CN108861186B - 一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶及其工作方法 - Google Patents

一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶及其工作方法。该垃圾桶包括桶体，桶体前侧设有垃圾检测仓，垃圾检测仓前侧设有入口，垃圾检测仓后侧设有与桶体的内腔连通的出口，垃圾检测仓包括第一空腔和第二空腔，第二空腔的顶面水平位置高于第一空腔的顶面水平位置，第二空腔的底面水平位置低于第一空腔的底面水平位置，第二空腔的底面设有红外发射管和红外反射接收管，第二空腔的顶面设有红外透射接收管，红外透射接收管位于红外发射管的正上方，出口处设有遮挡住出口的电控门，桶体上设有控制器。本发明根据各种物体对固定波长近红外光的反射与透射率不同可以唯一判断物体的类别，准确识别出垃圾桶所回收的垃圾类型。

Description

一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶及其工作方法
技术领域
本发明涉及垃圾桶技术领域，尤其涉及一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶及其工作方法。
背景技术
随着智能化时代的到来，智能化产品给人们的生活，工作，学习都带来很大的便利。在环保领域垃圾的分类回收也给技术人员带来机遇与挑战，垃圾桶经历了从简易垃圾桶到分类垃圾桶再到现在的智能垃圾桶的发展历程，当下出现了具有人体感应的桶盖自动开启垃圾桶，具有红外开关的垃圾感应功能的垃圾桶，具有自动称重式的垃圾桶，各种新式垃圾桶层出不穷，根据人们的需求与当下时代的需要。
现有的智能垃圾桶可通过摄像头采集垃圾图像，通过图像处理判断垃圾类型。但是，这种方法对垃圾材料实质分析性能较差，识别误差大，且价格昂贵，大大增加了产品价格。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶及其工作方法，其根据各种物体对固定波长近红外光的反射与透射率不同可以唯一判断物体的类别，准确识别出垃圾桶所回收的垃圾类型，识别精度高，且成本较低。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明的一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶，包括桶体，所述桶体前侧设有垃圾检测仓，所述垃圾检测仓前侧设有入口，所述垃圾检测仓后侧设有与桶体的内腔连通的出口，所述垃圾检测仓包括第一空腔和第二空腔，所述第一空腔前侧与入口连通，所述第二空腔前侧与第一空腔后侧连通，所述第二空腔后侧与出口连通，所述第二空腔的顶面水平位置高于第一空腔的顶面水平位置，所述第二空腔的底面水平位置低于第一空腔的底面水平位置，所述第二空腔的底面设有红外发射管和红外反射接收管，所述第二空腔的顶面设有红外透射接收管，所述红外透射接收管位于红外发射管的正上方，所述出口处设有遮挡住出口的电控门，所述桶体上设有控制器，所述控制器分别与红外发射管、红外反射接收管、红外透射接收管和电控门电连接。
在本技术方案中，本发明的依据是根据纸张、金属、塑料、玻璃等物质对950nm的近红外光的吸收与反射能力不同而设计的。
用户扔垃圾时，将垃圾从垃圾检测仓前侧的入口插入直到垃圾进入第二空腔，此时，垃圾阻挡红外发射管发出的红外光，红外反射接收管接收到经过垃圾反射回来的红外光，红外透射接收管接收到穿透垃圾的红外光，控制器收到红外反射接收管检测的数据和红外透射接收管检测的数据，计算出近红外反射率x和近红外透射率y，代入垃圾分类模型公式：F(x，y)＝xω1+yω2+b，ω1、ω2为权重值，b为偏置参数，如果F(x，y)＞0，则控制器判断该垃圾是垃圾桶所回收的垃圾类型，控制电控门打开，用户将垃圾扔入桶体的内腔，之后控制器控制电控门关闭，如果F(x，y)≤0，则控制器判断该垃圾不是垃圾桶所回收的垃圾类型，控制电控门保持关闭状态。
