CN111637342A - 一种面向田间的自走式作物表型获取设备及获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向田间的自走式作物表型获取设备及获取方法，其中面向田间的自走式作物表型获取设备包括自走导航车、安装在自走导航车上的平移式获型装置和环形获型装置，以及驱动所述环形获型装置沿竖向移动的伸缩机构，环形获型装置位于平移式获型装置的下方。本发明通过高光谱相机的横向和纵向平移，实现了对植物顶端的全方位取照，从而实现了对作物冠层的全扫描；通过伸缩机构实现了近红外相机和深度相机的高度位置调整，通过自驱动小车实现了近红外相机和深度相机的周向移动，从而实现了对作物全方位的采集工作；结构简洁，自动化程度高，标准化作业好，大幅提高了田间表型资料获取效率及质量。
Description
技术领域
本发明涉及田间植物的三维重构及冠层扫描技术领域，尤其涉及到一种面向田间的自走式作物表型获取设备及获取方法。
背景技术
植物表型组学是一门研究植物生长状态的新兴科学学科，其使用多种传感器结合控制与计算相关技术，将所获取信息进行深度融合，从而可以高效、准确的研究作物基因、所处环境和植物表型之间的关系，从而进一步促进针对作物的改良、增产技术的进步。在植物表型组学研究过程中植物表型特征参数的获取一直是植物表型组学研究的第一步骤，也是关键步骤。
目前针对田间植物的表型获取装置并不多，其大致可分为三类。一是采用无人机或是基于遥感技术对大片田间作物进行采集，虽然效率较高，但无法获取作物的结构及生长特性的信息；二是采取轨道式采集装置，需在采集区域上方安装轨道，针对一片区域进行采集，局限性较高且造价昂贵；三是使用田间自走设备，但目前面向田间的自走式设备体型较小，无法采集较高的作物，而大型的设备需借助人力，自动化程度低。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种面向田间的自走式作物表型获取设备及获取方法，解决了进行田间植物的表型采集过程中效率低且采集信息不全面的问题，能够实现设备自动识别路径、自动进行冠层扫描、自动根据作物生长情况进行全方位取照，自动化程度高，大幅提高了田间表型资料获取效率和精确度。
本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种面向田间的自走式作物表型获取设备，包括自走导航车、安装在自走导航车上的平移式获型装置和环形获型装置，以及驱动所述环形获型装置沿竖向移动的伸缩机构，环形获型装置位于平移式获型装置的下方。
本发明通过自走导航车实现设备在田间的自行导航行走，通过平移式获型装置在植物顶端移动进行冠层扫描，通过伸缩机构调整环形获型装置的高度位置，利用环形获型装置对作物周向进行扫描，以完成全方位采集工作。
作为优化，所述环形获型装置包括与伸缩机构的伸出端连接的环形轨道和沿环形轨道移动的自驱动小车，自驱动小车上安装有深度相机和朝向作物设置的近红外相机。本优化方案利用自驱动小车的行走带动深度相机和近红外相机绕作物周向移动，结构简单可靠，利用环形轨道给自驱动小车提供导向，保证了每周采集的图像位于同一高度，使采集信息更加准确。
作为优化，环形轨道的下表面开设有供自驱动小车移动的轨道槽。本优化方案将自驱动小车设置在环形轨道下方，更好地避免了自驱动小车移动时与伸缩机构干涉，使结构布置更加方便。
作为优化，伸缩机构的伸出端固接有夹持环形轨道的卡钳。本优化方案的伸缩机构通过卡钳与环形轨道连接，结构简单，安装方便。
作为优化，所述平移式获型装置包括横向导轨、滑接在横向导轨上的纵向导轨、驱动横向导轨平移的第一驱动装置和驱动纵向导轨沿横向导轨移动的第二驱动装置，所述纵向导轨上安装有高光谱相机。本优化方案的平移式获型装置利用第一驱动装置驱动横向导轨沿一定方向移动，通过第二驱动装置驱动纵向导轨沿横向导轨移动，从而实现了纵向导轨上的高光谱相机在平面内的两个方向移动，实现了对冠层的全扫描。
