CN109368095A - 一种防外溢垃圾桶及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防外溢垃圾桶，包括：固定底板，其中心具有凹槽；支柱转轴，其一端垂直可转动的设置在所述凹槽内；四个垃圾箱体，其对称设置在固定底板上方，与支柱转轴固连，垃圾箱体上方设置盖板；顶盖，其设置在垃圾箱体的上方，与支柱转轴固连；支撑臂，其垂直设置在顶盖下端，支撑臂两端设置支撑环；伸缩杆，其一端固连盖板后可滑动地依次穿过所述支撑环；圆柱凸轮机，其设置在所述伸缩杆旁，两端具有传动轴，表面具有环形槽；轨迹走针，其一端固定在伸缩杆上，另一端设置在所述环形槽内；电机，其固定安装在所述顶盖下方，电机的动力输出轴连接所述传动轴的一端。本发明可通过伸缩轴对垃圾箱体实现启闭以及压缩功能，防止垃圾外溢。

Description

一种防外溢垃圾桶及其控制方法

技术领域

本发明涉及垃圾桶领域，尤其涉及一种防外溢垃圾桶及其控制方法。

背景技术

中国经济持续稳定发展，城市化进程快速推进，人口集中带来的大量垃圾处理分类，成为政府亟待解决的一大难题。尽管现有的垃圾箱已经有不同的垃圾分类处理箱，首先，由于人们的环保意识不高，很多情况下为了方便迅速，并没有按照正确的分类方式进行垃圾投放；再者，传统的垃圾箱经常出现垃圾装满外溢的状况；此外，现有的垃圾箱系统并不能进行杀菌消毒处理；最后，有时很难找到一个可以放垃圾的未满的垃圾箱。基于以上原因，发明一种基于互联网的智能垃圾箱系统，可有效解决垃圾分类处理难，垃圾箱不能自动杀菌消毒和难以保证垃圾投放过程中不外溢的问题。

通过互联网技术构建智能垃圾箱系统，有益于智能垃圾箱系统的推广。因此，设计一种基于互联网的智能垃圾箱系统具有重要的实际意义。

发明内容

本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种防外溢垃圾桶，可通过伸缩轴控制盖板实现对垃圾箱体的启闭以及压缩功能，防止垃圾外溢。

本发明还提供了一种防外溢垃圾桶的控制方法，通过实时检测垃圾箱体的环境因素和工作状况，来实时调整伸缩轴和紫外灯工作，达到最佳的工作状态。

本发明提供的技术方案为：一种防外溢垃圾桶，包括：

固定底板，其中心具有凹槽；

支柱转轴，其一端垂直可转动的设置在所述凹槽内；

四个垃圾箱体，其对称设置在所述固定底板上方，与所述支柱转轴固连，所述垃圾箱体上方设置盖板；

顶盖，其设置在所述垃圾箱体的上方，与所述支柱转轴固连；

支撑臂，其垂直设置在所述顶盖下端，所述支撑臂两端设置支撑环；

伸缩杆，其其一端固连所述盖板后可滑动地依次穿过所述支撑环；

圆柱凸轮机，其设置在所述伸缩杆旁，两端具有传动轴，表面具有环形槽；

轨迹走针，其一端固定在所述伸缩杆上，另一端设置在所述环形槽内；

电机，其固定安装在所述顶盖下方，所述电机的动力输出轴连接所述传动轴的一端。

优选的是，还包括：

圆柱套筒，其设在所述支柱转轴上；

支杆，其一端分别均匀设置在所述圆柱套筒外壁，另一端与所述垃圾箱体底部固连。

优选的是，还包括：

圆柱销，其固定在所述支杆另一端；

安装孔，其设置在所述垃圾箱体底部；

其中，所述圆柱销匹配在所述安装孔内。

优选的是，还包括：

超声波传感器，其设置在所述垃圾箱体上方端口外侧；

紫外灯，其设置在所述垃圾箱体上方。

优选的是，还包括：

温湿度传感器，其安装在所述支柱转轴上，用于检测环境温度和湿度；

控制器，其设置在所述固定地板中，连接所述超声波传感器、所述温湿度传感器、所述电机和所述紫外灯。

一种防外溢垃圾桶的控制方法，包括：

步骤一、按照采样周期，获取垃圾箱体内垃圾距离端口的距离H、垃圾箱体的剩余容量V、湿度E、温度T；

步骤二、依次将步骤一中获取的参数进行规格化，确定三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄}；其中x₁为垃圾距离端口的距离系数、x₂为垃圾箱体的剩余容量系数、x₃为湿度系数、x₄为温度系数；

