CN101445974B

CN101445974B - 一种皮棉中异性纤维实时分拣装置

Info

Publication number: CN101445974B
Application number: CN2008102403251A
Authority: CN
Inventors: 丁天怀; 瞿鑫
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: CN101445974A

Abstract

本发明涉及一种皮棉中异性纤维实时分拣装置，属于检测技术和纺织机械设备领域，该装置包括安装在一外壳内的由进棉口、四组罗拉、出棉口、杂质回收箱组成的皮棉传输机构，由光源组、面阵CCD相机阵列、图像处理电路组成的检测机构，由空气喷嘴阵列、电磁阀、储气罐、挡板、喷嘴控制电路、逻辑控制电路组成的喷除执行机构；其中：进棉口设置在外壳最上端，进棉口下端依次间隔地装有第一、二、三、四组罗拉，第四组罗拉下方连接有出棉口；在第一组罗拉和第三组罗拉之间两区域分别安装有一套检测机构；第三组罗拉和第四组罗拉之间安装有喷除执行机构。

Description

一种皮棉中异性纤维实时分拣装置

技术领域

本发明属于检测技术和纺织机械设备领域，特别涉及一种皮棉中异性纤维实时分拣装置的结构设计。

背景技术

棉花在采摘，晾晒，运输过程中会混入诸如化纤丝、头发丝、麻丝、塑料丝等异性纤维(俗称“三丝”)，异性纤维的存在会在后续的印染等工序中导致疵点等问题，降低棉花的品级，对纺织行业造成比较大的损失，因此对棉花中异性纤维的分拣显得尤其重要。目前我国对棉花中异性纤维的分拣主要靠人工分拣，但效率和效果都受人的个体影响，为了提高效率，研发高效的棉花中异性纤维实时分拣装置具有很大的实际意义和使用价值。目前用于识别棉花中异性纤维的方法主要有以下几种：X光成像分析法，光敏二极管阵列探测法，红外热成像法和CCD相机扫描成像法，而真正用于工业现场并占有市场的还是CCD相机扫描成像法，其他产品都还处在实验室阶段。

CCD相机扫描成像法是通过CCD相机在线采集运动中棉花的图像，经过专门的图像处理算法提取出采集到的棉花图像中的异性纤维特征，并求出其位置信息，在采集区域后部安装有空气喷嘴，当存在异性纤维的棉花区域运动到空气喷嘴正对的位置时，就启动电磁阀进行喷除动作，连同异性纤维周边小范围内的棉花一起把异性纤维喷除。该方法由三个方面的关键技术组成：(1)特征采集技术；(2)图像处理技术；(3)喷除技术。

国内外基于CCD相机扫描成像法的棉花中异性纤维分拣设备已有一些产品问世。瑞士的jossi公司(DE29719245-U1)，德国的TRUETZSCHLER公司(DE29622931-U1，DE19537846-A1)，我国的大连贵友机电有限公司(03266352.8)，北京经纬纺机新技术有限公司(200710004954.x)都有相关专利公开。这些产品通过合理选择光源，图像采集方式和布局，达到了较好的效果。但在喷除准确性方面没有深入研究，有待进一步改善。首先，这些产品都使用气流通道来传输棉花，而气流通道以通道中通过的气流的速度来控制在其中运动的棉花的运行速度，由于棉花的厚度、形状等存在差异，会导致与管道之间的摩擦阻力的不同，影响棉花运动速度的稳定性，同时，同一块棉花不同位置的摩擦阻力的不同还会导致棉花的偏转，导致与通道的相对方位的变化，这些都影响后续喷嘴位置和延迟时间的准确性。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种皮棉中异性纤维实时分拣装置，本发明通过正反两面检测提高了异性纤维检测能力，同时由四组罗拉控制皮棉运行速度，其速度稳定，调节方便，喷除准确性高，能够很好的实现异性纤维的实时分拣。

本发明的有益效果是：

本发明采用正反两面检测提高了异性纤维检测能力，对于每一面检测同时以透射光源和反射光源进行照射，兼顾皮棉中表面和浅层异性纤维的识别；由于采用面阵CCD相机，正对面阵CCD相机的透射光源即为图像背景，因此采用均光板对透射光源进行均光，消除透射光源光管形状的影响，同时透明细磨砂玻璃纸消除了反射光源光管在透射光源上的投影对图像背景产生的影响；由四组罗拉组成的皮棉传输机构使得被测皮棉在运动方向上移动速度稳定，皮棉形状，相互位置关系稳定，同时优化设计了喷嘴控制信号的产生时序，提高了喷除位置的准确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的图像处理电路和喷嘴控制电路框图。

