基于RGB法的塑料瓶颜色识别和自动分拣系统

1项目编号：华南理工大学百步梯攀登计划研究项目申请书课题名称基于RGB法的塑料瓶颜色识别和自动分拣系统申请者郑烈心黄巍孟加伦项目形式□A自然类学术论文□B社会科学类学术论文和调查报告□C科技发明制作学科门类□A机械控制□B信息技术□C数理□D生命科学□E能源化工□F经济□G社会□H管理□I教育□J法律□K哲学学院自动化科学与工程学院申报者学历（B）A大专B大学本科C硕士研究生D博士研究生申请日期2012年2月27日华南理工大学团委二○一一年十二月2A：申报者情况说明：1．必须由申报者本人按要求填写，申报者情况栏内必须填写个人作品的第一作者（承担申报作品60%以上的工作者）或集体作品填写一位学历最高的代表；2．本部分中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认。申报者姓名郑烈心性别男出生年月1988.11.01情况现学历（B）A大专B大学本科C硕士研究生D博士研究生学院自动化科学与工程学院专业自动化年级09学制4年入学时间2009年9月申报作品全称基于RGB法的塑料瓶颜色识别和自动分拣系统通讯地址北二504邮政编码510610单位电话常住地联系地址北二504邮政编码510610住宅电话[phone]合作者情况姓名性别年龄学历所在院系备注黄巍男22本科自动化科学与工程学院有无合作者请在此说明□有□无孟佳伦男22本科自动化科学与工程学院3B：研究课题情况研究课题名称基于RGB法的塑料瓶颜色识别和自动分拣系统研究方向信息采集与处理研究类别科技起止时间2012年3月至2013年3月成果形式样品+论文本课题的研究现状及趋势，研究本课题的实际意义和理论意义，国内外研究现状分析，附主要参考资料（1）课题现状及趋势：近年来，各国对环境好不和营造可持续发展社会的重视程度空前提高。日本1991年就公布了《关于再生资源利用发》，我国也于2010年制定了《产品可再生利用率指标》，将制造也也回收利用业捆绑在一起。随着我国国民经济的蓬勃发展，我国已经发展成为了全球最大的废旧塑料瓶市场。废旧塑料瓶具有回收价值高，日益增高的消费量也成为了其回收的主要驱动力。但是我国废旧塑料瓶的回收工作仍然处于起步阶段，相比欧美等发达国家还存在很大的差距。制约着我国废旧塑料瓶回收市场发展的一个重要瓶颈就是回收成本较高，回收技术不够成熟。我国目前塑料瓶的回收依然过分依赖人工的分类，即将瓶子通过一条移动的运输带时，训练有素的技工，通过观察瓶子通过光源打在塑料瓶上时瓶子显示的颜色将其分类。这种传统的使用眼和手的分类方法已经不能适应现代的回收要求。长期的采用人工的分类方法，不仅效率不高，容易造成劳动力的浪费，而且增加了塑料瓶回收的成本，制约着行业的发展。这种情况下，迫切需要高效快捷的识别分拣技术。(2)国内外研究的现状：欧美等发达国家在采用以计算机为基础的自动分类回收的研究方面起步较早，而且已经取得了一定的成果。例如挪威的科技工业研究所采用了红外分辨技术，美国凯洛格公司开发的溶剂分离技术，日本塑料处理促进协会利用水力旋风分离器分离塑料瓶等等。虽然国外的研究已经取得了一定的成果，并且也已经大量的运用于生产实践当中。但是由于设备的价格昂贵，其并不适用与我国大多数中小型企业。资源的回收利用已经逐渐成为了一个新兴产业，并且逐渐形成规模。为了适应现代化生产的要求，我国也开始重视资源的回收利用，但是我国的塑料瓶分类回收技术目前大多处于试验阶段，未能够广泛地应用于实际生产当中。为了改善目前我国在塑料分类回收方面效率低下的被动局面，我们在借鉴国外和国内其他领4域成功经验的基础上，采用了一种简单的基于RGB法的塑料瓶颜色识别和分拣系统。(3)本课的实际意义和理论意义目前我国废弃塑料瓶回收网点已遍布全国各地，形成了一批较大规模的再生塑料回收交易市场和加工集散地。再生塑料回收、加工、经营市场规模越来越大，年交易额大都在数亿到几十亿元。