一种建筑垃圾的分选方法和系统 |
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| 申请号 | CN201610812378.0 | 申请日 | 2016-09-09 | 公开(公告)号 | CN106423913A | 公开(公告)日 | 2017-02-22 |
| 申请人 | 华侨大学; | 发明人 | 杨建红; 陈思嘉; 李丽娜; 房怀英; | ||||
| 摘要 | 一种建筑垃圾的分选方法和系统，首先，将混合料通过分散输送带进行输送；采集分散输送带输送过程中的混合料图像，进行处理并得到混合料中砖 块 的含量及各个砖块 位置 ；将到达分散输送带末端的砖块送至砖块输送带，其余颗粒送至另一输送带，从而实现垃圾分选。本方法和系统能快速地自动分散砖块与 混凝土 ，其识别过程早于分离过程，可以更精确地把控分选时间，成本低，且无需额外的维护，适用于实际生产环境。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种建筑垃圾的分选方法，其特征在于：首先，将混合料通过分散输送带进行输送； |
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| 说明书全文 | 一种建筑垃圾的分选方法和系统技术领域[0001] 本发明涉及图像检测和识别领域，特别是一种建筑垃圾的分选方法和系统。 背景技术[0002] 随着我国城市建设的发展，建筑垃圾处理已经形成严峻的环境难题。目前我国建筑垃圾资源化利用水平较低，对建筑垃圾的再利用局限于简单处理，从而造成资源浪费、土壤和地下水污染等环境问题。大力推行建筑垃圾资源化利用是我国可持续发展的必然选择。欧美发达国家在生活和工业垃圾分选技术方面已有长期经验和技术储备：电磁传感器可以判别是否含有金属元素、近红外光谱可以区分不同有机垃圾、X射线荧光光谱可以区分无机垃圾等。 [0003] 现有的国产建筑垃圾分选设备存在许多问题，例如分离相近比重的不同物质难度大，其中如何从砂石骨料中有效分离出砖块和混凝土块是提高建筑垃圾处理品质要解决的一个关键技术难点。现有分选设备存在一些需要解决的问题：砖块与混凝土的堆叠情况使得传感器无法正确进行判断；设备要求识别过程与分选过程同时进行，但是分选过程往往由于处理器的处理速度原因，慢于识别时间，难以精确地把控时间；设备成本高，不耐用等。 发明内容[0005] 本发明采用如下技术方案： [0006] 一种建筑垃圾的分选方法，其特征在于：首先，将混合料通过分散输送带进行输送；采集分散输送带输送过程中的混合料图像，进行处理并得到混合料中砖块的含量及各个砖块位置；将到达分散输送带末端的砖块送至砖块输送带，其余颗粒送至另一输送带，从而实现垃圾分选。 [0007] 优选的，在分散输送带末端设置气动喷嘴装置，该气动喷嘴装置设有多个喷嘴，通过砖块的位置确定对应的喷嘴触发时间；在砖块到达分散输送带末端时，触发对应喷嘴喷出高压气体以将砖块送至所述砖块输送带。 [0008] 优选的，所述的识别砖块的含量，具体步骤如下： [0009] A1将采集到混合料图像转换为灰度图像，再进行滤波处理； [0010] A2将滤波后的图像分别采用最大类间方差法和Canny边缘检测方法进行处理，分别得到包含砖块和其他颗粒轮廓的混合料图像和只包含砖块轮廓的图像； [0011] A3计算两个图像中每个轮廓的面积，将只包含砖块的图像的轮廓面积之和与混合料图像的轮廓面积之和作比值，得到混合料中砖块含量。 [0012] 优选的，在所述步骤A2中，分别删除所述混合料图像和所述只包含砖块图像中与图像下边缘接触的轮廓，得到每个轮廓的面积。 [0013] 优选的，所述的识别砖块的位置，具体步骤如下： [0014] B1将采集到混合料图像转换为灰度图像，再进行滤波处理； [0015] B2将滤波后的图像采用Canny边缘检测方法进行处理；对Canny边缘检测算法设置合适的高低阈值，以利用不同颜色的灰度特征，使其余颗粒被忽略，得到只包含砖块轮廓的图像；将滤波后的图像分别采用Canny边缘检测方法进行处理，B3求出图像中每个砖块的质心及在图中的坐标，从而得到砖块与所述气动喷嘴装置的距离，再确定最接近的所述对应喷嘴，并计算触发时间。 [0016] 一种建筑垃圾的分选系统，其特征在于:还包括 [0017] 分散输送带，用于输送混合料，其通过与之相连的电机控制传送速度； [0018] 气动喷嘴装置，安装于分散输送带末端下方，其设有若干沿分散输送带宽度方向间隔分布的喷嘴； [0019] 图像采集装置，安装于分散输送带上方，用于采集分散输送带上的混合料图像； [0020] 砖块输送带，用于输送砖块，在水平方向距离气动喷嘴装置和分散输送带一定距离； [0021] 混凝土输送带，用于输送从分散输送带末端掉落下的其余颗粒，位于砖块输送带下方； [0022] 上位机，与电机、气动喷嘴装置和图像采集装置相连，用于将采集到的混合料图像进行处理并得到混合料中砖块的含量及各个砖块位置，控制气动喷嘴装置将到达分散输送带末端的砖块送至砖块输送带，从而实现垃圾分选。 [0023] 优选的，所述上位机设有如下模块 [0024] 参数设置模块，用于设置所述分散输送带的传送速度及图像采集装置的采集时间间隔； [0025] 图像显示模块，用于实时显示采集到的所述混合料图像； [0026] 图像处理与几何特征分析模块，将采集到的混合料图像进行处理并得到混合料中砖块的含量及各个砖块位置。 [0027] 优选的，所述上位机还设有物料比例显示模块，用于实时显示所述砖块的含量及砖块与其他颗粒之比。 [0028] 优选的，所述混凝土输送带的始端与所述分散输送带的末端在竖直方向上部分重叠。 [0029] 由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： [0030] 一、相对于传统的建筑垃圾分选装置，本方法和系统通过分散输送带配合上位机、采集装置等可以很好地分散砖块与混凝土，有利于物料的识别与分离； [0031] 二、在混合料的传送过程中就开始对混合料进行图像识别，识别过程早于分离过程，可以更精确地把控分选时间； [0032] 三、分散输送带的速度、相机采集时间间隔可调，适用于不同量级的混合料； [0033] 四、可以实时得到混合料中砖块与混凝土的占比； [0035] 图1为本申请的建筑垃圾分选系统的结构示意图； [0036] 图2为分散传送带俯视图； [0037] 图3为图像处理与几何特征分析流程图； [0038] 其中：料仓1，挡板2，进料输送带3，分散输送带4，工业相机5，气动喷嘴装置6，上位机7，砖块输送带8，混凝土输送带9。 具体实施方式[0039] 以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。 [0040] 一种建筑垃圾的分选系统，能够快速对砖块与混凝土进行分选。参照图1、图2，包括料仓1、挡板2、进料输送带3、分散输送带4、图像采集装置、气动喷嘴装置6、上位机7、砖块输送带8和混凝土输送带9。该料仓1用于存放已经过破碎的待分选的混凝土和砖块的混合料，破碎后的混凝土与砖块颗粒粒径范围在30-50mm，砖块为红色，混凝土为灰色。该进料输送带3向上倾斜设置，其起始端位于料仓1出料口下方，末端位于分散输送带4的起点端上方，且进料输送带3的速度慢于分散输送带4，以将单位体积的物料分散在更大的面积中。