部改向滾筒的直徑為400mm。 由于改向滾筒不參與傳動(dòng)工作，它由傳動(dòng)滾筒提供的傳動(dòng)動(dòng)力由輸送帶帶至尾部進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，由此將輸送帶在尾部進(jìn)行180的轉(zhuǎn)動(dòng)。 表3.7 傳動(dòng)滾筒直徑與改向滾筒直徑的關(guān)系 帶寬 傳動(dòng)滾筒直徑 ≈180尾部改向滾筒直徑 500 500 400 650 500 400 630 500 3.2.1.4輸送帶受力計(jì)算 傳動(dòng)滾筒的圓周驅(qū)動(dòng)力為所有阻力之和，則有公式（3.1）： （3.1） 式中

35、： F總----圓周驅(qū)動(dòng)力； FN---附加阻力； FST---傾斜阻力； FH---主要阻力； FS1---附加特種阻力，托輥前傾摩擦等； 其中，由于本輸送帶是水平放置，F(xiàn)ST的傾斜阻力為0，附加阻力FN也為0；主要阻力的計(jì)算公式為式（3.2）： （3.2） 式中： qRO------承載分支托輥組每米長(zhǎng)度旋轉(zhuǎn)部分重量； qRU------回程分支托輥組每米長(zhǎng)度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量； qB------每米長(zhǎng)輸送帶的質(zhì)量； qG------每米長(zhǎng)輸送物料的質(zhì)量； 由于輸送帶水平放置δ角度取0，cosδ≈1，考慮輸送帶工作環(huán)境和各影響方面，

36、帶速v取1m/s，同時(shí)假設(shè)物體最大重量60kg， （3.3） 由表3.4可以查出，該輸送帶的上膠厚為1.5mm，下膠厚為1.5mm，每毫米膠面厚重1.25kg/m2，則我們可以算出每米輸送帶的質(zhì)量： （3.4） 模擬摩擦系數(shù)根據(jù)工作環(huán)境、設(shè)備質(zhì)量的不同來(lái)選取，根據(jù)表3.8模擬摩擦系數(shù)，可以選得摩擦系數(shù)f=0.03。 表3.8 模擬摩擦系數(shù)表 輸送機(jī)工況 工作條件和設(shè)備質(zhì)量良好，帶速低，物料內(nèi)摩擦較小 0.02~0.023 工作條件和設(shè)備質(zhì)量一般帶速較高，物料內(nèi)摩擦較大 0.025~0.035 工作環(huán)境惡劣、多塵低溫，

37、設(shè)備質(zhì)量較差、托輥成槽角大于35 0.035~0.045 由于本設(shè)計(jì)中并未采用托輥、卸料槽清掃器等額外裝置，所以附加阻力FN=0,特種阻力FS1=0，且輸送帶使用水平安裝，傾斜角度δ為0，則FST=0；既可得出： 3.2.2傳動(dòng)功率的計(jì)算 傳動(dòng)滾筒的功率計(jì)算如下式： （3.5） 所以，傳動(dòng)滾筒的功率為127.6W。 3.2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 分揀機(jī)構(gòu)執(zhí)行部分通過(guò)一塊擋板擺動(dòng)將垃圾推入垃圾箱內(nèi)。該擋板的長(zhǎng)約為500mm，高150mm，厚度約為20mm，與皮帶接觸面有3~5mm的間隙，減少與皮帶的摩擦接觸。擋板通過(guò)軸與下方的齒輪進(jìn)行連接，通

38、過(guò)電機(jī)帶動(dòng)齒輪從而帶動(dòng)擋板進(jìn)行翻擺運(yùn)動(dòng)。 圖3.3 擋板式執(zhí)行機(jī)構(gòu) 按照輸送機(jī)設(shè)置的最大載荷垃圾重量60kg，速度取1m/s，可以將物體快速掃落，連接軸的直徑為100mm，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，我們可以得出： （3.6） （3.7） （3.8） 所以，擋板運(yùn)作時(shí)需要的功率為470.4w，軸的轉(zhuǎn)速為191.08r/min，扭矩為23.52N/M。 3.3圖像采集硬件方案 3.3.1照明 分揀系統(tǒng)的核心部分為圖像采集部分，如果沒(méi)有良好的圖像采集能力，則無(wú)法判斷出該垃圾的種類，而良好

