CN111750777A - 自走式作物表型高通量检测装置 - Google Patents

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杨万能
宋鹏
冯慧
梁秀英
段凌凤
翟瑞芳
叶军立
卢少志
李为坤
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    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G01S15/08—Systems for measuring distance only

Abstract

本发明公开了一种自走式作物表型高通量检测装置。该装置同时适用于田间和室内环境的表型检测，适用于作物不同生育期、不同生长高度的检测。该装置由包括高地隙轮式移动底盘、作物信息采集模块、检测暗室、轮侧遮光板、检测区自动配准单元、采集控制系统在内的多个功能模块组成。该装置检测过程跨苗移动，从作物上方进行表型信息采集，检测过程可根据作物高度自动调整采集传感器的位置，同时适用于田间及室内环境，不同生育期、不同生长高度作物表型高通量检测。相比现有技术，具备检测精度高、稳定性好、适用性强的优势，同时兼顾了检测效率。

Description

自走式作物表型高通量检测装置
技术领域
本发明属于作物表型检测领域，具体涉及一种自走式作物表型检测装置及方法，可同时适用于田间及室内作物表型检测，实现作物表型信息的快速、准确、高通量无损测量，兼顾精度和效率。
背景技术
实现作物表型信息的高通量准确获取，是作物育种规模和效率提升的关键步骤，也是当前作物育种方向的重要研究内容。在获取作物信息时，由于室内和田间作物生长环境差异，不同作物的生长形态及待检测参数差异，且处于不同生长期的作物均有检测需求。研究能适应不同作物、不同检测环境(室内、田间)、不同生育期的高通量、准确、快速、无损的作物表型检测装置及方法成为热点及难点。
在此背景下，国内外出现了不同作物高通量表型检测技术装置，主要分为两类。一类是室内表型检测装置，国内外研究相对成熟。典型的如德国LemnaTec公司开发的室内表型检测平台，国内华中科技大学和华中农业大学合作开发的盆栽水稻表型参数全自动无损测量系统等，均可以实现不同作物的表型高通量测量。但这些平台固定于室内，造价昂贵，且处理对象为盆栽农作物。另一类是田间表型检测装置，如发明专利“农作物表型田间高通量主动测量装置与方法”(申请号：201610006752.8)将成像部分通过桁架置于实验田上面，且测量前通过机械手将检测对象周围作物向两边拨开，桁架在田间移动不便，且结构复杂；发明专利“田间作物表型监测机器人”(申请号：201811273308.8)提出了一种三轮田间移动平台，但对其能搭载的表型检测传感器及测量方法未进行描述；发明专利“一种基于田间的高通量作物表型机器人及其控制系统”(申请号：201910283505.6)提出的表型机器人无法跨苗行走，检测过程需要预留专门行驶区域，且无法消除自然环境对检测结果的影响。
为解决上述技术问题，本发明构建了一种可同时适用于田间及室内环境的自走式作物表型高通量无损检测装置。能够克服外界环境对检测结果影响，实现高通量大规模的作物表型无损准确检测，同时兼顾检测精度与检测效率。
发明内容
本发明提供一种可同时适用于田间及室内环境的自走式作物表型高通量无损检测装置，具体发明内容如下：
一种自走式作物表型高通量检测装置，同时适用于田间和室内环境的表型检测，适用于作物不同生育期、不同生长高度的检测，其特征在于：该装置由包括高地隙轮式移动底盘、作物信息采集模块、检测暗室、轮侧遮光板、检测区自动配准单元、采集控制系统在内的多个功能模块组成，检测过程跨苗移动，从作物上方进行信息采集，检测过程可实时测量作物的高度，并根据作物高度自动调整所述信息采集模块，保证采集视场和所采集数据的一致性，检测暗室随着高地隙轮式移动底盘运动，检测过程在检测暗室内进行，检测暗室在车轮行驶方向两侧下端安装有轮侧遮光板，可避免检测过程从轮侧漏光，保证检测精度；检测暗室的顶面和两侧面采用铝板并对内侧进行喷黑处理；检测暗室前后采用带轨道的电动黑色不透光帘布，帘布的升降采用低压直流伺服电机控制；检测过程中，帘布的升降距离l根据检测过程所计算的作物冠层高度h自动调整，兼顾检测稳定性和检测效率，不仅保证暗环境检测，且可避免帘布升降行程过大、耗费时间过长。