挡板2立于进料输送带3的起始点处，用于防止从料仓1里掉落的混合料从进料输送带3起点处滑落。分散输送带4，用于输送混合料，其通过与之相连的电机控制传送速度，该传送速度依据料仓1与进料输送带3的进料量设置，该电机可采用步进电机。 [0041] 气动喷嘴装置6，设置在分散输送带4的末端正下方，宽度不小于分散输送带4的宽度，其包括若干沿分散输送带4宽度方向间隔分布的喷嘴，用于到达分散输送带4末端的砖块喷往砖块输送带8。该若干喷嘴的排列间隔依据待检颗粒的粒径而决定，间隔不小于待分选混合料的最小粒径(例如30mm)。 [0042] 图像采集装置，用于采集分散输送带4上的混合料图像。可采用工业相机5，其安装位置依据工业相机5的视野范围能够覆盖整个分散输送带4的宽度范围，确保分散输送带4上的每个颗粒都能被拍摄到。所选工业相机5的帧率应满足图像采集速度要求。相机通过USB3.0数据线与上位机7相连，工业相机5的采集间隔时间由上位机7中的参数设置模块控制。 [0043] 砖块输送带8和混凝土输送带9，该砖块输送带8用于输送砖块，在水平方向距离气动喷嘴装置6和分散输送带4一定距离；该混凝土输送带9位于砖块输送带8下方且其始端与分散输送带4的末端在竖直方向上部分重叠，该混凝土输送带9用于输送从分散输送带4末端掉落下的混凝土。 [0044] 上位机7，与电机相连以输出信号控制步进电机的速度，与图像采集装置相连以控制工业相机5的曝光时间、采集频率，与气动喷嘴装置6相连以输出信号控制各个气动喷嘴的开关状态。具体的，其可将采集到的混合料图像进行处理并得到混合料中砖块的含量及各个砖块位置，再控制气动喷嘴装置6将到达分散输送带4末端的砖块喷送至砖块输送带8，从而实现垃圾分选。混凝土具有回收价值，可以回收再造粗骨料和细骨料，通过砖块的含量可以预估将得到多少的砖块与多少混凝土。 [0045] 本发明的上位机7设有如下模块： [0046] 参数设置模块，用于设置所述分散输送带4的传送速度及图像采集装置的采集时间间隔。预先对分散输送带4的运行速度v进行设置，以满足不同量级物料的需求。与此同时，工业相机5的采集间隔时间也自动设置到相应时间，设置依据如下：如图2所示，工业相机5拍摄到的图像视野10，沿分散输送带4运行方向的长度为a，输送带的运行速度在参数设置模块中设置为v，为使得每个颗粒被拍摄且仅拍摄一次，相机的采集间隔时间t1设置为：t1＝a/v。 [0047] 图像显示模块，用于实时显示采集到的所述混合料图像。在分散输送带4输送过程中，实时显示工业相机5采集到的分散输送带4上的图像，确认现场是否稳定运行。使用者也可以根据需要，局部放大图像，观察输送带上物料的细节。 [0048] 图像处理与几何特征分析模块，负责对工业相机5采集到的混合料图像进行处理，使每个颗粒轮廓清晰可见，并且识别出每个颗粒是砖块还是混凝土，处理并得到混合料中砖块的含量及各个砖块位置。 [0049] 物料比例显示模块，用于实时显示砖块的含量及砖块与混凝土之比。 [0050] 基于上述系统，本发明还提出一种建筑垃圾的分选方法， [0051] 首先，将料仓1的混合料经过进料输送带3送至分散输送带4，分散输送带4平稳输送混合料。通过工业相机5采集分散输送带4输送过程中的混合料图像，并将该图像发送至上位机7进行处理，得到混合料中砖块的含量及各个砖块位置。 [0052] 参照图3，识别砖块的含量的具体步骤如下： [0055] 其中：R、G、B分别为像素红、绿、蓝三个通道的值，Gray为求得的灰度值。 [0056] 然后，再对灰度化后的图像进行中值滤波，以消除砖块、混凝土表面粗糙纹理带来的噪声。