CN113104449A - 一种可连续投放的智能分类垃圾桶 - Google Patents

Abstract

一种可连续投放的智能分类垃圾桶，包括桶盖、垃圾分类器和垃圾存储区域，桶盖设有投放口挡板，投放口设有用于检测是否有垃圾投放的检测组件，垃圾分类器中，壳体上端安装桶盖，壳体内安装步进电机，步进电机的输出轴通过联轴器与旋转叶片的转轴上端连接，旋转叶片的转轴下端通过单向离合器与转盘连接，旋转叶片等圆弧间隔设置至少3个叶片，相邻叶片之间的空间为供垃圾放置的区域，转盘上开有与上述区域匹配的落料口，垃圾存储区域包括垃圾桶子舱体和垃圾桶舱体支架，垃圾桶子舱体一圈布置在垃圾桶舱体支架内，垃圾桶舱体支架的上端与壳体下端连接。本发明可以实现全自动的垃圾分类功能，可进行市面上主流的四种垃圾的分类。

Description

一种可连续投放的智能分类垃圾桶

技术领域

本发明属于垃圾回收装置领域，具体涉及智能垃圾识别与分类以及垃圾桶装置。

背景技术

随着环境问题越来越严重，人们的环保意识也在逐渐提升，垃圾分类问题也逐渐引起人们的重视。近年来，各地区陆续颁布了生活垃圾相关管理条例，在有组织、有目的性的监督下，垃圾分类初期效果显著。但后期缺乏强制性监督，垃圾分类的热度又有所下降。究其原因，现阶段垃圾分类通过人的主观判断进行，但是垃圾的材质千变万化，人们在受教育程度，生活经验等方面存在着巨大的个体差异。教育人们准确高效地识别和分类大量种类的垃圾，难度大、耗时长。而现阶段存在的垃圾分类回收设施过于简单，仅由几个带有文字和标识的普通垃圾桶组成。而现有的智能垃圾桶，如申请公布号CN105059788A公开的分类垃圾桶，使用麦克风与数字信号处理器电连接以读取撞击垃圾的电数据，数字信号处理器与控制模块电连接，以根据得到的声音频率对垃圾进行分类识别，进而控制电机旋转，并通过推动装置将垃圾输出至相应的收集桶。主要可将垃圾分为四种类别：玻璃、塑料、金属和其他类。这种识别方式仅能实现特定种类的垃圾，并且易受环境噪音及其他因素的影响，不适宜于广泛使用。并不能很好地帮助居民正确进行垃圾分类工作。

现如今，人工智能技术发展越来越块，图像识别的应用范围也越来越广，深度学习使得图像的识别率大大提高，也为智能化垃圾分类提供了一条可行之路。依托目标检测技术和图像识别技术，可以实现对垃圾的智能化检测。同时，也依托当今日益丰富且完善的控制技、术控制理论和材料成型技术，使得我们可以将垃圾的检测和识别与垃圾的投放结合起来，通过软硬件的配合，实现垃圾的自主分类。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种可连续投放的智能分类垃圾桶，使得用户最多可以连续投入五个垃圾，用户投入后识别和分类到相应垃圾子舱体的过程全部由垃圾桶自动完成，无需人工干预。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可连续投放的智能分类垃圾桶，包括桶盖、垃圾分类器和垃圾存储区域，所述桶盖设有投放口挡板，投放口设有用于检测是否有垃圾投放的检测组件，所述垃圾分类器包括壳体、步进电机、联轴器、旋转叶片、单向离合器、转盘以及用于识别垃圾种类的识别组件，所述壳体上端安装所述桶盖，所述壳体内安装步进电机，所述步进电机的输出轴通过联轴器与所述旋转叶片的转轴上端连接，所述旋转叶片的转轴下端通过单向离合器与所述转盘连接，所述旋转叶片等圆弧间隔设置至少3个叶片，相邻叶片之间的空间为供垃圾放置的区域，所述转盘上开有与上述区域匹配的落料口，所述垃圾存储区域包括垃圾桶子舱体和垃圾桶舱体支架，所述垃圾桶子舱体一圈布置在所述垃圾桶舱体支架内，所述垃圾桶舱体支架的上端与所述壳体下端连接。

