CN107179270A - 一种植株群体冠层孔隙率测量装置及测量方法 - Google Patents

一种植株群体冠层孔隙率测量装置及测量方法 Download PDF

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杜帅
李扬
陈荣康
陈宝林
赵新学
张海淑
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Abstract

本发明涉及了一种植株群体冠层孔隙率测量装置与测量方法，包括机架、调整机构、激光测距机构、行走机构和控制系统。机架用于支撑和固定其他装置；调整机构用于驱动激光测距机构在XY水平面的移动；激光测距机构用于测量植株叶片和测距机构之间的距离；行走机构用于驱动机架行走；控制系统用于控制植株群体冠层孔隙率测量装置的行走、调整与测距。本发明采用冠层孔隙率自动测量的方式，实现植株群体冠层孔隙率在线测量；采用自动计算和测量孔隙率的控制系统，实现植株群体冠层孔隙率在线评价。

Description

一种植株群体冠层孔隙率测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于植保技术领域，涉及一种植株群体冠层孔隙率测量装置与测量方法，实现植株叶片之间孔隙率的自动测量与评价。
技术背景
植被冠层孔隙率可用光线穿过植被冠层而没有被叶片和茎阻挡的概率来表示，是描述冠层结构和叶片密度空间分布的一个重要参量。植株冠层孔隙率有两种定义方法，即面积孔隙率和体积孔隙率。面积孔隙率是指单位面积所含孔隙的面积的百分比，体积孔隙率是指单位体积所含孔隙的体积百分比，具体应根据检测技术的不同而有所差异。通常指的孔隙率为体积孔隙率。根据统计学原理，在某一体积内，当面积孔隙率统计的次数达到一定数量后，所有面积孔隙率之和的平均值可近似为体积孔隙率。
植株冠层孔隙率的大小影响了植保行业中雾滴的穿透性和雾滴喷洒的均匀性，人们可以根据孔隙率的大小调整喷雾量大小，风量大小及药液的粘稠程度，从而有效控制药液飘失，提高农药的有效利用率，减少农药对生态环境的污染。到目前为止还没有一种可以在线测量植株冠层孔隙率的装置，严重制约了植保行业的发展。急需发明一种植株群体冠层孔隙率测量装置与测量方法，可以直观的显示出植株冠层孔隙率大小，从而调整喷雾作业方式，提高作业效率，降低作业成本。
发明内容
本发明针对目前植保行业植株冠层孔隙率测量的空白，提供了一种植株群体冠层孔隙率测量装置与测量方法，实现植株冠层孔隙率在线测量与评价。
本发明一种植株群体冠层孔隙率测量装置与测量方法采用的技术方案包括：机架、调整机构、激光测距机构、行走机构和控制系统。所述的机架为门型结构用于支撑和固定其他装置；所述的调整机构固定在机架上用于驱动激光测距机构在XY水平面的移动；所述的激光测距机构用于测量植株叶片和测距机构之间的距离；所述的行走机构固定在机架上用于驱动机架行走；所述的控制系统用于控制植株群体冠层孔隙率测量装置的行走、调整与测距。
所述的调整机构包括X-方向直线导轨模组、Y-方向直线导轨模组。所述的X-方向直线导轨模组为两个，分别通过螺栓固定在机架X方向上两横梁的上表面；所述的Y-方向直线导轨模组通过螺栓固定在X-方向直线导轨模组滑块的上表面，并与X-方向直线导轨模组保持垂直。
所述的激光测距机构包括固定面板、激光测距仪。所述的固定面板为一U型结构，通过螺栓与Y-方向直线导轨模组滑块的侧面固定；所述的激光测距仪通过螺栓与固定面板的下表面固定，并垂直于XY水平面，保持竖直向下。
所述的行走机构包括行进轮、万向轮、减速电机、行进轮支座、万向轮支座。所述的行进轮为两个，分别通过行进轮支座固定在机架的后半部分，作为植株群体冠层孔隙率测量装置行进的驱动轮总成；所述的万向轮为两个，分别通过万向轮支座对称固定在机架的前半部分，实现植株群体冠层孔隙率测量装置行走过程中的转向；所述的减速电机为两个，分别通过联轴器与行进轮的中间轴相连。
所述的控制系统包括控制箱、减速电机、X-方向直线导轨模组、Y-方向直线导轨模组、激光测距仪、电源。所述的控制箱包括控制器、电机驱动器，固定在机架上，主要实现孔隙率计算、电机控制、通讯等功能；所述的控制器可由单片机、微处理器、工控机等其他具备同等处理能力设备和I/O驱动接口电路构成；所述的电机驱动器，根据电机类型选用不同型号的交、直流电机驱动器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器等，接收由控制器发出的控制信号，驱动电机转动；所述的激光测距仪可以选用满足工作条件的激光测距模块；所述的电源为控制系统供电。
