CN114973822A - 一种垃圾分类智能教具及其控制方法、介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能教具领域，具体公开了一种垃圾分类智能教具及其控制方法、介质，垃圾分类智能教具包括全向运动底盘、垃圾斗、电动挡板、红外触发开关、测距传感器、摄像头、麦克风、扬声器以及控制电路，控制电路包括运动控制模块、图像识别模块和智能应答模块。本发明集传感技术、图像识别、机械控制、智能语音于一体，提供了对中小学生人工智能技术和环保意识方面的课堂教具及其控制方法，使学生熟悉人工智能技术的同时，加强学生垃圾分类环保知识的学习和理解，互动性高，便于推广和进行课堂研究、趣味竞赛与教学运用。
Description
技术领域
本发明涉及智能教具领域，尤其涉及一种垃圾分类智能教具及其控制方法、介质。
背景技术
随着现代技术的进步以及环保理念的发展，将人工智能、机器视觉、机器学习等高新技术运用到垃圾分类等环保技术领域成为了未来技术发展的重要方向。
垃圾分类有利于最大限度地实现垃圾资源利用，减少垃圾处置量，改善生存环境，减少垃圾对环境产生的污染，对保护生态环境具有极重大的意义。
现阶段，应国内外政策对于中小学人工智能教育的规划和要求，人工智能教育发展迅速、国内外教育机器人产品遍地开花，但是目前市面上众多人工智能教育机器人教具产品都是为十分基础的相关方面启蒙教学而设计，缺少技术内涵和教育意义更加丰富有趣的，相对高阶的人工智能教育产品；且在垃圾分类领域，更是缺乏具备人工智能的强互动性教具，来为中小学生同时提供人工智能等新技术与垃圾分类等环保理念相结合的教学场景。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明提供一种垃圾分类智能教具及其控制方法、介质。
本发明提供了一种垃圾分类智能教具，包括：
全向运动底盘，设于垃圾分类智能教具底部，用于通过电动轮组为垃圾分类智能教具提供移动的动力；
垃圾斗，设于垃圾分类智能教具前端，用于搬运待分类的垃圾；
电动挡板，设于垃圾斗前端，用于将进入垃圾斗范围的物体框住或释放；
红外触发开关，设于所述垃圾斗相对两侧内壁的中部，用于通过红外二极管和红外传感器检测垃圾斗内是否有物品；
测距传感器，设于垃圾分类智能教具顶部，用于采集垃圾分类智能教具相对于场地的位置信息，以及障碍物的距离信息；
摄像头，设于垃圾斗上方，用于采集垃圾斗内以及垃圾分类智能教具前方的图像信息；
麦克风，用于采集音频信息；
扬声器，用于播放音频信息；
供电模组，用于为垃圾分类智能教具供电；
控制电路，包括如下模块：
运动控制模块，用于控制全向运动底盘的运动方向和运动距离，以及控制电动挡板的动作；
图像识别模块，用于根据摄像头采集的图像信息识别垃圾斗内垃圾的类别，输出识别结果；
智能应答模块，用于通过语音合成和语音识别进行智能问答，并根据识别结果判断是否正确；
所述全向运动底盘、所述电动挡板、所述红外触发开关、所述测距传感器、所述摄像头、所述麦克风、所述扬声器分别与所述控制电路电性相连。
作为优选地，所述智能应答模块还可以用于通过语音命令控制运动控制模块。
优选地，还包括用于遥控垃圾分类智能教具运动方向的遥控器，所述控制电路与所述遥控器通过无线信号相连。
优选地，所述控制电路还包括：路径规划模块，路径规划模块内设有至少一个陀螺仪，所述路径规划模块用于根据识别结果控制运动控制模块前往对应的垃圾分类区域。
优选地，控制电路还包括无线通信模块，用于输出图像信息、音频信息以及垃圾分类智能教具的运行参数。
本发明还提供了一种垃圾分类智能教具控制方法，用于控制上述垃圾分类智能教具，包括：
将垃圾分类智能教具投放到随机分布有待分类垃圾的场地中，设定垃圾分类智能教具的运动边界，以及垃圾分类回收区域；
控制运动控制模块，通过全向运动底盘移动垃圾分类智能教具，直至红外触发开关被触发；此时，电动挡板自动框住垃圾斗，同时挂起运动控制模块；