具体地，检测暗室顶部安装LED光源，为表型检测平台提供稳定的光照环境，LED光源光照强度自动可调，根据实际检测需求，设置为某一特定光照强度。
具体地，作物信息采集模块包括采集传感器、超声传感器及采集平台；所述的采集传感器包含可见光相机、热红外相机、高光谱相机，还可根据需求挂载其他种类传感器；超声传感器与采集传感器一起挂载在采集平台上，用于检测采集传感器距离检测对象冠层的距离d，并进行控制调节；采集平台为二自由度移动平台，由两个竖直安装的直线导轨和一个水平安装的直线导轨组成，水平安装的直线导轨可沿两个竖直安装的直线导轨做上下运动，进而带动作物信息采集模块上下移动；采集传感器及超声传感器沿采集平台水平安装的直线导轨在水平方向移动。
具体地，作物冠层高度h的具体计算方法为：
h＝H0-s-d
其中，H0为初始位置处，采集传感器与地面的距离，为定量；
s为采集传感器沿竖直方向移动的距离，为测得已知量；
d为采集传感器距离检测对象冠层的距离，为测得已知量。
具体地，帘布升降距离l可根据作物冠层高度h自动调整，通过调整帘布升降伺服电机的旋转圈数n来实现；为兼顾检测效率和检测效果，设置帘布放下时其下端距离地面的高度hd＝0.5h，帘布升起时其下端距离地面的高度hu＝1.5h；检测过程，控制伺服电机将帘布从初始位置放置至其下端距离地面高度hd处，需旋转的圈数nd的计算方法如下：
Figure BSA0000212582450000031
则，
Figure BSA0000212582450000032
其中，π是圆周率，为常数；H为伺服电机轴中心距离地面的高度，为已知固定值；D0为帘布卷轴的初始直径D0，为已知固定值；
Figure BSA0000212582450000033
为帘布卷起后每层的平均厚度，为已知固定值；hd为作物冠层高度h的0.5倍；
控制伺服电机将布帘下端从距离地面高度hd处升至距离地面高度hu处，或将布帘下端从距离地面高度hu处降至距离地面高度hd，需旋转的圈数nu的计算方法如下：
Figure BSA0000212582450000034
则，
Figure BSA0000212582450000035
其中，π是圆周率，为常数；D0为帘布卷轴的初始直径，为已知固定值；
Figure BSA0000212582450000036
为帘布卷起后每层的平均厚度，为已知固定值；nd为从布帘下端从初始最高位置处移动至其下端距离地面高度hd处需旋转的圈数，为计算值；hu为作物冠层高度h的1.5倍；
针对不同高度作物连续采集，控制伺服电机运动方式以此类推。
具体地，采集传感器及超声传感器通过连接件固定于所述采集平台上方，采集过程中根据检测小区的作物高度，通过采集平台自动调整采集传感器的高度；采集传感器沿着与行驶方向相垂直的方向，左右移动。
具体地，采集传感器水平方向移动范围为0-1.5m，垂直方向移动范围为：0-2m；单次可检测的作物小区宽度范围为0-2m，可检测的作物高度范围为0-3m；满足包括玉米、小麦、水稻、油菜、大豆在内的多种作物检测需求。
具体地，使用前需将各检测小区编号写入RFID标签内，并将标签按照相同规律置于各检测小区中；检测小区自动配准单元通过RFID读写装置感应并读取RFID标签信息，与所测得的表型数据进行关联，实现检测小区与所测得的表型参数对应归类，无需后续手动对数据进行分类。
具体地，PLC分别与轮式移动底盘电机、作物信息采集模块的采集平台电机、作物冠层感应传感器、RFID读写装置相连，用于控制作物表型高通量无损检测装置的移动、采集传感器信息采集、检测区域自动配准；PLC同时与工控机相连，通过串口实现通信；工控机与采集传感器连接，基于PLC反馈的信号，控制各个传感器进行数据采集、显示及存储。
该自走式作物表型高通量检测装置的有益效果包括：
(1)通用性强、适应性广。
本发明采用四轮驱动四轮转向的高地隙移动平台，搭载多种不同功能采集传感器，可同时适用于田间及室内环境的不同作物表型检测参数测量需求；采集传感器固定于检测暗室顶部，适用于不同生育期不同生长高度的作物。
(2)全自动、高效率、高通量。
将写入小区(对象)编号的RFID标签置于各检测小区(对象)后，即可开始作物表型信息自动采集。可同时采集可见光、热红外、高光谱等多类数据信息，且能将检测到的数据与目标小区(对象)自动关联。与传统方式相比，检测通量和效率高，且无需人工参与。
(3)检测稳定性强、一致性好。
