CN109813852A - 一种田间小麦高通量表型信息获取装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种田间小麦高通量表型信息获取装置及其控制方法，包括：车架、测量装置和控制系统，测量装置和控制系统固定设置在车架上，其中：车架包括车架本体、伸缩杆、支撑架、第一车轮和第二车轮，测量装置包括：网络相机、超声波传感器、NDVI传感器、数字相机、便携式高光谱仪和红外测距传感器，控制系统包括：计算机、控制器和步进电机，车架本体可以在第一车轮和第二车轮的带动下在小麦地中小麦的行间的空白地中运动，完成对小麦表型信息的采集，并且采集的信息可以发送给计算机，由于可以通过车体本体在小麦地自由运动，而且可以贴近小麦进行信息采集，相比传统的信息采集平台，既降低了成本又可以实现信息采集的准确性。
Description
技术领域
本申请涉及农作物数据采集技术领域，具体涉及一种田间小麦高通量表型信息获取装置及其控制方法。
背景技术
基于田间的高通量表型是一种利用近距离的成像技术表征作物群体复杂性状的新兴方法。其优点在于：它能够量化在相关生长条件下的困难的大量群体的作物性状，从而改善了对环境条件的动态反应的监测，进而能够指导作物的田间管理、作物育种或作物产量的预测。
随着传感器技术的发展，田间小麦表型的测量也得到极大的提高，使得定量地评估小麦的多种性状成为可能。当前，田间小麦的表型测量平台大致分为遥感式与近地端式。遥感式平台主要依据于无人机，近地端式平台主要有测量人员手持式平台和大型的绳索悬浮式或轨道式田间高通量表型平台，针对研究的对象与性状。
但是上述测量平台都存在不足，遥感式测量中传感器的要求精度高与负载能力有限等。手持式平台主要优点为结构简单针对性强，价格低廉，缺点在于限于单一形状的测量，不适用于高大型作物。大型的绳索悬浮式或轨道式田间高通量表型平台优点在于测量范围广、可实现全自动、高精度、多重复的精准测量、获取高通量的作物表型信息，但其成本较高。
发明内容
本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供了一种田间小麦高通量表型信息获取装置，包括：车架、测量装置和控制系统，所述测量装置和所述控制系统固定设置在所述车架上，其中：所述车架包括车架本体、伸缩杆、支撑架、第一车轮和第二车轮，所述第一车轮和所述第二车轮分别设置有两个，每个车轮对应设置一个所述支撑架，所述支撑架与所述车架本体之间设置所述伸缩杆，所述伸缩杆分别连接所述车架本体和所述支撑架，所述第一车轮和第二车轮分别与对应的所述支撑架活动连接；所述测量装置包括：网络相机、超声波传感器、NDVI传感器、数字相机、便携式高光谱仪和红外测距传感器，所述网络相机设置在所述车架本体中间位置，且所述网络相机的镜头朝向为水平方向，所述超声波传感器设置在所述车架本体靠近所述第二车轮的一端，所述超声波传感器的检测端朝下，所述NDVI传感器设置在所述车架本体与所述超声波传感器设置位置相邻，所述数字相机设置在于所述NDVI传感器相同位置，且镜头朝向与其中一个NDVI传感器的检测端设置方向相反，所述数字相机的镜头朝下，所述便携式高谱仪设置在靠近所述第一车轮的一端，所述便携式高谱仪的镜头朝下；所述红外测距传感器固定设置在所述第二车轮的支撑架上；所述控制系统包括：计算机、控制器和步进电机，所述计算机、所述控制器和所述步进电机均固定设置在所述车架本体上，所述计算机与所述网络相机和所述便携式高光谱仪电连接；所述控制器与所述步进电机、红外测距传感器、数字相机、NDVI传感器和超声波传感器电连接，所述步进电机用于驱动所述获取装置运行。
采用上述实现方式，车架本体可以在第一车轮和第二车轮的带动下在小麦地中小麦的行间的空白地中运动，设置在车架本体上的网络相机、超声波传感器、NDVI传感器、数字相机、便携式高光谱仪和红外测距传感器可以完成对小麦表型信息的采集，并且采集的信息可以发送给计算机，计算机可以根据接收到的信息完成后续的分析。本申请提供的获取装置，由于可以通过车体本体在小麦地自由运动，而且可以贴近小麦进行信息采集，相比传统的信息采集平台，既降低了成本又可以实现信息采集的准确性。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述车架本体包括第一方杆、第二方杆、第一圆杆、第二圆杆、第三圆杆和第四圆杆，所述第一方杆分别连接所述第一圆杆和所述第二圆杆的第一端，所述第二方杆分别连接所述一圆杆和所述第二圆杆的第二端，所述第三圆杆和所述第四圆杆的两端分别与所述第一圆杆和所述第二圆杆固定连接，所述第三圆杆和所述第四圆杆均匀分布在所述第一方杆和所述第二方杆之间。
