一種基于5G云化機器視覺的垃圾分揀系統(tǒng)研究

劉智臣

（湖南信息學(xué)院，湖南 長沙 410151）

0 引 言

中國作為人口大國每天產(chǎn)生的垃圾量是巨大的，有些學(xué)者為此還建立了相關(guān)的模型[1]預(yù)測垃圾的產(chǎn)生量。為處理這些垃圾，填埋法、焚燒法等方案被廣泛使用，這些方法不能完全杜絕對土地與空氣的污染，并且存在一些較難解決的技術(shù)問題[2]，因此需要研究更好的垃圾處理方案。

處理垃圾最好從源頭開始分類處理，這樣更高效，為此需要引導(dǎo)居民做好垃圾分類，設(shè)置專用的分類垃圾袋、分類垃圾桶，以及做好分類裝運和分類處理[3-6]等工作。顯然這是一個較難實現(xiàn)、效率又不太高的系統(tǒng)工程，因此，如何在垃圾產(chǎn)生的源頭建立自動化、智能化的分揀系統(tǒng)是迫切需要研究的課題。

1 問題的提出

傳統(tǒng)的垃圾分揀系統(tǒng)主要為集中式垃圾分揀設(shè)備或流水線。此類系統(tǒng)中存在的主要問題是垃圾需要先進行集中，在集中過程中并沒有準確地對垃圾進行分類處理，集中后因為垃圾量較大，該系統(tǒng)需要完成高負荷的垃圾分揀工作。為了實現(xiàn)高效分揀，此類系統(tǒng)需要設(shè)計得非常龐大，成本非常昂貴，維護費用也較大，不適合布設(shè)在垃圾產(chǎn)生的源頭完成垃圾分揀，因此在垃圾產(chǎn)生源頭進行分揀，目前仍然以人工分類為主要手段。

為了在垃圾產(chǎn)生的源頭實現(xiàn)不依賴人工方式進行自動智能分揀，本文提出了一種基于5G云化機器視覺[7]的垃圾分揀系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，本地垃圾分揀由機器手臂完成，每個機械手臂都裝有機器視覺傳感器，可利用視覺算法[8-9]來辨識并分揀垃圾；每個機器手臂都使用5G無線互聯(lián)技術(shù)與后端云控中心系統(tǒng)連接，并通過云端視覺算法可增強本地機械手臂的垃圾辨識及分揀能力，從而實現(xiàn)分源頭、分區(qū)域的自動化、智能化[10]的垃圾分揀系統(tǒng)。

2 解決方案及其實現(xiàn)

圖1所示為方案的系統(tǒng)總體拓撲結(jié)構(gòu)。在圖1中，先設(shè)定好垃圾分揀區(qū)域，并統(tǒng)一編號。為了從垃圾源頭實現(xiàn)分揀，可以選擇生活區(qū)、工業(yè)區(qū)的小型垃圾站和垃圾箱等作為垃圾分揀區(qū)域。每個分揀區(qū)域配置一個本地機械手臂，再根據(jù)垃圾分揀區(qū)域的規(guī)模和應(yīng)用要求選擇不同尺寸和型號的機械手臂。

圖1 系統(tǒng)整體布局圖

2.1 本地系統(tǒng)設(shè)計

圖2為本文方案的本地機械手臂硬件邏輯結(jié)構(gòu)。本地機械手臂由處理器模塊、5G傳輸模塊、機器視覺傳感器、機械手臂控制模塊和存儲模塊組成。處理器模塊用來運行本地垃圾分揀程序；5G傳輸模塊用來傳輸垃圾圖像和控制信息；機器視覺傳感器用來采集分揀區(qū)域的垃圾圖像；存儲模塊用來存放本地垃圾分揀程序和本地垃圾數(shù)據(jù)庫，機械手臂控制模塊用來控制機械手臂的移動、抓取、釋放等動作。

圖2 本地機械手臂的硬件邏輯結(jié)構(gòu)

本地機械手臂可以固定在指定的垃圾分揀區(qū)域，也可以是移動的，其可以通過5G無線網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一被云端系統(tǒng)調(diào)動。另外，每個垃圾分揀區(qū)域和本地機械手臂都被統(tǒng)一編號，設(shè)定唯一的位置號，這樣云端系統(tǒng)可以明確分揀區(qū)域的位置，從而準確調(diào)動機械手臂。