39、的圖像采集需要獲取較高的圖像質(zhì)量，影響圖像質(zhì)量的重要因素之一便是照明。不同的光源、光源不同的位置照射出來(lái)的圖像效果也并不一樣，所以，在照明上的重要選擇因素就是燈光種類的選擇和打光的位置。 機(jī)器視覺(jué)中的光源種類有很多，其中按照燈光的形狀可分為環(huán)形光源、條形光源、背光源、點(diǎn)光源等；按填充物又可分為鹵素?zé)?、熒光燈和LED燈。 表3.9 光源性能參數(shù) 光源類型 壽命（小時(shí)） 色溫（K） 發(fā)光效率（lm/w） 光電轉(zhuǎn)化率 鹵素?zé)? 5000-7000 2900 （白色偏黃） 17-33 10% 熒光燈 10000-20000 3000 （白色偏綠） 80 30%

40、 LED 80000-100000 3500 （白色） 100 60% 從表3.9中可以明顯看出，LED燈的各方面性能指標(biāo)都比其他類型的燈優(yōu)異，不僅如此，LED燈可以做成各種顏色和形狀、尺寸和燈光的照射角度，還可以隨時(shí)調(diào)節(jié)亮度。LED燈不僅有著上述相比較下的這么多優(yōu)點(diǎn)，它的性價(jià)比也是非常的高的，因此LED燈在市場(chǎng)的占有率也開(kāi)始逐步上升，漸漸成為各種需要照明系統(tǒng)中的照明的首選，所以LED燈也成為市面上經(jīng)營(yíng)視覺(jué)光源的廠家的主要售賣產(chǎn)品，綜合各方考慮，本文也是采用了LED燈作為照明光源。 3.3.2相機(jī) 工業(yè)相機(jī)是圖像采集系統(tǒng)的核心部分，它的工作原理是將光信號(hào)變成電信號(hào)進(jìn)行有序的

41、輸出，良好的工業(yè)相機(jī)應(yīng)有著好的成像質(zhì)量，高清晰度，高穩(wěn)定性和好的傳輸能力。工業(yè)相機(jī)的選用需要注意以下幾點(diǎn)： 分辨率：數(shù)字圖像使用像素來(lái)進(jìn)行描繪，分辨率越大像素越多，像素越多則圖像的清晰度越高。但同時(shí)，分辨率越大的圖像，數(shù)據(jù)就越大，后期圖像的計(jì)算速度就會(huì)變慢。所以，分辨的選擇應(yīng)該依據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇： ，在保證圖片質(zhì)量和清晰度的情況下，因?yàn)楸疚闹械膱D像處理并不打算對(duì)圖片進(jìn)行細(xì)微的操作，所以我們可以采用較小的分辨率的相機(jī)來(lái)提高圖像處理的速度。 幀率：即相機(jī)采集傳輸圖像的速率，相機(jī)每秒采集圖像的幀數(shù)和行數(shù)分別對(duì)應(yīng)面陣相機(jī)和線陣相機(jī)，因?yàn)榉謷到y(tǒng)在執(zhí)行圖像采集、圖像分析的時(shí)候，輸送帶是運(yùn)動(dòng)中的，對(duì)幀

42、率有一定的要求。 感光度：指的是被測(cè)物光亮低到一定程度時(shí)相機(jī)輸出的視頻信號(hào)電平低到規(guī)定值時(shí)的景物亮度，由于本文中判斷垃圾的方法是依據(jù)光暗變化來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)別，所以相機(jī)的這一參數(shù)也極為重要。 焦距：景深意味著當(dāng)相機(jī)的焦距在某一點(diǎn)上對(duì)齊時(shí)，當(dāng)圖像在該點(diǎn)之前或之后的某個(gè)距離內(nèi)移動(dòng)時(shí)，它仍然可以保持圖像清晰。根據(jù)焦距是否可調(diào)，可分為固定焦距鏡頭和變焦鏡頭。從鏡頭中心到平面，與光圈的使用、鏡頭焦距、與形成清晰圖像之間的距離，這決定了相機(jī)視角的大小，焦距越小，拍攝范圍越大。 本文要求定位精度為1mm，相機(jī)可視范圍大于等于500*800mm，分辨率應(yīng)大于500*800pix，同時(shí)，相機(jī)是連續(xù)抓拍圖片，為了盡