作为优化，横向导轨的两端分别转动连接有导轨轮，自走导航车上固设有与导轨轮的轮槽适配的导向轨。本优化方案通过在横向导轨上设置导轨轮，减小了横向导轨移动时的摩擦阻力，通过设置的导向轨给导轨轮的移动提供导向，从而避免横向导轨发生移动偏斜。
作为优化，所述第一驱动装置包括沿横向导轨移动方向分布的两第一皮带轮、连接两第一皮带轮的第一皮带，以及与至少一个第一皮带轮连接的第一电机，所述第一皮带与横向导轨固定连接。本优化方案的第一驱动装置利用第一电机带动第一皮带轮转动，从而带动第一皮带转动，最终实现横向导轨的平移，结构简单，制作和使用维护成本低。
作为优化，第二驱动装置包括安装在横向导轨上且沿纵向导轨移动方向分布的两第二皮带轮、连接两第二皮带轮的第二皮带，以及与至少一个第二皮带轮连接的第二电机，第二皮带与纵向导轨固定连接。本优化方案的第二驱动装置利用第二电机带动第二皮带轮转动，从而带动第二皮带转动，最终实现纵向导轨的平移，结构简单，制作和使用维护成本低。
作为优化，所述自走导航车包括安装有两前轮和两后轮的车架，以及安装在车架上的智能控制装置，车架的前侧面安装有与智能控制装置电连接的网络相机，两前轮分别连接与智能控制装置电连接的第三电机、第四电机。本优化方案的网络相机将自主导航车行进方向的图像实时传输至智能控制装置，通过网络相机与智能控制装置实现了导航车的自主避障与导向，智能控制装置通过调节第三电机和第四电机同速和差速方式及转速驱动自主导航车进行前进和转向。
本方案还提供一种使用上述获取设备进行的作物表型获取方法，包括如下工作流程：
1、网络相机进行拍照，并将所摄照片发送至智能控制装置，智能控制装置调节第三电机和第四电机将自走导航车驶入拍摄区域；
2、第一电机驱动横向导轨沿横向平移，高光谱相机进行采集工作，待横向导轨移动至另一端，第二电机驱动搭载着高光谱相机的纵向导轨平移设定好的距离后，第一电机反转驱动横向导轨平移，高光谱相机继续进行采集工作；
3、重复步骤2至冠层扫描完成；
4、在进行冠层扫描工作的同时，自驱动小车沿环形轨道行进，自驱动小车搭载的近红外相机及深度相机进行采集工作，待自驱动小车行进一圈，伸缩机构下降，自驱动小车继续进行采集工作；
5、待步骤3、4完成，智能控制装置通过网络相机传送的实时图像引导自走导航车前进，继续进行采集作业。
本发明的有益效果为：通过高光谱相机的横向和纵向平移，实现了对植物顶端的全方位取照，从而实现了对作物冠层的全扫描；通过伸缩机构实现了近红外相机和深度相机的高度位置调整，通过自驱动小车实现了近红外相机和深度相机的周向移动，从而实现了对作物全方位的采集工作；结构简洁，自动化程度高，标准化作业好，大幅提高了田间表型资料获取效率及质量。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为环形获型装置结构示意图；
图3为平移式获型装置结构示意图；
图中所示：
1、自走导航车，2、网络相机，3、第三电机，4、右前轮，5、第四电机，6、电源，7、智能控制装置，8、伸缩机构， 9、平移式获型装置，10、电动伸缩杆，11、卡钳，12、环形轨道，13、近红外相机，14、深度相机，15、自驱动小车，16、第一皮带轮，17、第一皮带，18、横向导轨，19、第二电机，20、第一电机，21、第二皮带，22、纵向导轨，23、高光谱相机，24、第二皮带轮，25、导轨轮。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
如图1所示一种面向田间的自走式作物表型获取设备，包括自走导航车1、安装在自走导航车上的平移式获型装置9和环形获型装置，以及驱动所述环形获型装置沿竖向移动的伸缩机构8，环形获型装置位于平移式获型装置的下方。
环形获型装置包括与伸缩机构的伸出端连接的环形轨道12和沿环形轨道移动的自驱动小车15，环形轨道的下表面开设有供自驱动小车移动的轨道槽，自驱动小车上安装有驱动其行走的驱动电机，自驱动小车15上安装有深度相机14和朝向作物设置的近红外相机13。