进一步，所述识别组件包括摄像头和图像识别系统，所述高清摄像头获取垃圾图像信息，通过树莓派发送到服务器进行识别，识别结果返回后传送到垃圾分类器的智能控制部分。

所述检测组件包括干簧管和磁铁，所述投放口上设有干簧管，用于检测是否有垃圾投放。采用干簧管配合磁铁检测投放口的开合。

所述垃圾分类器还包括智能控制器，所述智能控制器能够驱动步进电机带动旋转叶片、转盘运动。

所述桶盖上设有显示器，所述智能控制器与所述显示器连接。

再进一步，所述旋转叶片等圆弧间隔设置6个叶片，所述落料口的大小小于等于所述述垃圾桶子舱体的进料口。

所述垃圾桶子舱体共有四个，它们之间环形排布，每个子舱体为扇形柱状桶，舱体口大小与转盘开口大小相匹配。

每个垃圾桶子舱体上方有超声波传感器将信息返回至垃圾分类器中的树莓派内，用以计算子舱体的剩余空间，并在桶盖的屏幕上进行显示。

本发明的有益效果主要表现在：1、可以实现全自动的垃圾分类功能，可进行市面上主流的四种垃圾的分类。2、本发明结构简单巧妙，通过单个电机控制垃圾分类过程，极大减少了零件数量和制造成本，也使安装简单，降低故障率，提高稳定性。3、本发明具有完善的交互设计，用户在使用过程中能够及时接收到来自本装置的反馈，使得垃圾分类过程更加智能便捷。

附图说明

图1为数据集构建框架图；

图2为垃圾桶机械结构图；

图3为垃圾分类器核心控制图；

图4为服务端与客户端通信连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种可连续投放的智能分类垃圾桶，包括桶盖1、垃圾分类器和垃圾存储区域，所述桶盖1设有投放口挡板3，投放口设有用于检测是否有垃圾投放的检测组件，所述垃圾分类器包括壳体5、步进电机4、联轴器6、旋转叶片7、单向离合器8、转盘9以及用于识别垃圾种类的识别组件，所述壳体5上端安装所述桶盖1，所述壳体5内安装步进电机4，所述步进电机4的输出轴通过联轴器6与所述旋转叶片7的转轴上端连接，所述旋转叶片7的转轴下端通过单向离合器8与所述转盘9连接，所述旋转叶片7等圆弧间隔设置至少3个叶片，相邻叶片之间的空间为供垃圾放置的区域，所述转盘9上开有与上述区域匹配的落料口，所述垃圾存储区域包括垃圾桶子舱体10和垃圾桶舱体支架11，所述垃圾桶子舱体10一圈布置在所述垃圾桶舱体支架11内，所述垃圾桶舱体支架11的上端与所述壳体5下端连接

所述投放口上置有检测组件的干簧管，用于检测是否有垃圾投放。本发明采用干簧管配合磁铁检测投放口的开合。

所述识别组件用高清摄像头获取垃圾图像信息，通过树莓派发送到服务器进行识别，识别结果返回后传送到垃圾分类器的智能控制器。

本发明智能控制器的识别算法参照多模态知识图谱的概念，使用数据挖掘技术通过百度图片、谷歌图片等来源构建多模态数据集。数据集包括四个模态，即：垃圾图片、垃圾状态数据(重量等)、垃圾类别、垃圾描述文本，在具体训练中可将垃圾图片和垃圾状态数据作为输入数据，将垃圾类别和垃圾描述文本作为输出数据。本发明进一步通过数据分析、数据清洗等大数据处理技术整理数据集。确保其准确性与可用性。使用基于hough变换的高斯滤波技术对原有数据集中的垃圾图像进行数据增强，使其融合现场识别环境噪音，便于提升图像识别模型的学习效率，增强在垃圾识别领域的效用，提高其识别准确度。识别算法中核心识别模型基于现有多目标检测模型YOLO、核心图像识别模型ResNet-101、核心自然语言处理模型BERT与图神经网络最新前沿理论模型GAT，融合跨模态匹配模块，研发多模态垃圾识别算法模型Trash-net。

Trash-net将垃圾图片和垃圾状态数据(重量等)作为模型输入。

基于YOLO开发的多目标检测模块可实时追踪检测图像中出现的多个目标，并通过将ResNet-101作为backbone支柱模型提取每个垃圾目标处的图像特征，将每一个垃圾的特征矩阵作为图结构的一个节点，从而形成一个有一定先验结构的图网络，输入到GAT即本模型的编码器中学习一个维度较低的Embedding。

