CN111624948A - 一种智能抓棉管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能抓棉管理系统，包括棉包数据检测模块、棉包数据处理模块、机器视觉检测模块、智能判断决策模块、机械执行控制模块和抓棉设备。通过所述棉包数据检测模块和所述机器视觉检测模块分别检测棉包数据和视觉信号；所述棉包数据处理模块对棉包数据进行处理和运算，得到棉包数据运算结果；所述机器视觉检测模块对视觉信号进行处理和运算，得到视觉信号运算结果；所述智能判断决策模块根据棉包数据运算结果和视觉信号运算结果进行智能判断和决策，得到抓棉设备的运行参数；所述机械执行控制模块根据抓棉设备的运行参数控制所述抓棉设备运行。本发明提供的智能抓棉管理系统可实现智能、高效和精细抓棉的目的。

Description

一种智能抓棉管理系统

技术领域

本发明属于纺纱技术领域，尤其涉及一种智能抓棉管理系统。

背景技术

抓棉是开清棉工序中的第一道工序，其主要作用是对原棉和纤维进行抓取和开松。在工作过程中肋条和罗拉压紧棉包，锯齿打手从肋条和罗拉中间深入棉层中抓取棉束，通过输棉装置送入下一设备。在抓取和输送过程中，棉束进行了局部瞬时混合，有利于后方设备的进一步开松、混合。经过初步开松的棉束杂质暴露，为除杂创造了有利条件。

抓棉机主要有旋转式和往复式抓棉机两种，旋转式抓棉机已趋于淘汰，往复式抓棉机通常包含行走小车部分、转塔部分、抓棉臂机架部分、打手及压棉罗拉部分、覆盖带卷绕部分、输棉道和地轨部分、抓棉臂悬挂装置、转塔旋转装置以及电气控制系统。在运行过程中，间歇下降的打手随机体作往复运动，从棉包顶部抓取棉束，被抓取的棉束经输棉管道借后方凝棉器或风机的抽吸送至下道工序。为了达到精细抓棉和均匀很合的目的，纺织专业技术人员对抓棉的作用日益重视。在工艺上，要求抓取的棉块(每只刀片的抓取量)尽可能小，抓取棉块的均匀度要尽可能高，为后方设备发挥作用打下良好的基础。

传统工艺往往采用降低动程的方法来实现精细抓棉的目的，未将棉块本身结构和组成与抓棉机的运行参数进行有效结合，忽略了棉块本身内部的结构对抓取的棉块均匀度的影响。如棉包表面高低不平时易造成高的地方多抓。低的地方空抓，从而使抓取棉块大小不一致；棉包堆积密度不一致时，易导致抓取紧包时实际抓取量大，抓取松包时实际抓取量小。

因此，急需提供一种智能抓棉管理系统，将棉块本身结构纳入抓棉运行参数的设置依据，从而实现高效和精细抓棉的目的。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种智能抓棉管理系统，通过棉包数据检测模块检测棉包堆积密度数据；通过机器视觉检测模块检测和处理棉包形貌图像、抓棉机形貌图像和抓棉工作范围内的环境形貌图像；通过智能判断决策模块根据棉包堆积密度数据和各种形貌图像数据进行智能判断和决策；进而通过机械执行控制模块控制抓棉设备的运行，实现高效和精细抓棉的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种智能抓棉管理系统，包括棉包数据检测模块、棉包数据处理模块、机器视觉检测模块、智能判断决策模块、机械执行控制模块和抓棉设备；所述棉包数据处理模块用于处理所述棉包数据检测模块检测的棉包数据；所述机器视觉检测模块用于检测和处理视觉信号；所述智能判断决策模块根据所述棉包数据和所述视觉信号进行智能判断和决策，得到抓棉设备的运行参数，并将所述运行参数发送至所述机械执行控制模块；所述机械执行控制模块控制所述抓棉设备的运行。