本发明还提供了植株群体冠层孔隙率测量装置的测量方法，包括如下步骤：
1)机架横跨于植株的上方，行走装置驱动机架行进到目标作物上方；
2)Y-方向直线导轨模组上的滑块由最右端移动到直线导轨的最左端，在此过程中，激光测距仪测量n组叶片和激光测距仪的距离，将数据输入给控制系统；
3)Y方向测完后，X-方向直线导轨模组向前行进其行程的1/m距离，Y-方向直线导轨模组上的滑块由最左端移动到直线导轨的最右端，在此过程中，激光测距仪测量n组叶片和激光测距仪的距离，将数据输入给控制系统；
4)接下来继续重复2、3的步骤，重复m/2次，在XY平面上，共取得m×n组数据。这m×n组数据由一个矩阵表示
设定植株高度为H，
则在测量平面---XY平面上孔隙率
5)控制系统将计算完成的孔隙率数值输出到PC显示器。
与现在技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明在线测量植株群体冠层孔隙率的装置，实现了植株冠层孔隙率的自动测量与评价。
2、发明了自动测量、计算孔隙率的控制系统。
3、本发明自动化程度高，操作方便，成本低，推广性强。
附图说明
图1为植株群体冠层孔隙率测量装置的轴测图
图2为植株群体冠层孔隙率测量装置的主视图
图3为控制系统图
图中：1、X-方向直线导轨模组 2、Y-方向直线导轨模组 3、Y-方向直线导轨模组滑块 4、机架 5、万向轮支座 6、万向轮 7、行进轮支座 8、行进轮 9、减速电机 10、控制箱11、激光测距仪 12、固定面板 13、电源
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步描述。一种植株群体冠层孔隙率测量装置，如图1、2所示，所述的调整机构包括X-方向直线导轨模组(1)、Y-方向直线导轨模组(2)。所述的X-方向直线导轨模组(1)为两个，分别通过螺栓固定在机架(4)的X方向上两横梁的上表面；所述的Y-方向直线导轨模组(2)通过螺栓固定在X-方向直线导轨模组(1)的滑块上表面，并与X-方向直线导轨模组(1)保持垂直。
所述的激光测距机构包括固定面板(12)、激光测距仪(11)。所述的固定面板(12)为一U型结构，通过螺栓与Y-方向直线导轨模组滑块(3)的侧面固定；所述的激光测距仪(11)通过螺栓与固定面板(12)的下表面固定，并垂直于XY水平面，保持竖直向下。
所述的行走机构包括行进轮(8)、万向轮(6)、减速电机(9)、行进轮支座(7)、万向轮支座(5)。所述的行进轮(8)为两个，分别通过行进轮支座(7)固定在机架(4)的后半部分，作为植株群体冠层孔隙率测量装置行进的驱动轮总成；所述的万向轮(6)为两个，分别通过万向轮支座(5)对称固定在机架(4)的前半部分，实现植株群体冠层孔隙率测量装置行走过程中的转向；所述的减速电机(9)为两个，分别通过联轴器与行进轮(8)的中间轴相连。
所述的控制系统包括控制箱(10)、减速电机(9)、X-方向直线导轨模组(1)、Y-方向直线导轨模组(2)、激光测距仪(11)。所述的控制箱(10)包括控制器、电机驱动器，固定在机架(4)上，主要实现孔隙率计算、电机控制、通讯等功能；所述的控制器可由单片机、微处理器、工控机等其他具备同等处理能力设备和I/O驱动接口电路构成；所述的电机驱动器，根据电机类型选用不同型号的交、直流电机驱动器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器等，接收由控制器发出的控制信号，驱动电机转动；所述的激光测距仪(11)可以选用满足工作条件的激光测距模块；所述的电源(13)为控制系统供电。
本发明还提供了植株群体冠层孔隙率测量装置的测量方法，包括如下步骤：
1)机架(4)横跨于条播的植株的上方，行走装置驱动机架(4)行进到目标作物上方；
2)Y-方向直线导轨模组滑块(3)由最右端移动到直线导轨的最左端，在此过程中，激光测距仪(11)测量n组叶片和激光测距仪(11)的距离，将数据输入给控制系统；
3)Y方向测完后，X-方向直线导轨模组(1)向前行进其行程的1/m的距离，Y-方向直线导轨模组滑块(3)由最左端移动到直线导轨的最右端，在此过程中，激光测距仪(11)测量n组叶片和激光测距仪的距离，将数据输入给控制系统；
4)接下来继续重复2、3的步骤，重复m/2次，在XY平面上，共取得m×n组数据。这m×n组数据由一个矩阵表示
设定植株高度为H，
则在测量平面---XY平面上孔隙率
5)控制系统将计算完成的孔隙率数值输出到PC显示器。

