具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

第一方面，本发明提供一种垃圾自动分类装置，如图1～3所示，该分类装置包括：分类结构和设置在所述分类结构下方的收纳结构，所述分类结构包括筒壁10、覆盖在所述筒壁10上且开设有垃圾入口的桶盖1、设置在所述筒壁10内且位于所述桶盖1开口下方的分类部以及位于所述分类器下方的底板5；所述分类部包括两个连接的隔板4，两个所述隔板4与所述筒壁10形成圆心角为90°的扇形区域，所述扇形区域的初始位置与所述垃圾入口的位置相对应；所述底板5和所述扇形区域的形状相匹配，两个所述隔板4和所述底板5形成一个收纳空间；

所述收纳结构包括底部平台12、设置在所述底部平台12上的十字隔板11以及四个收纳抽屉13，所述四个收纳抽屉13设置在所述十字隔板11分割成的四个区域内，所述四个收纳抽屉13为上开口结构用以接收所述分类结构中的分类部扫下来的垃圾；

所述分类结构还包括设置在所述筒壁10内部的控制单元以及与所述控制单元连接的第一传感器、摄像头9、第一电机2和第二电机6；所述第一传感器设置在所述扇形区域内，用于在感应到有垃圾进入两个所述隔板和所述底板形成的收纳空间时向所述控制单元发送对应的电平信号；所述控制单元用于在接收到所述电平信号时通过所述摄像头9采集垃圾的图像信息，采用垃圾分类模型对所述图像信息进行识别得到所述垃圾的所属类型，并根据所述所属类型生成第一电机控制信号和第二电机6控制信号；所述第一电机控制信号用于对所述第一电机2进行控制，所述第二电机6控制信号用于对所述第二电机6进行控制，所述第一电机2用于带动所述分类部转动，所述第二电机6用于带动所述底板转动；所述分类部和所述底板的配合转动能够将所述扇形区域内的垃圾扫入所述所属类型对应的收纳抽屉13中。

其中，分类结构设置在收纳结构的上方，分类结构的作用是对放入其中的垃圾进行分类。在分类机构中设置了一个分类部，分类部是由两个隔板连接而成，两个隔板之间的夹角为90°，分类部的两个隔板的连接处位于筒壁10的中心轴，两个隔板和筒壁10之间形成一个扇形区域，该扇形区域的圆心角为90°。为了与其它的扇形区域进行区分，可以将两个隔板和筒壁10形成的圆心角为90°的扇形区域称为第一扇形区域。而在分类器的下方是底板，底板和分类器的两个隔板形成一个收纳空间，当用户向垃圾自动分类装置放入垃圾时，垃圾首先落入底板和两个隔板形成的收纳空间内。

其中，在桶盖上开设有垃圾入口，垃圾入口的形状可以设置为圆心角为90都的扇形，分类器和底板形成的第一扇形区域的初始位置与垃圾入口对齐，这样当用户通过垃圾入口放入垃圾时垃圾会落入底板和两个隔板形成的收纳空间内。当然，垃圾入口可以采用其它的形状，只要第一扇形区域的初始位置与垃圾入口的位置相对应即可。

其中，筒壁可以防止两个隔板中的垃圾被扫到外面，而且对桶盖进行固定。在图2中仅示出了与两个隔板形成扇形区域的筒壁，即仅示出了一部分筒壁；在图3中示出了完整的筒壁，但筒壁属于分类结构。

其中，收纳结构的作用是存储不同类型的垃圾。目前的垃圾分类一共有四种：可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾以及其它垃圾，为了在收纳结构中设置了四个收纳抽屉，一个收纳抽屉可以收纳一种垃圾。为了方便对四个收纳抽屉进行放置，在收纳结构中设置了一个底部平台，然后底部平台上设置了一个十字隔板，由于十字隔板可以把整个空间分为四个区域，这样一个区域可以放置一个收纳抽屉，由于垃圾是从上方的分类结构中落下来，因此将收纳抽屉设置为上开口结构。为了方便取出收纳抽屉，可以在每一个抽屉的外侧壁上设置把手。