通过摄像头以及通过摄像头以及图像识别模块识别垃圾斗内垃圾的类别，输出识别结果；
智能应答模块播放垃圾分类提问语音，并通过语音识别采集回答信息，判断回答信息与识别结果是否相符；
如是，启用运动控制模块，实时检测垃圾分类智能教具是否到达与识别结果相符的垃圾分类区域，并在到达时开启电动挡板；
否则，重新进行智能应答直至回答信息与识别结果相符。
作为优选地，所述通过摄像头以及图像识别模块识别垃圾斗内垃圾的类别，输出识别结果，还包括分步骤如下：
图像识别模块判断垃圾斗内的垃圾是否是单个，如是，输出识别结果；
否则，判断垃圾斗内全部垃圾的识别结果是否均是同一类垃圾，如是，输出识别结果；
否则，开启电动挡板以及运动控制模块，并发出错误提示。
优选地，所述如是，启用运动控制模块，并实时检测垃圾分类智能教具是否到达与识别结果相符的垃圾分类区域，并在到达时开启电动挡板，还包括：
根据识别结果与到达的垃圾分类区域，累加对应的分数至垃圾分类得分，并反馈垃圾分类得分。
本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述垃圾分类智能教具控制方法。
本发明的有益效果是：
(1)通过全向运动底盘、垃圾斗、电动挡板、红外触发开关、测距传感器、摄像头、麦克风、扬声器和控制电路，集传感技术、图像识别、机械控制、智能语音硬件于一体，提供了对中小学生人工智能技术和环保意识方面的课堂教具，便于进行课堂研究、趣味竞赛与教学运用。
(2)通过控制电路包含的运动控制模块、图像识别模块和智能应答模块，配合其控制方法，可以将传感技术、图像识别、机械控制、智能语音融合在一起工作，使学生熟悉人工智能技术的同时，加强学生垃圾分类环保知识的学习和理解，互动性高，有利于提高学习积极性，便于推广。
附图说明
下文将结合说明书附图对本发明进行进一步的描述说明，其中：
图1为本发明其中一个实施例的垃圾分类智能教具示意图；
图2为本发明其中一个实施例的垃圾分类智能教具的俯视图；
图3为本发明其中一个实施例的控制方法流程图；
图4为本发明其中一个实施例的电路模块示意图；
图5为本发明另一个实施例的垃圾分类场地示意图。
图中：1、全向运动底盘；2、垃圾斗；3、电动挡板；4、红外触发开关； 5、测距传感器；6、摄像头；7、控制电路；10、垃圾分类区域；11、出发区；12、垃圾摆放点；13、围栏。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1和图2，作为本发明的其中一个实施，公开了一种垃圾分类智能教具，包括：全向运动底盘1、垃圾斗2、电动挡板3、红外触发开关4、测距传感器5、摄像头6、麦克风、扬声器和控制电路7，各部件之间通过塑料或金属支架相连，比如智能教具常用的积木式连接件组成的支架；其中：
全向运动底盘1设于垃圾分类智能教具底部，用于通过电动轮组为垃圾分类智能教具提供移动的动力；
垃圾斗2设于垃圾分类智能教具前端，用于搬运待分类的垃圾，本实施例的垃圾斗2为一开口朝向前方的U型框体；
电动挡板3设于垃圾斗2前端，用于将进入垃圾斗2范围内的物体框住或释放，通过电动舵机驱动的连杆实现收起和展开；
红外触发开关4，设于所述垃圾斗2相对两侧内壁的中部，用于通过红外二极管和红外传感器检测垃圾斗2内是否有物品；
测距传感器5，设于垃圾分类智能教具顶部，用于采集垃圾分类智能教具相对于场地的位置信息，以及障碍物的距离信息；
摄像头6，设于垃圾斗2上方，用于采集垃圾斗2内以及垃圾分类智能教具前方的图像信息；
麦克风，设于控制电路7所在的电路板上，用于采集音频信息；
扬声器，用于播放音频信息；
供电模组，用于为垃圾分类智能教具供电；
控制电路7，包括如下模块：
运动控制模块，用于控制全向运动底盘1的运动方向和运动距离，以及控制电动挡板3的动作；