进一步的，所述棉包数据检测模块用于检测棉包堆积密度数据，并将所述棉包堆积密度数据发送至所述棉包数据处理模块，所述棉包数据处理模块对所述棉包堆积密度数据进行分析和运算，并将运算结果发送至所述智能判断决策模块。

进一步的，所述抓棉设备的运行参数包括抓棉设备的启动和停止、抓棉设备的运行速度和打手转速、抓棉设备的下降动程以及输棉设备的输棉功率。

进一步的，所述机器视觉检测模块包括依次相连的图像捕捉单元、图像处理单元、信号输出单元，所述信号输出单元与所述智能判断决策模块相连；所述机械执行控制模块包括抓棉控制单元和输棉控制单元。

进一步的，所述图像捕捉单元捕捉的图像包括棉包形貌图像、抓棉机形貌图像和抓棉工作范围内的环境形貌图像；所述图像处理单元识别和提取所述棉包形貌图像、抓棉机形貌图像和抓棉工作范围内的环境形貌图像的图像特征，并对所述图像特征进行处理得到相应的处理信号，所述信号输出单元将所述处理信号发送至智能判断决策模块。

进一步的，所述图像处理单元识别和提取棉包形貌图像的图像特征，根据所述棉包形貌图像的图像特征处理得到棉包表面平整度分布信号；所述图像处理单元根据所述抓棉机形貌图像的图像特征，处理得到抓棉机运行位置及运行状态信号；所述图像处理单元根据所述抓棉工作范围内的环境形貌图像特征，判断抓棉工作范围内的危险因素信号。

进一步的，所述抓棉控制单元用于控制抓棉机的运行状况，所述输棉控制单元用于控制输棉设备的运行状况。

优选地，所述抓棉机为往复式抓棉机，所述输棉设备为凝棉器或抽风机。

进一步的，所述抓棉设备的运行参数包括所述往复式抓棉机的行走小车的线速度和移动方向、行走小车的下降动程、所述往复式抓棉机的打手转速和转向以及所述凝棉器或抽风机的输棉功率。

进一步的，所述智能抓棉管理系统的运行过程包括以下步骤：

S1.所述棉包数据检测模块和所述机器视觉检测模块分别检测棉包数据和视觉信号；

S2.所述棉包数据处理模块对步骤S1中所述棉包数据进行处理和运算，得到棉包数据运算结果；所述机器视觉检测模对步骤S1中所述视觉信号进行处理和运算，得到视觉信号运算结果；

S3.所述智能判断决策模块根据步骤S2中所述棉包数据运算结果和所述视觉信号运算结果进行智能判断和决策，得到抓棉设备的运行参数；

S4.所述机械执行控制模块根据步骤S3所述抓棉设备的运行参数控制所述抓棉设备运行。

有益效果

与现有技术相比，本发明提供的智能抓棉管理系统具有如下有益效果：

(1)本发明将棉包堆积密度数据和棉包表面平整度数据作为抓棉设备运行参数的设置依据，将棉块本身结构和组成与抓棉机的运行参数进行有效结合，实现了抓棉设备的高效和合理控制，显著提高抓取棉块的精细度和均匀度。

(2)本发明将机器视觉检测技术应用于抓棉管理系统，在实际抓棉运行过程中，通过机器视觉检测模块识别和提取棉包形貌图像、抓棉机形貌图像和抓棉工作范围内的环境形貌图像的图像特征，并对所述图像特征进行处理得到相应的处理信号，可实现形貌特征的准确识别和提取，进而提高运行参数设计的精确度。

(3)本发明通过智能判断和决策模块对棉包数据和视觉信号进行智能判断和决策，得到的抓棉设备的运行参数具有科学性和合理性，进一步提高抓取棉块的精细度和均匀度。

(4)本发明的视觉检测技术还能识别和提取抓棉机形貌图像和抓棉工作范围内的环境形貌图像的图像特征，将此图像特征作为智能判断和决策的因素之一，当产生机械故障或有人在抓棉工作范围内等突发情况时，可发出相应的应急保护措施信号。