中值滤波将图像的每个像素用3×3邻域(以当前像素为中心的正方形区域)像素中值代替。该步骤中将图像拷贝到一个稍微变大的图像中，新图像上下边和左右边，各增加了一行和一列像素，复制原图中最临近的行或者列来填充这些像素。依次从左往右从上到下查找图像中每个3×3像素区域，取区域中9个像素灰度值中的中值，来代替3×3区域的中心像素的灰度值。对所有区域操作完毕后，删除添加的边界，使图像回到原尺寸。 [0057] A2将滤波后的图像分别采用最大类间方差法和Canny边缘检测方法进行处理，分别得到混合料图像和只包含砖块的图像。 [0058] 其中最大类间方差法如下： [0059] 记t为前景(砖块与混凝土颗粒)与背景(分散输送带4)的分割阈值，前景像素个数占图像比例为w0，平均灰度为u0；背景像素个数占图像比例为w1，平均灰度为u1。则图像的平均灰度为：u＝w0×u0+w1×u1。前景和背景图象的方差：g＝w0×(u0-u)2+w1×(u1-u)2＝w0×w1×(u0-u1)2。采用遍历的方法得到使类间方差g最大的阈值T，可以认为此时前景和背景差异最大。 [0060] Canny边缘检测方法如下： [0061] 对Canny边缘检测算法设置合适的高低阈值，以利用不同颜色的灰度特征，使灰色的混凝土颗粒被忽略，得到只包含红色的砖块轮廓的图像。假设被作用的图像为I，定义一对大小为3的卷积阵列，分别作用于图像的x和y方向，Gx与Gy分别代表经横向及纵向卷积操作后的图像灰度值，计算结果为： [0062] [0063] 结合以上两个结果，求出图像梯度的幅值和方向： [0064] [0065] [0066] 判断图像中每个像素点的梯度在以它为中心的3×3邻域内是否为最大，若为最大则将这个像素点作为候选边缘。 [0067] 而后对图像使用之后阈值进行二值化。设置高低两个阈值，如果一个像素的梯度高于高阈值，则被认为是边缘像素；如果低于低阈值，则被忽略；如果介于高低阈值之间，则当这个像素与高于高阈值的像素连接时才会被视为边缘像素。设置合适的高低阈值，使砖块颗粒的边缘被保留。 [0068] 最后删除与图像下边缘接触的轮廓。不可避免的，在拍摄的图像中有些颗粒可能会出现在视野边缘，且只被拍摄到其中一部分，如图2中视野的左边界，但这些颗粒又会在下次拍摄时被重复拍摄到。为了避免同一颗粒被重复识别，删除图像与左边界相接触的颗粒。 [0069] A3计算两个图像中每个轮廓的面积，将只包含砖块的图像的轮廓面积之和与混合料图像的轮廓面积之和作比值，得到混合料中砖块含量。由于破碎后的砖块与混凝土粒径为30-50mm，颗粒形状相近，所以可以用投影面积比来表示砖块的质量之比，由此可以得到所有物料中砖块的含量 [0070] 对于识别砖块的位置，具体步骤如下： [0071] 对只含有砖块的图像进行操作，求图中砖块的质心。设每张采集到的图像的原点坐标(0,0)位于图2中输送带上边，a与L的交界处，x轴往下延伸，y轴往左延伸。对每个砖块颗粒求取质心及其在图中的坐标(x,y)，如图2。于是可以得到砖块颗粒与喷嘴的距离为y+L，对应的喷嘴为与质心x轴方向上最接近的气动喷嘴，触发喷嘴的等待时间t2为：t2＝(y+L)/v。 [0072] 当经过t时间时，对应砖块传送到分散传送带4末端，上位机7发送信号触发对应的喷嘴，喷嘴喷出高压气体，将砖块喷送至砖块输送带8。v是设置模块中设置的分散传送带的速度。其余颗粒及混凝土在重力作用下掉落至混凝土输送带9，从而实现垃圾分选。 [0073] 上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。 |
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