步骤三、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y₁,y₂,…,y_m}；m为中间层节点个数；

步骤四、得到输出层向量o＝{o₁,o₂,o₃}；o₁为电机输出轴转速调节系数、o₂为紫外灯功率调节系数、o₃为紧急关闭信号；

步骤五、控制电机输出轴转速和紫外灯功率，使

其中，别为第i次采样周期输出层向量前两个参数，N_max为电机输出轴最大转速，W_max为紫外灯最大功率，N_i+1为第i+1个采样周期时电机输出轴转速，W_i+1为第i+1个采样周期时紫外灯功率。

优选的是，

所述中间层节点个数m满足：其中n为输入层节点个数，q为输出层节点个数。

优选的是，初始状态时，电机输出轴转速满足：

式中，V₀为垃圾箱体的最大容量，L₀为伸缩杆的长度，h为垃圾箱体的高度。

优选的是，在所述步骤三中，对垃圾箱体内垃圾距离端口的距离H、垃圾箱体的剩余容量V、湿度E、温度T进行规格化的公式为：

其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别为测量参数H、V、E、T，j＝1,2,3,4；X_jmax和X_jmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。

优选的是，初始运动状态，紫外灯功率满足经验值：

W₀＝0.56W_max

其中，W₀为紫外灯初始功率。

本发明所述的有益效果：本发明提供了一种防外溢垃圾桶，可通过伸缩轴控制盖板的上下活动，实现对垃圾箱体的启闭，同时也可以下调盖板，对垃圾实现压缩，防止垃圾外溢；本发明还实时监控垃圾箱体的工作状况和环境因素，实时控制电机和紫外灯的工作状态，防止垃圾外溢，同时也防止垃圾腐蚀变质散发恶臭，提高垃圾箱的工作效率。

附图说明

图1为本发明的防外溢垃圾桶的整体结构图。

图2为本发明的旋转支架的结构图。

图3为本发明的伸缩轴的结构图。

图4为本发明的圆柱筒内部结构示意图。

图5为本发明的垃圾桶控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明的防外溢垃圾桶，包括固定底板100，其上表面中心具有圆柱形的凹槽。固定底板100用于对垃圾桶整体支撑固定。固定地板100上设置有多个螺纹孔101，可以通过螺栓与地面形成固连，对垃圾箱实体进行固定。在凹槽内匹配有支柱转轴110，支柱转轴110的下端在凹槽内可以转动。四个垃圾箱体130对称设置在所述固定底板100的上方，与所述支柱转轴110固连，所述垃圾箱体上方设置盖板132。

在所述垃圾箱体上方设置顶盖140，顶盖140设置在支柱转轴110的上端。在盖板132和顶盖140之间设置有伸缩轴150，伸缩轴150的下端与盖板132固连，并且伸缩轴150具有伸缩性，可以上下活动来调节盖板132的位置，垃圾箱体的盖板132为略小于垃圾箱体上端口的长方形板，通过伸缩轴150与盖板的连接，控制盖板132的启闭；同时，伸长伸缩轴150可以实现垃圾的压缩。

支柱转轴110与垃圾箱体130的连接是通过旋转支架120连接。如图2所示为旋转支架120的结构，包括圆柱套筒121和四个支杆122，所述圆柱套筒121套设在所述支柱转轴110上，所述支杆122的一端分别均匀设置在所述圆柱套筒外壁，支杆122垂直于圆柱套筒121的外壁设置，另一端与所述垃圾箱体130底部固连。

在支杆122的另一端设置有圆柱销123，在垃圾箱体130的底部设置有安装孔，圆柱销123匹配在安装孔内，对垃圾箱体进行固定，同时也便于垃圾清理车机械手臂装卸。

在顶盖140的下方与伸缩轴150连接处设置有圆柱筒158，伸缩轴150的结构如图3-4所示。支撑臂151垂直设置在圆柱筒158内，并且两端垂直设置支撑环153。在支撑环153内套设有伸缩杆152，并且伸缩杆152可在支撑环153内滑动，伸缩杆152的一端延伸至圆柱筒158外与盖板132固连。在伸缩杆152的一侧平行设置有圆柱凸轮机155，其设置在圆柱筒158内，并且圆柱凸轮机155的外表面具有环形槽156，两端具有传动轴157。一端传动轴157连接电机输出轴，电机设置在圆柱筒158内，在所述顶盖140下方。传动轴157通过支撑架159可转动地支撑在圆柱筒158内。轨迹走针154的一端固定在所述伸缩杆152上，另一端设置在所述环形槽156内。并且另一端的传动轴通过支撑架支撑在圆柱筒158内，并且可以在支撑架内可以转动。电机带动圆柱凸轮机155运动，通过与伸缩杆152过盈配合的轨迹走针154将圆柱凸轮机15的旋转运动转变为伸缩杆152的上下往复运动，实现垃圾箱体的盖板132的启闭及垃圾箱内垃圾的压紧操作。

