CN104995505A - 空间物体材料类型识别方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空间物体材料类型识别方法。该方法包括如下步骤：通过机械力使物体变形，从已识别物体获取一个声音信号；记录该声音信号，并将其与基于多材料参照物体分析获得的一个声音模型进行对比。本发明还涉及一种空间物体材料类型识别装置，其包括一个变形腔(K)，一个机械变形系统(F)，至少一个电声换能器(1)，一个声音信号记录组件(2)，以及一个内置声音模型的数据处理单元(3)，该声音模型通过分析多材料类型参照物体获得。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间物体特别是塑料废物的材料类型识别方法和装置。本发明可识别物体的多种材料类型，比如塑料、玻璃、金属、硬纸板、木材、由聚合物或共聚物的化学基团或添加物构成的多种塑料凳，以便确定并控制这些物体的材料质量。具体地，本发明为一种废品材料类型识别与分类的方法和装置。
背景技术
现有技术中，材料类型识别方法涉及多种技术，如光谱研究、激光发射、水力旋流、静电作用以及浮式离心，或者以审查离心机为基础。现有方法有很多弊端和局限性。光谱和激光法有相当高的材料识别效果，但是投资成本较高。由于机器故障率较高，要求必须使用非常清洁的材料，而且在激光法的应用过程中，使用者容易受到有害辐射。水力旋流法的特点是高效性，但其最大的缺点是，由于旋筒高速旋转，故障率很高。浮式离心法和使用化学溶剂的其他方法的最大缺点是会产生有毒物质，对环境造成危害。即便是效果好且无需对材料进行均匀破碎的静电法，其使用范围也只局限于干燥清洁的材料。
发明内容
本发明提供一种专门方法和装置，有助于识别和分类多种材料，可用于家居生活中新料和废料的处理。本方法实施效果优于上述几种方法，价格实惠，满足使用者需求。此外，本方法和装置非常环保，不产生任何辐射或化学物质，成本较低，而且操作简单。本方法和装置用于材料尤其是废料存储的地方，因此需要能够适应存储环境，最好是易于移动和清洁。
专利申请书US5501344公开了一种利用紫外线或可见光范围内的电磁波对已识别材料表面结构进行辐照，从而识别并分类任意形状或平面材料的方法。根据本发明，对材料进行辐照后，通过识别被辐照材料返回的电磁波可确定材料的结构。根据本发明，本装置包括用于记录图像生成电磁波的接收传感器，图像生成电磁波从被辐照材料返回，被辐照材料配置有一个数据记录器，可存储与任意形状或平面材料表面特性相关的大量数据并对材料进行分类。本方法要求通过非常专业、精准和昂贵的装置实施，在实验条件下可充分发挥作用。
专利申请书US5979240公开了一种方法和装置，基于材料与声能的交互作用对再生材料制造的物体进行探测，声能最终转化为共振声能，由本装置接收并分析。将生成的声波标记图与再生材料制成的物品的标记图进行对比。本方法的实施装置包括一个用于生成声能的发射器，一个用于接收共振声能接收器，一个与接收器相连以接收信号并分析共振声能的处理器，并将计算标记图与再生材料制成物体的现有标记图进行对比，可知计算标记图与现有标记图大体一致。本发明要求昂贵的设备和专业技术。
只有专利申请书JP8150621提出了一项发明，其特点是分析物体破碎过程中生成的声信号。该发明的成果是主动减弱破碎过程中产生的噪音。该发明公开的装置包括一个破碎设备、一个扩音器和一个数字信号处理系统，该数字信号处理系统用于生成反信号，可降低破碎期间生成的噪音。本方法可归类为所谓的主动噪音消减法，其旨在从声源处消减噪音，以改善工作环境并保护装置周围工人的健康。
基于此，本发明提供了一种专门的方法和装置，用于识别空间物体的材料类型。具体提供了一种方法和装置，用于识别构成物体的材料，尤其是对材料进行识别和分类，特别是对塑料物体。
空间物体可以理解为日常生活或工业实践中的任何三维物体，通常处于使用周期末，需要经过回收处理，或最终沦为需要分类并进一步处理的干燥废物。这些物体由多种类型的材料制成，如塑料、玻璃、金属、硬纸板、木材以及其他复合材料。塑料制成的物体指硬塑料、热塑性塑料、弹性体以及包括PET、HDPE、PVC、LDPE、PP和PS在内的复合高分子材料，也可以为其他种类的外包装或包装物体。所说的机械变形指对识别物体造成的任何形式的冲击，导致物体发生或者不发生形状变化，包括破碎以及与阻碍物体运动的某些屏障发生碰撞，这种情况下物体会返回一个声信号。