43、量不漏物體，幀率選用大于20fps的，結(jié)合上述考量，選用出兩款相機(jī)作為比較，型號(hào)分別為德國(guó)BASLER公司的avA2300-25gc - Basler aviator和acA2040-25gc - Basler ace，如圖3.2所示。 A）avA2300-25gc - Basler aviator B）acA2040-25gc - Basler ace 圖3.4 兩款工業(yè)相機(jī) 兩款相機(jī)在分辨率以及幀率的處理能力都相差無(wú)幾，且兩者同是彩色相機(jī)，不過(guò)avA2300-25gc相機(jī)的感光芯片采用的是CCD，而ace采用的是CMOS的芯片，雖然CMOS芯片的傳輸速度特

44、別快，但它的感光度要比CCD的低上不少，同時(shí)，由于CMOS芯片的自有問(wèn)題，它的固有噪音比CCD的要高上10倍，而這些噪音會(huì)在圖片中顯示出來(lái)，所以選用CCD的avA2300-25gc - Basler aviator相機(jī)。avA2300-25gc - Basler aviator 相機(jī)的幀率最高可達(dá)26fps，完全滿足本設(shè)計(jì)中的輸出要求。同時(shí)鏡頭則選用同公司與相機(jī)搭配的Kowa Lens LM12HC F1.4 f12.5mm 1”固定焦距鏡頭。下表中分別為相機(jī)與鏡頭的重要參數(shù)表。 表3.10 avA2300-25gc - Basler aviator相機(jī)的重要參數(shù) 感光芯片 CCD 感

45、光芯片尺寸 12.8mm*9.6mm 分辨率 4MP 幀速率 26fps 像素位深 12bits 接口 GigE 電源 12VDC 功率 6W 表3.11 Kowa Lens鏡頭的相關(guān)參數(shù) 鏡頭焦距 12.5mm 鏡頭接口 C-mount 光圈 F1.4-F16.0 光圈類型 manual 靶面尺寸 1” 工作距離 300mm 3.3.3控制系統(tǒng) 在前面我們已經(jīng)選完了系統(tǒng)中的硬件，接下來(lái)就是軟件了，軟件相當(dāng)于一個(gè)大腦在視覺(jué)分揀系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)控制硬件的相互配合。對(duì)于分揀系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，軟件的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行決定了系統(tǒng)的智能性、穩(wěn)定性、可靠性和自動(dòng)化水

46、平，由此，提高圖像算法的準(zhǔn)確度和魯棒性、軟件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是特別重要的一個(gè)事情。參考資料后，本文選用了美國(guó)國(guó)家儀器公司的LabVIEW虛擬儀器的軟件平臺(tái)，這家公司提出了一種構(gòu)成儀器系統(tǒng)的新概念——虛擬儀器，其基本思想是用計(jì)算機(jī)資源取代傳統(tǒng)儀器中的輸入和輸出等部分，利用計(jì)算機(jī)中的軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的硬件數(shù)據(jù)處理部分，即是不需要用硬件也可以完成軟件計(jì)算，它有著運(yùn)行速度快、加速執(zhí)行代碼、開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)放式平臺(tái)等一系列的優(yōu)點(diǎn)。 本分揀系統(tǒng)的圖像采集采用傳感器觸發(fā)的方式，當(dāng)傳感器被觸發(fā)后，計(jì)算機(jī)初始化，系統(tǒng)運(yùn)行，相機(jī)開(kāi)始準(zhǔn)備拍照，同時(shí)程序啟動(dòng)傳送帶。隨后在相機(jī)連續(xù)采集圖像后，圖像通過(guò)PC端被進(jìn)行處理，當(dāng)