附图说明

图1为本发明提供的智能抓棉管理系统组成框架图；

图2为本发明提供的智能抓棉管理系统工作流程图；

图3为抓棉机的打手示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供的智能抓棉管理系统主要针对于往复式抓棉机的智能管理，往复式抓棉机通常包含行走小车部分、转塔部分、抓棉臂机架部分、打手及压棉罗拉部分、覆盖带卷绕部分、输棉道和地轨部分、抓棉臂悬挂装置、转塔旋转装置以及电气控制系统。抓棉原理为：将棉包放置在在输棉道上，行走小车在沿着地轨做往返运动，通过压棉罗拉和打手抓取棉块，即在运行过程中，行走小车做直线运动，同时打手做自转运动；每走完一个行程抓棉臂按预设下降动程下降一定距离，进行下一个行程的抓棉运动。

本发明依据抓棉的工作原理，实现抓棉过程的智能管理。首先根据抓棉原理得出棉块抓取量的计算公式。请参阅图3所示，v_B为抓棉小车线速度，N_A为打手转速，D为打手直径，L为打手宽度，h为小车下降动程，设打手的刀片密度为m，则小车在运行t时间内，喂入的棉层棉量U_喂如式(1)所示：

U_喂＝v_B·t·h·L (1)

假设抓棉打手为均匀抓取，即每只刀片的抓取量V_m一致；那么抓棉打手在t时间内，抓取的棉块总量，即输出棉量如式(2)所示：

U_输＝π·N_A·D·t·L·m·V_m (2)

而喂入棉层棉量与抓取棉量应相等，即U_喂＝U_输，由式(1)和式(2)得出抓取量V_m的计算公式(3)：

抓取量V_m的大小即表示抓棉打手的开松公式，V_m越小，说明开松程度越高。由式(3)可知，棉块开松程度与下列因素有关：

(1)小车下降动程h越小，抓取棉块越小，开松程度越高；

(2)小车线速度v_B越小，抓取棉块越小，开松程度越高。

通过要达到“精细抓棉”的目的，可以采取多种方法，而不应该只是简单地减小小车下降动程h。

由开松公式可知，降低小车速度与降低小车下降动程，均能起到精细抓棉的作用，但两者对混棉效果影响却不一样。这是因为在t时间内，小车速度低，小车行程短，抓取的混棉单元少；而降低动程，小车速度不变，抓取的混棉单元多，混和效果好。因此，在混棉单元较小时，可以适当降低小车速度v_B，以达到精细抓棉的目的；在混棉单元较大时，不宜采用降低小车速度v_B的方法，而降低动程既能起到精细抓棉作用又能提高混和效果。

又由开松公式可知，增加抓棉打手速度与增加刀片密度，均能起到精细抓棉作用，但打手速度过快，对纤维作用力大，容易损伤纤维，且机构振动大，刀片密度适当增大对精细抓棉有良好作用。因此，在设计抓棉运行参数时应将抓棉机打手本身结构参数作为参考依据之一。

又考虑到V_m是抓取棉块的体积，而抓取棉块的实际重量与棉块的密度有关，显然，同样抓取量，紧包棉的实际抓取棉块重量比松包棉大；因此，要想抓取棉块均匀，提高混和效果，一定要将棉包表面平整度和棉包的堆积密实度考虑其中。

请参阅图1所示，本发明提供的智能抓棉管理系统基于以上所述抓棉机的抓棉原理进行合理设计，包括棉包数据检测模块、棉包数据处理模块、机器视觉检测模块、智能判断决策模块、机械执行控制模块和抓棉设备；所述棉包数据处理模块用于处理所述棉包数据检测模块检测的棉包数据；所述机器视觉检测模块用于检测和处理视觉信号；所述智能判断决策模块根据所述棉包数据和所述视觉信号进行智能判断和决策，得到抓棉设备的运行参数，并将所述运行参数发送至所述机械执行控制模块；所述机械执行控制模块控制所述抓棉设备的运行。