一方面，本发明提供了一种识别空间物体材料类型的方法，其包括以下步骤：通过物体的机械变形可从被识别物体获得一个声信号；记录该声信号，并将其与基于多材料类型参照物体分析所得的声模型进行对比。另一方面，通过声信号的统计分类对多材料类型的参照物体进行分析。
一方面，通过破碎物体完成变形步骤。
一方面，变形步骤中，驱动物体运动，其运动速度与坚硬屏障(PR)的相对速度最低为5mm/s，坚硬屏障处于运动物体的运行轨迹上。
本方法的一个实施例中，利用气体，优选压缩气体，驱动物体运动。
本方法的另一实施例中，利用重力驱动物体运动。
本方法的另一实施例中，利用电磁力驱动物体运动。
本方法的另一实施例中，利用液流驱动物体运动。
一方面，利用最低运动速度为5mm/s的固体撞击物体，从而完成变形步骤。
本方法的一个实施例中，利用气体，优选压缩气体，驱动固体运动。
本方法的另一实施例中，利用重力驱动固体运动。
本方法的另一实施例中，利用电磁力驱动固体运动。
本方法的另一实施例中，利用液流驱动固体运动。
一方面，利用液流或破碎固体颗粒，优选沙流撞击物体，从而完成变形步骤。
另一方面，本发明提供了一种识别空间物体材料类型的装置，由一个变形腔、一个机械变形系统、至少一个电声换能器、一个声信号记录组件以及一个内置声模型的数据处理单元组成，该声模型通过分析多材料类型参照物体获得。
在一个实施例中，机械变形系统包括一个破碎机。
在另一实施例中，机械变形系统包括一个驱动物体运动的工具和一个坚硬屏障。
在另一实施例中，机械变形系统包括一个固体和一个驱动固体运动的驱动器。
在另一实施例中，机械变形系统包括一个管嘴，用于供应液体或破碎固体颗粒，优选沙粒。
一方面，本装置进一步包括一个独立物体给料机构、一个变形腔排空组件以及一个分类装置。
一方面，本装置配有一个电声传感器，在可听声信号范围内适用，频率为20-20000Hz。
另一方面，本装置安装于一个移动平台或机动平台上。
本发明的方法和装置可识别物体的材料类型，特别是识别并分离废弃物，并确认制成物体的材料的品质。
与以往的技术相比，本方法和装置优点是，能够具体地识别多种材料类型，且使用非常简单。本方案不含技术先进但造价昂贵的装置。本方法和装置具有环保的效果，不使用化学溶液及其他有毒物质，而且不产生辐射。本装置移动方便，因此可以在任何地方进行识别和分类过程，也可以在材料生产或分类的地方使用，如填埋场。本装置便于清洁，操作简单，不需要专业知识和专业技术。本装置中，所有的设备和器件成本较低，可由两个工人控制，因此相当地实惠。本发明的另一个优点是其优异识别效果优于上述任何方案。本发明适用于识别如下材料类型：硬纸板、金属、塑料、玻璃或多种其他复合材料。基于这些材料的识别物体，可以是新料，也可以是废料。
本发明广泛应用于废料处理技术，用于识别多种材料类别。塑料或包装材料制造商可以使用本方法和装置，本方法和装置还可用于废料处理公司或机构。
本发明的一大优点是，实施例提供了一种识别和分类系统，其可广泛应用于专门从事塑料识别、分类和深度加工的分选工厂，以分离塑料大类和常见共聚物。本发明的具体应用为，通过选择性废料收集获得废料，对废料进行识别和分离，随后根据选择性材料类型识别结果，做进一步回收处理。选择性材料类别以选定的废品为例，包括可回收的PET瓶。本发明实施例的一个构思是，将本装置安装在移动平台或机动平台上。同时，本发明还可配置工业实践的附加系统，可识别材料的形状和颜色。根据本发明，由于采用移动分离系统，使用者能够快速地将本装置放置在需要对物体进行识别的位置，比如制造商或废料回收商的堆货场。
本方法和装置的另一优点是能够对多种类型的塑料进行彻底区分，包括硬塑料、热塑性塑料、合成橡胶，PET、HDPE、PVC、LDPE、PP、PS等复合高分子材料，以及美国塑料工业协会材料标签系统中所述外包装或包装物体。
本装置还可用于其他工业用途，比如分离加工废料和工业用后废料，如与苯乙烯混合的ABS和与其他塑料混合的PVC。
附图说明
以下实例和附图对本发明的典型实施例进行了具体地说明，其中：