其中，分类结构为了实现对垃圾的分类，在筒壁内部设置了控制单元、第一传感器、摄像头、第一电机和第二电机，第一传感器、摄像头、第一电机和第二电机均与控制单元连接。其中，第一传感器的作用是感应是否有垃圾进入底板和两个隔板形成的收纳空间内，当第一传感器在感应到有垃圾进入该收纳空间内时发出一个电平信号给控制单元。例如，在没有垃圾进入收纳空间时，第一感应器输出的是高电平，而检测到有垃圾进入收纳空间时输出一个低电平，当控制单元检测到电平信号发生变化，从而得知有垃圾进入了收纳空间。

在具体实施时，可以采用红外传感器作为第一传感器。为了保证能够提高感应的灵敏度，可以设置两个第一传感器。例如，在收纳空间的底板上设置一个红外传感器8，在收纳空间的隔板上设置一个红外传感器7，其中一个红外传感器感应到有垃圾进入空间，就认为有垃圾进入收纳空间。当控制单元接收到第一传感器发送来的有垃圾进入的电平信号时，启动摄像头。摄像头的作用是采集垃圾的图像信息，即对垃圾进行拍照，然后把拍摄的图像发送给控制单元。

其中，控制单元将摄像头采集的图像信息输入到预先训练的垃圾分类模型中，得到所述垃圾的所属分类，例如，根据图像信息识别出的所属类别为厨余垃圾。垃圾分类模型的训练过程可以包括如下步骤：

(1)获取不同类型垃圾的训练样本

对各种不同类型的垃圾进行拍照，将拍摄的图像作为训练样本。获取垃圾图像的目的是训练垃圾分类模型，本发明可以在不同时刻采集不同种类的家用垃圾，例如，可回收垃圾：塑料瓶盖、易拉罐，厨余垃圾：果核、果皮，有害垃圾：电池、药片，其他垃圾：口罩、牙膏。每种垃圾的图像各100张。

(2)采用在线模型训练平台进行模型训练

VGG(全称为Visual Geometry Group)卷积神经网络是牛津大学在2014年提出的模型，其网络具有的简洁性和实用性，在图像分类和检测任务中都表现出来非常好的性能。采用VGG四层卷积神经网络模型模型来进行训练，包括输入层、两层隐含层和输出层。

训练步骤包括：①分别按照4种垃圾类型建立4个子文件夹，标签1(可回收垃圾)、标签2(厨余垃圾)、标签3(其他垃圾)、标签4(有害垃圾)。②将四个子文件夹打包上传到MaixHub AIoT在线模型训练平台进行模型训练。③训练完成后从在线模型训练平台上下载训练好的垃圾分类模型。

如图4所示，在训练过程中，随着迭代次数的增多，模型的训练准确率和验证准确率也在不断提高，且在后期趋于收敛状态。训练准确率和验证准确率相差较小，且识别准确率都处于一个相对较高的位置，没有出现过拟合或欠拟合的状态，模型整体表现良好。

如图5所示，采用训练好的垃圾分类模型对八种不同类别的垃圾进行识别后的结果。经过对每种垃圾进行100次实验，从结果可以看出对于每种垃圾的分类成功率都在90％以上，并且有四种垃圾分类成功率为100％，对于可回收垃圾和其他垃圾分类成功率最高，对于有害垃圾分类成功率最低。

可理解的是，当控制单元采用预先训练的垃圾分类模型识别出垃圾的所属类型之后，便可以根据垃圾的所属类型生成第一电机控制信号和第二电机控制信号。第一电机控制信号用于对第一电机进行控制，进而带动分类器的两个隔板以筒壁的中心轴为中心转动，第二电机控制信号用于对第二电机进行控制，进而带动底板以筒壁的中心轴为中心进行转动。通过分类器和底板的协调配合，从而将垃圾扫入其所属类型对应的收纳抽屉中，实现垃圾的分类存储。