图像识别模块，用于根据摄像头6采集的图像信息识别垃圾斗2内垃圾的类别，输出识别结果；
智能应答模块，用于通过语音合成和语音识别进行智能问答，并根据识别结果判断是否正确；
所述全向运动底盘1、所述电动挡板3、所述红外触发开关4、所述测距传感器5、所述摄像头6、所述麦克风、所述扬声器分别与所述控制电路7电性相连。
本实施例集传感技术、图像识别、机械控制、智能语音硬件于一体，提供了对中小学生人工智能技术和环保意识方面的课堂教具，便于进行课堂研究、趣味竞赛与教学运用。各部件清楚可见，便于拆解研究以及原理讲解与理解
作为优选地，所述智能应答模块还用于通过语音命令控制运动控制模块，使垃圾分类智能教具可以通过语音进行运动操控。
优选地，还包括用于遥控控制电路7的遥控器，所述控制电路7与所述遥控器通过无线信号相连。
优选地，所述控制电路7还包括：路径规划模块，路径规划模块内设有至少一个陀螺仪，所述路径规划模块用于根据识别结果控制运动控制模块前往对应的垃圾分类区域10，并根据测距传感器5采集的数据避开障碍物。
优选地，控制电路7还包括无线通信模块，用于输出图像信息、音频信息以及垃圾分类智能教具的运行参数，使学生与教师可以通过显示屏实时了解垃圾分类智能教具的运行状态以及观看实时画面，便于远程操控。
参见图3，本实施例还公开了一种垃圾分类智能教具控制方法，用于控制上述垃圾分类智能教具，其实现步骤如下：
S1、将垃圾分类智能教具投放到随机分布有待分类垃圾的场地中，设定垃圾分类智能教具的运动边界，以及垃圾分类回收区域；
S2、控制运动控制模块，通过全向运动底盘1移动垃圾分类智能教具，直至红外触发开关4被触发；此时，电动挡板3自动框住垃圾斗2，同时挂起运动控制模块；
S3、通过摄像头6以及通过摄像头6以及图像识别模块识别垃圾斗2内垃圾的类别，输出识别结果；
S4、智能应答模块播放垃圾分类提问语音，并通过语音识别采集回答信息，判断回答信息与识别结果是否相符；
S41、如是，启用运动控制模块，实时检测垃圾分类智能教具是否到达与识别结果相符的垃圾分类区域10，并在到达时开启电动挡板3；
S42、否则，重新进行智能应答直至回答信息与识别结果相符。
作为优选地，所述步骤S3，还包括分步骤如下：
S31、图像识别模块判断垃圾斗2内的垃圾是否是单个；
S32、如是，输出识别结果；
S33、否则，判断垃圾斗2内全部垃圾的识别结果是否均是同一类垃圾；
S331、如是，输出识别结果；
S332、否则，开启电动挡板3以及运动控制模块，并发出错误提示。
优选地，所述步骤S41，还包括分步骤如下：
S411、根据识别结果与到达的垃圾分类区域10，累加对应的分数至垃圾分类得分，并反馈垃圾分类得分。
作为本发明的另一实施例，本实施例的控制电路7中，智能应答模块选用下载了ubantu操作系统的树莓派4B作为主控电脑，并搭载垃圾分类智能教具的主控程序；图像识别模块选用低成本，计算能力强的K210及其配套电路作为视觉下位机处理器；运动控制模块选用实时性强的STM32F103RCT6单片机及其配套电路作为运动控制下位机处理器；K210电路与STM32电路均通过串口通信与树莓派4B建立通信。图像识别模块和智能应答模块
K210电路负责实现视觉识别功能，采用基于YoloV2算法，对已经准备好的垃圾教具拍摄图像数据集后进行模型训练，在实际场景中，K210将对视野中的垃圾进行识别和自动框选，向树莓派4B返回识别结果和垃圾位置信息。
STM32单片机负责运动控制任务，设计PCB线路板将STM32芯片与电机驱动电路、舵机驱动电路和姿态传感器相连。STM32根据姿态传感器返回数据进行姿态解算和输出电流检测执行PID算法，实现稳定的系统响应确保运动指令的精准执行；它将垃圾分类智能教具运动控制进行抽象封装，从串口接收来自树莓派的命令，执行运动指令，同时也像树莓派返回小车姿态信息，辅助实现小车定位以进行路径规划。