结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述支撑架为六边形支撑架，所述第一车轮对应的支撑架通过所述伸缩杆与所述第一方杆的两端相连接；所述第二车轮对应的支撑架通过所述伸缩杆与所述第二方杆的两端相连接。
结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述第一圆杆和所述第二圆杆中间设置均连接一丝杆，两个所述丝杆分别与所述第一圆杆和所述第二圆杆固定连接，所述网络相机设置有两个，且分别设置在两个所述丝杆上，两个所述网络相机的镜头朝向内侧。
结合第一方面第三种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述超声波传感器设置有多个，多个所述超声波传感器通过第一连接件固定设置在所述第二方杆上，且多个所述超声波传感器均匀设置，多个所述超声波传感器的检测端均垂直朝下。
结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述NDVI传感器包括第一NDVI传感器、第二NDVI传感器和第三NDVI传感器，所述第一NDVI传感器通过第二连接件固定设置在所述第四圆杆的中间位置，且所述第一NDVI传感器的检测端朝上，所述第二NDVI传感器和所述第三NDVI传感器分别通过所述第二连接件固定在所述第四圆杆的两端，且所述第二NDVI传感器和所述第三NDVI传感器的检测端垂直朝下；所述数字相机设置在所述第四圆杆与所述第一NDVI传感器对应的位置，所述数字相机通过第三连接件与所述第四圆杆固定连接，所述第四圆杆的两端还设置有GPS模块，所述GPS模块通过第四连接件固定设置在所述第四圆杆的一端，所述GPS模块与所述计算机电连接。
结合第一方面第五种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述便携式高光谱仪通过第五连接件固定设置在所述第三圆杆的中间位置，所述红外测距传感器固定设置在所述第二车轮的支撑架上。
结合第一方面第六种可能的实现方式，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述步进电机包括第一步进电机和第二步进电机，所述第一步进电机包括两个，且两个所述第一步进电机分别固定安装在与第一车轮连接的所述支撑架的外侧，且所述第一步进电机的输出轴上固装有齿轮，两个所述第一车轮上设有与所述齿轮啮合的齿圈，所述齿轮与所述齿圈啮合连接；所述第二步进电机设置有两个，两个所述第二步进电机分别固定设置在两个所述丝杆靠近圆杆的一端，所述第二步进电机的输出轴上固装有齿轮，两个所述丝杆上设有与所述齿轮啮合的齿圈，所述齿轮与所述齿圈啮合连接。
结合第一方面第七种可能的实现方式，在第一方面第八种可能的实现方式中，所述车架本体靠近所述第三圆杆的一端设置有一支撑板，所述支撑板两端分别与所述第一圆杆和所述第二圆杆固定连接，所述计算机和所述控制器固定设置在所述支撑板上；所述支撑板上还设置一电源，所述电源分别与所述计算机、所述控制器、所述步进电机、所述网络相机、所述超声波传感器、所述NDVI传感器、所述数字相机、所述便携式高光谱仪和所述红外测距传感器电连接。
第二方面，本申请实施例提供了一种田间小麦高通量表型信息获取装置的控制方法，所述方法包括：确定小麦所处的成长期，所述成长期包括小麦处于抽穗期和开花期前后；如果所述小麦处于抽穗期，则对所述获取装置的各个部件进行调整，包括：根据测量田地中小麦的大致高度，调整伸缩杆的高度，使得第四圆杆所在水平面距小麦冠层90cm；根据两个第二车轮在测量田地中横跨小麦的行数，设置超声波传感器的个数，并且保证每个超声波传感器检测一行小麦；通过GPS模块定位测量地块的初始位置；根据小麦行间距的大小，调整红外测距传感器的设置范围；控制所述获取装置对所述小麦进行检测，包括：控制两个第一步进电机带动第一车轮以一定的速度前进，同时，红外测距传感器实时检测与小麦的距离，并将信息反馈给控制器，进而调整两个第一步进电机的转速，采用PID控制保证该装置在小麦的行间的空白地中运动；控制超声波传感器实时检测每行小麦，将输出的模拟电压信号发送给所述控制器，可得到超声波传感器与冠层之间的距离，再由超声波传感器与地面的一定关系，可得到小麦的株高；控制三个NDVI传感器同时