在具体实施时，为了方便描述，将垃圾的所属类型对应的收纳抽屉对应的区域称之为第二扇形区域。控制单元在生成两个电机控制信号时，首先要确定第一扇形区域和第二扇形区域的相对位置，进而依据相对位置生成两个电机控制信号。两个扇形区域的相对位置一共有三种情形：(1)第一扇形区域和第二扇形区域重合，即为同一个扇形区域；(2)第一扇形区域和第二扇形区域相邻；(3)第一扇形区域和第二扇形区域相隔一个扇形区域。虽然为三种情形，但可以按照两种情形来处理，因为在(1)和(3)种情形种，底板都需要移动一个扇形区域，在第(2)种情形中底板不需要移动。原因是：需要将底板和分类器转移到与第二扇形区域相邻的一个扇形区域内，例如，将底板和分类器所在的第一扇形区域转移到第二扇形区域左侧的一个扇形区域内，然后将分类器向右侧转动一个扇形区域，便可以将垃圾扫入第二扇形区域下方的收纳抽屉中。在例如，将底板和分类器所在的第一扇形区域转移到第二扇形区域右侧的一个扇形区域内，然后将分类器向左侧转动一个扇形区域，便可以将垃圾扫入第二扇形区域下方的收纳抽屉中。可见，在第(2)种情形中，由于第一扇形区域和第二扇形区域相邻，所以底板不需要转动，只需要直接将分类器转动即可。例如，第一扇形区域位于第二扇形区域的左侧，直接将分类器向右转动一个扇形区域即可。而在第(1)和(3)种情形中需要先将底板和分类器同步转动一个扇形区域，然后再单独转动分类器。

为此，所述控制单元可以具体用于：确定所述第一扇形区域与所述第二扇形区域之间的相对位置；若所述第一扇形区域与所述第二扇形区域相邻，则生成的第二电机控制信号用于通过所述第二电机控制所述底板保持不动，生成的第一电机控制信号用于通过所述第一电机控制所述分类部转动至所述第二扇形区域以将所述垃圾扫入所述所属类型对应的收纳抽屉；若所述第一扇形区域与所述第二扇形区域之间相隔一个扇形区域，或者所述第一扇形区域与所述第二扇形区域为同一个扇形区域，则生成的第二电机控制信号用于通过所述第二电机控制所述底板转动至与所述第二扇形区域相邻的一个扇形区域中，生成的第一电机控制信号用于通过所述第一电机控制所述分类部与所述底板同步转动至与所述第二扇形区域相邻的扇形区域中，并继续控制所述分类部转动至所述第二扇形区域以将垃圾扫入所述所属类型对应的收纳抽屉。

可理解的是，由于摄像头采集的图像的清晰度受光线的影响，可能会影响到垃圾分类模型识别的准确率，为此可以在分类结构中设置一个光源进行光线补偿，从而提高垃圾分类模型的识别准确率。光源可以采用LED灯。

由于并不是时时刻刻都会有垃圾进入分类结构，因此在没有垃圾进入分类结构时，摄像头不必启动，光源也不必点亮，甚至控制单元也可以进入断电状态，从而实现节能。为了尽可能的节能，本发明提供的装置中，所述分类结构还可以包括设置在所述筒壁内部的电源和光源；所述控制单元包括第一单片机以及与所述第一单片机连接的第二单片机；所述第二单片机与摄像头、第一电机和第二电机连接；所述第一单片机与所述光源、所述电源和所述第一传感器均连接，所述电源与所述第二单片机连接；所述第一单片机用于在接收到所述电平信号时控制所述光源点亮，并控制所述电源为所述第二单片机供电；所述第二单片机用于在上电后启动所述摄像头，通过所述摄像头获取垃圾的图像信息，采用垃圾分类模型对所述图像信息进行识别得到所述垃圾的所属类型，生成所述第一电机控制信号和所述第二电机控制信号，并在所述垃圾分类完成后向所述第一单片机发出分类完成信号；所述第一单片机在接收到所述分类完成信号后控制所述电源断电，并控制所述光源灭掉。

