用于微塑料分離收集的智能沙灘垃圾處理機

王金蓮 姚宇豪 易永余 婁勝杰

杭州科技職業技術學院 智能工程學院 杭州 311402

1 設計背景

隨著塑料的廣泛使用和人類沙灘活動的頻繁,沙灘污染問題日漸嚴重[1-3]。2021年我國海洋生態環境狀況公報指出,海灘垃圾數量為154 816 個/km2,平均密度為1 849 kg/km2。其中,塑料類垃圾數量最多,占75.9%,主要為香煙過濾嘴、泡沫、塑料碎片和包裝類塑料制品等。微塑料指直徑小于5 mm的塑料纖維、顆?；蛩槠琜4]。微塑料在海洋和沙灘廣泛分布,會直接或間接進入人體內部,嚴重影響人類健康,在沙灘垃圾處理中應該首先考慮[5-6]。

人工清理沙灘垃圾成本高,效率低,國內現有的機械清理設備則大多占地大,價格高,智能化程度低[7]。因此,沙灘垃圾處理機的智能化、小型化是一個研究熱點。Cherian等[8]開發一款利用超聲傳感器導航,通過風扇實現分離輕重垃圾的四輪輕型沙灘垃圾處理機。Hidaka等[9]提出一種基于訓練深度學習模型建立的能夠自動識別不同大小海灘垃圾的人工智能技術。馮泓騫等[10]基于螃蟹運動特征,設計了仿生沙灘垃圾清理裝置。狄飛等[11]設計了一款通過卷積神經網絡模型來識別垃圾類型,并實現廚余垃圾、可回收垃圾和其它垃圾分類的垃圾收集處理設備。以上研究分別以機械結構、智能算法等為側重點設計了智能小型沙灘垃圾處理機,但設備都沒有涉及對大中小型塑料垃圾,特別是微塑料分類收集的考慮。

筆者設計了一款基于機器視覺識別塑料垃圾,并能實現大中型垃圾和小微塑料垃圾分類收集的智能沙灘垃圾處理機,制作成整機模型后進行測試。

2 工作流程

智能沙灘垃圾處理機設置有智能控制模塊,當識別到沙灘塑料垃圾時,驅動履帶行走模塊按優選路徑運行至合適位置,先后經過進料送料模塊、大垃圾分離收集模塊、微塑料分離收集模塊、沙水分離及水平衡模塊,完成垃圾的清理和分類處理。設備工作流程如圖1所示,結構如圖2所示。

圖2 智能沙灘垃圾處理機結構

3 結構

3.1 進料送料模塊

進料送料模塊如圖3所示,由鏟子、毛刷、柔性撥板及帶傳動機構組成。毛刷和柔性撥板繞軸旋轉,形成雙滾筒。進料送料模塊將包含沙子和大小微塑料垃圾的混合物順暢送入皮帶傳送機構,傳送皮帶上設置有擋板。柔性撥板每旋轉一圈,進料兩次。

圖3 進料送料模塊

3.2 履帶行走模塊

履帶行走模塊采用齒形帶傳動,齒形帶與帶輪之間無相對滑動,傳動比恒定、準確。由蝸輪蝸桿直流減速電機提供動力,最大扭矩可達2 000 N·cm,可調控轉速。采用H橋電機控制方案,使用芯片驅動。為了消除雙電機的差速問題,采用霍爾磁敏編碼器,實現雙電機的運行速度相同。

3.3 垃圾分離收集模塊

垃圾分類收集模塊包括振篩機構和小微塑料分離與收集機構,分別如圖4、圖5所示。利用彈簧懸掛和振動電機組成振篩機構,可將大中型垃圾留在篩網上。配置質量傳感器和舵機,控制側門開啟機構。在垃圾超重的情況下,完成向設備外轉移垃圾。

圖4 振篩機構

圖5 小微塑料分離與收集機構

微塑料和細沙進入小微塑料分離與收集機構,采用天然海水作為浮選液,利用密度差直接浮選法實現沙子和小微塑料的分離,再通過水位差收集小微塑料至小微塑料收集箱[12-13]。

3.4 沙水分離及水平衡模塊

沙水分離及水平衡模塊主要由無軸螺旋分離器組成。無軸螺旋分離器如圖6所示,將沙子輸送到智能沙灘垃圾處理機外部,實現沙水分離。沙水分離過程中,為應對分離箱海水損失,采用額定電壓為12 V的直流微型水泵從自帶水箱中抽水,并加裝浮球液位傳感器,以實現自動水平衡[14-15]。

圖6 無軸螺旋分離器

輸送量、螺旋直徑、螺旋轉速、軸功率等是無軸螺旋分離器的重要設計參數,分別計算如下[16-18]。

螺旋外徑D為:

(1)

式中:Q為無軸螺旋分離器的輸送量;K為物料綜合因數,可取0.063 2;λ為物料的單位容積質量,為1 620 kg/m3;φ為填充因數,取0.42;ε為傾斜輸送因數,取0.92。

螺距S為:

S=(0.5～2.2)D

(2)

轉速n為:

(3)

式中:A為物料綜合特性因數,取28。

軸功率P0為:

P0=(QωLcosα+QLsinα)/367

(4)

式中:L為輸送機的輸送距離;α為螺旋軸傾斜角度;Lsinα為輸送機水平投影高度;Lcosα為輸送機豎直投影高度;ω為物料運動阻力因數,取3.2。

電動機功率P為:

P=K1P0/η

(5)