伸缩机构的伸出端固接有夹持环形轨道的卡钳11，本实施例的伸缩机构为电动伸缩杆10，通过电动伸缩杆的驱动，环形轨道可以进行沿竖直方向的上升及下降，结构简单，方便控制，电动伸缩杆为四件，呈矩形分布，保证了环形轨道的稳定性，有利于提高表型资料获取的质量。自驱动小车由电机驱动，沿环形轨道上的轨道槽行进，自驱动小车搭载近红外相机和深度相机，通过自驱动小车和伸缩机构实现作物侧面全方位的采集工作。
平移式获型装置包括横向导轨18、滑接在横向导轨上的纵向导轨22、驱动横向导轨平移的第一驱动装置和驱动纵向导轨沿横向导轨移动的第二驱动装置，所述纵向导轨上安装有高光谱相机23。横向导轨的两端分别转动连接有导轨轮25，自走导航车上固设有与导轨轮25的轮槽适配的导向轨。
第一驱动装置包括沿横向导轨移动方向分布的两第一皮带轮16、连接两第一皮带轮16的第一皮带17，以及与至少一个第一皮带轮连接的第一电机20，所述第一皮带17与横向导轨18通过螺栓和螺母固定连接，第一电机通过正反转，带动第一皮带进而控制横向导轨进行横向的平移运动。第二驱动装置包括安装在横向导轨上且沿纵向导轨移动方向分布的两第二皮带轮24、连接两第二皮带轮24的第二皮带21，以及与至少一个第二皮带轮连接的第二电机19，第二皮带与纵向导轨通过螺栓和螺母固定连接，第二电机通过正反转，带动第二皮带进而控制搭载着高光谱相机的纵向导轨进行纵向的平移运动，从而实现植物顶端的全方位取照。
自走导航车包括安装有两前轮和两后轮的车架，以及安装在车架上的智能控制装置7，车架的前侧面安装有与智能控制装置电连接的网络相机2，网络相机将自主导航车行进方向的图像实时传输至智能控制装置，智能控制装置进一步调整第三电机和第四电机完成避障及转向过程。两前轮分别连接与智能控制装置电连接的第三电机3、第四电机5，第三电机3与左前轮通过链条传动连接，第四电机5与右前轮4通过链条传动连接，通过调节第三电机、第四电机同速和差速方式及转速驱动自主导航车进行前进和转向。
自走导航车的车架包括呈矩形分布的四根立杆，以及位于立杆上端且与四根立杆固接的顶架，位于左侧的两立杆之间，以及右侧的两立杆之间均设有横杆，横杆的两端均与立杆焊接，右侧的横杆上固定设置电源6，电源6用于给各用电部件提供电能。顶架包括通过四根立柱固接为一体的上层架和下层架，上层架和下层架均为矩形，上层架的两相对的边为与导轨轮的轮槽适配的导向轨，下层架两相对的边穿过立杆并与立杆固接，智能控制装置安装在下层架的其中一边上。环形轨道整体呈矩形，在拐弯处设置圆弧角过渡，环形轨道位于四根立杆所在的矩形内部，且四个圆弧角分别与四根立杆对应，圆弧角的外侧面与立杆为线接触，利用立杆为环形导轨的上下移动提供导向。
本发明通过伸缩机构调整采集设备的高度位置；通过自驱动小车的行进完成全方位采集工作；通过平移式的双导轨驱动高光谱相机，实现冠层的全扫描；通过网络相机与智能控制装置实现了导航车的自主避障与导向。
使用本实施例获取设备进行的作物表型获取方法，包括如下工作流程：
1、网络相机进行拍照，并将所摄照片发送至智能控制装置，智能控制装置使用边界检测算法，根据田间植株的边界位置调节第三电机3和第四电机5的转向与转速从而将自走导航车驶入拍摄区域；
2、第一电机驱动第一皮带转动，使横向导轨在第一皮带的带动下沿横向平移，高光谱相机进行采集工作，待横向导轨移动至另一端，第二电机驱动搭载着高光谱相机的纵向导轨平移设定好的距离后，第一电机反转驱动横向导轨平移，高光谱相机继续进行采集工作；
3、重复步骤2至冠层扫描完成；
4、在进行冠层扫描工作的同时，自驱动小车沿环形轨道行进，自驱动小车搭载的近红外相机及深度相机进行采集工作，待自驱动小车行进一圈，伸缩机构下降，自驱动小车继续进行采集工作；