参见图5，是本实施例进行垃圾分类教学或竞赛的其中一个场地示意图，场地四周围有一圈半身高的围栏13，由于场地尺寸参数已知，在垃圾分类智能教具前向和左向安装两组高精度的ToF激光测距模组作为测距传感器5，该模组可在6m以内获得精确的障碍距离数据，本案例场地大小尺寸和高反射率材料围栏13符合该模组的工作要求。
以图5所示的场地左下角为原点建立x-y轴平面坐标系，在正方形的场地中，可以根据小车的朝向角度和小车实时的前向和左向距离场地边缘围栏13 距离计算出小车的x-y坐标，另外，场地各垃圾回收区域已知，可以基于这些已知条件实现路径规划。
在树莓派上用python语言设计交互界面，建立积分机制，显示摄像头6 内容，学生可以通过键盘鼠标、显示器、遥控器或语音控制等方式或其任意组合，进行人机交互。
本实施例的设计不仅从更加丰富的技术内涵出发，更旨在教育和宣扬垃圾分类相关的环保意识，具体提供了一个完备的具有环保教育意义的中小学生人工智能课堂教具及其配套的教学案例道具和规则；其中，教具的设计涉及了人工智能技术、电路设计、控制程序设计、机械结构设计等知识和技术，为学生更直观更清晰的理解相关新技术的原理提供了生动的案例。
作为本发明的另一实施例，其通过多个垃圾分类智能教具，用于学生之间的对抗竞赛；具体方法如下：
在规定的地图上(半羽毛球场，参见图5)，多名学生分别使用多台多个垃圾分类智能教具进行比拼，预先设定好垃圾种类及对应放置区域；各种垃圾将被随机投放在垃圾摆放点12上，不同类别的垃圾最终需要被堆放在对应颜色的垃圾分类区域10。
比赛学生分别根据各自操控的人机交互界面返回的摄像头6画面或者直接观察场地内的垃圾分类智能教具，通过键盘鼠标或遥控器控制垃圾分类智能教具从出发点11出发，分别寻找并捕获垃圾，此时进行垃圾种类的智能问答，如回答正确，垃圾分类智能教具将基于机器视觉和路径规划等技术自动框住垃圾并将其推往垃圾分类区域10释放，给与该学生积分奖励，同时控制权回归学生，继续操作；若回答错误则扣分并惩罚暂停若干时间后，学生重获控制权，可重新进行答题或者尝试搜寻其他垃圾等操作；在一定时间内或者所有垃圾被送入堆放区域后，游戏结束，比较个人积分，积分多者获胜。
垃圾的种类可以设置得更加丰富以控制垃圾分拣答题难度，使得案例的面对不同环保意识级别的学生可以设置不同的难度以保证趣味性。
在对抗案例中涉及到非常丰富的垃圾分类常识，可安排教师课堂讲解，同时做好知识的延伸和升华。
另外，从底层电子技术到宏观上的机器视觉、语音，最终实现教具的研发，中间涉及了机械、电控、视觉算法等非常多的知识，安排具有相应能力的教师基于此教具开发人工智能教育课程，与垃圾分类环保教育形成同步的有机融合。
本发明还公开了一种终端设备，包括处理器和存储装置，存储装置用于存储一个或多个程序；当一个或多个程序被处理器执行时，处理器实现上述垃圾分类智能教具控制方法。所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所称处理器是测试设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个测试设备的各个部分。
存储装置可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储装置内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储装置内的数据，实现终端设备的各种功能。存储装置可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储装置可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中，垃圾分类智能教具集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于至少一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