将红外发射管和红外反射接收管放在同一个侧面上，将红外透射接收管放置与红外发射管的正上方，提高红外的接收能力。
本垃圾桶只能识别回收一种类型的垃圾，如纸张、金属、塑料、玻璃中的一种。如果对纸张、金属、塑料、玻璃等垃圾分别回收，则可以设置若干个本垃圾桶，分别单独回收纸张、金属、塑料、玻璃等垃圾。
作为优选，所述第一空腔的顶面与底面相互平行，所述第二空腔的顶面与底面相互平行，垃圾检测仓的顶面与底面对称设置，垃圾检测仓的顶面呈倒阶梯形，垃圾检测仓的底面呈阶梯形。这种垃圾检测仓的阶梯形结构设计可保证进入第二空腔的垃圾与红外发射管、红外反射接收管、红外透射接收管之间的距离在一定的范围内，可有效防止在检测的过程中出现因为垃圾与传感器之间的距离太近过太远而带来测量结果误差。
作为优选，所述电控门包括遮挡住出口的门体以及驱动门体打开/关闭的驱动电机，所述驱动电机与控制器电连接。
作为优选，所述桶体上还设有若干个指示灯，所述指示灯与控制器电连接。
作为优选，所述桶体上还设有检测桶体的内腔容量的容量检测装置，所述容量检测装置与控制器电连接。容量检测装置实时检测桶体内腔的当前垃圾量，并将其发送到控制器，当桶体装满垃圾时，相应的指示灯点亮。
作为优选，所述容量检测装置为设置在桶体的内腔顶部的超声波传感器。
作为优选，所述桶体后侧设有与桶体的内腔连通的垃圾取出口，所述垃圾取出口处设有挡门。
作为优选，所述桶体上还设有无线通信模块，所述无线通信模块与控制器电连接。控制器通过无线通信模块将垃圾桶当前的容量等情况发送到云端，便于管理。
本发明的一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶的工作方法，用于上述的一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶，包括以下步骤：用户将垃圾从垃圾检测仓前侧的入口插入直到垃圾进入第二空腔，此时，垃圾阻挡红外发射管发出的红外光，红外反射接收管接收到经过垃圾反射回来的红外光，红外透射接收管接收到穿透垃圾的红外光，控制器收到红外反射接收管检测的数据和红外透射接收管检测的数据，计算出近红外反射率x和近红外透射率y，代入垃圾分类模型公式：F(x，y)＝xω1+yω2+b，ω1、ω2为权重值，b为偏置参数，如果F(x，y)＞0，则控制器判断该垃圾是垃圾桶所回收的垃圾类型，控制电控门打开，垃圾可扔入桶体的内腔，如果F(x，y)≤0，则控制器判断该垃圾不是垃圾桶所回收的垃圾类型，控制电控门保持关闭状态。
作为优选，所述垃圾分类模型公式中ω1，ω2，b的值取的方法包括以下步骤：
S1：将垃圾桶所回收的垃圾类型的标签z记为1，其余垃圾类型的标签z记为-1，设每个垃圾的检测数据点为(近红外反射率x，近红外透射率y，标签z)，检测不同种类垃圾的近红外透射率、近红外反射率，得到数据集T＝{(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，…，(xi，yi，zi)}；
S2：根据机器学习感知机形式如公式(1)所示：
L(ω1，ω2，b)＝∑zi(ω1*xi，ω2*yi，b) (1)
其中，L(ω1，ω2，b)函数为感知机的损失函数，ω1、ω2为权重值，b为偏置参数，(xi，yi，zi)为第i个垃圾的数据点；
采用随机梯度下降法先随机选取ω1、ω2、b的值，随后进行对损失函数L(ω1，ω2，b)进行极小化处理，极小化处理即将数据集T中的误差数据点不断进行排除处理，排除一个误差数据点就对ω1、ω2、b进行更新处理，按公式(2)，(3)，(4)进行使损失函数进行梯度下降，