图3为本发明喷嘴控制信号数组和延迟时间数组示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图及实施例作进一步描述。图1为本发明的结构示意图，该装置包括由进棉口7，罗拉(roller，用于纺织机上的一种辊)6，出棉口15，杂质回收箱1组成的皮棉传输机构；由光源组5、10，面阵CCD相机4，图像处理电路及显示器组成的检测机构；由空气喷嘴12，电磁阀13，储气罐14，喷嘴控制电路，逻辑控制电路组成的喷除执行机构，上述各组成部件分均安装在一壳体内。

各组成部件的连接关系为：该装置最上端为进棉口7，进棉口下端连接有第一组罗拉6，该罗拉与控制电机通过皮带相连，该罗拉下方依次间隔地装有第二、三、四组罗拉，第四组罗拉下方连接有出棉口15，四组罗拉等距排列；在第一组罗拉和第二组罗拉之间区域，以及第二组罗拉和第三组罗拉之间区域分别安装有一套检测机构，该两套检测机构中的器件左右相反设置，构成正、反双面检测区域，该每套检测机构中的光源组由分别安装在两个光源箱的一块透射光源10和两块反射光源5组成的一组光源，该检测机构中的两块反射光源5安装在罗拉的一侧，罗拉的另一侧安装一块透射光源10，由多个面阵CCD相机4纵向排列组成的面阵CCD相机阵列安装在两块反射光源5之间与透射光源10相面对；第三组罗拉和第四组罗拉之间的一侧安装有由多个空气喷嘴12依次并纵向排列组成的空气喷嘴阵列，构成异性纤维喷除区域；空气喷嘴阵列中的每个空气喷嘴进气口连接有一个电磁阀13，所有电磁阀另一端均与一个储气罐14连接，储气罐与空压机相连，实时补气，第三组罗拉和第四组罗拉之间的另一侧安装有挡板2，该挡板与空气喷嘴阵列相面对，该挡板下方与杂质回收箱1相连接；所述图像处理电路，喷嘴控制电路以及显示器安装在壳体外部独立的电气控制柜中，面阵CCD相机的视频输出通过视频线引出，与电气控制柜中的图像处理电路的视频输入口相连，图像处理电路的视频输出口与显示器相连，图像处理电路与喷嘴控制电路通过HPI主机接口实现电气连接，喷嘴控制电路的信号输出端与逻辑控制电路输入端相连，逻辑控制电路输出端与电磁阀相连。

本发明中皮棉传输机构的传动由四组罗拉实现，同组的罗拉之间靠罗拉两端的齿轮啮合实现同步转动，罗拉之间的间隔D_d形成被测皮棉的传输通道，间隔D_d以被测皮棉的厚度为依据，略小于被测皮棉的厚度，保证能对进入该组罗拉的被测皮棉起到夹持作用，本实施例中，被测皮棉厚度在10mm～30mm左右(蓬松状态)，罗拉的间隔D_d＝5mm。控制电机带动第一组罗拉转动，本实施例中，罗拉的转动线速度为0.9m/s，第一组罗拉与第二组罗拉之间，第二组罗拉与第三组罗拉之间，第三组罗拉与第四组罗拉之间分别用皮带轮相连接，实现同步转动。四组罗拉以间距D_l等距排列，本实施例中，两组罗拉之间的间距D_l＝250mm。从上至下，第一组罗拉和第二组罗拉之间为正面检测区域，第二组罗拉和第三组罗拉之间为反面检测区域，第三组罗拉和第四组罗拉之间为异性纤维喷除区域。