图1为本专利申请的一个实施例中材料类型识别装置的示意图。
图2为物体破碎实施例中物体材料类型识别装置的示意图。
图3为声信号实例，其中上半部分为整体记录信号，下半部分为信号的选定片段。
图4为PET和HDPE类塑料识别结果与基于参照物体分析所得声模型进行对比的图解说明。
图5为聚苯乙烯和PVC塑料识别结果与基于参照物体分析所得声模型进行对比的图解说明。
图6为易拉罐和塑料包装及包装废料识别结果与基于参照物体分析所得声模型进行对比的图解说明。
图7为物体与坚硬屏障碰撞实施例中物体材料类型识别装置的示意图。
图8为利用驱动器驱动物体运动实施例中物体材料类型识别装置的示意图。
图9为利用破碎固体撞击物体实施例中物体材料类型识别装置的示意图。
图10为按照图7实施例使用本装置分析三组物体样品的识别结果与声模型进行对比的图解说明。
具体实施方式
通过以下实例对实施例进行研究，以进一步例证本发明。本发明的范围不局限于以下实例。
实例1
PET和HDPE材料的外包装和包装废料识别
a)本装置的结构
根据本发明的一个实施例，本装置由一个变形腔K、一个机械变形系统F和一个电声换能器1构成，电声换能器1为一个扩音器，置于变形腔F中且连接至记录声信号的组件2，声信号的组件2与数据处理单元连接，数据处理单元为一个计算机3，基于多材料模型物体分析所得声信号模型安装于计算机3上。在该实施例中，如图2所示，机械变形系统包含一个破碎机CR。在该实施例中，破碎机包含一个驱动器，驱动器的固体面板将物体压送至变形腔K侧面。本装置配有一个逐一送进物体的给料机构P，一个变形腔K，一个排空组件OP和一个分类装置SO。
b)基于模型物体分析创建声信号模型
声信号模型通过以下途径获得：收集多种HDPE和PET材料制成的物体，构成一个整理组。将整理组中的物体输送至机器中，该机器以上述方式运行。逐一给进物体的给料机构P将物体送进变形腔K，物体在变形腔K中产生机械变形，在本实例中，通过定时破碎完成变形。用扩音器1和信号记录组件2记录破碎期间生成的声信号，然后，用计算机3计算声信号参数，包括信号处理域的瞬时信号参数和光谱信号参数。在本例中，选定HDPE和PET的两个参数：时域zcd中的零交叉密度和二阶正规谱矩，二阶正规谱矩表示为信号带宽Muc2的平方。图3为记录的声信号片段，选定其中一个标记片段用作模型物体分析。计算模型组中所有物体的信号特征之后，分类装置开始进行整理，也就是说，调整统计算法用于模型组，以生成模型物体的分析模型。分类模型记录在装置存储器中，之后，可识别未知类型的物体。
c)测试模型物体的分析模型
为测试模型物体的分析模型，对111个HDPE物体和120个PET物体的混合组进行分析。将测试组的物体送进机器中，按照之前所述创建分类模型的方法操作机器。之后，在对测试组物体进行zcd和Muc2参数计算后，根据分类算法，将物体归类为两种已识别物体之一。
图4中展示了上述测试组物体的分析结果。PET和HDPE塑料对应的组可以线性划分，而且可根据模型区分开，该模型以模型物体组为基础建立，线性划分显示为一条直线。
根据模型，在图4中，直线下方的所有点为HDPE物体，直线上方的所有点为PET物体。
d)外包装和包装废弃物的识别与分离
外包装和包装废弃物分开进给，送料机构P将物体逐一送至机械变形腔K。在本发明该实施例中，利用破碎机CR破碎物体，从而实现变形步骤。模型中规定了破碎的物理条件，即破碎的力度和时间必须保持完全相同。扩音器1和信号记录组件2对破碎期间产生的声信号进行记录。之后，计算机3对特征参数时域零交叉密度zcd和二阶正规谱矩进行计算，二阶正规谱矩表示为信号带宽Muc2的平方。计算机3将这些参数与模型进行对比，并将材料类型信息传送至分类装置SO。变形腔排空组件OP将物体从变形腔K中移除，之后送至分类装置SO中，分类装置SO根据计算机3传递来的信息，对物体进行分类。
实例2
PS和PVC物体的识别
本发明实施例中，本装置结构组成如实例1中所述，唯一不同的一点是配有一个湿变形腔K。模型的建立也如实例1中所述，不同的是建立了PS和PVC物体的声信号模型，PS和PVC物体的数量分别为1000。选定并计算的声信号参数也不相同，声信号在物体破碎过程中生成，这些参数对专业人员来说并不陌生。建立模型时，选定PS和PVC特有的两个参数：光谱平坦度SFM和光谱斜率。在115个PS物体和90个PVC物体上对模型进行测试。图5显示模型测试的结果。根据该模型，在图5的图表中，直线下方的所有点代表PVC物体，直线上方的所有点代表PS物体。试验物体的识别过程与实例1所述相似。