所述抓棉设备的运行参数包括抓棉设备的启动和停止、抓棉设备的运行速度和打手转速、抓棉设备的下降动程以及输棉设备的输棉功率。

所述棉包数据检测模块用于检测棉包堆积密度数据，并将所述棉包堆积密度数据发送至所述棉包数据处理模块，所述棉包数据处理模块对所述棉包堆积密度数据进行分析和运算，并将运算结果发送至所述智能判断决策模块。

所述机器视觉检测模块包括依次相连的图像捕捉单元、图像处理单元、信号输出单元，所述信号输出单元与所述智能判断决策模块相连；所述机械执行控制模块包括抓棉控制单元和输棉控制单元。

进一步的，所述图像捕捉单元捕捉的图像包括棉包形貌图像、抓棉机形貌图像和抓棉工作范围内的环境形貌图像；所述图像处理单元识别和提取所述棉包形貌图像、抓棉机形貌图像和抓棉工作范围内的环境形貌图像的图像特征，并对所述图像特征进行处理得到相应的处理信号，所述信号输出单元将所述处理信号发送至智能判断决策模块。

更进一步的，所述图像处理单元识别和提取棉包形貌图像的图像特征，根据所述棉包形貌图像的图像特征处理得到棉包表面平整度分布信号；所述图像处理单元根据所述抓棉机形貌图像的图像特征，处理得到抓棉机运行位置及运行状态信号；所述图像处理单元根据所述抓棉工作范围内的环境形貌图像特征，判断抓棉工作范围内的危险因素信号。

其中，通过获取棉包表面平整度分布信号可以针对棉包高低不同区域设计相应的运行参数，防止棉包高低不平而运行参数相同造成的抓取棉块大小不一致的情况；通过获取抓棉机运行位置及运行状态信号可判断抓棉机是否产生故障并能及时给出应对方案；通过获取抓棉工作范围内的环境形貌的图像特征，可以针对一些危险信号发出应急保护措施，如有人或其他物体在抓棉工作范围内时，发出急停指示，减少操作事故的发生，也减少异物对设备的损害。

进一步的，通过棉包形貌图像还能判断棉包是否抓取完成，若抓取完成，则抓棉机停止运行，并复位，等待下一批棉包放置好后再继续运行。

所述抓棉控制单元用于控制抓棉机的运行状况，所述输棉控制单元用于控制输棉设备的运行状况。

优选地，所述抓棉机为往复式抓棉机，所述输棉设备为凝棉器或抽风机。

优选地，所述抓棉设备的运行参数包括所述往复式抓棉机的行走小车的线速度和移动方向、行走小车的下降动程、所述往复式抓棉机的打手转速和转向以及所述凝棉器或抽风机的输棉功率。

本发明提供的智能抓棉管理系统的运行过程包括以下步骤：

S1.所述棉包数据检测模块和所述机器视觉检测模块分别检测棉包数据和视觉信号；

S2.所述棉包数据处理模块对步骤S1中所述棉包数据进行处理和运算，得到棉包数据运算结果；所述机器视觉检测模对步骤S1中所述视觉信号进行处理和运算，得到视觉信号运算结果；

S3.所述智能判断决策模块根据步骤S2中所述棉包数据运算结果和所述视觉信号运算结果进行智能判断和决策，得到抓棉设备的运行参数；

S4.所述机械执行控制模块根据步骤S3所述抓棉设备的运行参数控制所述抓棉设备运行。

具体地，本发明提供的智能抓棉管理系统的运行过程包括以下步骤：

S1.所述棉包数据检测模块检测棉包堆积密度数据，并发送至所述棉包数据处理模块；所述机器视觉检测模块的图像捕捉单元分别获取棉包形貌图像、抓棉机形貌图像和抓棉工作范围内的环境形貌图像，并发送至图像处理单元；