但是如此庞大的一个回收市场，却依然采用传统的人工分类回收方式，大大降低了我国塑料瓶分类回收产业的进一步发展。本课题采用先进的基于RGB法的塑料瓶颜色自动识别和分拣系统，可以大大提高其分类的效率，降低回收的成本，从而更进一步地促进产业的发展。因此，废弃塑料瓶的回收具有重要的实际意义，可以保证资源的重复利用，减少资源的铺张，提供更多的使用价值和作用。在全球石油资源极度紧张和环境污染已经成为了全球议题的今天，推动废旧塑料瓶的回收工作已经成为了一个全新的产业。本课题也具有深刻的理论意义，采用了RGB法对物体的颜色进行检测，从色度学的角度来看，任何一种彩色都可以有红，绿，蓝三种颜色的组合得到。我们只要采用TCS230传感器就能够测量出塑料瓶的红绿蓝三色的数值大小，从而得出瓶子的颜色，对塑料瓶进行相应的分类。但是TCS230测量的是通过物体表面放射回来的光的三色的强度会由于不同是时间，不同地点的条件下光源的不同，对同一个物体的反射是不一样的原因，造成测量误差。因此，为了解决这个问题，我们采用了白平衡算法。所谓的白平衡算法，就是在同时测出反射光和入射光的三色，利用反色强度和入射强度的比值计算出物体的颜色。本课题采用了典型的颜色测量方法，可以有效的减少由于光源的不同带来的误差。主要参考资料：《简述TCS系统》李英存张立坤科学之友2011年04月《基于RGB颜色模型棉花杂质的识别算法》符宝鼎袁建畅郭彩霞《基于RGB法的回收塑料瓶自动颜色分选系统开发》王文君宋端坡孟凡菲俞竹青5本课题的基本内容，研究目标以及计划解决的关键问题基本内容：本课题提出了基于89C51和TCS230为核心芯片的塑料瓶颜色分类回收系统的设计方案，通过TCS230检测塑料瓶的RGB各项值，计算出塑料瓶的颜色，将信号传递给单片机89C51控制分选装置的快门，并且配合以89C51为核心的控制模块，设计人机交互界面，实现塑料瓶按照颜色的差异分类回收。1.硬件制作及调试，包括：三色值采集模块，信号预处理模块，电磁喷气模块以及人机交互模块。2.各种理论知识的积累，如：RGB法颜色识别原理和白平衡算法等。3.各种硬件驱动和信号处理算法的编写。研究目标：1.研究出一个能根据TCS230传感器的输出数据识别塑料瓶颜色及位置的算法，此为实现所有功能的基础。2.研究出一个可通过TCS230传感器的输出控制电器快门工作的算法。3.掌握51单片机编程。4.熟悉各种硬件设备和串口间通讯及处理数据的方式。5.通过89C51实现信息的处理，编码等工作。6.使该系统具有良好的扩展性,例如用于粮食色选等。计划解决的关键问题：1.通过RGB法识别塑料瓶的颜色和位置的研究。2.各硬件通讯的协调，如TCS230和单片机通信协调等。6课题的研究思路和方法，研究工作方案。理工类项目需提供试验方案和技术路线。社科类项目需提供研究进度计划。系统设计：一.硬件部分图1基于RGB法的塑料瓶颜色自动识别和分拣系统的硬件部分主要是由进料部分，颜色识别，分选执行和下料单元组成，如图1所示。1.送料装置送料装置包括了储料斗，震动给料器，微动力控制器，动力源，执行机构和控料头等部分组成，其中单片机作为微动力控制器，伺服电机作为动力源。完成的任务：a计量，保证单位时间送入检测装置的物料均匀一致。b:确保物料延检测轨道一个轨道滑落，有序排列进入检测点。c:每个检测物料从检测点到分选点所有的时间必须一致。2.颜色识别单元颜色识别单元是整个系统的关键部分，其中包括了TCS230传感器、颜色处理计算机、光源（如图2）和背景等。为了减少光源不同带来的误差，采用LP3891-ADJ低压降COMS线性稳压器为白光LED；为了减少由于日光灯光源闪烁照成入射光的不同，用LED灯作为光源；为了增加传送带和塑料瓶的对比度，更加准确的识别塑料瓶的颜色和位置，采用黑色皮带作为传送带,为了减少外部灰尘的干扰影响，通常检测元件封装与密封的光学室当中，采用玻璃作为隔离挡板。73.信号处理装置把来自颜色识别的信号整形放大，送到判断电路，判断电路把信号分为不同的类型，由单片机控制执行机构的动作。