47、判斷出何種物體后，程序向所在分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送準(zhǔn)備分揀指令，并實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)位置。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋擋板已就緒的信息后，系統(tǒng)會(huì)將實(shí)時(shí)跟蹤到的目標(biāo)位置發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最后擋板完成擺動(dòng)，將垃圾推入垃圾桶內(nèi)。基于視覺(jué)的分揀系統(tǒng)軟件程序流程如下面程序框圖所示。 圖3.5 系統(tǒng)程序流程圖 3.4傳感器與控制器 傳感器是啟動(dòng)視覺(jué)處理系統(tǒng)運(yùn)行的一環(huán)，只有傳感器感應(yīng)到目標(biāo)物體的進(jìn)入才會(huì)觸發(fā)相機(jī)開(kāi)始攝取圖片，然后系統(tǒng)才會(huì)進(jìn)行后續(xù)的工作。傳感器在實(shí)際中有很多不同的類型，壓力傳感器、位置傳感器、溫度傳感器等，根據(jù)本文設(shè)計(jì)中，垃圾是有重量的，由此我們選擇了壓力傳感器，并把傳感器放置在斜板

48、的下方，當(dāng)它感受到斜板壓力的變化后，將信號(hào)傳遞給相機(jī)。這個(gè)傳感器的型號(hào)是MPX5700D，它的輸出端是模擬。 圖3.6 壓力傳感器 控制器是系統(tǒng)的載體，各個(gè)零件的輸入輸出都是在這里完成的，本文選用了影火工控機(jī)YHC系列的工業(yè)級(jí)無(wú)風(fēng)扇固態(tài)工控機(jī)，這件控制器能夠適應(yīng)多種工作環(huán)境，有接近50個(gè)不同的接口，適配多樣的機(jī)器，且運(yùn)行功率僅12-15W，適配電源為12V3A，計(jì)算能力也很強(qiáng)。 圖3.7 工控機(jī)尺寸 4垃圾分揀機(jī)圖像處理 數(shù)字圖像處理是利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行優(yōu)化和分析。在視覺(jué)系統(tǒng)中，圖像采集設(shè)備受限于相機(jī)本身的工藝問(wèn)題和現(xiàn)場(chǎng)的干擾問(wèn)題，所采集圖像有可能發(fā)生部分失真或者噪聲污

49、染嚴(yán)重等情況。直接提取這種受損圖片的特征會(huì)對(duì)識(shí)別結(jié)果造成一定的影響，因此通過(guò)應(yīng)用各種圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行加工，使得計(jì)算機(jī)獲取圖像中感興趣的目標(biāo)物體。但由于垃圾分類圖像處理部分過(guò)于復(fù)雜，本文將兩種可行方案進(jìn)行探討。 4.1高光譜成像 高光譜成像是由于不同物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)的不同組合對(duì)不同的光波長(zhǎng)有著不一樣的吸收，最終會(huì)呈現(xiàn)出不同的對(duì)于反射率光譜的信息。高光譜成像有著因光譜分辨率高、圖譜合一、可實(shí)現(xiàn)快速無(wú)損檢測(cè)等特點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)用在許多的場(chǎng)合。 根據(jù)趙冬蛾、吳瑞等人的《高光譜成像的垃圾分類識(shí)別研究》可以明顯看出，采集的樣品在近紅外（780~1000nm）的范圍內(nèi)，通過(guò)去噪、黑白校正、反射率等信

50、息處理和成分分析，可以提出訓(xùn)練樣本的特征波段，又從這些特征波段中提取出幾種樣品的的參考波段光譜。隨后再將測(cè)試樣本通過(guò)光譜角度填圖法找出它們的ROI區(qū)域（感興趣區(qū)域），然后將測(cè)試樣品的高光譜成像的特征波段與參考光譜的特征波段進(jìn)行對(duì)比匹配，結(jié)果表明通過(guò)光譜角度填圖法，在測(cè)試樣品中分類紙類樣品的準(zhǔn)確度是100%，塑料樣品為98%、木制樣品為100%；通過(guò)Fisher判別方法的判別函數(shù)式和判別準(zhǔn)則的分類的結(jié)果表明，紙類的為100%、塑料的是100%，木制樣品為97%。這兩種通過(guò)高光譜成像進(jìn)行物體檢測(cè)與識(shí)別的辦法中，光譜角度填圖法分類準(zhǔn)確的平均率約為99.33%，而Fisher判別方法的準(zhǔn)確率約為99%