S2.所述棉包数据处理模块对步骤S1中所述棉包堆积密度数据进行处理和运算，得到棉包堆积密度分布数据；所述机器视觉检测模图像处理单元对的步骤S1中所述棉包形貌图像、抓棉机形貌图像和抓棉工作范围内的环境形貌图像进行处理，分别得到棉包表面平整度分布数据、抓棉机运行位置及运行状态信号和抓棉工作范围内的危险因素信号；

S3.所述智能判断决策模块根据步骤S2中所述的棉包堆积密度分布数据、棉包表面平整度分布数据、抓棉机运行位置及运行状态信号和抓棉工作范围内的危险因素信号，进行智能判断和决策，得到抓棉设备的运行参数，包括所述往复式抓棉机的行走小车的线速度和移动方向、行走小车的下降动程、所述往复式抓棉机的打手转速和转向以及所述凝棉器或抽风机的输棉功率；

S4.所述机械执行控制模块根据步骤S3中所述抓棉设备的运行参数控制所述抓棉机和凝棉器或抽风机运行。

S5.抓棉机走完一个行程后，重复步骤S1至步骤S4，直到棉包被抓取完全。

其中，在步骤S3中，将每一组抓棉设备的运行参数作为一个决策方案，则所述智能判断决策模块根据智能判断决策模型确定决策方案，包括以下步骤：

S31.设决策矩阵为DM＝[β_rj]_n×m，根据式(4)将决策矩阵DM＝[β_rj]_n×m转化为规范化决策矩阵

S32.运用优化模型求得属性集最优权重

S33.依据集成算子以及

计算方案u_r的加权集成评价值

S34.基于

取值，计算

的得分函数

和精确函数

S35.利用各方案的得分函数

对方案集U进行排序，若存在得分函数相同，则利用精确函数

进行比较排序，获得全体方案间的最终优劣排序。

在步骤S31中，所述决策矩阵DM＝[β_rj]_n×m通过决策表T确定。其中T＝{U,C,B,f}，U＝{u₁,u₂,…,u_n}为决策表中的全体方案集合，C＝{c₁,c₂,…,c_m}为属性集合，包括棉包堆积密度分布数据、棉包表面平整度分布数据、抓棉机运行位置及运行状态信号和抓棉工作范围内的危险因素信号的特征；

为属性值的集合，f为U×C→B的信息函数，用于确定U中每一个对象在各个属性下的取值。

设任意给定决策方案u_r∈U(r＝1,2,…,n)在属性c_jC(j＝1,2,…,m)下的综合评价值为β_rj，则有：

式(5)中，l为待评价对象集在属性集下打分时，可能存在的犹豫模糊判定的维度数目。

通过对该决策表决策数据的抽取，即得到三角犹豫直觉模糊元的决策分析矩阵DM＝[β_rj]_n×m。

步骤S32中的优化模型如式(6)所示：

步骤S33中的集成算子如式(7)至式(9)所示：

其中，i＝1,2,…,p，W为权重向量。

步骤S34中，得分函数

和精确函数

分别如式(10)和式(11)所示：

其中，μ_M和ν_M均为[0,1]上的三角模糊数，分别表示隶属度和费隶属度，并满足式(12)：

通过以上所述智能判断决策模型的运算，对本发明中所述棉包堆积密度分布数据、棉包表面平整度分布数据、抓棉机运行位置及运行状态信号和抓棉工作范围内的危险因素信号进行权重计算，得到精准度极高的权重值，进而使运算得到的抓棉设备的运行参数更合理有效，尤其是小车的下降动程参数，可避免棉包表面平整度高低不平导致的抓取棉块大小不一致问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能抓棉管理系统，其特征在于，包括棉包数据检测模块、棉包数据处理模块、机器视觉检测模块、智能判断决策模块、机械执行控制模块和抓棉设备；所述棉包数据处理模块用于处理所述棉包数据检测模块检测的棉包数据；所述机器视觉检测模块用于检测和处理视觉信号；所述智能判断决策模块根据所述棉包数据和所述视觉信号进行智能判断和决策，得到抓棉设备的运行参数，并将所述运行参数发送至所述机械执行控制模块；所述机械执行控制模块控制所述抓棉设备的运行。