采用单片机替代了早期的模拟电路，有一下有点:装备简单，性能稳定。具有记忆功能。4.分选执行单元分选执行单元由强力喷气嘴，单片机，光电编码器，电磁阀等组成。控制器经串口RS-232接收由计算机处理过的频率信号，光电编码计算塑料瓶的位置由单片机控制强力喷嘴喷发气流的时间和气流的强度，从而分离不同颜色的塑料瓶。5下料单元下料单元由若干条传送带组成，强力鼓风喷嘴由单片机控制喷出不同强度的气流，将不同颜色的塑料瓶送到二级传送带上，由二级传送带将塑料瓶送到打包机上从而达到分离塑料瓶的目的。二.系统设计采用的方法1.颜色空间通常我们看到的物体的颜色，实际上是物体吸收了照射到它表面上的入射光的一部分有色成分，而反射出另一部分有色成分进入人眼的结果。根据色度学的原理可知，任何颜色都可以由红（R）,绿（G）,蓝(L)三种颜色按照不同的比例组合而成。因此也将RGB称为三原色。我们可以以这三种颜色为坐标轴建立一个颜色空间。以远点（0,0,0）作为黑色点，以（255,255，255）作为白色点。这样就建立起了颜色空间坐标，而每一种颜色也有一一对应的坐标。82.白平衡算法我们看到的物体的颜色是物体反射出来的光进入我们眼睛的结果，TCS230就是通过分别检测物体反射出来的红、绿、蓝光的成分，再把光强转化为不同频率的信号。量化出RGB的值，从而计算出物体的颜色。但是由于不同的光强照射到物体表面，反射回来的三色是不同的。为了解决由于光源的不同造成的误差，我们采用了白平衡算法，即首先测量基准光源的RGB值，再测量在基准光源下物体反射出来的RGB值。将这两个值得比值乘以255，就能准确的知道物体的真实RGB值，就能准确的知道物体的颜色。三．软件部分YNNNY初始化是否已经白平衡白平衡是否进行数据采集采集数据数据发送给PC机单片机接收PC机送来的数据鼓风喷气装置动作结束开始9项目特色以及创新之处，社科类项目需要提供资料准备情况项目特色及创新之处一、系统能智能化地分辨出塑料瓶的颜色并自动分拣，提高的塑料瓶分类的效率，大大节省了人力和物力，提升了产业的现代化程度。对环境保护和资源的重复利用起到了一个促进作用。二、是对传统废物分类会后的一种革新，符合了自动化、智能化的社会发展方向。三、可以用于不同的场合。除了在塑料分类回收的应用之外，也可以应用于粮食色选等领域。四、项目是通过RGB颜色空间把颜色进行分解测量然后重新组合，利用白平衡法对颜色进行校正，从而保证了在不同光源的作用下任能准确的测出物体的颜色。预期的研究进展和成果社科类项目需要提供调研计划（包括调研内容、调研周期、调研报告的完成时间及报送部门和报送时间）第一阶段：相关资料、理念知识收集、储备，器件的初步确定。（1个月）第二阶段：理论知识深入学习（学习单片机基础知识及传感器处理的算法；提出信号传输方法及快速信号处理算法）信号采集、分析研究、算法试验、方案确定、熟悉信号采集。（初定1个月，此阶段可与后续阶段交叉进行）第三阶段：各模块器件购买与硬件制作、初步调试。（2个月）第四阶段：构建一个塑料瓶分类回收的模型，检测并调整各模块的物理连接。（2个月）第五阶段：程序编写、下载与系统稳定性的调试（4个月）第六阶段：进行相关实验数据、结论的整理（1个月）第七阶段：研究论文、工作报告的编写（1个月）10已经具备的试验条件，尚缺少的实验条件和解决的措施；拟利用国家重点实验室和部门开放实验室的计划与落实情况（社科类项目可以不填此格）已具备的实验条件：计算机、部分编程软件、实验测试仪器。尚缺少的实验条件：硬件方面：TCS230、颜色信号处理相关芯片，如A/D转换芯片，电机，喷气设备，震荡机，鼓风机，传送带，串口RS-232，各类传感器传输相关芯片电路元器件、外壳包装，软件方面：相关调试软件、学习资料。解决措施：集中购买相关的硬件仪器和学习资料、向学校借用实验室。小型仪器：51开发板11研究成果的预计去向及使用范围1.研究成果能作为新型塑料瓶颜色自动识别和分拣系统，用于对塑料瓶的分拣，促进塑料瓶回收产业的发展。2、经过改