本地機械手臂通過視覺傳感器定時采集指定垃圾分揀區(qū)域的垃圾圖像，將兩次采集的垃圾圖像進行對比，如果采集到的圖像不相同，那么就啟動垃圾分揀工作流程。首先標定圖像中的垃圾形狀，若尺寸大于設(shè)定值，即超出本地機械手臂處理范圍，那么本地通知云端系統(tǒng)調(diào)動其他機械手臂協(xié)調(diào)處理，或者本地機械手臂先碾碎垃圾再分揀。接著，對垃圾進行分類，判定其是可回收垃圾還是不可回收垃圾。方法是把圖像中標定的垃圾跟本地機械手臂中可回收垃圾的數(shù)據(jù)庫比對，如果找到匹配項，那么標定該垃圾為可回收類型，將其移入指定位置；如果沒有找到匹配項，那么繼續(xù)與本地的不可回收垃圾的數(shù)據(jù)庫比對，如果找到匹配項，那么標定該垃圾為不可回收，將其移入指定位置；如果兩個數(shù)據(jù)庫都沒有匹配項，那么在本地將垃圾圖像通過5G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給云端系統(tǒng)，交由云端系統(tǒng)進行垃圾分類。如果云端系統(tǒng)返回的是可回收類型，那么本地按照可回收類型的垃圾進行處理；如果云端系統(tǒng)返回的是不可回收類型，那么機械手臂按照不可回收類型的垃圾處理處理；如果云端系統(tǒng)返回的是未知類型，那么機械手臂將垃圾移入特定位置，并申請人工分揀處理，最后將分揀結(jié)果更新垃圾數(shù)據(jù)庫。本地機械手臂分揀程序的執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 本地機械手臂的垃圾分揀工作流程

2.2 云端系統(tǒng)設(shè)計

云端系統(tǒng)采用通用的5G云服務(wù)系統(tǒng)。云端系統(tǒng)可獲得每個垃圾分揀區(qū)域和本地機械手臂的位置號，可與接入5G云的所有本地機械手臂進行數(shù)據(jù)傳輸，可遠程控制本地機械手臂，還可遠程更新本地的垃圾數(shù)據(jù)庫以及升級本地的分揀程序。

當本地機械手臂將垃圾圖像傳輸給云端系統(tǒng)，請求云端系統(tǒng)進行垃圾分類時，云端系統(tǒng)立即啟動垃圾分揀程序。首先把圖像中標定的垃圾跟云端的數(shù)據(jù)庫比對，分辨出該垃圾是可回收的，還是不可回收的；然后依據(jù)結(jié)果控制本地機械手臂完成對應(yīng)的垃圾分揀工作。如果沒有分辨出垃圾類型，則申請人工分揀，并根據(jù)人工分揀的結(jié)果更新云端和本地的垃圾數(shù)據(jù)庫。當本地機械手臂因垃圾尺寸過大無法分揀或者分揀區(qū)域的垃圾量過大時，也可通過5G無線網(wǎng)絡(luò)請求云端系統(tǒng)調(diào)動其他機械手臂前來協(xié)助處理。云端分揀程序的執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 云端系統(tǒng)的垃圾分揀工作流程

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

建立垃圾數(shù)據(jù)庫是一個比較復(fù)雜的過程，需要對垃圾的有效特征值進行提取并記錄。在垃圾分揀時，需要將提取出的垃圾特征值與數(shù)據(jù)庫中的記錄進行匹配，判定該垃圾種類。本文系統(tǒng)標定垃圾使用的特征值主要有以下三個：垃圾的形狀和尺寸特征；垃圾表面的文字和顏色特征；垃圾的硬度特征。整個數(shù)據(jù)庫采用鏈式表的形式組織實現(xiàn)，這樣比較容易增減新的特征值項，見表1所列。

表1 垃圾分揀數(shù)據(jù)庫

3 結(jié) 語

文中提出了一種基于5G云化機器視覺的垃圾分揀系統(tǒng)實現(xiàn)方案。該方案相較于現(xiàn)有技術(shù)做了以下改進：解決了單個機械手臂由于受限于本地資源不足導(dǎo)致垃圾分揀能力有限的問題；解決了集中式垃圾分揀沒有在垃圾產(chǎn)生源頭進行分揀的弊端，可減輕集中式垃圾分揀的工作量和難度。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計達到了預(yù)期目標。