也就是说，控制单元中设置两个单片机，两个单片机的功能不同，第一单片机与所述光源、所述电源和所述第一传感器连接，其作用是接收第一传感器发送来的电平信号、点亮光源、控制电源供电、灭掉光源、控制电源断电等。而第二单片机与摄像头、第一电机和第二电机连接，其作用是获取摄像头采集的图像、生成两个电机控制信号。

举例来说，具体过程可以是：在没有垃圾进入分类结构时，第二单片机和摄像头处于断电状态。而当第一传感器检测到有垃圾进入时，向第一单片机输出一个对应的电平信号(例如，一个低电平信号)，进而第一单片机将光源置为低电平，从而将光源点亮，同时输出一个高电平信号，以控制电源为第二单片机供电。第二单片机上电后启动摄像头，摄像头在启动后获取垃圾的图像信息，将图像信息经过SCCB总线发送给第二单片机，进而采用垃圾分类模型进行图像识别，得到所属类型，进而根据所属类型对应的收纳抽屉对应的第二扇形区域和第二扇形区域之间的相对位置确定两个电机控制信号，进而对底板和分类器进行协调控制从而将垃圾扫入所属类型对应的收纳抽屉中。之后，第二单片机将垃圾分类完成的信号通过USB数据线传输给第一单片机，第一单片机则控制电源为第二单片机断电，并灭掉光源。

其中，第一单片机可以但不限于采用STM32单片机，第二单片机可以但不限于采用K210单片机。

其中，第一电机和第二电机可以但不限于采用伺服电机。

当然，在将垃圾扫入对应的收纳抽屉之后，还需要将底板和分类器进行复位，为此在具体实施时，所述第二单片机还可以用于在所述垃圾分类完成后生成第一复位信号和第二复位信号；所述第一复位信号用于通过所述第一电机控制所述分类部复位至与所述垃圾入口对应的扇形区域，所述第二复位信号用于通过所述第二电机控制所述底板复位至与所述垃圾入口对应的扇形区域。

也就是说，第二单片机还生成两个复位信号，使得底板和分类器复位到与垃圾入口对应的区域，这样当下一次有垃圾进入时，便可以进入到分类器的两个隔板与底板形成的收纳空间中，从而启动下一次的垃圾分类。

在具体实施时，所述分类结构还可以包括与所述第一单片机连接的语音播报模块；如图3所示，所述收纳结构还包括四个第二传感器14，所述四个第二传感器14均与所述第一单片机连接，且所述四个第二传感器14一一对应设置在所述四个收纳抽屉内；所述第二传感器14用于在感应到对应的收纳抽屉装满垃圾时向所述第一单片机发送垃圾装满信号；所述第一单片机在接收到所述垃圾装满信号时，控制所述语音播报模块播报对应的收纳抽屉装满垃圾的提示语音。

也就是说，在每一个收纳抽屉中设置一个第二传感器，当一个第二传感器感应到对应的收纳抽屉装满垃圾时会向第一单片机发送相应的垃圾装满信号，当第一单片机接收到对应的垃圾装满信号时控制语音播报模块进行语音播报，从而告知用于对应的收纳抽屉已经装满。

其中，第二传感器可以设置在收纳抽屉的上侧壁的凹槽中。

在具体实施时，如图2所示，为了方便安装控制单元、摄像头、第一传感器等部件，可以在两个隔板和底板形成的收纳空间中设置一个支架3，将摄像头设置在支架3上。如果控制单元中包括两个单片机，分类机构中还包括光源和电源的话，则将两个单片机、光源和电源均设置在支架3上。为了能保证准确感应到有垃圾进入收纳空间，则可以设置两个第一传感器，一个所述第一传感器设置在所述支架3上，另一个传感器设置在所述底板上。各个部件具体可以通过螺钉螺母固定在支架3上。