垃圾箱体外设置有嵌合方框131。垃圾车可以通过起吊臂与垃圾箱体的嵌合方框131结合，将满载的垃圾箱体托起，迅速进行垃圾清空处理，完成入车装载操作。温湿度传感器，其安装在所述支柱转轴上，用于检测环境温度和湿度；控制器，其设置在所述固定地板中，连接所述超声波传感器、所述温湿度传感器、所述电机和所述紫外灯。

在另一实施例中，四个垃圾箱体130可分为：可循环垃圾箱体130a、厨余垃圾箱体130b、电池及电子设备箱体130c、其他垃圾箱体130d。当可循环垃圾箱体130a、厨余垃圾箱体130b、电池及电子设备箱体130c、其他垃圾箱体130d内垃圾达到压缩满载状态后，垃圾箱装载状态模块将信息发送给控制系统，控制系统通过控制垃圾箱支柱转轴110的转动，将经过压缩后的满载箱体旋转至靠经路边一侧，以便垃圾清理车进行垃圾装载清理操作。

位置传感器170设置在支柱转轴110上端，以便用户可以找到最近的未满载的垃圾箱进行垃圾投放，便于垃圾清理车快速找到位置，进行满载垃圾箱的清理。超声波传感器180设置在所述垃圾箱体上方端口外侧，用于向垃圾箱体内发送声波以确定垃圾箱内垃圾距离箱体上边缘的距离，将采集的信息作为垃圾箱体的装载信息发送给控制系统。紫外灯160设置在所述垃圾箱体上方，布置于略高于垃圾箱体的靠近垃圾箱支柱转轴110一侧，通过紫外线扫射清空后的垃圾箱体进行杀菌。单目摄像头传感器布置于垃圾箱顶盖中部下方，用于识别用户投放垃圾种类和手机APP服务系统3生成的二维码。

如图5所示，本实施例还包括网络平台系统、手机App服务系统、控制系统、垃圾箱实体；网络平台服务系统，包括图片信息比对模块、语音提示模、垃圾清空处理模块。

当用户进行垃圾投放时，图片信息比对模块，用于将单目摄像头传感器采集的垃圾图像信息，手机APP服务系统中图片信息二维码化模块生成的垃圾信息二维码图片进行与平台中的垃圾种类图片数据库进行对比，确定垃圾种类，并将比对结果传给控制系统。

对于老年用户在进行垃圾投放时，语音提示模块可用于当系统通过单目摄像头传感器感知到用户将要进行垃圾投放时，提供操作运用步骤介绍，使用户能够轻松掌握系统相关操作。

垃圾清空处理模块，当系统通过超声波传感器将采集到此时垃圾上表面距离垃圾箱体端口边缘距离，确定垃圾箱内的垃圾箱体内的垃圾为满载状态，且经过垃圾压紧压缩后不可再压缩时，通过垃圾清空处理模块向垃圾清理车发送垃圾清空处理信息，垃圾箱位置传感器通过网络分享位置，以便垃圾清理车快速进行操作。

用户也可以通过手机APP服务系统提前进行垃圾种类识别，图片信息二维码化模块，用手机对垃圾拍摄，上传到手机APP服务系统中的图片信息二维码化模块，对垃圾种类进行识别，从而生成不同类别的二维码，单目摄像头传感器可以对比网络平台数据库中的图片通过该二维码名片确定垃圾的种类。

为了方便用户快速找到合适的垃圾箱进行垃圾投放，通过超声传感器采集的信息确定垃圾箱中垃圾的装载量，垃圾箱位置传感器确定的垃圾箱位置通过网络上传到手机APP服务系统中的垃圾箱装载状态模块和垃圾箱定位模块，以便用户直接找到未满载的垃圾箱。并且将经过压缩后的满载状态箱体旋转至靠经路边一侧，以便垃圾清理车进行垃圾装载清理操作。

本发明还提供了一种基于BP神经网络的防外溢垃圾桶的控制方法，包括以下步骤：

步骤一S210：建立BP神经网络模型。

本发明采用的BP网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示设备工作状态的n个检测信号，这些信号参数由数据预处理模块给出。第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定。第三层为输出层，共q个节点，由系统实际需要输出的响应确定。

