垃圾分類整理裝置的設(shè)計(jì)*

□ 何劍敏 □ 沈孟鋒 □ 陳文軍 □ 毛鵬濤 □ 蔡益建

杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 杭州 311402

1 設(shè)計(jì)背景

為加強(qiáng)生活垃圾分類管理,改善城鄉(xiāng)人居環(huán)境,上海、杭州、山東、廣州等地作為垃圾分類的排頭兵,相繼出臺(tái)生活垃圾管理?xiàng)l例[1]。伴隨著垃圾分類的推進(jìn),出現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)+、全鏈條等垃圾分類新模式,以減少垃圾焚燒、填埋所造成的污染[2]。

為解決垃圾分類問(wèn)題,部分研究者基于樸素貝葉斯分類器對(duì)垃圾分類管理進(jìn)行研究[4],還有學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注垃圾投放前端的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用[5]。在互聯(lián)網(wǎng)及傳感技術(shù)方面,胡文帥等[6]重點(diǎn)研究基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾桶,馬新玲等[7]采用高清攝像頭、紅外熱成像儀、物相分析儀等設(shè)備進(jìn)行垃圾分類。在圖像處理技術(shù)方面,吳蓬勃等[8]設(shè)計(jì)了一款基于TensorFlow軟件的垃圾視覺(jué)分揀機(jī)器人試驗(yàn)平臺(tái),李美錕等[9]使用圖形處理器加速訓(xùn)練,結(jié)合樹(shù)莓派實(shí)現(xiàn)垃圾分類,劉文斌等[10]應(yīng)用圖像識(shí)別系統(tǒng)完成智能垃圾分類箱的設(shè)計(jì)。在語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)方面,文獻(xiàn)[11-12]均利用STM32單片機(jī)和語(yǔ)音識(shí)別模塊進(jìn)行識(shí)別。對(duì)于垃圾投放后端的垃圾處理,何慶浩等[13]基于電氣可編程序控制器技術(shù)設(shè)計(jì)多用途可回收垃圾自動(dòng)分類裝置。對(duì)于廚余垃圾的處理,原一高等[14]利用微波加熱技術(shù)設(shè)計(jì)了一種餐廚垃圾微波干燥裝置。在后端進(jìn)行垃圾分類和處理,成本明顯較高。

筆者為滿足垃圾前端分類處理需求,對(duì)不同垃圾進(jìn)行有效回收和處理,減輕垃圾后端處理壓力,設(shè)計(jì)了一款垃圾分類整理裝置。

2 主要功能

垃圾分類整理裝置由鋁型材和亞克力板搭建,分為上下兩層,整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

▲圖1 垃圾分類整理裝置整體設(shè)計(jì)

垃圾分類整理裝置上層以垃圾分類為主,下層以垃圾收集整理為主,特色功能主要為語(yǔ)音開(kāi)蓋和智能集塵。垃圾分類整理裝置通過(guò)STM32單片機(jī)控制,通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別和舵機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)蓋功能,通過(guò)內(nèi)置吸塵機(jī)和集塵桶實(shí)現(xiàn)垃圾智能收集。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 語(yǔ)音識(shí)別模塊

為解決投放人難以區(qū)分四大類垃圾的困擾,筆者使用語(yǔ)音識(shí)別模塊,投放人只需要正確說(shuō)出投放的垃圾名稱,垃圾分類整理裝置便可以自動(dòng)識(shí)別并打開(kāi)相應(yīng)垃圾投放桶的蓋板。語(yǔ)音識(shí)別模塊由LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片、SYN6288語(yǔ)音合成模塊、SG90舵機(jī)組成,通過(guò)麥克風(fēng)接收語(yǔ)音信號(hào),經(jīng)過(guò)音頻處理,對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行解碼和數(shù)字化處理。語(yǔ)音識(shí)別流程如圖2所示。

▲圖2 語(yǔ)音識(shí)別流程

由圖2可知,語(yǔ)音信號(hào)分析處理時(shí),與關(guān)鍵詞語(yǔ)列表進(jìn)行對(duì)比,得到垃圾分類的匹配結(jié)果,繼而控制相應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90°,實(shí)現(xiàn)垃圾桶的開(kāi)啟和關(guān)閉。

3.2 智能集成桶模塊

智能集成桶模塊主要由掃地機(jī)器人、吸塵機(jī)、集塵桶三部分組成。日常所用的掃地機(jī)器人清潔后,需要尋找充電位置進(jìn)行充電,機(jī)器人中的清掃物不能及時(shí)清理,一般均由人工進(jìn)行處理。在垃圾分類整理裝置中,對(duì)充電位置進(jìn)行調(diào)整,增加15°斜面,同時(shí)在斜面底部加開(kāi)吸塵槽。智能集成桶模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