本发明采用正、反双面检测，在第一组罗拉和第二组罗拉之间的正面检测区域，以及第二组罗拉和第三组罗拉之间的反面检测区域分别安装有一套检测机构，其中的透射光源10平行皮棉传输平面放置；反射光源5与皮棉传输平面呈45度相对放置，并以检测区域中间位置为分界面上下对称放置；面阵CCD相机4位于反射光源一侧，安装在两块反射光源之间。本实施例中，检测面幅为1.2m，单个面阵CCD相机的视场大小设置为100mm×75mm，单面采用12个面阵CCD相机组成面阵CCD相机阵列，采用白色日光灯管3作为照明光源，本实施例中，采用长度为1.5m的T8灯管作为照明光源。反射光源的光源箱正面安装透明玻璃板11，对于透射光源，由于正对面阵CCD相机安置，当视场范围内没有被测皮棉的情况下，透射光源即为图像背景，因此在透射光源的光源箱正面安装白色均光板9，对透射光源进行均光，消除透射光源光管形状的影响，同时在均光板正面粘帖8255型透明细磨砂玻璃纸8，消除反射光源光管在透射光源均光板上的投影对图像背景产生的影响。本实施例中，单个空气喷嘴宽度为50mm，单个面阵CCD相机的视场宽度为100mm，因此一个面阵CCD相机配对2个空气喷嘴，整个检测面幅使用了24个喷嘴并排组成空气喷嘴阵列。

本发明的图像处理电路用于对采集到的被测皮棉原始图像进行处理，喷嘴控制电路用于产生时序对电磁阀的开启和关闭进行控制，逻辑控制电路用于协调正反两套检测机构发出的控制信号。本实施例的图像处理电路，喷嘴控制电路和逻辑控制电路的组成如图2所示，图像处理电路包括视频解码模块(采用芯片TVP5150)，核心处理器(采用芯片TMS320DM642，图像处理程序在其内部运行)，存储器模块(包括2片32MB的SDRAM芯片MT48LC8M32B2和1M的FLASH芯片AN29LV800)，视频编码模块(采用芯片SAA7121)，电源模块(采用芯片TPS54310产生1.4V的核心电压和3.3V的I/O电压，采用芯片TPS79518产生1.8V的视频电压)和匹配电路(由总线开关组成，采用芯片74CBT3245)；本实施例的喷嘴控制电路包括单片机(采用芯片AT89C51，喷嘴控制信号时序产生程序在其内部运行)和光耦器件(采用芯片PS2501)，本实施例的逻辑控制电路包括或门(采用芯片74LS32)和驱动电路(采用芯片MC1413)。

其中，单块图像处理电路可接入四个面阵CCD相机的视频信号，从而后续喷嘴控制电路可发出八个空气喷嘴的控制信号。图2以一个面阵CCD相机控制两个空气喷嘴的情况说明图像处理电路的各模块的连接关系，视频解码模块的输入端与面阵CCD相机相连，视频解码模块的输出端、视频编码模块的输入端分别通过视频口与核心处理器相连，存储器模块也与核心处理器相连，电源模块的1.4V的核心电压和3.3V的I/O电压均与核心处理器相连，电源模块的1.8V的视频电压分别与视频解码模块、视频编码模块相连；匹配电路连接在核心处理器与喷嘴控制电路的单片机之间，视频编码模块与显示器相连；喷嘴控制电路的光耦器件与逻辑控制电路的或门相连，电磁阀与逻辑控制电路的驱动电路相连，驱动电路与电磁阀相连。

本实施例的图像处理电路、喷嘴控制电路和逻辑控制电路的工作原理为：面阵CCD相机采集到的视频信号被送入视频解码芯片TVP5150进行解码处理，得到的数字视频信号在同步信号的控制下送入核心处理器TMS320DM642的视频口。TMS320DM642芯片的视频口可以在同步信号的配合下，自动以EDMA方式保存视频数据。保存的视频数据并通过设置该核心处理器中的图像处理程序提取出异性纤维特征，再经过视频编码芯片SAA7121编码后接入显示器显示。同时对当前帧图像中提取出的异性纤维特征，根据异性纤维在当前帧图像中的位置，计算并保存相对应的喷嘴控制信号和延迟时间。喷嘴控制电路通过HPI主机接口与图像处理电路通讯，当喷嘴控制电路中的单片机接收到中断就通过HPI主机接口从图像处理电路中指定的存储器地址读取当前帧图像对应的喷嘴控制信号和延迟时间，从而控制光耦的导通和闭合来控制电磁阀的开启和关闭。同一垂直位置的正反两个方向的面阵CCD相机采集的是同一区域的被测皮棉，两个喷嘴控制信号控制同一组空气喷嘴。因此，正面检测和反面检测产生的喷嘴控制信号经过逻辑控制模块进行逻辑判断后控制电磁阀，对于一个电磁阀，只要正面检测或反面检测产生的喷嘴控制信号有一个为开启，则该电磁阀就开启。