该网络的数学模型为：

输入向量：x＝(x₁,x₂,...,x_n)^T

中间层向量：y＝(y₁,y₂,...,y_m)^T

输出向量：O＝(o₁,o₂,...,o_q)^T

本发明中，输入层节点数为n＝4，输出层节点数为q＝3。隐藏层节点数m由下式估算得出：

输入信号4个参数分别表示为：垃圾箱体内垃圾距离端口的距离H、垃圾箱体的剩余容量V、湿度E、温度T；

由于传感器获取的数据属于不同的物理量，其量纲各不相同。因此，在数据输入人工神经网络之前，需要将数据规格化为0-1之间的数。

具体而言，对于使用超声波传感器测量的垃圾箱体内垃圾距离端口的距离H，进行规格化后，得到距离系数x₁：

其中，H_min和H_max分别为垃圾箱体内垃圾距离端口的最小距离和最大距离。

同样的，使用超声波传感器测量的垃圾箱体的剩余容量V通过下式进行规格化，得到剩余容量系数x₂：

其中，V_max和V_min分别为所述垃圾箱体的剩余最大容量和最小容量。

同样的，使用湿度传感器测量的环境湿度E通过下式进行规格化，得到湿度系数x₃：

其中，E_max和E_min分别为箱体周围最大湿度和最小湿度。

同样的，使用温度传感器测量的环境湿度T通过下式进行规格化，得到温度系数x₄：

其中，T_max和T_min分别为箱体周围最高温度和最低温度。

输出信号的4个参数分别表示为：o₁为电机输出轴转速调节系数、o₂为紫外灯功率调节系数、o₃为紧急关闭信号；

电机输出轴转速调节系数o₁表示为下一个采样周期中电机输出轴转速与当前采样周期中电机输出轴的设定最高转速之比，即在第i个采样周期中，采集到的电机输出轴转速为N_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的电机输出轴调节系数后，控制第i+1个采样周期中电机输出轴为N_i+1，使其满足：

紫外灯功率调节系数o₂表示为下一个采样周期中紫外灯功率与当前采样周期中紫外灯设定最大功率之比，即在第i个采样周期中，采集到的紫外灯功率为W_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的紫外灯功率调节系数后，控制第i+1个采样周期中紫外灯功率为W_i+1，使其满足：

紧急停机信号o₃表示为当前垃圾箱体的运行状态，其输出值为0或1，当输出值为0时，表示当前垃圾箱体处于非正常状态，此时，需要进行紧急关闭；当输出值为1时，表示当前垃圾箱体处于正常状态，可以继续运行。

步骤二S220、进行BP神经网络的训练。

建立好BP神经网络节点模型后，即可进行BP神经网络的训练。根据产品的历史经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值w_ij，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值w_jk，隐层节点j的阈值θ_j，输出层节点k的阈值θ_k、w_ij、w_jk、θ_j、θ_k均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断修正w_ij和w_jk的值，直至系统误差小于等于期望误差时，完成神经网络的训练过程。

如表1所示，给定了一组训练样本以及训练过程中各节点的值。

表1训练过程各节点值

步骤三S230、采集垃圾箱体的运行参数输入神经网络得到调控系数及紧急关闭信号。

将训练好的人工神经网络固化在FPGA芯片之中，使硬件电路具备预测和智能决策功能，从而形成智能硬件。智能硬件加电启动后，

步骤四S240、控制电机输出轴转速和紫外灯功率

S241：按照采样周期，获取第i个采样周期时垃圾箱体内垃圾距离端口的H、垃圾箱体的剩余容量V、湿度E、温度T；其中，i＝1,2,……。

S242：依次将上述4个参数进行规格化，得到第i个采样周期时三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄}。

S243：所述输入层向量映射到中间层，得到第i个采样周期时中间层向量y＝{y₁,y₂,y₃,y₄}。

S244：所述中间层向输出层映射，得到第i个采样周期时得到输出层向量o＝{o₁,o₂,o₃}。

S245、对电机输出轴转速和紫外灯功率进行控制，使下一个周期即第i+1个采样周期时电机输出轴转速和紫外灯功率满足：

其中，初始状态时，电机输出轴转速满足：

式中，V₀为垃圾箱体的最大容量，单位dm³，L₀为伸缩杆的长度，单位dm，h为垃圾箱体的高度，单位dm。

初始状态时，紫外灯功率：

W₀＝0.56W_max

其中，别为第i次采样周期输出层向量前两个参数，N_max为电机输出轴最大转速，W_max为紫外灯最大功率，p_i+1为第i+1个采样周期时电机输出轴转速，T_i+1为第i+1个采样周期时紫外灯功率。N₀为初始状态电机输出轴转速，W₀为初始状态时紫外灯功率。