工作，NDVI传感器根据垂直向上的NDVI传感器测量向下反射太阳辐射值，垂直向下的NDVI传感器测量向上反射太阳辐射值，可得到NDVI的数值；控制数字相机与便携式高光谱仪同时开始工作，同时控制第一步进电机停止运动并发送信号刷新GPS模块重新获取此时的位置信息；6s后第一步进电机运动，同时将数字相机获得的图像和高光谱仪获得的光谱信息分别发送给控制器和计算机；6s后获取装置重复上述工作流程，直到完成整个田地的测量工作；将获取到的数据进行处理，包括：将光谱信息输入已建立好的数学模型中，可检测到小麦叶枯病(STB)以及量化感病的严重程度，将光谱信息与控制器中GPS模块的历史数据相匹配，可以准确地检测出该田地中叶枯病严重的区域；将数字相机获得的图像进行图像处理，从而可得到每张图像中的总穗数，同时由控制器中GPS模块的历史数据定位出每张图像对应的实际地块，并测量出每一地块的面积，进而获得小麦的穗密度；如果所述小麦处于开花期前后，则对所述获取装置的各个部件进行调整，包括：调整伸缩杆的高度和红外测距传感器的设置范围、设置超声波传感器的个数、初始化GPS模块；控制所述获取装置对所述小麦进行检测，包括：控制第一步进电机、红外测距传感器和超声波传感器工作，装置运动10s后停止，控制器可获得超声波传感器与冠层之间的距离D，进而得到目前检测的地块中的平均距离，根据超声波传感器与网络相机的一定位置关系，同时控制第二步进电机转动带动丝杠运动，使得两个网络相机位于小麦的麦穗位置；控制第一步进电机工作6s，使装置向前运动；控制数字相机与便携式高光谱仪同时开始工作，同时控制第一步进电机停止工作并发送信号刷新GPS模块重新获取此时的位置信息；6s后第一步进电机工作，同时将数字相机获得的图像和高光谱仪获得的光谱信息分别发送给控制器和计算机；6s后再次控制数字相机与便携式高光谱仪同时开始工作，同时控制第一步进电机停止工作并发送信号刷新GPS模块重新获取此时的位置信息，直到完成整个田地的小麦测量工作。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种田间小麦高通量表型信息获取装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种田间小麦高通量表型信息获取装置的侧视图；
图3为本申请实施例提供的一种田间小麦高通量表型信息获取装置仰视图；
图4为本申请实施例提供的一种田间小麦高通量表型信息获取装置的控制方法流程示意图；
图5为本申请实施例提供的另一种田间小麦高通量表型信息获取装置的控制方法流程示意图；
图6为本申请实施例提供的一种控制器的示意图；
图1-6中，符号表示为：
1-车架本体，2-伸缩杆，3-支撑架，4-第一车轮，5-第二车轮，6-网络相机，7-超声波传感器，8-数字相机，9-便携式高光谱仪，10-红外测距传感器，11-计算机，12-控制器，13-第一方杆，14-第二方杆，15-第一圆杆，16-第二圆杆，17-第三圆杆，18-第四圆杆，19-丝杆，20-第一连接件，21-第一NDVI传感器，22-第二NDVI传感器，23-第三NDVI传感器，24-第二连接件，25-第三连接件，26-GPS模块，27-第四连接件，28-第五连接件，29-第一步进电机，30-第二步进电机，31-支撑板，32-电源。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。
图1为本申请实施例提供的一种田间小麦高通量表型信息获取装置的结构示意图，图2为本申请实施例提供的一种田间小麦高通量表型信息获取装置的侧视图，图3为本申请实施例提供的一种田间小麦高通量表型信息获取装置仰视图。
参见图1-图3，本申请实施例提供的田间小麦高通量表型信息获取装置，包括：车架、测量装置和控制系统，所述测量装置和所述控制系统固定设置在所述车架上，其中：所述车架包括车架本体1、伸缩杆2、支撑架3、第一车轮4和第二车轮5，所述第一车轮4和所述第二车轮5分别设置有两个，每个车轮对应设置一个所述支撑架3，所述支撑架3与所述车架本体1之间设置所述伸缩杆2，所述伸缩杆2分别连接所述车架本体1和所述支撑架3，所述第一车轮4和第二车轮5分别与对应的所述支撑架3活动连接，其中第一车轮4可以为万向轮，第二车轮5为普通车轮。
