基于圖像識別的智能垃圾分類小車設(shè)計(jì)

吳洪艷 徐東萍 甘尚艷

摘? 要：文章基于圖像識別技術(shù)設(shè)計(jì)一款可移動(dòng)的智能垃圾清潔分類小車，該小車能夠在行進(jìn)過程中自動(dòng)識別垃圾，實(shí)現(xiàn)垃圾清潔分類。以Arduino mega 2560為主控板，借助K210圖像識別裝置，采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法對垃圾圖像進(jìn)行識別與分類，并在液晶屏上顯示識別與分類結(jié)果，語音提醒垃圾桶裝滿信息。測試結(jié)果表明，該文設(shè)計(jì)的智能垃圾分類小車識別分類準(zhǔn)確率高，運(yùn)行平穩(wěn)順暢。

關(guān)鍵詞：圖像識別；智能小車；垃圾分類

中圖分類號：TP391.4；X705 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）03-0143-04

Design of Intelligent Garbage Sorting Car Based on Image Recognition

WU Hongyan， XU Dongping， GAN Shangyan

（School of Electronic and Electrical Engineering， Lingnan Normal University， Zhanjiang? 524048， China）

Abstract： Based on the image recognition technology， this paper designs a mobile intelligent garbage cleaning and classification car， which can automatically identify garbage in the process of traveling and realize garbage cleaning and classification. The Arduino mega 2560 is used as the main control board， and the K210 image recognition device is used to recognize and classify the garbage images using the algorithm based on convolutional neural network， and the results are displayed on the LCD screen to voice alert the trash can of full information. The test results show that the intelligent garbage sorting car designed in this paper has high recognition and classification accuracy and smooth operation.

Keywords： image recognition; intelligent car; garbage classification

0? 引? 言

隨著城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，城市垃圾處理成為城市環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的首要任務(wù)。在此背景下，生活垃圾分類逐漸受到重視[1]。另外，科技進(jìn)步促使智能化產(chǎn)品在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用越來越廣，出現(xiàn)了智能家居用品、掃地機(jī)器人等智能家用電器[2]。在智慧城市的理念下，智能系統(tǒng)的出現(xiàn)大大提高了人們的工作效率。如何運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)，科學(xué)高效地處理生活垃圾，促進(jìn)資源再利用成為政府亟須解決的問題[3]。將圖像處理技術(shù)與垃圾分類有機(jī)地融合，設(shè)計(jì)一款智能語音控制垃圾分類系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)垃圾分類依靠人工識別、分類效率低下的問題，此項(xiàng)工作具有重要的實(shí)用價(jià)值，可以更好地實(shí)現(xiàn)資源回收和再利用[4-7]。

目前市面上的垃圾分類產(chǎn)品大都是大型化、不可移動(dòng)的，由于是固定化形式的，對沒有扔入的垃圾沒法處理。通過采用機(jī)器視覺和避障模塊實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)化的垃圾分類可解決這一問題，保障大型場所室內(nèi)衛(wèi)生的干凈整潔，實(shí)現(xiàn)垃圾分類，營造綠色環(huán)境。

1? 總體設(shè)計(jì)方案

智能垃圾分類小車是車載分類垃圾桶，在移動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)對垃圾的回收與分類。在沒有尋找到垃圾的時(shí)候，小車先用超聲波識別障礙物，并使用直流電機(jī)控制麥克納姆輪進(jìn)行避障行走，圖像識別裝置在小車行進(jìn)過程中尋找垃圾。圖像識別裝置以K210芯片為主控，小車前方的攝像頭將圖像傳給芯片后，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算，識別出圖像中的垃圾，按照可回收物、不可回收物、其他垃圾的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行類別判斷。在圖像識別裝置得出數(shù)據(jù)后，通過串口通信傳送給主控板Arduino。主控板再通過舵機(jī)控制小車的鏟子將垃圾鏟起，并將垃圾放至小車上相應(yīng)類別的垃圾桶中。同時(shí)，通過紅外模塊，實(shí)時(shí)測量垃圾桶是否已滿，如果垃圾桶已滿，則發(fā)一個(gè)信號給主控板，此時(shí)，語音模塊發(fā)出語音提示“垃圾已滿”。智能垃圾處理小車順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，可輕松實(shí)現(xiàn)垃圾分類，同時(shí)又將垃圾分類與小車結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的垃圾分類，解決室內(nèi)衛(wèi)生問題。具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于設(shè)計(jì)方案，對主要組成部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.1? Arduino Mega 2560主控板

