黃 倫，劉 沛，譚 濤

(陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723001)

0 引言

城市生活垃圾是當(dāng)今世界不斷增長的資源，如果處理的好會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，處理不好則對(duì)自然環(huán)境和人類的生活造成巨大的影響。我國一年生活垃圾產(chǎn)生總量達(dá)1.6 億噸，每年以8%～10%的速度增長［1］，但生活垃圾一直是混合收集，如果直接處理不僅造成資源的極大浪費(fèi)，而且混合垃圾中還含有一些危險(xiǎn)廢物如日光燈管、廢舊電池等，極易造成嚴(yán)重污染［2-5］。在處理方式上，目前我國90%以上的垃圾采用直接填埋的方式，8% 直接堆肥或露天堆放，不到2%的垃圾被直接燃燒［6］。然而發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)70年代開始實(shí)施城市生活垃圾分類收集，該方法為垃圾的填埋、焚燒、堆肥等的正確處理打下基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)垃圾處理減量化、資源化、無害化目標(biāo)創(chuàng)造條件。目前，歐美及日本等發(fā)達(dá)國家對(duì)垃圾在源頭上進(jìn)行分類投放，根據(jù)不同垃圾種類規(guī)定所投放到不同顏色的垃圾桶，通過專門的垃圾回收車進(jìn)行人工收集，之后運(yùn)送到相應(yīng)的處理場(chǎng)進(jìn)行處理［9-13］。然而，采用人為的分類運(yùn)輸，不但成本高，而且工序繁雜，需要消耗大量物力和財(cái)力，因此采用一套全自動(dòng)化流水線的系統(tǒng)可大大節(jié)約成本，而且有利于環(huán)境保護(hù)和資源的再利用。

本研究采用自動(dòng)化流水線的方式設(shè)計(jì)制造出一套系統(tǒng)模型，將人工分揀壓縮打包后的垃圾桶，通過帶有攝像頭識(shí)別的智能分揀小車(小車上帶有機(jī)械手臂)自動(dòng)尋跡和辨別垃圾桶顏色，將不同的垃圾桶運(yùn)送到相應(yīng)的垃圾處理廠進(jìn)行相應(yīng)的分類處理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由軌跡引導(dǎo)線和智能垃圾桶分揀小車兩大部分構(gòu)成。軌跡線是智能分揀小車尋跡的引導(dǎo)線，其分為紅、黑、藍(lán)3 種顏色，小車根據(jù)所抓取的垃圾桶的不同顏色尋找相應(yīng)顏色的軌跡;智能分揀小車由攝像頭、機(jī)械爪、模擬垃圾桶、舵機(jī)、主電路平臺(tái)、直流電機(jī)和小車模型構(gòu)成。

攝像頭對(duì)物體顏色進(jìn)行識(shí)別，兩個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械爪抓取垃圾桶，根據(jù)垃圾桶的顏色使小車的舵機(jī)打向相應(yīng)的路徑，從而模擬不同垃圾桶分別運(yùn)輸?shù)讲煌睦幚碇行?。該系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 垃圾桶分揀系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主板電路

智能分揀小車的主板電路由MC9S12XS128 的16 bit 單片機(jī)和電源電路組成。其MC9S12XS128 集成了PIM、TIM、PWM、SPI、SCI、ECT、CAN、AD、PIT、CAN 等模塊［15］，使用方便，功能強(qiáng)大，主要用來對(duì)攝像頭采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，求得實(shí)際軌跡線位置信息，并根據(jù)一定的算法對(duì)舵機(jī)和電機(jī)進(jìn)行控制。電源電路由一路兩片LM7805 所組成的穩(wěn)壓電源，其給機(jī)械手以及機(jī)械臂的兩個(gè)舵機(jī)供電;一路由LM2940 組成的線性電源以及調(diào)理電路，給芯片以及攝像頭供電。分揀機(jī)器人的導(dǎo)向舵機(jī)以及電機(jī)的電源由電池直接供電。該主板電路如圖2 所示。