式中:K1為功率儲備因數,取1.2～1.4;η為電動機傳動效率,取0.9。

設計無軸螺旋分離器輸送量為1.8 t/h,代入式(1)計算,并按最接近的標準尺寸取整螺旋外徑為0.1 m?？紤]到無軸螺旋傾斜布置,螺距S取0.6D,為0.06 m。由式(3)計算取整可得轉速n為2.5 r/min。

軸功率P0應至少包含物料輸送功率及傾斜角度引起的附加功率等,輸送距離需超過垃圾收集框長度。輸送機輸送距離500 mm,螺旋管傾斜15°擺放,由式(4)、式(5)計算可得軸功率P0為8 W,電動機功率P為13 W。選用額定功率為 21 W的直流減速電機,額定轉速為 60 r/min,減速比為 90,利用變頻器脈寬調制控制電機轉速。

4 控制方案

4.1 控制系統框圖

智能沙灘垃圾處理機的控制系統主要包括主控模塊、圖像識別處理模塊、運動控制模塊、功能拓展模塊四部分,控制系統框圖如圖7所示?？刂葡到y采用光伏太陽能板及電池組供電。

圖7 控制系統框圖

4.2 主控模塊

主控模塊采用STM32F407VET6單片機,具有極強的處理能力,能滿足操控多路電機、舵機及大量數據處理的需求。支持串行外設接口等多種通信接口,可以方便連接攝像機、超聲傳感器等外部設備。采用低功耗技術,能實現適應沙灘環境的高電源管理效率。

4.3 圖像識別處理模塊

攝像頭基于開源計算機視覺庫的圖像識別原理進行垃圾識別。使用IPC-HFW8241E-Z攝像頭提供低延遲高清圖像,分辨率為3 840像素×2 160像素。采用可見光和紅外雙光學鏡頭設計,能夠實現白天、夜晚的高清晰度拍攝。具有IP67防護等級,可以抵御惡劣的天氣和環境,適合沙灘環境。在頂部的攝像頭兩側各安裝一個HC-SR04超聲測距傳感器,測距范圍為2～450 cm,數據精確,用于判定垃圾位置和距離。

4.4 運動控制模塊

履帶行走裝置、雙滾筒進料機構分別采用渦輪蝸桿直流減速電機,由大功率場效應晶體管驅動。振篩機構采用電壓為12 V,轉速為6 000 r/min的微型直流扇形振動電機,使用L298N芯片H橋驅動電路。運動控制模塊還可以實現分離箱水平衡控制和大垃圾自動側門開合控制。

4.5 主程序

單片機負責資源調度和硬件驅動,想要實現對圖像識別處理模塊、運動控制模塊等外圍模塊協調控制,必須要做好整體程序設計。主程序流程如圖8所示。經傳感器和串行外設接口初始化后,單片機采集攝像機數據?；陂_源計算機視覺庫的圖像識別原理進行圖形數據處理,對讀入的圖像進行降噪和歸一化等預處理后,將圖像從藍、綠、紅顏色空間轉換到根據直觀特性創建的顏色空間,利用inRange函數識別出白色、紅色等,利用坎尼函數分析物體形狀,從而鎖定塑料垃圾。一旦確定為塑料垃圾,通過測量超聲傳感器觸發和回波的時間差,計算出沙灘垃圾與傳感器之間的距離。驅動履帶行走裝置按優化路徑行走至垃圾處,進行垃圾的分離和收集。每隔120 s采集電量和水位數據。若電量低于電量低閾值,則發出警報,暫停工作。若分離箱中水量不足,則啟動水泵從水箱供水。若質量傳感器檢測到大垃圾箱質量超過2.5 kg,則側門開啟傾倒垃圾。以上流程循環執行,直到設備任務完成或者手動停止。

圖8 主程序流程

5 測試

綜合利用三維打印和加工中心加工等方法制作智能沙灘垃圾處理機樣機,外形尺寸為90 cm×40 cm×55 cm,如圖9所示。對制作的智能沙灘垃圾處理機樣機進行垃圾識別、垃圾處理、水位調節、避障及人機交互測試。在沙灘環境中,攝像頭能搜尋到塑料袋、飲料瓶等目標垃圾,并做出識別,識別正確率達93.6%。之后啟動履帶行走裝置到達目標位置,平均位置偏差3.7 cm。垃圾識別處理如圖10所示。

圖9 智能沙灘垃圾處理機樣機

圖10 垃圾識別處理

所制作的智能沙灘垃圾處理機樣機可順暢實現進沙送沙、大小微塑料垃圾分離及沙水分離,在60 min的測試時間內,共收集到塑料瓶、瓶蓋、煙頭等中型垃圾2 106 g,共收集到小微塑料315 g,最小直徑為0.13 mm。利用海水浮選微塑料并收集至小微塑料收集箱,如圖11所示。

圖11 微塑料收集

6 結束語

筆者設計了用于微塑料分離收集的智能沙灘垃圾處理機,利用攝像頭成像技術結合,開源計算機視覺庫的圖像識別原理算法,對塑料垃圾快速識別。利用超聲傳感器確定垃圾位置和距離,以單片機為主控實現智能垃圾處理。沙子和垃圾混合物送至智能沙灘垃圾處理機后,設置振篩機構,實現大中型垃圾與小微塑料垃圾分離。以海水為浮選液,利用密度差實現沙子和微塑料分離。利用無軸螺旋機構實現沙水分離。智能沙灘垃圾處理機低碳環保,占地面積小,質量小,是沙灘表面微塑料收集處理的有效幫手,可用于沙灘的垃圾清理實踐,也可作為機械創新設計實踐教學和培訓的工具。