ω1＝ω1+ηxizi (2)
ω2＝ω2+ηyizi (3)
b＝b+ηzi (4)
其中1≥η≥0为学习率，按照上式进行参数的不断迭代最终得到ω1，ω2，b的值。
本发明的有益效果是：(1)能够根据各种物体对固定波长近红外光的反射与透射率不同可以唯一判断物体的类别，准确识别出垃圾桶所回收的垃圾类型，识别精度高，且成本较低.(2)当垃圾识别正确后，即符合该垃圾桶的回收种类则开启垃圾桶，允许用户投入垃圾。(3)能够实时检测垃圾桶的容量。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明的截面图；
图3是本发明的一种电路原理连接框图。
图中：1、桶体，2、入口，3、第一空腔，4、第二空腔，5、红外发射管，6、红外反射接收管，7、红外透射接收管，8、电控门，9、控制器，10、指示灯，11、容量检测装置，12、挡门，13、无线通信模块，14、内腔。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶，如图1、图2、图3所示，包括桶体1，桶体1前侧设有垃圾检测仓，垃圾检测仓前侧设有入口2，垃圾检测仓后侧设有与桶体1的内腔14连通的出口，垃圾检测仓包括第一空腔3和第二空腔4，第一空腔3前侧与入口2连通，第二空腔4前侧与第一空腔3后侧连通，第二空腔4后侧与出口连通，第二空腔4的顶面水平位置高于第一空腔3的顶面水平位置，第二空腔4的底面水平位置低于第一空腔3的底面水平位置，第二空腔4的顶面与底面相互平行，第二空腔4的底面并排设有红外发射管5和红外反射接收管6，第二空腔4的顶面设有红外透射接收管7，红外透射接收管7位于红外发射管5的正上方，出口处设有遮挡住出口的电控门8，桶体1上设有控制器9，控制器9分别与红外发射管5、红外反射接收管6、红外透射接收管7和电控门8电连接。
本发明的依据是根据纸张、金属、塑料、玻璃等物质对950nm的近红外光的吸收与反射能力不同而设计的。
用户扔垃圾时，将垃圾从垃圾检测仓前侧的入口插入直到垃圾进入第二空腔，此时，垃圾阻挡红外发射管发出的红外光，红外反射接收管接收到经过垃圾反射回来的红外光，红外透射接收管接收到穿透垃圾的红外光，控制器收到红外反射接收管检测的数据和红外透射接收管检测的数据，计算出近红外反射率x和近红外透射率y，代入垃圾分类模型公式：F(x，y)＝xω1+yω2+b，ω1、ω2为权重值，b为偏置参数，如果F(x，y)＞0，则控制器判断该垃圾是垃圾桶所回收的垃圾类型，控制电控门打开，用户将垃圾扔入桶体的内腔，之后控制器控制电控门关闭，如果F(x，y)≤0，则控制器判断该垃圾不是垃圾桶所回收的垃圾类型，控制电控门保持关闭状态。
将红外发射管和红外反射接收管放在同一个侧面上，将红外透射接收管放置与红外发射管的正上方，提高红外的接收能力。
本垃圾桶只能识别回收一种类型的垃圾，如纸张、金属、塑料、玻璃中的一种。如果对纸张、金属、塑料、玻璃等垃圾分别回收，则可以设置若干个本垃圾桶，分别单独回收纸张、金属、塑料、玻璃等垃圾。
第一空腔3的顶面与底面相互平行，垃圾检测仓的顶面与底面对称设置，垃圾检测仓的顶面呈倒阶梯形，垃圾检测仓的底面呈阶梯形。这种垃圾检测仓的阶梯形结构设计可保证进入第二空腔的垃圾与红外发射管、红外反射接收管、红外透射接收管之间的距离在一定的范围内，可有效防止在检测的过程中出现因为垃圾与传感器之间的距离太近过太远而带来测量结果误差。
电控门8包括遮挡住出口的门体以及驱动门体打开/关闭的驱动电机，驱动电机与控制器9电连接。
桶体1上还设有四个指示灯10，指示灯10与控制器9电连接。
桶体1上还设有检测桶体1的内腔14容量的容量检测装置11，容量检测装置11与控制器9电连接，容量检测装置11为设置在桶体1的内腔14顶部的超声波传感器。容量检测装置实时检测桶体内腔的当前垃圾量，并将其发送到控制器，当桶体装满垃圾时，相应的指示灯点亮。