▲圖3 智能集成桶模塊結(jié)構(gòu)

當(dāng)掃地機(jī)器人每次歸位進(jìn)行充電時(shí),觸發(fā)安裝在集塵桶上部圓形開(kāi)口處的吸塵機(jī)工作。通過(guò)吸塵機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓,將塵盒內(nèi)垃圾吸至集塵桶中,實(shí)現(xiàn)清潔與處理一體化。這一功能能夠避免用戶清理塵盒時(shí)造成二次污染。

機(jī)器人吸塵過(guò)程屬于氣固兩相流動(dòng),忽略清除垃圾對(duì)象的多樣性,分析簡(jiǎn)化為單一介質(zhì)的氣場(chǎng)流動(dòng)問(wèn)題,氣流場(chǎng)選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型主要求解湍流動(dòng)能k方程和湍流耗散率ε方程。k方程是精確方程,ε方程是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)的方程。假定流場(chǎng)是完全發(fā)展的湍流,不考慮分子之間的黏性作用,方程為[15]:

+Gk+Gb-ρε-YM

(1)

(2)

μt=ρCμk2/ε

(3)

式中:ρ為密度;ui為流速分量;t為時(shí)間;xi、xj為流向分量;μ黏性因數(shù);Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能;Gb為浮力引起的湍動(dòng)能;YM為可壓湍流中擴(kuò)張產(chǎn)生的波動(dòng);μt為湍流黏性因數(shù);C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);σk、σε為湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的湍流普朗特?cái)?shù),σk=1.0,σε=1.3。

在集塵桶設(shè)計(jì)前期,需要對(duì)桶內(nèi)空氣流動(dòng)進(jìn)行分析。利用Fluent仿真軟件進(jìn)行流場(chǎng)分析,先在設(shè)計(jì)模塊中創(chuàng)建集塵桶三維模型。為節(jié)約不必要的計(jì)算資源,對(duì)集塵桶模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,重點(diǎn)分析截面的流場(chǎng)。對(duì)集塵桶模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,共獲得4 802個(gè)單元和6 424個(gè)節(jié)點(diǎn),同時(shí)設(shè)定進(jìn)氣口、出氣口和壁面三個(gè)界面。將有限元模型中流體的屬性設(shè)定為空氣,密度設(shè)定為1.225 kg/m3,添加輸入接口邊界條件為0 Pa,輸出接口邊界條件為-6 kPa。采用半隱式連接壓力方程算法對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算,得到流場(chǎng)顆粒軌跡,如圖4所示。

▲圖4 流場(chǎng)顆粒軌跡

根據(jù)流場(chǎng)顆粒軌跡可知,通過(guò)吸塵機(jī)所產(chǎn)生的負(fù)壓,可以將進(jìn)入的空氣吸入集塵桶,通過(guò)底部間隙直達(dá)集塵桶右側(cè)的集塵袋。由于受到壁面的限制,在底部間隙入口處及右側(cè)集塵袋上產(chǎn)生渦流,使空氣在集塵袋中連續(xù)運(yùn)動(dòng),初步達(dá)到垃圾進(jìn)袋的效果,但同時(shí)導(dǎo)致流體速度變慢的情況。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)方案相關(guān)計(jì)算仿真后,搭建垃圾分類整理裝置實(shí)物。垃圾分類整理裝置長(zhǎng)60 cm,寬60 cm,高88 cm,實(shí)物如圖5所示。

▲圖5 垃圾分類整理裝置實(shí)物

通過(guò)試驗(yàn),驗(yàn)證以下功能:

(1)設(shè)置多種垃圾類型,通過(guò)語(yǔ)音智能識(shí)別系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)四大類垃圾識(shí)別,正確開(kāi)蓋和關(guān)閉功能;

(2)掃地機(jī)器人成功進(jìn)入15°斜面充電平臺(tái),實(shí)現(xiàn)充電功能,同時(shí)啟動(dòng)吸塵機(jī),將掃地機(jī)器人底部的垃圾吸入集塵裝置。

5 優(yōu)點(diǎn)

垃圾分類整理裝置有兩大優(yōu)點(diǎn)。

(1)通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別智能分類垃圾,幫助對(duì)生活垃圾分類不明確的投放人正確投放垃圾,有利于生態(tài)環(huán)保和垃圾可回收利用。

(2)配合掃地機(jī)器人自動(dòng)集塵密封處理,在掃地機(jī)器人充電時(shí),自動(dòng)清理掃地機(jī)器人收集的垃圾,避免二次投放和揚(yáng)塵,實(shí)現(xiàn)收集、清理一體化。