实例3
易拉罐和外包装以及塑料包装废弃物中铝制物体的识别
本发明实施例中，本装置的结构组成与实例1中所述相同，且声信号模型的建立方法也与实例1中相同，唯一不同的是，模型物体包括1000个易拉罐物体和1000个塑料(PET、HDPE、LEPE、PP、PS和PVC)物体，而且计算了破碎物体期间产生的声信号的声信号参数，并从参数中选取一组不同的参数值，这组参数值对专业人士来说并不陌生。建立模型时，从计算参数中选取试验物体组的两个特征参数：三阶正规中心谱矩--信号频谱偏斜度Muc3和一阶正规谱矩-功率频谱质心Mu1。在100个易拉罐物体和650个塑料包装物体上对模型进行测试。根据该模型，图5中，直线下方的所有点代表塑料物体，直线上方的所有点代表易拉罐。试验物体的识别方法与实例1相似。
实例4
压缩空气驱动的空间废弃物的材料类型识别
a)本装置的结构
图7的实施例中，用于识别空间废弃物材料类型尤其是塑料废弃物的装置，包括一个变形腔K、一个机械变形系统F、一个物体给进机构P、一个排空系统OP、一个分类装置SO、一个电声换能器(扩音器1)、记录声信号2的电路系统和一个数据处理单元(计算机3)，计算机3内置分析典型物体所得的模型。本发明实施例中，机械变形系统F包括一个坚硬屏障PR和一个驱动器WZ，驱动器通过直接施加压缩空气驱动物体运动。
b)根据典型物体建立模型
典型物体的分析模型通过如下途径建立：收集2000个HDPE&PET物体和2000个其他类型物体，具体地，以下每种类型物体各500个：ALU、PS、PP和铝箔包，这些物体全部构成一个整理组。将整理组的物体送入所述装置。物体给进机构P将物体送入物体驱动系统WZ中，物体驱动系统WZ通过施加压缩空气，将物体加速到不低于0.5m/s的速度。之后，物体与变形腔K中的坚硬屏障PR发生剧烈碰撞。碰撞过程中，产生信号，并用扩音器1和信号记录电路系统2对信号进行记录。随后，使用计算机3计算信号特征。信号特征包括瞬时特征和频谱特征，这些对专业技术人员并不陌生，这些信号特征中，有两个特殊的PET和HDPE类型：信号能量en和一阶正规谱矩Mu1，后者即信号的频谱质心。计算整理组中所有物体的特征后，分类装置开始进行整理，也就是说，将统计算法与已知模型配对，这样便可建立典型物体的声模型。将模型写入计算机内存。
c)测试典型物体的声模型
在模型验证过程中，对测试组进行分析，测试组包括200个HDPE物体、200个PET物体和200个其他物体，200个其他物体中包括以下类型物体各50个：ALU、PP、PS和铝箔包。将物体送入a)中所述装置内。随后，计算测试组中物体的特征参数en和Mu1后，按照分类算法将物体归类到已识别的两种物体类型之一。
多维特征空间内不同材料类型的信号特征分布有利于材料类型识别。如图10所示，图中阐明了物体与坚硬屏障碰撞时发出的信号的参数en和Mu1的分布。
d)包装废弃物的识别和分离
给进机构P和驱动物体运动的驱动器WZ将包装废弃物送至变形腔K，并对物体进行加速，使其速度不低于0.5m/s且不高于10m/s，此时，包装废弃物与坚硬屏障PR发生碰撞。碰撞时发出的信号记录在扩音器1和信号记录电路系统2中。随后，计算机3分析信号，并计算信号特征，包括信号能量en和一阶正规谱矩Mu1，一阶正规谱矩即信号的频谱质心。计算机3的分类算法将这些特征和典型物体的声模型进行对比，将其归类至已知类型之一并向分类装置SO发送信号。排空系统UP将物体A从变形腔K中移除。接着，物体A落入分类装置SO中，分类装置SO按照计算机3发出的信号，对这些物体A进行分类。
实例5
重力驱动的空间废物的材料类型识别
识别过程通过实例4中所述装置实现，在该装置中，物体从1米高处落下，受重力驱动开始运动。
相应地，采用实施例4中所述模型。
实例6
以物体与安装于气动装置活塞上的可移动固体碰撞产生的变形为基础的空间废弃物的材料类型识别
a)识别装置
