CN108279678A - 一种用于检测植株生长状况的田间自动行走装置及其行走控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测植株生长状况的田间自动行走装置，属于农业机械自动化领域，包括：装置主体，底部安装有行走机构，行走机构受控于控制模块；植株检测模块，通过一升降平台安装于所述装置主体上，收集植株的光学图像和光谱图像并将图像传送给图像处理模块；路径识别模块，安装于装置主体的前端，用于获取装置主体前进的道路图像并将道路图像发送给控制模块；图像处理模块，提取光学图像中植株高度信息，提取光谱图像中植株病虫害信息，并从道路图像中得到前进道路中线和当前视野中线；控制模块，根据当前视野中线与前进道路中线的距离控制行走机构的行进方向。在检测植株病虫害情况的同时对植株的高度进行测量，提高了生产效果。

Description

一种用于检测植株生长状况的田间自动行走装置及其行走控 制方法

技术领域

本发明属于农业机械自动化领域，具体地说，涉及一种用于检测植株生长状况的田间自动行走装置。

背景技术

农业机器人是一种机器，是机器人在农业生产中的运用，是一种可由不同程序软件控制，以适应各种作业,能感觉并适应作物种类或环境变化，有检测(如视觉等)和演算等人工智能的新一代无人自动操作机械。常见的农业机器人包括施肥机器人、菜田除草机器人、采摘果实机器人和分拣果实机器人等。

在农业生产过程中，也需要对农作物的植株高低和染病情况进行测量，测量株高常用的方法为利用尺子进行人工测量，然而需要花费大量的人力物力，还需要花费大量时间。衡量植株生长状况的指标还有很多，如叶片大小、根系长度、根冠比等，大多也都需要人工手动测量。这些都不适宜于大批量的生产。

发明内容

本发明的目的为提供一种用于检测植株生长状况的田间自动行走装置，可同时对植株的株高和病虫害情况进行测量，大大提高了农业生产的效率。

本发明的另一目的为提供一种田间自动行走装置的行走控制方法，使得田间自动行走装置能高效完成农业生产中的测量工作，提高了生产效率。

为了实现上述目的，本发明提供的用于检测植株生长状况的田间自动行走装置包括：

装置主体，底部安装有行走机构，行走机构受控于控制模块；

植株检测模块，通过一升降平台安装于所述装置主体上，收集植株的光学图像和光谱图像并将图像传送给图像处理模块；

路径识别模块，安装于装置主体的前端，用于获取装置主体前进的道路图像并将道路图像发送给控制模块；

图像处理模块，提取光学图像中植株高度信息，提取光谱图像中植株病虫害信息，并从道路图像中得到前进道路中线和当前视野中线；

控制模块，根据当前视野中线与前进道路中线的距离控制行走机构的行进方向。

上述技术方案中，将装置主体放入田间小路上行走，利用植株检测模块在检测植株病虫害情况的同时对植株的高度进行测量，该装置大大减少了劳动了，提高了生产效果。

具体的方案为行走机构包括安装在装置主体底部后端的主动轮和安装在装置主体底部前端的从动轮，主动轮连接驱动电机，从动轮连接转向舵机。通过驱动电机驱动主动轮转动，从而使装置主体向前走，通过转向舵机控制从动轮的转动角度，从而控制装置主体的前进方向。

进一步具体的方案为驱动电机带有编码器，用于检测驱动电机的实际转速；控制模块根据驱动电机的实际转速与设定的目标转速计算驱动电机的输入转速以控制行走机构的行进速度。

另一个具体的方案为植株检测模块包括用于测量植株高度的光学摄像头和用于检测植株病虫害的多光谱摄像头或红外摄像头，两个摄像头分别朝向装置主体前进方向的前后两端设置；路径识别模块包括通过一直杆固定在装置主体前端的摄像头。