5、待步骤3、4完成，伸缩机构与横向导轨、纵向导轨的位置回复至初始位置，智能控制装置通过网络相机传送的实时图像引导自走导航车前进，继续进行采集作业。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明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发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，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发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (10)
1.一种面向田间的自走式作物表型获取设备，其特征在于：包括自走导航车（1）、安装在自走导航车上的平移式获型装置（9）和环形获型装置，以及驱动所述环形获型装置沿竖向移动的伸缩机构（8），环形获型装置位于平移式获型装置的下方。
2.根据权利要求1所述的一种面向田间的自走式作物表型获取设备，其特征在于：所述环形获型装置包括与伸缩机构的伸出端连接的环形轨道（12）和沿环形轨道移动的自驱动小车（15），自驱动小车（15）上安装有深度相机（14）和朝向作物设置的近红外相机（13）。
3.根据权利要求2所述的一种面向田间的自走式作物表型获取设备，其特征在于：环形轨道的下表面开设有供自驱动小车移动的轨道槽。
4.根据权利要求2所述的一种面向田间的自走式作物表型获取设备，其特征在于：伸缩机构的伸出端固接有夹持环形轨道的卡钳（11）。
5.根据权利要求1所述的一种面向田间的自走式作物表型获取设备，其特征在于：所述平移式获型装置包括横向导轨（18）、滑接在横向导轨上的纵向导轨（22）、驱动横向导轨平移的第一驱动装置和驱动纵向导轨沿横向导轨移动的第二驱动装置，所述纵向导轨上安装有高光谱相机（23）。
6.根据权利要求5所述的一种面向田间的自走式作物表型获取设备，其特征在于：横向导轨的两端分别转动连接有导轨轮（25），自走导航车上固设有与导轨轮（25）的轮槽适配的导向轨。
7.根据权利要求5所述的一种面向田间的自走式作物表型获取设备，其特征在于：所述第一驱动装置包括沿横向导轨移动方向分布的两第一皮带轮（16）、连接两第一皮带轮（16）的第一皮带（17），以及与至少一个第一皮带轮连接的第一电机（20），所述第一皮带（17）与横向导轨（18）固定连接。
8.根据权利要求5所述的一种面向田间的自走式作物表型获取设备，其特征在于：第二驱动装置包括安装在横向导轨上且沿纵向导轨移动方向分布的两第二皮带轮（24）、连接两第二皮带轮（24）的第二皮带（21），以及与至少一个第二皮带轮连接的第二电机（19），第二皮带与纵向导轨固定连接。
9.根据权利要求1所述的一种面向田间的自走式作物表型获取设备，其特征在于：所述自走导航车包括安装有两前轮和两后轮的车架，以及安装在车架上的智能控制装置（7），车架的前侧面安装有与智能控制装置电连接的网络相机（2），两前轮分别连接与智能控制装置电连接的第三电机（3）、第四电机（5）。
10.一种使用权利要求1~9任一项获取设备进行的作物表型获取方法，其特征在于，包括如下工作流程：
（1）网络相机进行拍照，并将所摄照片发送至智能控制装置，智能控制装置调节第三电机和第四电机将自走导航车驶入拍摄区域；
（2）第一电机驱动横向导轨沿横向平移，高光谱相机进行采集工作，待横向导轨移动至另一端，第二电机驱动搭载着高光谱相机的纵向导轨平移设定好的距离后，第一电机反转驱动横向导轨平移，高光谱相机继续进行采集工作；
（3）重复步骤（2）至冠层扫描完成；
（4）在进行冠层扫描工作的同时，自驱动小车沿环形轨道行进，自驱动小车搭载的近红外相机及深度相机进行采集工作，待自驱动小车行进一圈，伸缩机构下降，自驱动小车继续进行采集工作；
（5）待步骤（3）、（4）完成，智能控制装置通过网络相机传送的实时图像引导自走导航车前进，继续进行采集作业。
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