Arduino Mega 2560作為主控板，通過收集超聲波測距模塊和光電傳感器的信息對小車周圍環(huán)境情況進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)小車的自主運(yùn)動(dòng)與避障。同時(shí)判斷k210通過串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對地面上的垃圾進(jìn)行分類處理，再通過串口發(fā)送垃圾種類給語音識別模塊。此外，小車上的臨時(shí)垃圾桶裝滿后，Arduino發(fā)送信號給工作人員進(jìn)行下一步的處理。

2.2? K210芯片

K210芯片作為圖像識別裝置的主控，擁有1TOPS的算力，在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方面有一定的優(yōu)勢，所搭載的SD上存放有基于YOLO目標(biāo)檢測算法訓(xùn)練的圖像識別模型。當(dāng)接收到攝像頭OV2640傳來的圖像時(shí)，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及已經(jīng)訓(xùn)練好的模型進(jìn)行計(jì)算，分析圖像中是否有垃圾，并通過串口將結(jié)果實(shí)時(shí)傳送至主控Arduino，同時(shí)將垃圾位置框出，連同垃圾種類一起在LCD屏中顯示出來。當(dāng)攝像頭傳過來的圖片中未顯示有垃圾時(shí)，則不發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3? LCD顯示屏（ST7789）顯示識別情況

運(yùn)用高清全彩IPS LCD實(shí)時(shí)顯示圖像。如果圖像中存在垃圾時(shí)，在屏幕中顯示垃圾所在的區(qū)域及垃圾類別，可以驗(yàn)證能否正確尋找圖像中的垃圾以及所識別的圖像垃圾類別是否正確。

2.4? 超聲波測距和光電開關(guān)組成的避障模塊

小車的頭部是避障最為關(guān)鍵的部位，在車頭中心位置加裝超聲波傳感器，兩側(cè)對稱放置光電傳感器，盡可能擴(kuò)大環(huán)境探測范圍。此外，車體兩側(cè)也是避障的關(guān)鍵點(diǎn)。在避障過程中，它們的作用是讓車身與兩側(cè)的障礙物保持安全距離。通過超聲波測距模塊和光電傳感器對周圍環(huán)境做出判斷，與構(gòu)建好的控制規(guī)則進(jìn)行比較，在代碼中設(shè)置不同環(huán)境下小車的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，當(dāng)超聲波返回的數(shù)值小于所設(shè)置的距離或光電開關(guān)置于“0”時(shí)，小車改變當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。與紅外測距相比，光電開關(guān)傳感器抗干擾能力強(qiáng)，頻率響應(yīng)快，檢測準(zhǔn)確度高，適用于不同的室內(nèi)光線，克服小車使用場景的局限性。

2.5? TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)

TB6612FNG是一款新型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件，具有集成度高、輸出能力強(qiáng)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。通過改變Arduino的引腳輸入對應(yīng)碼值和PWM輸入數(shù)值，即可控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，有效控制小車運(yùn)動(dòng)。

2.6? 攝像頭OV2640捕捉圖像

這款攝像頭擁有高靈敏度，適合低照度應(yīng)用，可以適配K210，且擁有200萬像素，能夠清晰地獲取圖像，提高圖像識別的準(zhǔn)確率。

2.7? 舵機(jī)組合模塊

舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由PWM脈沖控制，通過改變輸入信號脈沖寬度的方式來改變舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，能夠很精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位。在實(shí)現(xiàn)垃圾的抓取和倒置時(shí)，我們選用舵機(jī)MG996R設(shè)計(jì)兩個(gè)可自由活動(dòng)的垃圾鏟子抓取垃圾，使用舵機(jī)SG90控制垃圾桶的翻轉(zhuǎn)。

