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前言

两年一届的工训赛结束了。最终因器材和识别方面的一些问题，遗憾止步省赛，获得省一等奖。虽然无缘国赛，但还是想和大家分享我的搭建过程、遇到的坑以及一些经验。
我个人水平有限，觉得传送带方案可能更稳妥，但选择了机械臂方案也并不后悔。这段经历让我收获很多，如果分享中有任何不妥或者不足，也欢迎大家批评指正。

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赛题分析

（一）垃圾方面

• 厨余垃圾、有害垃圾、其他垃圾、可回收垃圾

（二）功能方面

• 垃圾分类、垃圾压缩、满载警报、播放自主设计的垃圾宣传片

（三）结构方面

• 高亮显示屏固定在表面
• 待机时循环播放“垃圾宣传视频”
• 控制系统安装在比赛装置内
• 装置的上表面方便打开和拆卸
• 美观完整的外观（四周及上表面）
• 装置整体不得超过400mmX400mmX600mm
• 小垃圾桶的体积不少于直径为100mm，高度为100mm
• 小垃圾桶的外表面要透明且要贴上明显的垃圾分类标志
• 垃圾桶的最高表面要一个固定投放口（投放口为110mm的正方形）
• 显示垃圾分类的数据（投放顺序，垃圾数量，任务完成提示，满载情况）

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一、机械结构

（一）设计思路

采用UM结构定位物体坐标，由机械臂夹取并移至投料口。投掷前旋转二维舵机云台留出空间。可回收垃圾会先进行压缩。通过倾斜安装的光电传感器检测满载状态。顶部设有串口屏显示信息，四周和垃圾桶上方采用合页结构方便调试。所有元器件集中于底部，摄像头置于桶内顶端。锂电池电源位于下方小桶的缝隙中，底部按标准预留空间。

机械爪垃圾桶运行视频

（二）机构部分

1.滑台定位机构

• 滑台机构参考了UM结构3D打印机，并做了调整：将固定光轴的四个滑块的安装孔移至整体滑块中间，以扩大十字滑块的移动范围。参考该结构时需计算适配光轴的长度。
• 自行设计孔位时建议预留0.15–0.2mm的余量。安装后需参照调平视频进行调平，确保十字滑块能顺畅移动到可动范围内任意位置。

3D打印建议使用PETG材料，40%填充率，3层壁厚

2.柔性夹爪机构

• 制作夹具时，夹爪采用TPU材质以提供柔性，其他结构件使用PETG材质以保证较高硬度。
• 在整机装配过程中，安装舵机时需先上电使其归位至90°位置，再进行机械固定，其余旋转角度需根据实际结构另行调整。确保运动范围内无机械干涉，避免舵机过载或堵转导致烧毁。

MG996R舵机较易损坏，建议比赛时多备几个

3.旋转云台机构

• 在旋转舵机云台的设计中，整体结构及托盘建议采用3D打印制作，以更好地适配装配需求。装配时需注意将舵机初始位置调整至90°，并准确设定目标旋转角度，确保云台运动顺畅。四周合页部分推荐使用雪弗板。
• 若发现垃圾从上表面投入后易弹起，可在托盘底部增加减振材料来缓解冲击。该结构中的四个舵机较易烧毁，装配时请特别注意是否发生堵转，并优先选用金属配件或数字舵机以提高可靠性。

我设计了一款舵机承载外壳，也在此分享给大家，希望对各位有所帮助😊。

4.满载压缩机构

• 四个满载检测光电开关采用倾斜安装方式，分别布置在小垃圾桶的四个内角，便于全面检测。光电开关后方设有灵敏度调节旋钮，可用于调整检测距离。
• 结构板材方面，底盘选用5mm亚克力板以保证整体稳定性，外壳和小垃圾桶则采用3mm亚克力板以减轻重量。针对可回收垃圾的压缩需求，对应的小垃圾桶一侧设计为可活动结构，便于实现压缩功能。
• 将底盘舵机预先调整至特定角度位置，可省去旋转对准时间，实现单个垃圾的快速倾倒。
  云台底部可以铺垫缓冲材质

若出现舵机抖动现象😢：检查供电电流是否充足； 确认舵机是否损坏； 检查连接线是否插接牢固。

二、电路电控

（一）设计思路

• 视觉识别模块首先对垃圾的种类、数量及坐标进行识别和定位，并将数据传送至下位机。下位机将信息转换为脉冲信号与高低电平，经由驱动器控制步进电机转动，同时驱动舵机完成倾倒和旋转等动作。系统通过光电开关检测满载状态，并采用大功率直流电机驱动气缸执行压缩操作。最终状态信息通过串口屏实时显示。