此图像Embedding通过多模态特征融合模块，融合垃圾状态数据，此融合后的向量维度上升。将此向量输入到跨模态匹配模块，匹配另外两个模态的数据即垃圾类别和垃圾描述文本。

跨模态匹配模块的一端使用垃圾图片特征和垃圾状态数据融合后的特征向量作为输入，使用垃圾类别标签和垃圾描述文本特征融合后的特征向量作输出。而其中垃圾描述文本经过GAT+BERT即本模型解码器的处理，将匹配模块输出的融合词嵌入解码为垃圾类别标签和垃圾描述文本作为最终输出。

分类器中的智能控制器驱动步进电机带动相应的机械部分运动。具体而言，垃圾分类器中的步进电机与传动轴通过联轴器连接，传动轴与旋转叶片通过法兰联轴器连接，传动轴下端与单向离合器内壁直接连接，旋转叶片与单向离合器外壁直接连接。步进电机顺时针旋转，使旋转叶片与转盘同步转动，直至转盘的缺口对准垃圾所属的子舱体，之后控制步进电机逆时针旋转，此时旋转叶片逆时针转动，而转盘静止，垃圾从而被推入对应的子舱体中。

本发明利用单向离合器单向传递扭矩的特点，通过控制步进电机的正反向旋转分别实现垃圾子舱体的定位与垃圾的投放，并利用梯形加减速算法来实现对步进电机的精准控制，极大降低了步进电机在启动或停止时可能产生的丢步或过冲影响，使垃圾桶的整体设计结构更加紧凑。

参照图2，垃圾桶子舱体10共有四个，它们之间环形排布，每个子舱体为扇形柱状桶，舱体口大小与转盘开口大小相匹配。

垃圾桶子舱体10环状排列，很好地保证了垃圾桶的整体性和美观性。每个子舱体为抽拉式，方便取出和清理；柱状结构使其易于套上垃圾袋。

垃圾识别后返回信息，这些信息可以在桶盖的屏幕上显示。利用树莓派4B系统，在垃圾桶运行的过程中每丢入一个垃圾，摄像头拍摄到的垃圾图片与识别情况都会在屏幕上进行显示，对用户丢入的垃圾进行即时的反馈。

每个垃圾桶子舱体10均配备一个超声波传感器，通过超声波探测原理检测舱体内垃圾的高度，并计算出每个子舱体的空间余量，然后将结果传送至树莓派控制端；树莓派系统将该信息显示在屏幕上。

本实施例的工作过程是：垃圾从投放口处进入垃圾桶，落于转盘9上，投放口处的干簧管可以识别投放口是否打开，让投放口的开闭状态传回分类器核心控制部分；转盘9和旋转叶片7顺时针转动60°，进入拍照格，智能控制器驱动闪光灯进行补光，摄像头开启拍照功能，将垃圾图像信息通过树莓派上传至服务器，在服务器端进行垃圾识别与分类，并将结果返回给分类器核心控制部分。，智能控制器控制步进电机进行顺时针旋转，使转盘9和旋转叶片7同步转动，直至转盘9的缺口对准垃圾所属的垃圾桶子舱体10；然后，控制步进电机进行逆时针旋转，此时，旋转叶7片逆时针转动而转盘9静止，从而将垃圾推入对应的子舱体中，由此实现垃圾的自动分类。旋转叶片7将垃圾桶分为六个槽位，其目的是为了能够让用户可以连续丢入最多五个垃圾。每丢入一个垃圾，系统检测到垃圾投放口开启并关闭，则判定为有垃圾丢入；此时，步进电机顺时针旋转60°，使刚丢入的垃圾进入摄像头对应的位置，同时，也使下一个空槽位对准垃圾投入口。核心控制部分发送指令给树莓派，使其开启拍照并进行上传识别。当用户投放了五个垃圾后，系统则进入自动分类状态，此时不可再丢入垃圾，直至分类结束。系统中也设定了超时时间，若投放了1～4个垃圾后，10秒内没有继续投放，则系统也会进入自动分类状态。

图1构建的数据集包括四个模态，即：垃圾图片、垃圾状态数据(重量等)、垃圾类别、垃圾描述文本，在具体训练中可将垃圾图片和垃圾状态数据作为输入数据，将垃圾类别和垃圾描述文本作为输出数据。本项目进一步通过数据分析、数据清洗等大数据处理技术整理数据集。确保其准确性与可用性。使用基于hough变换的高斯滤波技术对原有数据集中的垃圾图像进行数据增强，使其融合现场识别环境噪音，便于提升图像识别模型的学习效率，增强在垃圾识别领域的效用，提高其识别准确度。