进一步地，所述车架本体1包括第一方杆13、第二方杆14、第一圆杆15、第二圆杆16、第三圆杆17和第四圆杆18，所述第一方杆13分别连接所述第一圆杆15和所述第二圆杆16的第一端，所述第二方杆14分别连接所述一圆杆和所述第二圆杆16的第二端，所述第三圆杆17和所述第四圆杆18的两端分别与所述第一圆杆15和所述第二圆杆16固定连接，所述第三圆杆17和所述第四圆杆18均匀分布在所述第一方杆13和所述第二方杆14之间。
本申请一示意性实施例中，所述支撑架3为六边形支撑架，所述第一车轮4对应的支撑架3通过所述伸缩杆2与所述第一方杆13的两端相连接。所述第二车轮5对应的支撑架3通过所述伸缩杆2与所述第二方杆14的两端相连接。
所述测量装置包括：网络相机6、超声波传感器7、NDVI传感器、数字相机8、便携式高光谱仪9和红外测距传感器10。所述网络相机6设置在所述车架本体1中间位置，且所述网络相机6的镜头朝向为水平方向，所述超声波传感器7设置在所述车架本体1靠近所述第二车轮5的一端，所述超声波传感器7的检测端朝下，所述NDVI传感器设置在所述车架本体1与所述超声波传感器7设置位置相邻，所述数字相机8设置在于所述NDVI传感器相同位置，且镜头朝向与其中一个NDVI传感器的检测端设置方向相反，所述数字相机8的镜头朝下，所述便携式高谱仪设置在靠近所述第一车轮4的一端，所述便携式高谱仪的镜头朝下；所述红外测距传感器10固定设置在所述第二车轮5的支撑架3上。
具体地，所述第一圆杆15和所述第二圆杆16中间设置均连接一丝杆19，两个所述丝杆19分别与所述第一圆杆15和所述第二圆杆16固定连接，所述网络相机6设置有两个，且分别设置在两个所述丝杆19上，两个所述网络相机6的镜头朝向内侧。
所述超声波传感器7设置有多个，多个所述超声波传感器7通过第一连接件20固定设置在所述第二方杆14上，且多个所述超声波传感器7均匀设置，多个所述超声波传感器7的检测端均垂直朝下。
所述NDVI传感器包括第一NDVI传感器21、第二NDVI传感器22和第三NDVI传感器23，所述第一NDVI传感器21通过第二连接件24固定设置在所述第四圆杆18的中间位置，且所述第一NDVI传感器21的检测端朝上。所述第二NDVI传感器22和所述第三NDVI传感器23分别通过所述第二连接件24固定在所述第四圆杆18的两端，且所述第二NDVI传感器22和所述第三NDVI传感器23的检测端垂直朝下。所述数字相机8设置在所述第四圆杆18与所述第一NDVI传感器21对应的位置，所述数字相机8通过第三连接件25与所述第四圆杆18固定连接，所述第四圆杆18的两端还设置有GPS模块26，所述GPS模块26通过第四连接件27固定设置在所述第四圆杆18的一端。
所述便携式高光谱仪9通过第五连接件28固定设置在所述第三圆杆17的中间位置，所述红外测距传感器10固定设置在所述第二车轮5的支撑架3上。
所述控制系统包括：计算机11、控制器12和步进电机，所述计算机11、所述控制器12和所述步进电机均固定设置在所述车架本体1上，所述计算机11与所述网络相机6、所述便携式高光谱仪9和所述GPS模块26电连接，所述控制器12与所述步进电机、红外测距传感器10、数字相机8、NDVI传感器和超声波传感器7电连接，所述步进电机用于驱动所述获取装置运行。
本实施例中，所述步进电机包括第一步进电机29和第二步进电机30，所述第一步进电机29包括两个，且两个所述第一步进电机29分别固定安装在与第一车轮4连接的所述支撑架3的外侧，且所述第一步进电机29的输出轴上固装有齿轮，两个所述第一车轮4上设有与所述齿轮啮合的齿圈，所述齿轮与所述齿圈啮合连接。
所述第二步进电机30设置有两个，两个所述第二步进电机30分别固定设置在两个所述丝杆19靠近圆杆的一端，所述第二步进电机30的输出轴上固装有齿轮，两个所述丝杆19上设有与所述齿轮啮合的齿圈，所述齿轮与所述齿圈啮合连接。
所述车架本体1靠近所述第三圆杆17的一端设置有一支撑板31，所述支撑板31两端分别与所述第一圆杆15和所述第二圆杆16固定连接，所述计算机11和所述控制器12固定设置在所述支撑板31上。所述支撑板31上还设置一电源32，所述电源32分别与所述计算机11、所述控制器12、所述步进电机、所述网络相机6、所述超声波传感器7、所述NDVI传感器、所述数字相机8、所述便携式高光谱仪9和所述红外测距传感器10电连接。所述电源32用于所述计算机11、所述控制器12、所述步进电机、所述网络相机6、所述超声波传感器7、所述NDVI传感器、所述数字相机8、所述便携式高光谱仪9和所述红外测距传感器10进行供电。