需说明的是，以上所描述的装置的实施例仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例的附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种垃圾分类智能教具，其特征在于，包括：
全向运动底盘，用于通过电动轮组为垃圾分类智能教具提供移动的动力；
垃圾斗，用于搬运待分类的垃圾；
电动挡板，用于将进入垃圾斗范围内的物体框住或释放；
红外触发开关，用于通过红外二极管和红外传感器检测垃圾斗内是否有物品；
测距传感器，用于采集垃圾分类智能教具相对于场地的位置信息，以及障碍物的距离信息；
摄像头，用于采集垃圾斗内以及垃圾分类智能教具前方的图像信息；
麦克风，用于采集音频信息；
扬声器，用于播放音频信息；
控制电路，包括如下模块：
运动控制模块，用于控制全向运动底盘的运动方向和运动距离，以及控制电动挡板的动作；
图像识别模块，用于根据摄像头采集的图像信息识别垃圾斗内垃圾的类别，输出识别结果；
智能应答模块，用于通过语音合成和语音识别进行智能问答，并根据识别结果判断是否正确。
2.根据权利要求1所述的一种垃圾分类智能教具，其特征在于，所述智能应答模块还用于通过语音命令控制运动控制模块。
3.根据权利要求1所述的一种垃圾分类智能教具，其特征在于，还包括用于遥控控制电路的遥控器，所述控制电路与所述遥控器通过无线信号相连。
4.根据权利要求1所述的一种垃圾分类智能教具，其特征在于，所述控制电路还包括：路径规划模块，路径规划模块内设有至少一个陀螺仪，所述路径规划模块用于根据识别结果控制运动控制模块前往对应的垃圾分类区域，并根据测距传感器采集的数据避开障碍物。
5.根据权利要求1所述的一种垃圾分类智能教具，其特征在于，控制电路还包括无线通信模块，用于输出图像信息、音频信息以及垃圾分类智能教具的运行参数。
6.一种垃圾分类智能教具控制方法，用于控制如权利要求1至5中任意一项所述的一种垃圾分类智能教具，其特征在于，包括：
将垃圾分类智能教具投放到随机分布有待分类垃圾的场地中，设定垃圾分类智能教具的运动边界，以及垃圾分类回收区域；
控制运动控制模块，通过全向运动底盘移动垃圾分类智能教具，直至红外触发开关被触发；此时，电动挡板自动框住垃圾斗，同时挂起运动控制模块；
通过摄像头以及通过摄像头以及图像识别模块识别垃圾斗内垃圾的类别，输出识别结果；
智能应答模块播放垃圾分类提问语音，并通过语音识别采集回答信息，判断回答信息与识别结果是否相符；
如是，启用运动控制模块，实时检测垃圾分类智能教具是否到达与识别结果相符的垃圾分类区域，并在到达时开启电动挡板；
否则，重新进行智能应答直至回答信息与识别结果相符。
7.根据权利要求6所述的一种垃圾分类智能教具控制方法，其特征在于，所述通过摄像头以及图像识别模块识别垃圾斗内垃圾的类别，输出识别结果，还包括分步骤如下：
图像识别模块判断垃圾斗内的垃圾是否是单个，如是，输出识别结果；
否则，判断垃圾斗内全部垃圾的识别结果是否均是同一类垃圾，如是，输出识别结果；
否则，开启电动挡板以及运动控制模块，并发出错误提示。
8.根据权利要求6所述的一种垃圾分类智能教具控制方法，其特征在于，所述如是，启用运动控制模块，并实时检测垃圾分类智能教具是否到达与识别结果相符的垃圾分类区域，并在到达时开启电动挡板，还包括：
根据识别结果与到达的垃圾分类区域，累加对应的分数至垃圾分类得分，并反馈垃圾分类得分。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求6至8中任意一项所述的一种垃圾分类智能教具控制方法。
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