圖2 主板電路圖

2.2 OV7620 攝像頭

OV7620 是CMOS 黑白圖像傳感器。其支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式，VGA 與QVGA 兩種圖像格式;最高像素為664×492，幀速率為30fp8;數(shù)據(jù)格式包括YUV、YCrCb、RGB 3 種，能夠滿足一般圖像采集系統(tǒng)的要求。OV7620 內(nèi)部可編程功能寄存器的設(shè)置有上電模式和SCCB 編程模式。該系統(tǒng)采用SCCB 編程模式，連續(xù)掃描，16 位RGB 數(shù)據(jù)輸出。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本研究所選擇的驅(qū)動(dòng)芯片是英飛凌公司的大電流半橋驅(qū)動(dòng)芯片BTS7970，該芯片最大輸出電流為63 A，導(dǎo)通內(nèi)阻為16 mΩ，具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)的功能。BTS7970 應(yīng)用非常簡單，只需要向芯片第2 引腳輸入PWM 波就能控制。當(dāng)系統(tǒng)中只需要單向控制時(shí)，只需要讓電機(jī)一端接地，另一端接BTS7970 第4 引腳。如果需要電機(jī)雙向旋轉(zhuǎn)控制，則需要另一片BTS7970 共同組成全橋。該系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用兩片BTS7970 共同組成全橋來控制電機(jī)的雙向旋轉(zhuǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)是在飛思卡爾MC9S12XS128 系列單片機(jī)開發(fā)軟件Code Warrior 5.0 的平臺(tái)上進(jìn)行的。該軟件具有支持多種語言、開發(fā)環(huán)境界面統(tǒng)一、交叉平臺(tái)開發(fā)以及支持插件工具等特點(diǎn)。在整個(gè)程序設(shè)計(jì)中，將整個(gè)系統(tǒng)分為:攝像頭識(shí)別顏色與尋跡、機(jī)械手動(dòng)作、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等動(dòng)作。

系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)中時(shí)，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化后判斷攝像頭是否完成一場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，采集完數(shù)據(jù)后沿著黑線進(jìn)行循跡。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到停止線后，小車停下通過攝像頭進(jìn)行顏色識(shí)別，如果沒有垃圾桶被傳送帶運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢脛t停止等待，否則智能機(jī)器人識(shí)別顏色并夾住垃圾桶。倒車后沿黑線尋跡，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到停止線后沿著相應(yīng)垃圾桶的顏色引導(dǎo)線尋跡。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到終止線后，放下垃圾桶，進(jìn)行倒車。倒車后繼續(xù)尋這一顏色軌跡，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到停止線后退出藍(lán)色，繼續(xù)尋黑線，如此循環(huán)下去。該程序流程圖如圖3 所示。

4 尋跡與顏色識(shí)別

4.1 顏色識(shí)別

智能分揀小車采用靜態(tài)分割方法識(shí)別顏色，不同的顏色所體現(xiàn)的灰度值有一定的范圍，但是有的顏色會(huì)有一定的重合，該次設(shè)計(jì)主要采用紅、藍(lán)、黑3 種顏色(嚴(yán)格說來還有白色)，通過對(duì)灰度值進(jìn)行分割，并且留有一定的裕度，防止顏色的重合，進(jìn)而成功地識(shí)別出3 種不同的顏色。

圖3 程序流程圖

紅、藍(lán)、黑3 種顏色的分割是基于灰度特征，因?yàn)樵撓到y(tǒng)采用的是黑白數(shù)字?jǐn)z像頭，攝像頭輸出給單片機(jī)的是一系列代表灰度值的電壓信號(hào)，單片機(jī)接受到這些信號(hào)通過D/A 轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為0～255 的數(shù)字信號(hào)，黑色和白色的灰度值是攝像頭灰度范圍(0～255)的兩個(gè)極端，黑色灰度值最小為0，白色灰度值最大為255，而攝像頭對(duì)物體顏色的識(shí)別主要通過對(duì)物體顏色的亮度(灰度值)來判斷的，不同的顏色具有一定的灰度值范圍，顏色識(shí)別就要在攝像頭的特定灰度值范圍內(nèi)進(jìn)行分割。該設(shè)計(jì)經(jīng)過攝像頭的采集并通過串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示，通過串口程序的設(shè)定將攝像頭采集的灰度值和3 種顏色的閾值相比較，如果灰度值在藍(lán)色的灰度值范圍內(nèi)，則程序設(shè)定發(fā)送0 的ASC 碼值，在上位機(jī)上顯示為0;如果灰度值在紅色的灰度值范圍內(nèi)，則程序設(shè)定發(fā)送1 的ASC 碼值，在上位機(jī)上顯示為1;如果灰度值在白色的灰度值范圍內(nèi)，則程序設(shè)定發(fā)送2 的ASC 碼值，在上位機(jī)上顯示為2;如果灰度值范圍在黑色的灰度值范圍內(nèi)，則程序設(shè)定發(fā)送3的ASC 碼值，在上位機(jī)顯示為3;當(dāng)一場(chǎng)數(shù)據(jù)采集完之后，則程序發(fā)送轉(zhuǎn)行符的ASC 碼值。所以本研究通過在該種設(shè)定情況下進(jìn)行的上位機(jī)的顯示，從而分辨其顏色。對(duì)各種顏色進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)后，最終通過上位機(jī)的顯示確定了紅(131～180)、藍(lán)(90～130)、黑(0～80)3 種顏色的灰度值范圍相差較為明顯，而白色的灰度值范圍廣(180～255)，容易和這3 種顏色分辨。所以本研究以白色為背景，通過對(duì)上位機(jī)的數(shù)據(jù)分析和對(duì)比，在攝像頭連續(xù)掃描的總行、列數(shù)中確定所需要掃描的基準(zhǔn)行數(shù)和列數(shù)，從而將掃描的每個(gè)點(diǎn)的灰度值和閾值進(jìn)行比較，判別出相應(yīng)的顏色。