由上述实施例可知，本实施例提供了一种田间小麦高通量表型信息获取装置，车架本体可以在第一车轮和第二车轮的带动下在小麦地中小麦的行间的空白地中运动，设置在车架本体上的网络相机、超声波传感器、NDVI传感器、数字相机、便携式高光谱仪和红外测距传感器可以完成对小麦表型信息的采集，并且采集的信息可以发送给计算机，计算机可以根据接收到的信息完成后续的分析。本申请提供的获取装置，由于可以通过车体本体在小麦地自由运动，而且可以贴近小麦进行信息采集，相比传统的信息采集平台，既降低了成本又可以实现信息采集的准确性。
与上述实施例提供的一种田间小麦高通量表型信息获取装置相对应，本申请还提供了一种田间小麦高通量表型信息获取装置控制方法的实施例。参见图4，确定小麦处于成长期，所述方法包括：
S101,对田间小麦高通量表型信息获取装置进行调整。
根据测量田地中小麦的大致高度，调整伸缩杆的高度，使得第四圆杆所在水平面距小麦冠层90cm；根据两个第二车轮在测量田地中横跨小麦的行数，设置超声波传感器的个数，并且保证每个超声波传感器检测一行小麦；通过GPS模块定位测量地块的初始位置；根据小麦行间距的大小，调整红外测距传感器的设置范围。
S102,控制田间小麦高通量表型信息获取装置所述小麦进行检测。
控制两个第一步进电机带动第一车轮以一定的速度前进，同时，红外测距传感器实时检测与小麦的距离，并将信息反馈给控制器，进而调整两个第一步进电机的转速，采用PID控制保证该装置在小麦的行间的空白地中运动。
控制超声波传感器实时检测每行小麦，将输出的模拟电压信号发送给所述控制器，可得到超声波传感器与冠层之间的距离，再由超声波传感器与地面的一定关系，可得到小麦的株高；
控制两个第一步进电机带动第二车轮以一定的速度前进，同时，红外测距传感器实时检测与小麦的距离，并将信息反馈给控制器，进而调整两个第一步进电机的转速，采用PID控制保证该装置在小麦的行间的空白地中运动。
控制超声波传感器实时检测每行小麦，将输出的模拟电压信号发送给所述控制器，可得到超声波传感器与冠层之间的距离D，并根据公式：h＝H-D，可得到小麦的株高h，
其中：H—超声波传感器与地面的距离，可由尺子直接测量。
控制三个NDVI传感器同时工作，NDVI传感器根据垂直向上的NDVI传感器测量向下反射太阳辐射值，垂直向下的NDVI传感器测量向上反射太阳辐射值，并根据公式：
得到NDVI的数值，用于评价田地小麦的水分胁迫，便于后续的田间管理，
其中：NIRU—在近红外波段下向上的太阳辐射值，
NIRD—在近红外波段下向下的太阳辐射值，
REDU—在红色波段下向上的太阳辐射值，
REDD—在红色波段下向下的太阳辐射值。
控制数字相机与便携式高光谱仪同时开始工作，同时控制第一步进电机停止运动并发送信号刷新GPS模块重新获取此时的位置信息。6s后第一步进电机运动，同时将数字相机获得的图像和高光谱仪获得的光谱信息分别发送给所述控制器和所述计算机。6s后获取装置重复上述工作流程，直到完成整个田地的测量工作。
S103,将获取到的数据进行处理。
将获取到的数据进行处理，包括：将光谱信息输入已建立好的数学模型中，可检测到小麦叶枯病(STB)以及量化感病的严重程度，将光谱信息与控制器中GPS模块的历史数据相匹配，可以准确地检测出该田地中叶枯病严重的区域；将数字相机获得的图像进行图像处理，从而可得到每张图像中的总穗数，同时由控制器中GPS模块的历史数据定位出每张图像对应的实际地块，并测量出每一地块的面积，进而获得小麦的穗密度。
上述实施例对田间小麦高通量表型信息获取装置的控制方法是针对小麦处于抽穗期进行小麦表型信息的获取，当小麦处于开花期前后，本申请还提供了另一种田间小麦高通量表型信息获取装置控制方法的实施例。参见图5，所述方法包括:
S201，如果小麦处于开花期前后，则对田间小麦高通量表型信息获取装置的各个部件进行调整。
调整伸缩杆的高度和红外测距传感器的设置范围、设置超声波传感器的个数、初始化GPS模块。
S202，控制田间小麦高通量表型信息获取装置对所述小麦进行检测。
控制第一步进电机、红外测距传感器和超声波传感器工作，装置运动10s后停止，控制器可获得超声波传感器与冠层之间的距离D，进而得到目前检测的地块中的平均距离，根据超声波传感器与网络相机的一定位置关系，同时控制第二步进电机转动带动丝杠运动，使得两个网络相机位于小麦的麦穗位置；控制第一步进电机工作6s，使装置向前运动；控制数字相机与便携式高光谱仪同时开始工作，同时控制第一步进电机停止工作并发送信号刷新GPS模块重新获取此时的位置信息；6s后第一步进电机工作，同时将数字相机获得的图像和高光谱仪获得的光谱信息分别发送给控制器和计算机。