桶体1后侧设有与桶体1的内腔连通的垃圾取出口，垃圾取出口处设有挡门12。
桶体1上还设有无线通信模块13，无线通信模块13与控制器9电连接。控制器通过无线通信模块将垃圾桶当前的容量等情况发送到云端，便于管理。
本实施例的一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶的工作方法，用于上述的一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶，包括以下步骤：用户将垃圾从垃圾检测仓前侧的入口插入直到垃圾进入第二空腔，此时，垃圾阻挡红外发射管发出的红外光，红外反射接收管接收到经过垃圾反射回来的红外光，红外透射接收管接收到穿透垃圾的红外光，控制器收到红外反射接收管检测的数据和红外透射接收管检测的数据，计算出近红外反射率x和近红外透射率y，代入垃圾分类模型公式：F(x，y)＝xω1+yω2+b，ω1、ω2为权重值，b为偏置参数，如果F(x，y)＞0，则控制器判断该垃圾是垃圾桶所回收的垃圾类型，控制电控门打开，垃圾可扔入桶体的内腔，如果F(x，y)≤0，则控制器判断该垃圾不是垃圾桶所回收的垃圾类型，控制电控门保持关闭状态。
垃圾分类模型公式中ω1，ω2，b的值取的方法包括以下步骤：
S1：将垃圾桶所回收的垃圾类型的标签z记为1，其余垃圾类型的标签z记为-1，设每个垃圾的检测数据点为(近红外反射率x，近红外透射率y，标签z)，检测不同种类垃圾的近红外透射率、近红外反射率，得到数据集T＝{(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，…，(xi，yi，zi)}；
S2：根据机器学习感知机形式如公式(1)所示：
L(ω1，ω2，b)＝∑zi(ω1*xi，ω2*yi，b) (1)
其中，L(ω1，ω2，b)函数为感知机的损失函数，ω1、ω2为权重值，b为偏置参数，(xi，yi，zi)为第i个垃圾的数据点；
采用随机梯度下降法先随机选取ω1、ω2、b的值，随后进行对损失函数L(ω1，ω2，b)进行极小化处理，极小化处理即将数据集T中的误差数据点不断进行排除处理，排除一个误差数据点就对ω1、ω2、b进行更新处理，按公式(2)，(3)，(4)进行使损失函数进行梯度下降，
ω1＝ω1+ηxizi (2)
ω2＝ω2+ηyizi (3)
b＝b+ηzi (4)
其中1≥η≥0为学习率，按照上式进行参数的不断迭代最终得到ω1，ω2，b的值。

Claims (8)

1.一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶，其特征在于，包括桶体(1)，所述桶体(1)前侧设有垃圾检测仓，所述垃圾检测仓前侧设有入口(2)，所述垃圾检测仓后侧设有与桶体(1)的内腔(14)连通的出口，所述垃圾检测仓包括第一空腔(3)和第二空腔(4)，所述第一空腔(3)前侧与入口(2)连通，所述第二空腔(4)前侧与第一空腔(3)后侧连通，所述第二空腔(4)后侧与出口连通，所述第二空腔(4)的顶面水平位置高于第一空腔(3)的顶面水平位置，所述第二空腔(4)的底面水平位置低于第一空腔(3)的底面水平位置，所述第二空腔(4)的底面设有红外发射管(5)和红外反射接收管(6)，所述第二空腔(4)的顶面设有红外透射接收管(7)，所述红外透射接收管(7)位于红外发射管(5)的正上方，所述出口处设有遮挡住出口的电控门(8)，所述桶体(1)上设有控制器(9)，所述控制器(9)分别与红外发射管(5)、红外反射接收管(6)、红外透射接收管(7)和电控门(8)电连接；