2.根据权利要求1所述的一种智能抓棉管理系统，其特征在于，所述棉包数据检测模块用于检测棉包堆积密度数据，并将所述棉包堆积密度数据发送至所述棉包数据处理模块，所述棉包数据处理模块对所述棉包堆积密度数据进行分析和运算，并将运算结果发送至所述智能判断决策模块。

3.根据权利要求1所述的一种智能抓棉管理系统，其特征在于，所述抓棉设备的运行参数包括抓棉设备的启动和停止、抓棉设备的运行速度和打手转速、抓棉设备的下降动程以及输棉设备的输棉功率。

4.根据权利要求1所述的一种智能抓棉管理系统，其特征在于，所述机器视觉检测模块包括依次相连的图像捕捉单元、图像处理单元、信号输出单元，所述信号输出单元与所述智能判断决策模块相连；所述机械执行控制模块包括抓棉控制单元和输棉控制单元。

5.根据权利要求4所述的一种智能抓棉管理系统，其特征在于，所述图像捕捉单元捕捉的图像包括棉包形貌图像、抓棉机形貌图像和抓棉工作范围内的环境形貌图像；所述图像处理单元识别和提取所述棉包形貌图像、抓棉机形貌图像和抓棉工作范围内的环境形貌图像的图像特征，并对所述图像特征进行处理得到相应的处理信号，所述信号输出单元将所述处理信号发送至智能判断决策模块。

6.根据权利要求5所述的一种智能抓棉管理系统，其特征在于，所述图像处理单元识别和提取棉包形貌图像的图像特征，根据所述棉包形貌图像的图像特征处理得到棉包表面平整度分布信号；所述图像处理单元根据所述抓棉机形貌图像的图像特征，处理得到抓棉机运行位置及运行状态信号；所述图像处理单元根据所述抓棉工作范围内的环境形貌图像特征，判断抓棉工作范围内的危险因素信号。

7.根据权利要求4所述的一种智能抓棉管理系统，其特征在于，所述抓棉控制单元用于控制抓棉机的运行状况，所述输棉控制单元用于控制输棉设备的运行状况。

8.根据权利要求7任一项所述的能抓棉管理系统，其特征在于，所述抓棉机为往复式抓棉机，所述输棉设备为凝棉器或抽风机。

9.根据权利要求8所述的一种智能抓棉管理系统，其特征在于，所述抓棉设备的运行参数包括所述往复式抓棉机的行走小车的线速度和移动方向、行走小车的下降动程、所述往复式抓棉机的打手转速和转向以及所述凝棉器或抽风机的输棉功率。

10.根据权利要求1至9任一项所述的一种智能抓棉管理系统，其特征在于，所述智能抓棉管理系统的运行过程包括以下步骤：

S1.所述棉包数据检测模块和所述机器视觉检测模块分别检测棉包数据和视觉信号；

S2.所述棉包数据处理模块对步骤S1中所述棉包数据进行处理和运算，得到棉包数据运算结果；所述机器视觉检测模对步骤S1中所述视觉信号进行处理和运算，得到视觉信号运算结果；

S3.所述智能判断决策模块根据步骤S2中所述棉包数据运算结果和所述视觉信号运算结果进行智能判断和决策，得到抓棉设备的运行参数；

S4.所述机械执行控制模块根据步骤S3所述抓棉设备的运行参数控制所述抓棉设备运行。

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