S203，6s后再次控制数字相机与便携式高光谱仪同时开始工作，同时控制第一步进电机停止工作并发送信号刷新GPS模块重新获取此时的位置信息，直到完成整个田地的小麦测量工作。
本申请实施例还提供了一种控制器，参见图6，所述控制器30包括：处理器301、存储器302和通信接口303。
在图6中，处理器301、存储器302和通信接口303可以通过总线相互连接；总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图6中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
处理器301通常是控制控制器30的整体功能，例如控制器的启动、以及控制器启动后对田间小麦高通量表型信息获取装置的步进电机、红外测距传感器、数字相机、NDVI传感器和超声波传感器控制等。此外，处理器301可以是通用处理器，例如，中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。处理器也可以是微处理器(MCU)。处理器还可以包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(ASIC)，可编程逻辑器件(PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(FPGA)等。
存储器302被配置为存储计算机可执行指令以支持控制器30数据的操作。存储器301可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
启动控制器30后，处理器301和存储器302上电，处理器301读取并执行存储在存储器302内的计算机可执行指令，以完成对田间小麦高通量表型信息获取装置的控制，实现田间小麦高通量表型信息的获取。
通信接口303用于控制器30传输数据，例如实现与步进电机、红外测距传感器、数字相机、NDVI传感器和超声波传感器等之间的数据通信。通信接口303包括有线通信接口，还可以包括无线通信接口。其中，有线通信接口包括USB接口、Micro USB接口，还可以包括以太网接口。无线通信接口可以为WLAN接口，蜂窝网络通信接口或其组合等。
在一个示意性实施例中，本申请实施例提供的控制器30还包括通信组件，通信组件被配置为便于控制器30和其他设备之间有线或无线方式的通信。控制器30可以接入基于通信标准的无线网络，如WiFi，2G或3G，或它们的组合。通信组件经由广播信道接收来自外部广播管理系统的广播信号或广播相关信息。通信组件还包括近场通信(NFC)模块，以促进短程通信。例如，在NFC模块可基于射频识别(RFID)技术，红外数据协会(IrDA)技术，超宽带(UWB)技术，蓝牙(BT)技术和其他技术来实现。
在一个示意性实施例中，控制器30可以被一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、处理器或其他电子元件实现。
本申请说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于控制方法及控制器实施例而言，由于其中涉及的获取装置基本相似于获取装置的实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。
Claims (10)
1.一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，包括：车架、测量装置和控制系统，所述测量装置和所述控制系统固定设置在所述车架上，其中：所述车架包括车架本体(1)、伸缩杆(2)、支撑架(3)、第一车轮(4)和第二车轮(5)，所述第一车轮(4)和所述第二车轮(5)分别设置有两个，每个车轮对应设置一个所述支撑架(3)，所述支撑架(3)与所述车架本体(1)之间设置所述伸缩杆(2)，所述伸缩杆(2)分别连接所述车架本体(1)和所述支撑架(3)，所述第一车轮(4)和第二车轮(5)分别与对应的所述支撑架(3)活动连接；
所述测量装置包括：网络相机(6)、超声波传感器(7)、NDVI传感器、数字相机(8)、便携式高光谱仪(9)和红外测距传感器(10)，所述网络相机(6)设置在所述车架本体(1)中间位置，且所述网络相机(6)的镜头朝向为水平方向，所述超声波传感器(7)设置在所述车架本体(1)靠近所述第二车轮(5)的一端，所述超声波传感器(7)的检测端朝下，所述NDVI传感器设置在所述车架本体(1)与所述超声波传感器(7)设置位置相邻，所述数字相机(8)设置在于所述NDVI传感器相同位置，且镜头朝向与其中一个NDVI传感器的检测端设置方向相反，所述数字相机(8)的镜头朝下，所述便携式高谱仪(9)设置在靠近所述第一车轮(4)的一端，所述便携式高谱仪(9)的镜头朝下；所述红外测距传感器(10)固定设置在所述第二车轮(5)的支撑架(3)上；