另一个具体的方案为升降平台包括固定在装置主体中央的底座以及安装在该底座上的伸缩杆，伸缩杆上设有用于固定伸缩高度的紧固螺钉，植株检测模块固定在伸缩杆的顶端。

优选的方案为装置主体内置有可充电的电池。为装置主体上各部分供电，可以取出充电或更换。

为了实现上述另一目的，本发明提供的田间自动行走装置的行走控制方法包括以下步骤：

1)获取装置主体的实际前进速度，与设定的速度进行比对，计算当前需要的前进速度；

2)获取装置主体行走前其前方田间小路的图像，对该图像进行处理，利用小路与周边环境的差异确定小路两侧边界在图像中的坐标；

3)根据小路两侧边界的坐标计算道路中线，并得到装置主体的前进路线的横坐标；

4)获取装置主体当前前进视野中的图像，得到视野中线的横坐标；

5)计算视野中线与前进路线的横坐标的差值并根据该差值控制装置主体的前进方向。

以上行走控制方法基于上述田间自动行走装置实现，装置部分不再赘述。

具体的方案为步骤1)包括：

利用编码器记录装置主体的驱动电机在一定时间内转过的圈数，根据圈数计算装置主体的实际前进速度；

将实际前进速度与设定的速度作为PD调节器的输入，计算驱动电机下一个循环的输入转速；

根据输入转速改变PWM的占空比并输出到驱动电机。

另一个具体的方案为步骤3)包括：

将道路中线从上到下分为4部分，将第2、3、4部分的道路中线的像素点的横坐标并按照1:3:6的权重求加权平均值，得到前进路线的横坐标。

再一个具体的方案为步骤5)包括：

将视野中线与前进路线的横坐标的差值作为PI调节器的输入，将PI调节器的输入转换为转向舵机转动角度的PWM波输出，转向舵机相应改变转动角度，从而控制装置主体的前进方向。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明可以自动拍摄并检测一片区域内植物的生长状况，简化了植株生长状况的检测流程，同时节省了人工测量的时间与成本，可广泛应用于植物植株生长状况的快速检测与监控。

附图说明

图1为田间自动行走装置侧视图。

其中：1、摄像头；2、植株检测模块；3、升降平台；4、控制芯片；5、装置主体；51、转向舵机；52、电池；53、驱动电机；6、主动轮；7、从动轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

田间自动行走装置实施例

参见图1，本实施例的用于检测植株生长状况的田间自动行走装置包括装置主体5、植株检测模块2、路径识别模块、图像处理模块及控制模块。

装置主体5的底部安装有行走机构，行走机构包括安装在装置主体5底部后端的主动轮6和安装在装置主体5底部前端的从动轮7，主动轮6连接驱动电机53，从动轮7连接转向舵机51。通过驱动电机53驱动主动轮6转动，从而使装置主体5向前走，通过转向舵机51控制从动轮7的转动角度，从而控制装置主体5的前进方向。

驱动电机53带有512线编码器，用于检测驱动电机的实际转速；控制模块根据驱动电机的实际转速与设定的目标转速利用PI算法计算驱动电机53的输入转速以控制行走机构的行进速度。

植株检测模块2包括用于测量植株高度的光学摄像头和用于检测植株病虫害的多光谱摄像头或红外摄像头，本实施例采用的是光学摄像头和多光谱摄像头，两个摄像头分别朝向装置主体前进方向的前后两端设置，并通过升降平台3安装于装置主体5上，光学摄像头收集植株的光学图像，多光谱摄像头收集植株的光谱图像，并将图像传送给图像处理模块。在检测植株病虫害情况的同时测量植株的高度。

本实施例的升降平台3包括固定在装置主体5中央的底座以及安装在该底座上的伸缩杆，伸缩杆上设有用于固定伸缩高度的紧固螺钉，植株检测模块2固定在伸缩杆的顶端。

路径识别模块包括通过一ABS塑料直杆固定在装置主体5前端的摄像头1，用于拍摄装置前进道路的图像。

图像处理模块提取光学图像中植株高度信息，提取光谱图像中植株病虫害信息，并从道路图像中得到前进道路中线和当前视野中线。

控制模块包括一控制芯片4，控制芯片4通过导线和排线与装置主体5上的其余部分连接，负责控制装置主体5的运动与工作，包括前进路线的检测与识别、驱动电机53的转速、转向舵机51的转角和摄像头1拍摄数据的存储与处理，控制芯片4根据当前视野中线与前进道路中线的距离控制行走机构的行进方向。其中，控制程序在电脑编写并输入控制芯片4内。

在装置主体5的内部安装有可充电的电池52。为装置主体上各部分供电，可以取出充电或更换。

本实施例的田间自动行走装置的工作过程可分为寻迹移动及植株检测两部分。其中，植株检测由控制芯片4控制植株检测模块2完成，植株检测模块2拍摄并存储得到的植株图像(光学图像或光谱图像)。

寻迹移动则分为速度控制与路径确定两部分，其中速度控制的循环如下：

获取装置主体的实际前进速度，与设定的速度进行比对，计算当前需要的前进速度，具体包括：

(1)编码器记录驱动电机53在一段时间内转过的圈数，控制芯片4通过“中断”读取该数值计算装置的实际前进速度；

(2)控制芯片4将实际前进速度与程序设定的速度作为PD调节器的输入；

(3)控制芯片4计算驱动电机53下一个循环的输入转速；

(4)控制芯片4根据输入转速改变PWM的占空比并输出到驱动电机53。

路径确定的循环如下：

获取装置主体行走前其前方田间小路的图像，对该图像进行处理，利用小路与周边环境的差异确定小路两侧边界在图像中的坐标；根据小路两侧边界的坐标计算道路中线，并得到装置主体的前进路线的横坐标；获取装置主体当前前进视野中的图像，得到视野中线的横坐标；计算视野中线与前进路线的横坐标的差值并根据该差值控制装置主体的前进方向。具体如下：