其工作方法包括以下步骤：用户将垃圾从垃圾检测仓前侧的入口插入直到垃圾进入第二空腔，此时，垃圾阻挡红外发射管发出的红外光，红外反射接收管接收到经过垃圾反射回来的红外光，红外透射接收管接收到穿透垃圾的红外光，控制器收到红外反射接收管检测的数据和红外透射接收管检测的数据，计算出近红外反射率x和近红外透射率y，代入垃圾分类模型公式：F(x,y)＝xω1+yω2+b，ω1、ω2为权重值，b为偏置参数，如果F(x,y)>0，则控制器判断该垃圾是垃圾桶所回收的垃圾类型，控制电控门打开，垃圾可扔入桶体的内腔，如果F(x,y)≤0，则控制器判断该垃圾不是垃圾桶所回收的垃圾类型，控制电控门保持关闭状态。
2.根据权利要求1所述的一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶，其特征在于，所述第一空腔(3)的顶面与底面相互平行，所述第二空腔(4)的顶面与底面相互平行，垃圾检测仓的顶面与底面对称设置，垃圾检测仓的顶面呈倒阶梯形，垃圾检测仓的底面呈阶梯形。
3.根据权利要求1所述的一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶，其特征在于，所述电控门(8)包括遮挡住出口的门体以及驱动门体打开/关闭的驱动电机，所述驱动电机与控制器(9)电连接。
4.根据权利要求1所述的一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶，其特征在于，所述桶体(1)上还设有若干个指示灯(10)，所述指示灯(10)与控制器(9)电连接。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶，其特征在于，所述桶体(1)上还设有检测桶体(1)的内腔(14)容量的容量检测装置(11)，所述容量检测装置(11)与控制器(9)电连接。
6.根据权利要求5所述的一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶，其特征在于，所述容量检测装置(11)为设置在桶体(1)的内腔(14)顶部的超声波传感器。
7.根据权利要求1所述的一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶，其特征在于，所述桶体(1)后侧设有与桶体(1)的内腔(14)连通的垃圾取出口，所述垃圾取出口处设有挡门(12)。
8.根据权利要求1所述的一种自动垃圾分类的多功能垃圾桶，其特征在于，所述垃圾分类模型公式中ω1，ω2，b的取值的方法包括以下步骤：
S1：将垃圾桶所回收的垃圾类型的标签z记为1，其余垃圾类型的标签z记为-1，设每个垃圾的检测数据点为(近红外反射率x，近红外透射率y，标签z)，检测不同种类垃圾的近红外透射率、近红外反射率，得到数据集T＝{(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),…,(xi,yi,zi)}；
S2：根据机器学习感知机形式如公式(1)所示：
L(ω1,ω2,b)＝∑zi(ω1*xi,ω2*yi,b) (1)
其中，L(ω1,ω2,b)函数为感知机的损失函数，ω1、ω2为权重值，b为偏置参数，(xi,yi,zi)为第i个垃圾的数据点；
采用随机梯度下降法先随机选取ω1、ω2、b的值，随后进行对损失函数L(ω1,ω2,b)进行极小化处理，极小化处理即将数据集T中的误差数据点不断进行排除处理，排除一个误差数据点就对ω1、ω2、b进行更新处理，按公式(2)，(3)，(4)进行使损失函数进行梯度下降，
ω1＝ω1+ηxizi (2)
ω2＝ω2+ηyizi (3)
b＝b+ηzi (4)
其中1≥η≥0为学习率，按照上式进行参数的不断迭代最终得到ω1，ω2，b的值。
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