所述控制系统包括：计算机(11)、控制器(12)和步进电机，所述计算机(11)、所述控制器(12)和所述步进电机均固定设置在所述车架本体(1)上，所述计算机(11)与所述网络相机(6)和所述便携式高光谱仪(9)电连接；所述控制器(12)与所述步进电机、红外测距传感器(10)、数字相机(8)、NDVI传感器和超声波传感器(7)电连接，所述步进电机用于驱动所述获取装置运行。
2.根据权利要求1所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述车架本体(1)包括第一方杆(13)、第二方杆(14)、第一圆杆(15)、第二圆杆(16)、第三圆杆(17)和第四圆杆(18)，所述第一方杆(13)分别连接所述第一圆杆(15)和所述第二圆杆(16)的第一端，所述第二方杆(14)分别连接所述一圆杆和所述第二圆杆(16)的第二端，所述第三圆杆(17)和所述第四圆杆(18)的两端分别与所述第一圆杆(15)和所述第二圆杆(16)固定连接，所述第三圆杆(17)和所述第四圆杆(18)均匀分布在所述第一方杆(13)和所述第二方杆(14)之间。
3.根据权利要求2所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述支撑架(3)为六边形支撑架，所述第一车轮(4)对应的支撑架(3)通过所述伸缩杆(2)与所述第一方杆(13)的两端相连接；所述第二车轮(5)对应的支撑架(3)通过所述伸缩杆(2)与所述第二方杆(14)的两端相连接。
4.根据权利要求3所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述第一圆杆(15)和所述第二圆杆(16)中间设置均连接一丝杆(19)，两个所述丝杆(19)分别与所述第一圆杆(15)和所述第二圆杆(16)固定连接，所述网络相机(6)设置有两个，且分别设置在两个所述丝杆(19)上，两个所述网络相机(6)的镜头朝向内侧。
5.根据权利要求4所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述超声波传感器(7)设置有多个，多个所述超声波传感器(7)通过第一连接件(20)固定设置在所述第二方杆(14)上，且多个所述超声波传感器(7)均匀设置，多个所述超声波传感器(7)的检测端均垂直朝下。
6.根据权利要求5所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述NDVI传感器包括第一NDVI传感器(21)、第二NDVI传感器(22)和第三NDVI传感器(23)，所述第一NDVI传感器(21)通过第二连接件(24)固定设置在所述第四圆杆(18)的中间位置，且所述第一NDVI传感器(21)的检测端朝上，所述第二NDVI传感器(22)和所述第三NDVI传感器(23)分别通过所述第二连接件(24)固定在所述第四圆杆(18)的两端，且所述第二NDVI传感器(22)和所述第三NDVI传感器(23)的检测端垂直朝下；所述数字相机(8)设置在所述第四圆杆(18)与所述第一NDVI传感器(21)对应的位置，所述数字相机(8)通过第三连接件(25)与所述第四圆杆(18)固定连接，所述第四圆杆(18)的两端还设置有GPS模块(26)，所述GPS模块(26)通过第四连接件(27)固定设置在所述第四圆杆(18)的一端，所述GPS模块(26)与所述计算机(11)电连接。
7.根据权利要求6所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述便携式高光谱仪(9)通过第五连接件(28)固定设置在所述第三圆杆(17)的中间位置，所述红外测距传感器(10)固定设置在所述第二车轮(5)的支撑架(3)上。
8.根据权利要求7所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述步进电机包括第一步进电机(29)和第二步进电机(30)，所述第一步进电机(29)包括两个，且两个所述第一步进电机(29)分别固定安装在与第一车轮(4)连接的所述支撑架(3)的外侧，且所述第一步进电机(29)的输出轴上固装有齿轮，两个所述第一车轮(4)上设有与所述齿轮啮合的齿圈，所述齿轮与所述齿圈啮合连接；