核心处理器中图像处理程序具体包括以下步骤：对于采集到的被测皮棉原始图像，先进行颜色空间转换，得到代表亮度信息的Y分量和代表色度信息的Cr分量(对应红色)，Cb分量(对应蓝色)，Cg分量(对应绿色)。对亮度分量进行基于二维小波变换的边缘检测，得到异性纤维边缘特征F_y，对色度分量进行颜色分割和阈值处理，得到异性纤维色度特征F_c，对异性纤维边缘特征F_y和异性纤维色度特征F_c进行特征融合，得到异性纤维融合特征F_r，对异性纤维融合特征F_r进行连通域标记算法和形态分析，最终得到异性纤维特征F。针对异性纤维特征F在图像中的位置，求出当前帧图像对应的喷嘴控制信号和延迟时间。

喷嘴控制信号时序产生程序具体包括以下步骤：开辟两个数组，一个为喷嘴控制信号数组，记为PZ[n](n＝0，1，2，3，...N-1)，N为数组的大小；另一个为延迟时间数组，记为DT[n](n＝0，1，2，3，..N-1)，两个数组的成员一一对应。以DSP芯片TMS320DM642产生的帧同步信号作为时标，通过HPI主机接口中断喷嘴控制电路，喷嘴控制电路被中断后通过HPI主机接口读取该帧图像对应的喷嘴控制信号和延迟时间，分别存入PZ[n]和DT[n]数组中。DT[0]为初始设定值，为被测皮棉从面阵CCD相机拍摄视场到喷嘴安装位置的传输时间，本实施例中，DT[0]＝450ms。在喷嘴控制电路中开启一个单片机内部的计数器，导入DT[i]对应的计数器初值，当计数器的值等于DT[i]中的值，则触发PZ[i]代表的喷嘴控制信号，控制电磁阀的开启和关闭，同时更新计数器初值为DT[i+1]对应的值。对于每帧图像，只计算异性纤维在图像中的开始位置(对应的即为延迟时间)，不管异性纤维的长短，都会开启电磁阀直到该帧图像结束的位置为止。由于面阵CCD相机采用PAL制式，两个帧同步信号的间隔为固定值40ms，即T_f＝40ms。如图3所示，如果当前帧图像中没有异性纤维，则DT[i]＝40ms，PZ[i]＝00000000，(一个八位PZ[i]数据可以控制8个喷嘴，每一位对应一个电磁阀的开启和关闭信号，0表示关闭，1表示开启)，图3中t2对应的即为该种情况；如果当前帧图像中存在异性纤维，则根据异性纤维在图像中的位置，通过相应算法求出对应的延迟时间和喷嘴控制信号，图3中t3、t4对应的即为该种情况，其中t3就是所求的的延迟时间DT[i+1]＝t3，t3对应的喷嘴控制信号为PZ[i+1]＝00000000，对应电磁阀关闭，DT[i+2]＝t4，且t3+t4＝T_f，t4对应的喷嘴控制信号即为上述求得的异性纤维对应的喷嘴控制信号，电磁阀根据喷嘴控制信号相应位的值动作。由于电磁阀开启需要一个过程，定义这个时间为电磁阀的开启时间T_open，本实施例中T_open≈100ms。若电磁阀两次开启状态之间的时间间隔小于打开电磁阀所需开启时间T_open，则按下述规则处理：如图3所示，t8对应的一帧图像中存在异性纤维，求得延迟时间t7和喷嘴控制信号10100000(假设)，向上搜索发现在T_open的时间范围内有一个t6对应的喷嘴控制信号，与t8喷嘴控制信号非零位相同的位置上也有非零值，这表示早在t6对应时刻该非零位对应的电磁阀已经打开，因此把从t6到t8该非零位上的所有值都置为1(即图3虚线框内区域)，这样，对应电磁阀在t6对应时刻打开后，直到t8对应时刻不会被关闭。当数组填充满后(即保存了N组数据)，将回到数组的开头，从数组首地址开始保存，覆盖原先的数据，因此数组大小N的选取原则为N＞DT[0]/40*2，本实施例中，取数组大小N＝60。