在具体实施时，为了方便两个电机的带动底板和分类器转动，可以将所述第一电机的固定端与所述桶盖连接，例如，采用螺钉螺母固定连接；所述第一电机的输出端与所述分类部连接；所述第二电机的固定端与所述十字隔板连接，例如，采用螺钉螺母固定连接；所述第二电机的输出端与所述底板连接。也就是说，将电机的固定端固定在其它不会发生转动的结构上，而输出端与需带动的分类部、底板连接。

可理解的是，为了实现分类，本发明通过采集垃圾图像，输入垃圾分类模型中预测垃圾的所属类型，通过电机控制分类器和底板来实现对垃圾的智能分类，是将垃圾分类算法和硬件控制执行算法相结合。

举例来说，在本发明中共设置6个传感器，负责感应信息并传递信息给控制单元。其中两个传感器用来检测是否有垃圾投入分类结构，其余四个传感器用来检测垃圾是否装满；控制单元由K210单片机和STM32单片机组成，负责对传感器传递来的信号进行分析并进行控制；STM32单片机启动电源为K210单片机供电，从而启动摄像头采集垃圾的图像信息，点亮LED光源；K210单片机根据图像信息生成控制信号，输出给两个180°伺服电机，通过两个伺服电机的配合将垃圾扫入所属类型对应的收纳抽屉中，并告知STM32单片机分类完毕，进而STM32单片机控制电源断电、LED光源灭掉。当其余四个传感器中的任意一个检测到收纳抽屉装满时通知STM32单片机，STM32单片机通知语音播报模块进行语音播报。

本发明旨在提供一种能够用于家庭生活的实现垃圾自动分类的装置，该装置作为一种小型化、功能集成化以及成本经济化的垃圾分类装置，能够为家用、小型工作场所提供一种垃圾分类的新途径。在本发明中采用了多个方式提高装置的智能化，例如，通过神经网络的垃圾分类模型来识别所投放垃圾的类型，实现对可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾和其他垃圾四种类型的快速识别；采用传感器检测垃圾是否装满，并通过语音播报模块进行提醒。采用K210单片机和STM32单片机对各个部件进行控制，实现多个硬件之间的互联，为家用垃圾分类目前所遇到的问题提供了新的解决方案。

本发明提供的垃圾自动分类装置，主要包括分类结构和收纳结构，结构比较简单，便于生产和加工、成本低、体积小巧，仅比普通垃圾桶体积略大，但却可以同时存放四种垃圾，家用便捷，并且装置成本低，可进行商业化生产。

而且，本发明提供的垃圾自动分类装置融合了多个功能模块，例如，K210单片机、STM32单片机、传感器、摄像头、卷积神经网络、伺服电机和语音播报模块等，融合了多个模块的功能，将多个功能有机结合，实现多种功能。

还有，本发明将提供的垃圾自动分类装置具有扩展性和可移植性，可以根据新的需求添加扩展模块，实现更多功能。本装置中的程序可以采用C语言和Python语言，程序的可移植性好，可随时进行代码的改动。

进一步的，本发明提供的垃圾自动分类装置不仅可以用于家庭使用，还可以放置在办公楼、政府机关等场所。除了进行垃圾分类外，若用在儿童早教领域，还可以通过语音播报实现儿童教育功能，从小培养垃圾分类的意识。因此本发明提供的装置应用范围广泛，适用场所多样。