（二）器件选型

• 视觉模块MaixCAM

• 舵机MG996R
  舵机需要单独供电

• 步进电机驱动TB6600

• BTS7960大功率直流电机驱动

• Arduino Mega 2560

• TJC串口屏

• 锂电池

• 降压模块

• 光电开关
  
  

把光电传感器的检测头都朝上安装在置物架上，这样电控的同学调试起来会更方便

• 稳定性很重要，建议大家尽量选择打板。我当初比较菜因为不会画PCB，只能在洞洞板上靠飞线和拖锡连接，还是挺麻烦的

这是当时还没做完的时候朋友帮忙拍的，样子还有点简陋😂

可以3D打印一个洞洞板的隔离底板，避免电路板直接接触桌面或其它导电表面，防止发生短路烧毁

（三）控制逻辑

1.控制方法

• 做这些东西之前，最好先了解一下各种控制元件的基本用法，我之前攒的资料分享给大家

TJC串口屏资料、BTS7960驱动教程、TB6600驱动教程、MG996R驱动、步进电机驱动

2.通讯部分

• 系统首先按照逐字节的方式接收串口数据。接收过程中将数据分为数字字符与非数字字符两类：
• 数字数据处理
  • 当接收到数字字符时，将其逐位拼接成整数。 每个完整的整数依次存入数字数组，并设置标志位。 若遇到非数字字符且标志位为真，则完成一个数字的存储，并重置标志位，准备接收下一组数据。
• 非数字数据处理
  • 将非数字字符按顺序存入另一数组，用于标识数据类别或作为结束标志。
• 结束标识
  • 规定一个特殊字符作为一帧数据的结束标志（如 m）。当检测到该标志时，判定一波数据接收完成

• 示例数据格式 r1123235156230372m 对应含义如下：
  • r 1 123 235 156 230 372 m
  • r：垃圾种类信息
  • 1 / 2：垃圾数量信息
  • (123,235)：点位一坐标
  • (156,230)：点位二坐标
  • 372：两点坐标的平均数，作为校验信息
  • m：一波数据结束标识

3.坐标计算

int X_distance_value = 0.5 * ((newintData[0] + newintData[2]) / 2);
int Y_distance_value = 0.5 * ((newintData[1] + newintData[3]) / 2);
X_move_steps = X_distance_value * 100;
Y_move_steps = Y_distance_value * 100;

(newintData[0] + newintData[2]) / 2 // 计算两个检测点的X坐标平均值，得到物体在图像中的中心X位置

0.5 // 乘以像素-物理单位转换系数（根据实际垃圾桶尺寸调整此参数）

100 // 将物理单位转换为步进电机所需步数（根据实际传动系统调整此参数）

4.物体标定

• 缩放系数计算方法
  • 为了实现坐标像素与实际物理尺寸的对应关系，将外接摄像头固定在垃圾桶内部，并在检测平面上放置一张100 mm × 100 mm的标准正方形标定板。通过电脑调用外接摄像头拍摄标定图像，确保正方形完全出现在画面中。随后，利用图像处理方法提取正方形的顶点坐标，获取左上角点(xA, yA) 与右上角点 (xB, yB)。像素宽度可由 (xB - xA) 得到，结合实际长度 100mm，即可计算出像素与物理长度之间的缩放系数。
  • 缩放系数=100 / ( xB - xA )

图像处理方法我是用AI生成一段标定屏幕像素位置的python代码来解决的😁

• 步进电机物理单位与步数转化

  • 步进电机输入固定数量的脉冲信号，测量其对应的实际移动距离，从而得出步数与位移之间的比例关系。

  在实际应用中，需要根据所选电机的步距角、驱动器细分设置以及传动机构参数（如丝杆导程或皮带齿距）重新标定该系数。

例如，在细分设置确定的条件下，步进电机在输入 200 步脉冲 后，带动机构移动了 10 mm
- 换算系数=200/10=20 steps/mm

• 机械爪转动判断
  • 用坐标值判断目标是否长条（横向长于纵向），需要把爪子旋转 90° 来对齐

5.基本控制代码

• 推荐TJC串口屏简单好上手，黑色区域用于显示垃圾识别的分类记录和信息统计

传输串口屏的HMI工程文件时，请务必使用压缩包格式（如ZIP或RAR）

• 爪的控制示例

void lifting_claws_move(int target_angle) { 
  if (current_lifting_claws_angle < target_angle) {
    while (current_lifting_claws_angle < target_angle) {
      current_lifting_claws_angle += step;
      lifting_claws.write(current_lifting_claws_angle);
      delay(claws_delayTime);
    }
  } else if (current_lifting_claws_angle > target_angle) {
    while (current_lifting_claws_angle > target_angle) {
      current_lifting_claws_angle -= step;
      lifting_claws.write(current_lifting_claws_angle);
      delay(claws_delayTime);
    }
  }
}