(1)摄像头1拍摄得到一幅自动行走装置前方的田间小路；

(2)将拍摄得到的原始图像进行对比度增强操作；

(3)将RGB图像转为灰度图像；

(4)将灰度图进行灰度调整，增强灰度图的对比度；

(5)将经过对比度增强的灰度图以0.35为阈值进行二值化；

(6)将黑白图像进行中值滤波处理；

(7)将黑白图像进行形态学膨胀处理；

(8)将黑白图像进行形态学腐蚀处理；

(9)利用小路与周围环境的差异，确定小路两侧边界所在坐标(在图像中的像素点坐标)；

(10)根据图中小路的边界的坐标计算出道路中线；

(11)将道路中线从上到下分为4部分，将第2、3、4部分的道路中线的像素点的横坐标按照1:3:6的权重求加权平均值，得到前进路线的横坐标；

(12)前进路线表明在当前循环中装置应当前进的方向，而视野中线表明装置的当前朝向，只有当装置的视野中线与前进路线重合时，装置的前进方向才是正确的；控制芯片4计算视野中线与前进路线的横坐标之差，将其作为PI调节器的输入；

(13)控制芯片4将PI调节器的输出转为控制转向舵机51转动角度的PWM波输出，转向舵机51相应改变转动角度，使得装置转向目标前进方向。

行走控制方法实施例

本实施例的行走控制方法已包含在田间自动行走装置实施例中，此处不再赘述。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种用于检测植株生长状况的田间自动行走装置，其特征在于，包括：

装置主体，底部安装有行走机构，所述行走机构受控于控制模块；

植株检测模块，通过一升降平台安装于所述装置主体上，收集植株的光学图像和光谱图像并将图像传送给图像处理模块；

路径识别模块，安装于所述装置主体的前端，用于获取装置主体前进的道路图像并将道路图像发送给控制模块；

图像处理模块，提取光学图像中植株高度信息，提取光谱图像中植株病虫害信息，并从道路图像中得到前进道路中线和当前视野中线；

控制模块，根据当前视野中线与前进道路中线的距离控制行走机构的行进方向。

2.根据权利要求1所述的田间自动行走装置，其特征在于：

所述的行走机构包括安装在所述装置主体底部后端的主动轮和安装在所述装置主体底部前端的从动轮，所述主动轮连接驱动电机，所述从动轮连接转向舵机。

3.根据权利要求2所述的田间自动行走装置，其特征在于：

所述的驱动电机带有编码器，用于检测驱动电机的实际转速；所述的控制模块根据驱动电机的实际转速与设定的目标转速计算驱动电机的输入转速以控制行走机构的行进速度。

4.根据权利要求1所述的田间自动行走装置，其特征在于：

所述的植株检测模块包括用于测量植株高度的光学摄像头和用于检测植株病虫害的多光谱摄像头或红外摄像头，两个摄像头分别朝向装置主体前进方向的前后两端设置；

所述的路径识别模块包括通过一直杆固定在所述装置主体前端的摄像头。

5.根据权利要求1所述的田间自动行走装置，其特征在于：

所述的升降平台包括固定在装置主体中央的底座以及安装在该底座上的伸缩杆，所述伸缩杆上设有用于固定伸缩高度的紧固螺钉，所述的植株检测模块固定在所述伸缩杆的顶端。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的田间自动行走装置，其特征在于：

所述的装置主体内置有可充电的电池。

7.一种田间自动行走装置的行走控制方法，基于权利要求1所述的田间自动行走装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取装置主体的实际前进速度，与设定的速度进行比对，计算当前需要的前进速度；

2)获取装置主体行走前其前方田间小路的图像，对该图像进行处理，利用小路与周边环境的差异确定小路两侧边界在图像中的坐标；

3)根据小路两侧边界的坐标计算道路中线，并得到装置主体的前进路线的横坐标；

4)获取装置主体当前前进视野中的图像，得到视野中线的横坐标；

5)计算视野中线与前进路线的横坐标的差值并根据该差值控制装置主体的前进方向。

8.根据权利要求7所述的行走控制方法，其特征在于，步骤1)包括：

利用编码器记录装置主体的驱动电机在一定时间内转过的圈数，根据圈数计算装置主体的实际前进速度；

将实际前进速度与设定的速度作为PD调节器的输入，计算驱动电机下一个循环的输入转速；

根据输入转速改变PWM的占空比并输出到驱动电机。

9.根据权利要求7所述的行走控制方法，其特征在于，步骤3)包括：

将道路中线从上到下分为4部分，将第2、3、4部分的道路中线的像素点的横坐标并按照1:3:6的权重求加权平均值，得到前进路线的横坐标。

10.根据权利要求7所述的行走控制方法，其特征在于，步骤5)包括：

将视野中线与前进路线的横坐标的差值作为PI调节器的输入，将PI调节器的输入转换为转向舵机转动角度的PWM波输出，转向舵机相应改变转动角度，从而控制装置主体的前进方向。