51、，數(shù)據(jù)顯示出利用光譜角度填圖法能夠在檢測(cè)與分類中得到更高的準(zhǔn)確度，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的物體投放。雖然這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)，但也由此驗(yàn)證了高光譜成像在垃圾分揀中實(shí)際運(yùn)用的可行性和科學(xué)性。 4.2 基于圖像識(shí)別的PyTorch 算法 利用PyTorch軟件建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，訓(xùn)練計(jì)算機(jī)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)讓計(jì)算機(jī)記住各種垃圾分類的主要特征，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指一類包含卷積計(jì)算且具有深度結(jié)構(gòu)的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理，是深度學(xué)習(xí)的代表算法之一，也被稱為平移不變?nèi)斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)。這一類的圖片識(shí)別方法是將各種垃圾的圖片進(jìn)行先一步的分類，就是將玻璃、塑料、金屬、紙類、其他垃圾的大量圖片分類

52、完畢后先一步導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，然后讓計(jì)算機(jī)開(kāi)始對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，此時(shí)需要運(yùn)用到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并以此找出合理的訓(xùn)練模型，然后學(xué)習(xí)這個(gè)模型，對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行訓(xùn)練，解決模型困惑，最后就可以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。這種利用計(jì)算機(jī)算法的出來(lái)對(duì)于垃圾準(zhǔn)確分揀的概率有92%左右，在一些可能會(huì)混淆的地方需要有更多的時(shí)間來(lái)讓計(jì)算機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)。在一定程度上可以說(shuō)明，雖然這個(gè)方法在實(shí)際操作中過(guò)程可能會(huì)更復(fù)雜與需要更多的數(shù)據(jù)來(lái)模擬測(cè)試，但市基于圖像識(shí)別的PyTorch 算法的這個(gè)垃圾圖像處理方法在實(shí)際的運(yùn)用的可能性。 20 5設(shè)計(jì)總結(jié) 本文開(kāi)始選擇垃圾分類這個(gè)課題是因?yàn)榻鼇?lái)我國(guó)政府開(kāi)始對(duì)這方面的重視，但相反的是，由于居

53、民對(duì)這個(gè)方面的薄弱的意識(shí)導(dǎo)致垃圾分類的實(shí)施有些艱難推進(jìn)，對(duì)此我們提出了一種可以在小區(qū)范圍內(nèi)投放的垃圾分類垃圾箱，首先可以在一定程度上解決人們丟垃圾的問(wèn)題，其次就是減少因?yàn)槔环诸悓?dǎo)致的資源浪費(fèi)的問(wèn)題。 本文設(shè)計(jì)的分揀機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器視覺(jué)處理系統(tǒng)，代替人眼來(lái)分辨垃圾的圖像，從而進(jìn)行判斷，然后輸送機(jī)運(yùn)送目標(biāo)垃圾到達(dá)擋板處，最后擋板將目標(biāo)垃圾推入應(yīng)屬的垃圾桶中。這套方案在理論上是可行的，而且它能避免清理垃圾的工作人員近距離的接觸垃圾，會(huì)更安全衛(wèi)生。 此分揀機(jī)構(gòu)只是提出了一種設(shè)想，但如果從結(jié)構(gòu)、成本等實(shí)際方面的考慮，仍還有許多地方需要更進(jìn)一步的分析和調(diào)整。根據(jù)這次設(shè)計(jì)分析后，我總結(jié)出以下幾點(diǎn)可以更

54、深入的方面，一是可以對(duì)垃圾進(jìn)行更細(xì)分的設(shè)計(jì)，二是完善對(duì)圖像系統(tǒng)提取信息的能力，三是對(duì)分揀機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，能夠更精準(zhǔn)分揀垃圾。 參考文獻(xiàn) [1］肖仁，吳定會(huì),歐陽(yáng)洪才．基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究綜述［J］．技術(shù)瞭望，2017，43-48 [2] 胥磊，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].設(shè)備管理與維修，2016（09），7-9 [3] 徐家寶．基于視覺(jué)的機(jī)器人分揀系統(tǒng)［Ｄ］．湖南：湖南大學(xué)，2017． [4] 袁紫薇．基于機(jī)器視覺(jué)的番茄收割機(jī)實(shí)時(shí)分揀系統(tǒng)研究［Ｄ］．西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2017． [5] 王詩(shī)宇，林滸，孫一蘭，王品，基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)器人分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].

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