S246：根据第i次周期中的垃圾箱体内垃圾距离端口的距离H、垃圾箱体的剩余容量V、湿度E、温度T采样信号，判定垃圾箱体的运行状态，当o₃ ⁱ＝0时进行紧急停车。

通过上述设置，通过获取输入参数，通过采用BP神经网络算法，对垃圾箱的电机输出轴转速和紫外灯功率进行控制，使垃圾桶的工作状态达到最佳。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种防外溢垃圾桶，其特征在于，包括：

固定底板，其中心具有凹槽；

支柱转轴，其一端垂直可转动的设置在所述凹槽内；

四个垃圾箱体，其对称设置在所述固定底板上方，与所述支柱转轴固连，所述垃圾箱体上方设置盖板；

顶盖，其设置在所述垃圾箱体的上方，与所述支柱转轴固连；

支撑臂，其垂直设置在所述顶盖下端，所述支撑臂两端设置支撑环；

伸缩杆，其其一端固连所述盖板后可滑动地依次穿过所述支撑环；

圆柱凸轮机，其设置在所述伸缩杆旁，两端具有传动轴，表面具有环形槽；

轨迹走针，其一端固定在所述伸缩杆上，另一端设置在所述环形槽内；

电机，其固定安装在所述顶盖下方，所述电机的动力输出轴连接所述传动轴的一端。

2.根据权利要求1所述的防外溢垃圾桶，其特征在于，还包括：

圆柱套筒，其设在所述支柱转轴上；

支杆，其一端分别均匀设置在所述圆柱套筒外壁，另一端与所述垃圾箱体底部固连。

3.根据权利要求2所述的防外溢垃圾桶，其特征在于，还包括：

圆柱销，其固定在所述支杆另一端；

安装孔，其设置在所述垃圾箱体底部；

其中，所述圆柱销匹配在所述安装孔内。

4.根据权利要求3所述的防外溢垃圾桶，其特征在于，还包括：

超声波传感器，其设置在所述垃圾箱体上方端口外侧；

紫外灯，其设置在所述垃圾箱体上方。

5.根据权利要求4所述的防外溢垃圾桶，其特征在于，还包括：

温湿度传感器，其安装在所述支柱转轴上，用于检测环境温度和湿度；

控制器，其设置在所述固定地板中，连接所述超声波传感器、所述温湿度传感器、所述电机和所述紫外灯。

6.一种防外溢垃圾桶的控制方法，其特征在于，包括：

步骤一、按照采样周期，获取垃圾箱体内垃圾距离端口的距离H、垃圾箱体的剩余容量V、湿度E、温度T；

步骤二、依次将步骤一中获取的参数进行规格化，确定三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄}；其中x₁为垃圾距离端口的距离系数、x₂为垃圾箱体的剩余容量系数、x₃为湿度系数、x₄为温度系数；

步骤三、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y₁,y₂,…,y_m}；m为中间层节点个数；

步骤四、得到输出层向量o＝{o₁,o₂,o₃}；o₁为电机输出轴转速调节系数、o₂为紫外灯功率调节系数、o₃为紧急关闭信号；

步骤五、控制电机输出轴转速和紫外灯功率，使

其中，别为第i次采样周期输出层向量前两个参数，N_max为电机输出轴最大转速，W_max为紫外灯最大功率，N_i+1为第i+1个采样周期时电机输出轴转速，W_i+1为第i+1个采样周期时紫外灯功率。

7.根据权利要求6所述的防外溢垃圾桶的控制方法，其特征在于，

所述中间层节点个数m满足：其中n为输入层节点个数，q为输出层节点个数。

8.根据权利要求7所述的防外溢垃圾桶的控制方法，其特征在于，其特征在于，初始状态时，电机输出轴转速满足：

式中，V₀为垃圾箱体的最大容量，L₀为伸缩杆的长度，h为垃圾箱体的高度。

9.根据权利要求8所述的防外溢垃圾桶的控制方法，其特征在于，在所述步骤三中，对垃圾箱体内垃圾距离端口的距离H、垃圾箱体的剩余容量V、湿度E、温度T进行规格化的公式为：

其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别为测量参数H、V、E、T，j＝1,2,3,4；X_jmax和X_jmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。

10.根据权利要求9所述的防外溢垃圾桶的控制方法，其特征在于，步骤三中，初始运动状态，紫外灯功率满足经验值：

W₀＝0.56W_max

其中，W₀为紫外灯初始功率。