在图8的实施例中，空间废物材料类型识别装置，特别是塑料废物材料类型识别装置，包括变形腔K、物体给进机构P、机械变形系统、排空系统OP、分类装置SO、电声换能器(扩音器1)、记录声信号2的电路系统和数据处理单元(计算机3)，计算机3内置一个基于分析典型物体所得的模型。在该实例和实施例中，机械变形系统包括一个驱动器WR，驱动器的活塞上附有一个固体CS。
b)建立典型物体模型
按照实例4建立典型物体模型。利用移动固体撞击物体，以实现变形步骤，移动固体的运动速度不低于0.5m/s且不高于10m/s。
c)典型物体模型验证
按照实例4中第c)步骤，应用图8所示装置完成模型验证。
d)包装废弃物识别与分离
按照实例4完成识别与分离步骤，其中，固体CS在驱动器驱动下运动并与物体A撞击，驱动器的活塞运动速度不低于0.5m/s。随后，记录撞击过程中发出的声信号。按照实例4分析所得声信号。
实例7
利用沙流冲击空间废物进行材料类型识别
a)识别装置
图9所述实施例中，空间废物材料特别是塑料废物识别装置，包括变形腔K、物体给进机构P、机械变形腔F、排空系统OP、分类装置SO、电声换能器(扩音器1)、记录声信号2的电路系统和数据处理单元(计算机3)，计算机3内置分析典型实例所得模型。在本实例中，机械变形系统F包括一个沙流供给管嘴D。
b)建立典型物体模型
按照实例4建立模型，其中，冲击物体的沙流速度不低于0.5m/s且不高于10m/s。
c)典型物体模型验证
按照实例4第c)步骤，应用图9中所示装置完成验证。
d)包装废弃物识别与分离
按照实例1完成识别与分离，其中，物体A受到沙流冲击，沙流的流速不低于0.5m/s且不高于10m/s。随后，记录冲击过程中发出的声信号。之后按照实例4分析所得声信号。
通过具体实施例对本发明进行详细说明，允许在本发明精神和范围内对本说明书进行变更和修改。
Claims (21)
1.一种识别空间物体材料类型的方法，包括：通过使物体发生机械变形，从每个已识别物体获得声信号；记录所述声信号，并将其与多材料类型参照物体分析所得声模型进行对比，优选声信号统计分类。
2.权利要求书1中变形步骤所采用的方法是破碎物体。
3.权利要求书1中变形步骤所采用的方法是，驱动物体运动，其相对于坚硬屏障(PR)的速度最低为5mm/s，坚硬屏障位于运动物体的轨迹上。
4.权利要求书3所述方法中，利用气体驱动物体运动，优选压缩气体。
5.权利要求书3所述方法中，利用重力驱动物体运动。
6.权利要求书3所述方法中，利用电磁力驱动物体运动。
7.权利要求书3所述方法中，利用液流驱动物体运动。
8.权利要求书1所述方法中，变形步骤通过固体撞击物体完成，其中固体的运动速度不低于5mm/s。
9.权利要求书8所述方法中，利用气体驱动固体运动，优选压缩气体。
10.权利要求书8所述方法中，利用重力驱动固体运动。
11.权利要求书8所述方法中，利用电磁力驱动固体运动。
12.权利要求书8所述方法中，利用液流驱动固体运动。
13.权利要求书1所述方法中，变形步骤通过液流或破碎固体颗粒撞击物体完成，优选沙流。
14.一种空间物体材料类型识别装置，包括一个变形腔(K)，一个机械变形系统(F)，至少一个电声换能器(1)，一个声信号记录组(2)和一个数据处理单元(3)，数据处理单元内置一个多材料类型参照物体分析所得声模型。
15.权利要求书14所述装置中，机械变形系统(F)包括一个破碎机(CR)。
16.权利要求书14所述装置中，机械变形系统(F)包括一个驱动物体运动的工具(WZ)和一个坚硬屏障(PR)。
17.权利要求书14所述装置中，机械变形系统(F)包括一个固体(CS)和一个驱动固体运动的驱动器(WR)。
18.权利要求书14所述装置中，机械变形系统(F)包括一个管嘴(D)，用于供应液体或破碎固体颗粒，优选沙粒。
19.权利要求书14-18所述装置，进一步包括一个独立物体给进机构(P)、一个用于变形腔(K)的排空组件(OP)和一个分类装置(SO)。
20.权利要求书14-19所述装置中，该装置配有一个电声传感器(1)，可听声音范围内适用，频率为20-20000Hz。
21.权利要求书14-20中，所述装置安装在移动平台或机动平台上。
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