本发明的工作流程如下：装置上电启动，四组罗拉由控制电机带动进行匀速转动，被测皮棉通过进棉口随着趟板进入第一组罗拉，随着罗拉的转动，被测皮棉以同罗拉一致的运动速度进入检测区域，当进入正面检测区域时，正面检测机构中的面阵CCD相机阵列实时采集被测皮棉图像，并送入图像处理电路进行图像处理，得到对应当前帧图像的喷嘴控制信号和延迟时间，通过HPI主机接口送入喷嘴控制电路，由喷嘴控制信号的时序逻辑得到最终的与各个电磁阀的开启和关闭对应的喷嘴控制信号和延迟时间。当被测皮棉进入反面检测区域时，反面检测机构工作(方式与正面检测相同)。当含有异性纤维的被测皮棉区域运动到空气喷嘴正对位置时，正面检测和反面检测的喷嘴控制电路同时发出信号，正面检测和反面检测产生的喷嘴控制信号经过逻辑控制模块进行逻辑判断后控制电磁阀的开启(对于一个电磁阀，只要正面检测或反面检测产生的喷嘴控制信号有一个为开启，则该电磁阀就开启)，对目标区域进行喷除，被喷出的含有异性纤维的皮棉落入杂质回收箱中，而经过分拣的干净的被测皮棉则通过第四组罗拉后进入出棉口。

Claims

1.一种皮棉中异性纤维实时分拣装置，其特征在于，该装置包括安装在一外壳内的由进棉口、四组罗拉、出棉口、杂质回收箱组成的皮棉传输机构，由光源组、面阵CCD相机阵列、图像处理电路组成的检测机构，由空气喷嘴阵列、电磁阀、储气罐、挡板、喷嘴控制电路、逻辑控制电路组成的喷除执行机构；其中：进棉口设置在外壳最上端，进棉口下端连接有第一组罗拉，该组罗拉下方依次间隔地装有第二、三、四组罗拉，第四组罗拉下方连接有出棉口；在第一组罗拉和第二组罗拉之间区域，以及第二组罗拉和第三组罗拉之间区域分别安装有一套检测机构，每套检测机构的光源组和面阵CCD相机阵列安装在罗拉两侧；第三组罗拉和第四组罗拉之间安装有空气喷嘴阵列，与该空气喷嘴阵列相对安装有挡板，该空气喷嘴进气口连接有电磁阀，该电磁阀另一端与储气罐连接，该挡板下方与杂质回收箱相连接；面阵CCD相机阵列与图像处理电路连接，图像处理电路与喷嘴控制电路连接，喷嘴控制电路与逻辑控制电路相连，逻辑控制电路输出的控制信号时序控制电磁阀的开启和关闭；所述第一组罗拉和第二组罗拉之间为正面检测区域，第二组罗拉和第三组罗拉之间为反面检测区域，正面检测区域、反面检测区域中的检测机构的光源组、面阵CCD相机阵列左右相反设置。

2.如权利要求1所述一种皮棉中异性纤维实时分拣装置，其特征在于，所述光源组由分别安装在光源箱的一块透射光源和两块反射光源组成，反射光源与皮棉传输平面呈45度相对放置在罗拉的一侧，反射光源的光源箱正面安装透明玻璃板；透射光源平行皮棉传输平面放置在罗拉的另一侧，透射光源的光源箱正面安装白色均光板，均光板正面粘帖透明细磨砂玻璃纸。

3.如权利要求1所述一种皮棉中异性纤维实时分拣装置，其特征在于，喷嘴控制信号时序为：开辟两个数组，一个为喷嘴控制信号数组，记为PZ[n](n＝0，1，2，3，...N-1)，N为数组的大小，另一个为延迟时间数组，记为DT[n](n＝0，1，2，3，...N-1)，N为数组的大小；两个数组的成员一一对应；以DSP芯片产生的帧同步信号作为时标，通过HPI主机接口中断喷嘴控制电路，喷嘴控制电路被中断后通过HPI主机接口读取该帧图像对应的喷嘴控制信号和延迟时间，分别存入PZ[n]和DT[n]数组中；DT[0]为初始设定值，为被测皮棉从面阵CCD相机拍摄视场到喷嘴安装位置的传输时间；在喷嘴控制电路中开启一个计数器，导入DT[n]对应的计数器初值，当计数器的值等于DT[n]中的值，则触发PZ[n]代表的喷嘴控制信号，控制电磁阀的开启和关闭，同时更新计数器初值为DT[n+1]对应的值；若电磁阀两次开启状态之间的时间间隔小于打开电磁阀所需开启时间T_open，则把上述两次开启状态之间的PZ[n]对应的值都设为开启，使电磁阀连续动作。