4.2 尋跡識(shí)別

所謂尋跡識(shí)別，就是把攝像頭所拍攝到圖像中反映引導(dǎo)線的部分提取出來。這是一個(gè)圖像分割的過程。圖像分割是計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理與分析中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是一種基本的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)。尋跡識(shí)別是通過攝像頭將圖像信息(如圖4 所示)采集到芯片中對(duì)某幾行從左到右進(jìn)行連續(xù)的掃描，以尋紅線為例，將掃描到的灰度值和紅色閾值范圍進(jìn)行比較，如果有連續(xù)的兩行點(diǎn)的灰度值進(jìn)入紅色閾值范圍內(nèi)，則標(biāo)記出第一個(gè)進(jìn)入紅色閾值范圍內(nèi)的列數(shù)作為中心線特征值坐標(biāo)。然后系統(tǒng)將得出的中心線特征值坐標(biāo)和一場(chǎng)圖像的中間列坐標(biāo)值進(jìn)行偏差計(jì)算，來控制舵機(jī)，如此循環(huán)，進(jìn)行下一次模式識(shí)別(紅、藍(lán)、黑模式)。采集完一場(chǎng)的圖像時(shí)，本研究采用雙峰法將每一行的閾值先計(jì)算出來。目標(biāo)指引線是有寬度(2 cm)的，只是能探測(cè)到目標(biāo)指引線，指引線的寬度信息對(duì)智能車定位系統(tǒng)并無額外的幫助。為達(dá)到尋線目的，實(shí)際上只要提取目標(biāo)指引線的某些特征點(diǎn)，要求這些特征點(diǎn)合在一起能反映出指引線的形狀，稱這些特征點(diǎn)的矩陣坐標(biāo)為特征位置。只要知道目標(biāo)指引線的特征位置，本研究就可以進(jìn)一步推知目標(biāo)指引線的形狀和位置。提取目標(biāo)指引線的矩陣坐標(biāo)，就是只取一些能代表它的特征點(diǎn)，然后求取這些特征點(diǎn)的矩陣坐標(biāo)。該系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)雙峰法，以采集路線軌跡信息，使用攝像頭對(duì)將要尋的軌跡從右向左進(jìn)行掃描，通過閾值的設(shè)定使智能機(jī)器分揀小車，按照不同的模式進(jìn)行尋跡，增加了智能分揀小車的適應(yīng)性，提高了抗干擾能力。系統(tǒng)通過將不同顏色的物體按照相應(yīng)顏色的軌跡分別運(yùn)輸，從而達(dá)到將不同種類的垃圾桶分送到相應(yīng)的處理中心進(jìn)行處理的模擬。但是實(shí)驗(yàn)環(huán)境并不理想，由于受到光線斜射的影響，有時(shí)背景和前景的對(duì)比十分不明顯，需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行修正。

圖4 通過串口發(fā)送到上位機(jī)的顏色路線圖像

4.3 系統(tǒng)尋跡的穩(wěn)定性分析

系統(tǒng)尋跡累積誤差分析如圖5 所示。在光線和攝像頭前瞻一定的情況下，占空比從左到右分別為15%、25%、35%、45%、55%和65%時(shí)，智能垃圾分揀小車運(yùn)行20 圈統(tǒng)計(jì)的累積誤差為e，因?yàn)閷ほE線寬為2 cm，智能垃圾小車的瞬時(shí)最大誤差不超過1 cm(線寬的50%)，只有這樣才能保證小車尋跡的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。為了便于觀察，本研究把累積誤差0線標(biāo)定到縱坐標(biāo)為4 cm 處，從圖5 可以觀察到隨著占空比(速度)的加大，系統(tǒng)的累積誤差和波動(dòng)加大，但是累積誤差在最大的誤差范圍內(nèi)，總體上系統(tǒng)的累積誤差趨于0;當(dāng)占空比較小時(shí)，也就是智能小車的速度比較低時(shí)，小車的累積誤差波動(dòng)較小，尋跡的能力比較準(zhǔn)確、可靠。該方案以Freescale 公司的MC9S12XS128 單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，采用OV7620 數(shù)字?jǐn)z像頭采集軌跡線信息，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息分析行駛路徑。本研究采用PID 算法和模式識(shí)別對(duì)智能分揀小車的舵機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行控制，并根據(jù)引導(dǎo)線的彎曲程度和顏色采用不同的控制策略。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，整個(gè)智能分揀小車系統(tǒng)能在規(guī)定的引導(dǎo)線上穩(wěn)定地行駛。