Claims (2)

1.一种植株群体冠层孔隙率测量装置，其特征在于包括机架、调整机构、激光测距机构、行走机构和控制系统组成；
所述的调整机构包括X-方向直线导轨模组、Y-方向直线导轨模组；所述的X-方向直线导轨模组为两个，分别通过螺栓固定在机架X方向上两横梁的上表面；所述的Y-方向直线导轨模组通过螺栓固定在X-方向直线导轨模组滑块的上表面，并与X-方向直线导轨模组保持垂直；
所述的激光测距机构包括固定面板、激光测距仪。所述的固定面板为一U型结构，通过螺栓与Y-方向直线导轨模组滑块的侧面固定；所述的激光测距仪通过螺栓与固定面板的下表面固定，并垂直于XY水平面，保持竖直向下；
所述的行走机构包括行进轮、万向轮、减速电机、行进轮支座、万向轮支座；所述的行进轮为两个，分别通过行进轮支座固定在机架的后半部分，作为植株群体冠层孔隙率测量装置行进的驱动轮总成；所述的万向轮为两个，分别通过万向轮支座对称固定在机架的前半部分，实现植株群体冠层孔隙率测量装置行走过程中的转向；所述的减速电机为两个，分别通过联轴器与行进轮的中间轴相连；
所述的控制系统包括控制箱、减速电机、X-方向直线导轨模组、Y-方向直线导轨模组、激光测距仪、电源；所述的控制箱包括控制器、电机驱动器，固定在机架上，主要实现孔隙率计算、电机控制、通讯等功能；所述的控制器可由单片机、微处理器、工控机等其他具备同等处理能力设备和I/O驱动接口电路构成；所述的电机驱动器，根据电机类型选用不同型号的交、直流电机驱动器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器等，接收由控制器发出的控制信号，驱动电机转动；所述的激光测距仪可以选用满足工作条件的激光测距模块；所述的电源为控制系统供电。
2.根据权利要求1所述一种植株群体冠层孔隙率测量装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：机架横跨于植株的上方，行走装置驱动机架行进到目标作物上方；Y-方向直线导轨模组上的滑块由最右端移动到直线导轨的最左端，在此过程中，激光测距仪测量n组叶片和激光测距仪的距离，将数据输入给控制系统；Y方向测完后，X-方向直线导轨模组向前行进其行程的1/m距离，Y-方向直线导轨模组上的滑块由最左端移动到直线导轨的最右端，在此过程中，激光测距仪测量n组叶片和激光测距仪的距离，将数据输入给控制系统；接下来继续重复上述步骤，重复m/2次，在XY平面上，共取得m×n组数据；这m×n组数据由一个矩阵表示设定植株高度为H，则在测量平面---XY平面上的孔隙率为：
然后，控制系统将计算完成的孔隙率数值输出到PC显示器。
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