综上，本发明提供的垃圾自动分类装置，设置了分类结构和收纳结构，采用分类结构实现对各种垃圾的分类，具体采用第一传感器感应是否有垃圾投入，采用摄像头获取垃圾图像，采用控制单元将垃圾图像输入垃圾分类模型，得到垃圾的所属类型，进而依据所属类型生成两个电机控制信号，然后通过两个电机实现对分类器和底板的转动控制，从而将垃圾扫入所属类型对应的收纳抽屉中。而在收纳结构设置了四个收纳抽屉可以实现对四种类型垃圾的分类收纳，因此用户将垃圾投入垃圾自动分类装置后，不需要进行任何操作，就能实现对垃圾的自动分类，非常方便，结构简单，成本低，可进行商业化生产。融合了多个功能模块，实现多种功能；而且应用范围广泛，适用场所多样。

第二方面，本发明提供一种垃圾自动分类方法，所述方法基于第一方面提供的垃圾自动分类装置实现，如图6所示，所述方法包括：

S110、所述第一传感器在感应到有垃圾进入两个所述隔板与所述筒壁形成的收纳空间时，向所述控制单元发送对应的电平信号；

S120、所述控制单元在接收到所述电平信号时通过所述摄像头采集垃圾的图像信息，采用垃圾分类模型对所述图像信息进行识别得到所述垃圾的所属类型，并根据所述所属类型生成第一电机控制信号和第二电机控制信号；

S130、所述第一电机在接收到所述第一电机控制信号时控制所述第一电机，以使所述第一电机带动所述分类部转动；所述第二电机在接收到所述第二电机控制信号时控制所述第二电机，以使所述第二电机带动所述底板转动；所述分类部和所述底板的配合转动能够将所述扇形区域内的垃圾扫入所述所属类型对应的收纳抽屉中。

在具体实施时，所述S120可以具体包括：

在接收到所述电平信号时通过所述摄像头采集垃圾的图像信息，采用垃圾分类模型对所述图像信息进行识别得到所述垃圾的所属类型；

确定所述第一扇形区域与所述第二扇形区域之间的相对位置，并根据所述相对位置生成所述第一电机控制信号和所述第二电机控制信号；若所述第一扇形区域与所述第二扇形区域相邻，则生成的第二电机控制信号用于通过所述第二电机控制所述底板保持不动，生成的第一电机控制信号用于通过所述第一电机控制所述分类部转动至所述第二扇形区域以将所述垃圾扫入所述所属类型对应的收纳抽屉；若所述第一扇形区域与所述第二扇形区域之间相隔一个扇形区域，或者所述第一扇形区域与所述第二扇形区域为同一个扇形区域，则生成的第二电机控制信号用于通过所述第二电机控制所述底板转动至与所述第二扇形区域相邻的一个扇形区域中，生成的第一电机控制信号用于通过所述第一电机控制所述分类部与所述底板同步转动至与所述第二扇形区域相邻的扇形区域中，并继续控制所述分类部转动至所述第二扇形区域以将垃圾扫入所述所属类型对应的收纳抽屉。

在具体实施时，所述分类结构还包括设置在所述筒壁内部的电源和光源；所述控制单元包括第一单片机以及与所述第一单片机连接的第二单片机；所述第二单片机与摄像头、第一电机和第二电机连接；所述第一单片机与所述光源、所述电源和所述第一传感器均连接，所述电源与所述第二单片机连接；此时所述S120可以包括：

所述第一单片机在接收到所述电平信号时控制所述光源点亮，并控制所述电源为所述第二单片机供电；

所述第一单片机在接收到所述电平信号时控制所述光源点亮，并控制所述电源为所述第二单片机供电；

所述第二单片机用于在上电后启动所述摄像头，通过所述摄像头获取垃圾的图像信息，采用垃圾分类模型对所述图像信息进行识别得到所述垃圾的所属类型，生成所述第一电机控制信号和所述第二电机控制信号，并在所述垃圾分类完成后向所述第一单片机发出分类完成信号；

所述第一单片机在接收到所述分类完成信号后控制所述电源断电，并控制所述光源灭掉。

可理解的是，第二方面提供的方法中的有关内容的解释、举例、具体实施方式、有益效果等部分可以参考第一方面中的相应内容，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。