淺述基于機器視覺的建筑垃圾識別分揀系統方案設計

房劍飛 王玉鵬 諸劍

摘 要 建筑垃圾問題一直阻礙著城市發展，建筑垃圾資源化成為社會研究重點。現目前國內建筑垃圾分揀主要依賴人工操作，存在工作效率低、成本高、作業環境惡劣等問題。本文以建筑垃圾為研究對象，結合機器視覺、傳感器等技術的應用與研究，設計出一套建筑垃圾自動識別分揀方案，實現對主要固體垃圾的識別分揀。

關鍵詞 機器視覺;建筑垃圾;識別分揀

引言

隨著經濟發展，城市垃圾增長速度持續增加，垃圾處理問題日益突出。城市建設產生的建筑垃圾占城市垃圾的一半以上，大量的建筑垃圾若不能妥善處理，不僅不符合可持續發展的國策，還會阻礙城市發展，影響市民生活質量。建筑垃圾的總量持續增加，長期依賴高成本的人力分揀并不現實，垃圾分揀技術的突破對國家發展和環保事業具有重要意義。

現目前計算機處理能力提高和硬件成本降低，汽車、包裝等領域都逐步應用和推廣自動化分揀機器人技術，該應用對于建筑垃圾分揀具有一定指導意義?？紤]到建筑垃圾的特殊性，本文針對主要固體建筑垃圾，提出一套基于機器視覺、多傳感技術和機器人技術相結合的垃圾智能識別分揀系統方案，旨在代替傳統的人工操作，有效提高生產效率、節約成本。

1工作原理

現在對于普通標準件的識別和分揀，國內外已經能夠提供較成熟的方案和產品。但是建筑垃圾因為其對象的多樣性和復雜性，難以通過單一特征值的選擇和標準數據庫的建立來進行準確迅速識別區分。本文利用機器視覺與傳感器技術相結合進行目標的檢測識別和定位，利用機器人技術和傳統技術相結合的方式實現分揀。

系統工作原理：將建筑垃圾置于輸送帶進行輸送。當垃圾進入指定位置后，系統相機進行連續的拍攝獲得對象圖像信息，完整覆蓋于傳送帶的各類傳感器檢測獲取對象參數信息，數據共同傳送至PC機，進行垃圾匹配和種類識別。系統通過視覺模塊獲得垃圾的位置信息，進行識別對象運動軌跡計算，計算完成后傳送至機器人控制器?？刂破骺刂茩C械手完成對有效垃圾的抓取任務，并放入指定存放點存放。對于非所需固體建筑垃圾，對象到達傳送帶指定位置后，系統氣缸推動至卸料槽[1]。

2總體方案

2.1 結構組成

本系統由識別和分揀兩大部分組成。CCD工業相機、電容傳感器、電感傳感器、顏色傳感器等組成“CCD工業相機+多傳感器”相結合形成識別方案。CCD視覺系統實現運動件輪廓、位姿等信息的獲取，多傳感器系統實現金屬、塑料、木頭等固定材質的區分。“PC機+PLC控制器”組成系統上下位機的控制方案，上位機實現對多種采集信號的處理和控制，PLC控制機械手完成基本邏輯動作和氣缸推送動作，形成分揀系統部分[2]。

2.2 硬件選型設計

（1）相機模塊

作為系統的視覺部分，相機模塊主要有CCD、CMOS兩類感覺芯片。CCD相機主要用于運動物體的圖像提取，本系統選用MERCURY水星系列CCD工業相機，外形小巧緊湊。

（2）傳感器

據系統的控制要求，本系統選用CR1808DN電容傳感器、LJA18M-10D1電感傳感器、松下的LX-101顏色傳感器和LH-S09B壓力傳感器。各傳感器相互配合使用，進行金屬、塑料、木頭、布條等材料的識別。

（3）PLC

PLC選型時應詳細分析系統的控制要求，明確控制任務所需的操作和動作，然后根據控制要求估算輸入輸出點數、所需存儲器容量、確定 PLC的功能、外部設備特性等，本系統選擇有較高性能和性價比的S7-200型PLC。

（4）分揀模塊

分揀部分由分揀機器人和推送氣缸兩部分組成，機械人負責有效建筑垃圾，氣缸負責無用垃圾。機械手是分揀機器人關鍵部件，主要用于抓取和握持物體，選擇三爪定心結構，最大輸出力大小為10kg，驅動方式選擇氣動方式。推送氣缸選擇結構簡單，選擇易于制作的MHS3-40型氣缸[3]。

3后處理

（1）信號處理及融合：對拍攝到的圖片進行預處理，實現目標分離，提取出所需特征值，通過運動規律及采集信號完成目標運動件定位方案。采用嵌入式軟件處理多個傳感器采集的信號并融合、判定材質及定位檢測;

（2）機械手動態抓取策略：以工業應用廣泛的PID控制為基礎，結合現目前高級的Bang-Bang控制、人工神經網絡等控制方式優化機械手動態抓取策略以及抓取目標路徑規劃[4]。

4結束語

本文以固體建筑垃圾物為研究對象，利用智能識別分揀系統替代傳統人工勞作的方案，有效提高生產效率、節約成本。該研究為實際分揀工作提供理論支持和指導意義，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 鄭先報.建筑垃圾機器人分揀技術研究[D].廈門：華僑大學，2019.

[2] 周瀅慜.基于機器視覺的生活垃圾智能分揀系統的設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.

[3] 孫志偉.基于視覺定位的并聯機器人抓取技術研究[D].濟南：齊魯工業大學，2018.

[4] 黃倫，劉沛，譚濤.智能垃圾分揀系統的模擬與實現[J].機電工程，2014，31（11）：1452-1456.

作者簡介

房劍飛（1991-），男，江蘇泰興人;學歷：碩士，助教，現就職單位：南京工業大學浦江學院，研究方向：機電一體化。

王玉鵬（1980-），男，漢族，山東萊州人;學歷：碩士，副教授，現就職單位：南京工業大學浦江學院，研究方向：機電一體化。

諸劍（1986-），男，江蘇南京人;學歷：碩士，實驗師，現就職單位：南京工業大學浦江學院，研究方向：機電一體化。