• 光电开关控制示例

void check_sensor(int sensor_Pin, unsigned long &sensor_startTime, char sensorChar) {  
  if (digitalRead(sensor_Pin) == LOW) {
    if (sensor_startTime == 0) {
      sensor_startTime = millis();
    }
    if (millis() - sensor_startTime >= sensor_timeout) {
      Serial.print(sensorChar);
      switch (sensorChar) {
        case 'K':
          if (currentPage != 1) {  
            sendPageChange();
          }
          handleButtonPress(0);
          zip_rubbish();
          break;
        case 'Y':
          if (currentPage != 1) {  
            sendPageChange();
          }
          handleButtonPress(1);

          break;
        case 'C':
          if (currentPage != 1) {  
            sendPageChange();
          }
          handleButtonPress(2);

          break;
        case 'Q':
          if (currentPage != 1) {  
            sendPageChange();
          }
          handleButtonPress(3);

          break;
      }
      sensor_startTime = 0;
    }
  } else {
    sensor_startTime = 0;
  }
}

三、视觉识别

（一）硬件准备

• 选购该设备时，可自行选择并烧录系统镜像，例如 MaixCam Pro 也是适用的配置方案。

• 与单片机连接时，需连接四根线：将左下角的供电线接至 5V 电源，右上角依次连接 RX、TX 和 GND 即可。
  如果外壳是封闭结构，或者桶内光线较暗影响检测，可以考虑在内部安装暖光灯带

（二）模型训练

• 进入MaixHub官网，完成登录或注册后，点击“模型训练”并创建新训练任务，接下来只需拍摄所需图像数据即可。不过记得找位帮手来标注数据集——这部分可能比较痛苦😭，需要一些耐心。

• 训练模型的参数自己调整

• 然后训练完成后部署模型就行

• 模型替换参考下面这个视频第四步Maixcam模型部署

（三）逻辑思路

• 程序并不是每一帧都检测，而是每隔20帧调用一次模型，减少计算压力。然后比较前后几帧目标的位置，如果目标几乎不动，才认为是稳定的。

if frame_count % 20 == 0:
    objs = detector.detect(img, conf_th=0.55, iou_th=0.45)

• 当检测到多个目标时，会根据事先定义的优先级顺序排序，选择最重要的那个。

sorted_objs = sorted(stable_objs, key=lambda obj: get_priority_index(detector.labels[obj.class_id]))

• 调试的时候，程序会在屏幕上用红框把认出来的东西框出来，中间画个绿点标记位置，框上面还会显示这是啥东西以及识别得有多准。

img.draw_rect(obj.x, obj.y, obj.w, obj.h, color=image.COLOR_RED)
img.draw_circle(cx, cy, 4, color=image.COLOR_GREEN)

（四）Yolov5

Anaconda虚拟环境
手把手教你使用YOLOV5训练
处女座up主
十二up主
香橙派yolov5
使用YOLOV9进行PCB板缺陷检测

四、注意事项

1. 如果经费允许，线材一定要选择质量更高的，使用前最好剥开线缆观察铜丝粗细
   我就是因为开关焊接用的铜线太细，导致设备最后无法开机😭

2. 在设计时应预留出足够的测量空间，方便组委会进行电压检测
   比赛时千万别用劣质的转接端口！我那次就是为了测电压转接口直接就坏了，不得不现场拆锂电池。
   

3. 仔细看比赛规则，搞明白要不要写“无检测保护”
   看总裁判长要求无间隔依次投入10个垃圾，还是每隔5分钟投入一个垃圾

4. 结构外壳最好做成完整的长方形

5. 队伍分工一定要明确！赛场上一共就三四人，谁负责社区赛加工，谁负责调试决赛代码
   时间紧任务重！还要应对随机万变的规则！

6. 别等垃圾堆满了再压缩——识别投完一次，就压缩一次

7. 光电头大概率检测不到黑色物体；超声波对网球这类吸音材料可能失效

8. 备赛要多试各种“垃圾图片”，尤其关注特殊省份可能出现的特殊类型。
   
   

9. 测量满载的时候组委会可能没有足够多的垃圾，我们是黑色泡沫填充物

10. 设备要支持“一键启动”，个别现场不允许提前开机

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总结

以上就是我在做垃圾桶赛道时的一些经验和感受啦，里面难免会有理解不够到位或者说错的地方，如果有问题也欢迎大佬指出来～如果你正准备参加工训赛，希望这些内容能给你一点点帮助或者思路，少踩一些坑。最后奉上赛场垃圾和我的桶的实物图😁