图2的垃圾桶机械结构包括桶盖、垃圾分类器和垃圾存储区域三大部分，所述桶盖1设有显示屏2和投放口挡板3；所述垃圾分类器包括步进电机4、壳体5、联轴器6、旋转叶片7、单向离合器8和转盘9；所述垃圾存储区域包括垃圾桶子舱体10和垃圾桶舱体支架11。

图3的垃圾分类器核心控制部分中，步进电机与传动轴通过联轴器连接，传动轴与转盘之间通过法兰联轴器连接，传动轴下端与单向离合器的内壁直接连接，旋转叶片与单向离合器的外壁直接连接。

图4服务端与客户端的通信连接，其实现过程如下：

1、服务端与客户端分别创建socket套接字，对应实现方法为：s＝socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)；

2、服务端使用bind函数绑定本地ip与端口，对应实现方法为：s.bind((host,port))；

3、服务端使用listen函数设置监听队列参数为整型变量表示队列长度，对应实现方法为：s.listen(1)；

4、服务端使用accept函数循环等待客户端连接，对应实现方法为：while True:s.accept()；客户端则使用connect函数向目的服务端发起连接请求，host与port应与服务端监听地址相同，对应实现方法为：s.connect((host,port))；

5、连接建立成功后可以使用send函数和receive函数发送接收数据包，对应实现方法为：s.send(data)，s.receive(data)；

6、连接关闭使用close()函数，客户端与服务端均可以主动关闭连接，另一方捕捉到异常后也会自动关闭此次连接，对应实现方法为：s.close()。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种可连续投放的智能分类垃圾桶，其特征在于，包括桶盖、垃圾分类器和垃圾存储区域，所述桶盖设有投放口挡板，投放口设有用于检测是否有垃圾投放的检测组件，所述垃圾分类器包括壳体、步进电机、联轴器、旋转叶片、单向离合器、转盘以及用于识别垃圾种类的识别组件，所述壳体上端安装所述桶盖，所述壳体内安装步进电机，所述步进电机的输出轴通过联轴器与所述旋转叶片的转轴上端连接，所述旋转叶片的转轴下端通过单向离合器与所述转盘连接，所述旋转叶片等圆弧间隔设置至少3个叶片，相邻叶片之间的空间为供垃圾放置的区域，所述转盘上开有与上述区域匹配的落料口，所述垃圾存储区域包括垃圾桶子舱体和垃圾桶舱体支架，所述垃圾桶子舱体一圈布置在所述垃圾桶舱体支架内，所述垃圾桶舱体支架的上端与所述壳体下端连接。

2.如权利要求1所述的一种可连续投放的智能分类垃圾桶，其特征在于，所述识别组件包括摄像头和图像识别系统，所述高清摄像头获取垃圾图像信息，通过树莓派发送到服务器进行识别，识别结果返回后传送到垃圾分类器的智能控制器。

3.如权利要求1或2所述的一种可连续投放的智能分类垃圾桶，其特征在于，所述检测组件包括干簧管和磁铁，所述投放口上设有干簧管，用于检测是否有垃圾投放。

4.如权利要求1或2所述的一种可连续投放的智能分类垃圾桶，其特征在于，所述垃圾分类器还包括智能控制器，所述智能控制器能够驱动步进电机带动旋转叶片、转盘运动。

5.如权利要求1或2所述的一种可连续投放的智能分类垃圾桶，其特征在于，所述桶盖上设有显示器，所述智能控制器与所述显示器连接。

6.如权利要求1或2所述的一种可连续投放的智能分类垃圾桶，其特征在于，所述旋转叶片等圆弧间隔设置6个叶片，所述落料口的大小小于等于所述述垃圾桶子舱体的进料口。

7.如权利要求1或2所述的一种可连续投放的智能分类垃圾桶，其特征在于，所述垃圾桶子舱体共有四个，它们之间环形排布，每个子舱体为扇形柱状桶，舱体口大小与转盘开口大小相匹配。

8.如权利要求7所述的一种可连续投放的智能分类垃圾桶，其特征在于，每个垃圾桶子舱体上方有超声波传感器将信息返回至垃圾分类器中的树莓派内，用以计算子舱体的剩余空间，并在桶盖的屏幕上进行显示。

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