所述第二步进电机(30)设置有两个，两个所述第二步进电机(30)分别固定设置在两个所述丝杆(19)靠近圆杆的一端，所述第二步进电机(30)的输出轴上固装有齿轮，两个所述丝杆(19)上设有与所述齿轮啮合的齿圈，所述齿轮与所述齿圈啮合连接。
9.根据权利要求8所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述车架本体(1)靠近所述第三圆杆(17)的一端设置有一支撑板(31)，所述支撑板(31)两端分别与所述第一圆杆(15)和所述第二圆杆(16)固定连接，所述计算机(11)和所述控制器(12)固定设置在所述支撑板(31)上；
所述支撑板(31)上还设置一电源(32)，所述电源(32)分别与所述计算机(11)、所述控制器(12)、所述步进电机、所述网络相机(6)、所述超声波传感器(7)、所述NDVI传感器、所述数字相机(8)、所述便携式高光谱仪(9)和所述红外测距传感器(10)电连接。
10.一种田间小麦高通量表型信息获取装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
确定小麦所处的成长期，所述成长期包括小麦处于抽穗期和开花期前后；
如果所述小麦处于抽穗期，则对所述获取装置的各个部件进行调整，包括：根据测量田地中小麦的大致高度，调整伸缩杆的高度，使得第四圆杆所在水平面距小麦冠层90cm；根据两个第二车轮在测量田地中横跨小麦的行数，设置超声波传感器的个数，并且保证每个超声波传感器检测一行小麦；通过GPS模块定位测量地块的初始位置；根据小麦行间距的大小，调整红外测距传感器的设置范围；
控制所述获取装置对所述小麦进行检测，包括：控制两个第一步进电机带动第一车轮以一定的速度前进，同时，红外测距传感器实时检测与小麦的距离，并将信息反馈给控制器，进而调整两个第一步进电机的转速，采用PID控制保证该装置在小麦的行间的空白地中运动；控制超声波传感器实时检测每行小麦，将输出的模拟电压信号发送给所述控制器，可得到超声波传感器与冠层之间的距离，再由超声波传感器与地面的一定关系，可得到小麦的株高；控制三个NDVI传感器同时工作，NDVI传感器根据垂直向上的NDVI传感器测量向下反射太阳辐射值，垂直向下的NDVI传感器测量向上反射太阳辐射值，可得到NDVI的数值；控制数字相机与便携式高光谱仪同时开始工作，同时控制第一步进电机停止运动并发送信号刷新GPS模块重新获取此时的位置信息；6s后第一步进电机运动，同时将数字相机获得的图像和高光谱仪获得的光谱信息分别发送给控制器和计算机；6s后获取装置重复上述工作流程，直到完成整个田地的测量工作；
将获取到的数据进行处理，包括：将光谱信息输入已建立好的数学模型中，可检测到小麦叶枯病(STB)以及量化感病的严重程度，将光谱信息与控制器中GPS模块的历史数据相匹配，可以准确地检测出该田地中叶枯病严重的区域；将数字相机获得的图像进行图像处理，从而可得到每张图像中的总穗数，同时由控制器中GPS模块的历史数据定位出每张图像对应的实际地块，并测量出每一地块的面积，进而获得小麦的穗密度；
如果所述小麦处于开花期前后，则对所述获取装置的各个部件进行调整，包括：调整伸缩杆的高度和红外测距传感器的设置范围、设置超声波传感器的个数、初始化GPS模块；
控制所述获取装置对所述小麦进行检测，包括：控制第一步进电机、红外测距传感器和超声波传感器工作，装置运动10s后停止，控制器可获得超声波传感器与冠层之间的距离D，进而得到目前检测的地块中的平均距离，根据超声波传感器与网络相机的一定位置关系，同时控制第二步进电机转动带动丝杠运动，使得两个网络相机位于小麦的麦穗位置；控制第一步进电机工作6s，使装置向前运动；控制数字相机与便携式高光谱仪同时开始工作，同时控制第一步进电机停止工作并发送信号刷新GPS模块重新获取此时的位置信息；6s后第一步进电机工作，同时将数字相机获得的图像和高光谱仪获得的光谱信息分别发送给控制器和计算机；
6s后再次控制数字相机与便携式高光谱仪同时开始工作，同时控制第一步进电机停止工作并发送信号刷新GPS模块重新获取此时的位置信息，直到完成整个田地的小麦测量工作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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