淺述基于機器視覺的建筑垃圾識別分揀系統(tǒng)方案設計

房劍飛 王玉鵬 諸劍

摘 要 建筑垃圾問題一直阻礙著城市發(fā)展，建筑垃圾資源化成為社會研究重點。現(xiàn)目前國內(nèi)建筑垃圾分揀主要依賴人工操作，存在工作效率低、成本高、作業(yè)環(huán)境惡劣等問題。本文以建筑垃圾為研究對象，結合機器視覺、傳感器等技術的應用與研究，設計出一套建筑垃圾自動識別分揀方案，實現(xiàn)對主要固體垃圾的識別分揀。

關鍵詞 機器視覺;建筑垃圾;識別分揀

引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，城市垃圾增長速度持續(xù)增加，垃圾處理問題日益突出。城市建設產(chǎn)生的建筑垃圾占城市垃圾的一半以上，大量的建筑垃圾若不能妥善處理，不僅不符合可持續(xù)發(fā)展的國策，還會阻礙城市發(fā)展，影響市民生活質(zhì)量。建筑垃圾的總量持續(xù)增加，長期依賴高成本的人力分揀并不現(xiàn)實，垃圾分揀技術的突破對國家發(fā)展和環(huán)保事業(yè)具有重要意義。

現(xiàn)目前計算機處理能力提高和硬件成本降低，汽車、包裝等領域都逐步應用和推廣自動化分揀機器人技術，該應用對于建筑垃圾分揀具有一定指導意義?？紤]到建筑垃圾的特殊性，本文針對主要固體建筑垃圾，提出一套基于機器視覺、多傳感技術和機器人技術相結合的垃圾智能識別分揀系統(tǒng)方案，旨在代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作，有效提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本。

1工作原理

現(xiàn)在對于普通標準件的識別和分揀，國內(nèi)外已經(jīng)能夠提供較成熟的方案和產(chǎn)品。但是建筑垃圾因為其對象的多樣性和復雜性，難以通過單一特征值的選擇和標準數(shù)據(jù)庫的建立來進行準確迅速識別區(qū)分。本文利用機器視覺與傳感器技術相結合進行目標的檢測識別和定位，利用機器人技術和傳統(tǒng)技術相結合的方式實現(xiàn)分揀。

系統(tǒng)工作原理：將建筑垃圾置于輸送帶進行輸送。當垃圾進入指定位置后，系統(tǒng)相機進行連續(xù)的拍攝獲得對象圖像信息，完整覆蓋于傳送帶的各類傳感器檢測獲取對象參數(shù)信息，數(shù)據(jù)共同傳送至PC機，進行垃圾匹配和種類識別。系統(tǒng)通過視覺模塊獲得垃圾的位置信息，進行識別對象運動軌跡計算，計算完成后傳送至機器人控制器?？刂破骺刂茩C械手完成對有效垃圾的抓取任務，并放入指定存放點存放。對于非所需固體建筑垃圾，對象到達傳送帶指定位置后，系統(tǒng)氣缸推動至卸料槽[1]。

2總體方案

2.1 結構組成

本系統(tǒng)由識別和分揀兩大部分組成。CCD工業(yè)相機、電容傳感器、電感傳感器、顏色傳感器等組成“CCD工業(yè)相機+多傳感器”相結合形成識別方案。CCD視覺系統(tǒng)實現(xiàn)運動件輪廓、位姿等信息的獲取，多傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)金屬、塑料、木頭等固定材質(zhì)的區(qū)分?！癙C機+PLC控制器”組成系統(tǒng)上下位機的控制方案，上位機實現(xiàn)對多種采集信號的處理和控制，PLC控制機械手完成基本邏輯動作和氣缸推送動作，形成分揀系統(tǒng)部分[2]。

2.2 硬件選型設計

（1）相機模塊

作為系統(tǒng)的視覺部分，相機模塊主要有CCD、CMOS兩類感覺芯片。CCD相機主要用于運動物體的圖像提取，本系統(tǒng)選用MERCURY水星系列CCD工業(yè)相機，外形小巧緊湊。

（2）傳感器

據(jù)系統(tǒng)的控制要求，本系統(tǒng)選用CR1808DN電容傳感器、LJA18M-10D1電感傳感器、松下的LX-101顏色傳感器和LH-S09B壓力傳感器。各傳感器相互配合使用，進行金屬、塑料、木頭、布條等材料的識別。

（3）PLC

PLC選型時應詳細分析系統(tǒng)的控制要求，明確控制任務所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定 PLC的功能、外部設備特性等，本系統(tǒng)選擇有較高性能和性價比的S7-200型PLC。

（4）分揀模塊

分揀部分由分揀機器人和推送氣缸兩部分組成，機械人負責有效建筑垃圾，氣缸負責無用垃圾。機械手是分揀機器人關鍵部件，主要用于抓取和握持物體，選擇三爪定心結構，最大輸出力大小為10kg，驅動方式選擇氣動方式。推送氣缸選擇結構簡單，選擇易于制作的MHS3-40型氣缸[3]。

3后處理

（1）信號處理及融合：對拍攝到的圖片進行預處理，實現(xiàn)目標分離，提取出所需特征值，通過運動規(guī)律及采集信號完成目標運動件定位方案。采用嵌入式軟件處理多個傳感器采集的信號并融合、判定材質(zhì)及定位檢測;

（2）機械手動態(tài)抓取策略：以工業(yè)應用廣泛的PID控制為基礎，結合現(xiàn)目前高級的Bang-Bang控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等控制方式優(yōu)化機械手動態(tài)抓取策略以及抓取目標路徑規(guī)劃[4]。

4結束語

本文以固體建筑垃圾物為研究對象，利用智能識別分揀系統(tǒng)替代傳統(tǒng)人工勞作的方案，有效提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本。該研究為實際分揀工作提供理論支持和指導意義，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 鄭先報.建筑垃圾機器人分揀技術研究[D].廈門：華僑大學，2019.

[2] 周瀅慜.基于機器視覺的生活垃圾智能分揀系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2018.

[3] 孫志偉.基于視覺定位的并聯(lián)機器人抓取技術研究[D].濟南：齊魯工業(yè)大學，2018.

[4] 黃倫，劉沛，譚濤.智能垃圾分揀系統(tǒng)的模擬與實現(xiàn)[J].機電工程，2014，31（11）：1452-1456.

作者簡介

房劍飛（1991-），男，江蘇泰興人;學歷：碩士，助教，現(xiàn)就職單位：南京工業(yè)大學浦江學院，研究方向：機電一體化。

王玉鵬（1980-），男，漢族，山東萊州人;學歷：碩士，副教授，現(xiàn)就職單位：南京工業(yè)大學浦江學院，研究方向：機電一體化。

諸劍（1986-），男，江蘇南京人;學歷：碩士，實驗師，現(xiàn)就職單位：南京工業(yè)大學浦江學院，研究方向：機電一體化。