2.8? Q8900-16P語音模塊

能夠靈活有效地更換存儲的語音內(nèi)容，使得產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)變得簡單便捷，同時(shí)價(jià)格適中，非常適合應(yīng)用在實(shí)際生活中。將語音模塊和喇叭安裝在小車上，實(shí)現(xiàn)在不同情況下播報(bào)不同的語音，讓使用者可隨時(shí)了解智能垃圾小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? 系統(tǒng)主控程序

如圖2所示為系統(tǒng)主控流程圖，先初始化各個(gè)功能模塊，實(shí)時(shí)檢測小車周圍的環(huán)境情況，根據(jù)傳感器返回的數(shù)據(jù)控制小車執(zhí)行避障程序，從而實(shí)現(xiàn)小車的自主運(yùn)動(dòng)。在小車運(yùn)動(dòng)過程中，同時(shí)使用攝像頭檢測是否有垃圾，若有垃圾，K210經(jīng)過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類處理，同時(shí)通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)給主控板，主控板控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，抓取垃圾放入不同的垃圾桶。當(dāng)垃圾桶中的垃圾裝滿時(shí)，會發(fā)出語音提醒工作人員進(jìn)行處理。

避障功能部分代碼如圖3所示。

3.2? 圖像識別裝置（K210）程序

如圖4所示為圖像識別裝置（K210）程序框圖，先初始化攝像頭和屏幕，打開SD卡里的模型文件和anchors、lable文件，設(shè)置串口通信的引腳，然后由K210芯片處理攝像頭傳來的圖片，并將處理結(jié)果通過串口傳出去，同時(shí)將垃圾框出，連同處理結(jié)果一起顯示在LCD屏上。

3.3? YOLO目標(biāo)檢測算法

YOLO是一種國外開源的目標(biāo)檢測算法，YOLO本質(zhì)上是一個(gè)回歸問題，圖像作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輸入，輸出為邊界框的位置及其所屬的類別。

YOLOv2是其中一個(gè)版本，利用K-means聚類方法獲得更好的Anchor模板，同時(shí)結(jié)合圖像細(xì)粒度特征，將淺層特征與深層特征相關(guān)聯(lián)，有利于小目標(biāo)的檢測。但YOLOv2算法相比之前的系列算法，提高了定位準(zhǔn)確性，并且基于region proposal的方法相比召回率有所提高，因此選用YOLOv2算法實(shí)現(xiàn)垃圾分類。

4? 系統(tǒng)測試

為了讓圖像識別更加精準(zhǔn)，計(jì)算更加準(zhǔn)確，采用YOLO目標(biāo)檢測算法進(jìn)行模型訓(xùn)練，同時(shí)選擇擁有高算力的K210芯片進(jìn)行卷積網(wǎng)絡(luò)計(jì)算。此外，小車搭載大扭力的舵機(jī)以及3D打印的鏟子，保證鏟子擁有較高的載重能力同時(shí)能夠準(zhǔn)確地鏟起垃圾。在進(jìn)行物體垃圾分類識別時(shí)，除了芯片算力的問題，還有SD卡中訓(xùn)練的模型準(zhǔn)確度問題。這就涉及訓(xùn)練集的大小和精度，以及模型是否適配K210芯片的問題。經(jīng)過一系列的嘗試，最終選擇本地訓(xùn)練的模式。關(guān)于小車避障部分，在實(shí)現(xiàn)過程中也遇到了一些困難。小車綜合采用超聲波及光電實(shí)現(xiàn)避障功能，傳感器在小車上并不能完全覆蓋每一個(gè)角度，因此在一些比較極端的環(huán)境下，小車與障礙物存在碰撞情況，因此在實(shí)現(xiàn)過程中我們在調(diào)整傳感器角度的同時(shí)，后續(xù)還會安裝防撞導(dǎo)向擋板，使小車的避障功能更加完善。除此之外，我們在測試過程中發(fā)現(xiàn)，小車在遇到三面都是障礙物時(shí)可能會出現(xiàn)循環(huán)移動(dòng)的路線，這是因?yàn)樾≤囎笥矣龅秸系K物時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度一致。當(dāng)障礙物左右距離相等的時(shí)候，小車會不斷地左右轉(zhuǎn)動(dòng)，我們的解決方法是稍微調(diào)整小車的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，同時(shí)向斜后方倒車，讓左右兩邊的距離差增大，后續(xù)我們還會繼續(xù)根據(jù)車身來調(diào)整車速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。圖5與圖6展示了小車在行進(jìn)過程中遇到電池垃圾，經(jīng)過分類識別后，用鏟子鏟起電池垃圾，然后將其放入對應(yīng)的分類垃圾桶中。