圖5 系統(tǒng)尋跡累積誤差分析

5 結(jié)束語

本研究是采用飛思卡爾MC9S12XS128 系列單片機(jī)垃圾分揀系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，尤其是設(shè)計(jì)了通過OV7620 的CMOS 黑白圖像傳感器的閾值分割來識(shí)別顏色和軌跡路線。該控制系統(tǒng)經(jīng)過Code Warrior 5.0軟件開發(fā)平臺(tái)的程序在線調(diào)試，系統(tǒng)程序穩(wěn)定可靠，運(yùn)行良好。

經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)與開發(fā)，控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。從實(shí)際的運(yùn)行效果來看，系統(tǒng)滿足了垃圾分揀自動(dòng)化流程的要求。該模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)應(yīng)用提供了有利的參考，為工業(yè)實(shí)現(xiàn)提出了有利的理論依據(jù)。

6 致謝

該系統(tǒng)歷時(shí)5個(gè)多月的設(shè)計(jì)和制作，筆者充分認(rèn)識(shí)到了從理論到實(shí)踐的重要性和科學(xué)性，在整個(gè)過程中，導(dǎo)師劉沛教授給予了很大的指導(dǎo)和幫助，讓很多難題都迎刃而解。同時(shí)感謝陜西理工學(xué)院電工實(shí)驗(yàn)中心和電工電子實(shí)驗(yàn)中心的老師們給予的支持和幫助。

［1］常 超，王鐵山.垃圾處理的國際比較與借鑒［J］.城市問題，2009(1):77-81.

［2］張英明，尚曉波，李開明，等.城市生活垃圾處理技術(shù)現(xiàn)狀與管理對(duì)策［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，20(2):389-396.

［3］馬詩院，馬建華.我國城市生活垃圾分類收集現(xiàn)狀及對(duì)策［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2007，15(1):12-14.

［4］廖如珺，黃建忠，楊丹蓉.中國城市生活垃圾分類處理現(xiàn)狀與對(duì)策［J］.職業(yè)衛(wèi)生與病傷，2012，27(1):30-34.

［5］JIANG Yuan，KANG Mu-yi，LIU Zheng，et al.Urban garbage disposal and management in China［J］.Journal of Environmental Sciences，2003，15(4):531-540.

［6］趙東明.從循環(huán)經(jīng)濟(jì)看居民的源頭垃圾分揀［J］.商場(chǎng)現(xiàn)代化，2009(9):255.

［7］陳蘭芳，吳 剛，張 燕，等.垃圾分類回收行為研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵問題［J］.生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2012(2):142-145.

［8］CALABRòP S，GREENHOUSE，GASES.Emission from municipal waste，management:the role of separate collection［J］.Waste Management，2009，29(7):2178-2187.

［9］劉寧寧，簡曉斌.國內(nèi)外城市生活垃圾收集與處理現(xiàn)狀分析［J］.國土與自然資源研究，2008(4):67-68.

［10］周國梅，任 勇.德國的循環(huán)經(jīng)濟(jì):從垃圾經(jīng)濟(jì)到可持續(xù)生產(chǎn)與消費(fèi)體系［J］.世界環(huán)境，2007(1):40-43.

［11］孫立明，周凱興.美國城市生活垃圾處理現(xiàn)狀及思考［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2004，30(2):16-18.

［12］杜 翼.我國與發(fā)達(dá)國家垃圾處理的比較分析［J］.技術(shù)與市場(chǎng)，2009，16(1):63-64.

［13］DAHLéN L，VUKICEVIC S，MEIJER J E，et al.Comparison of different collection systems for sorted household waste in sweden［J］.Waste Management，2007，27(10):1298-1305.

［14］晏祖根，李 明，徐克非，等.高速機(jī)器人分揀系統(tǒng)機(jī)器視覺技術(shù)的研究［J］.包裝與食品機(jī)械，2014(1):28-31.

［15］孫同景，陳貴友.Freescale 9S12 十六位單片機(jī)原理及嵌入式開發(fā)技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.