4.1? 不同環(huán)境下的小車避障測試

將小車放入不同環(huán)境中進(jìn)行測試，檢測小車能否成功避障，記錄小車在不同環(huán)境下的測試結(jié)果。障礙物出現(xiàn)在車頭前方a，出現(xiàn)在車頭左方b，出現(xiàn)在車頭右方c，出現(xiàn)在車頭左右方d，出現(xiàn)在車頭的前方、左方e，出現(xiàn)在車頭前方、右方f，出現(xiàn)在車頭前方、左右方g。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，小車能夠在不同環(huán)境中實(shí)現(xiàn)避障功能。

4.2? 垃圾識別正確率的測試

訓(xùn)練模型中將垃圾分為三類，分別是有害垃圾、可回收垃圾和其他垃圾。進(jìn)行了10次試驗(yàn)，其中有9次能正確識別出垃圾，成功率為90%。另外在對不同類別垃圾進(jìn)行分類識別的實(shí)驗(yàn)中，有害垃圾的分類準(zhǔn)確率低于可回收垃圾及其他垃圾的分類準(zhǔn)確率，如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，小車能夠正確識別垃圾，但在對有害垃圾的識別分類上還要提高準(zhǔn)確率。

4.3? 垃圾拾取成功率測試

對小車鏟垃圾動(dòng)作準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了10次實(shí)驗(yàn)，成功率達(dá)到100%，試驗(yàn)結(jié)果表明，小車能夠正常鏟起垃圾。

5? 結(jié)? 論

隨著人們對環(huán)境清潔需求的日益增加，垃圾分類正在融入人們的生活，為此設(shè)計(jì)和制作一款基于圖像識別的智能垃圾小車。摒棄了市面上固定垃圾桶的垃圾分類方法，采用裝載了能讓小車橫向行走的麥克納姆輪的小車巡邏的方法，避免了垃圾桶旁邊堆放垃圾無人清掃的情況，提高了清潔的靈活性，節(jié)省了人力成本，更好地保證了環(huán)境的干凈整潔。小車采取圖像識別垃圾自動(dòng)分類，避免了依賴人工進(jìn)行垃圾分類的弊端，讓小車清潔、垃圾分類的一系列流程能夠順利、高效地進(jìn)行，讓小車的使用更智能、更簡便，門檻更低。

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作者簡介：吳洪艷（1970—），女，漢族，遼寧義縣人，副教授，博士，研究方向：智能控制。

收稿日期：2022-10-10

基金項(xiàng)目：嶺南師范學(xué)院教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程建設(shè)項(xiàng)目（嶺師教務(wù)〔2020〕81號）；廣東省高職教育改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（GDJG2021368）；嶺南師范學(xué)院—北京三清互聯(lián)科技有限公司實(shí)踐教學(xué)基地（嶺師教務(wù)〔2021〕165號）