检测过程在检测暗室内完成，且自带光源，检测不受外界光源影响，确保检测环境的一致性，检测稳定性高。检测传感器高度自动调节，保证传感器与检测对象的冠层间距一定，所采集数据的一致性好。
(4)兼顾检测效率和稳定性。
检测过程中，帘布的升降距离l根据检测过程所计算的作物冠层高度h自动调整，兼顾检测稳定性和检测效率，不仅保证暗环境检测，且可避免帘布升降行程过大、耗费时间过长。
附图说明
图1自走式作物表型高通量检测装置工作状态
图2自走式作物表型高通量检测装置非工作状态
图3作物信息采集模块
图中1.高地隙轮式移动底盘 2.轮侧遮光板 3.显示及控制界面 4.导航天线 5.电动遮光帘布 6.遮光帘布升降伺服电机 7.LED光源 8.二自由度移动平台 9.上下移动导轨 10.检测暗室 11.高光谱相机 12.可见光相机 13.热红外相机 14.超声传感器15.RFID读写装置
具体实施方式
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案，提供了一种自走式作物表型高通量检测装置。其具体实施方案为：
一种自走式作物表型高通量检测装置，同时适用于田间和室内环境的表型检测，适用于作物不同生育期、不同生长高度的检测，其特征在于：该装置由包括高地隙轮式移动底盘、作物信息采集模块、检测暗室、轮侧遮光板、检测区自动配准单元、采集控制系统在内的多个功能模块组成，检测过程跨苗移动，从作物上方进行信息采集，检测过程可实时测量作物的高度，并根据作物高度自动调整所述信息采集模块，保证采集视场和所采集数据的一致性，检测暗室随着高地隙轮式移动底盘运动，检测过程在检测暗室内进行，检测暗室在车轮行驶方向两侧下端安装有轮侧遮光板，可避免检测过程从轮侧漏光，保证检测精度；检测暗室的顶面和两侧面采用铝板并对内侧进行喷黑处理；检测暗室前后采用带轨道的电动黑色不透光帘布，帘布的升降采用低压直流伺服电机控制；检测过程中，帘布的升降距离l根据检测过程所计算的作物冠层高度h自动调整，兼顾检测稳定性和检测效率，不仅保证暗环境检测，且可避免帘布升降行程过大、耗费时间过长。
具体地，检测暗室顶部安装LED光源，为表型检测平台提供稳定的光照环境，LED光源光照强度自动可调，根据实际检测需求，设置为某一特定光照强度。
具体地，作物信息采集模块包括采集传感器、超声传感器及采集平台；所述的采集传感器包含可见光相机、热红外相机、高光谱相机，还可根据需求挂载其他种类传感器；超声传感器与采集传感器一起挂载在采集平台上，用于检测采集传感器距离检测对象冠层的距离d，并进行控制调节；采集平台为二自由度移动平台，由两个竖直安装的直线导轨和一个水平安装的直线导轨组成，水平安装的直线导轨可沿两个竖直安装的直线导轨做上下运动，进而带动作物信息采集模块上下移动；采集传感器及超声传感器沿采集平台水平安装的直线导轨在水平方向移动。
具体地，作物冠层高度h的具体计算方法为：
h＝H0-s-d
其中，H0为初始位置处，采集传感器与地面的距离，为定量；
s为采集传感器沿竖直方向移动的距离，为测得已知量；
d为采集传感器距离检测对象冠层的距离，为测得已知量。
具体地，帘布升降距离l可根据作物冠层高度h自动调整，通过调整帘布升降伺服电机的旋转圈数n来实现；为兼顾检测效率和检测效果，设置帘布放下时其下端距离地面的高度hd＝0.5h，帘布升起时其下端距离地面的高度hu＝1.5h；检测过程，控制伺服电机将帘布从初始位置放置至其下端距离地面高度hd处，需旋转的圈数nd的计算方法如下：
Figure BSA0000212582450000051
则，
Figure BSA0000212582450000052
其中，π是圆周率，为常数；H为伺服电机轴中心距离地面的高度，为已知固定值；D0为帘布卷轴的初始直径D0，为已知固定值；
Figure BSA0000212582450000061
为帘布卷起后每层的平均厚度，为已知固定值；hd为作物冠层高度h的0.5倍；
控制伺服电机将布帘下端从距离地面高度hd处升至距离地面高度hu处，或将布帘下端从距离地面高度hu处降至距离地面高度hd，需旋转的圈数nu的计算方法如下：
Figure BSA0000212582450000062
则，
Figure BSA0000212582450000063
其中，π是圆周率，为常数；D0为帘布卷轴的初始直径，为已知固定值；
Figure BSA0000212582450000064
为帘布卷起后每层的平均厚度，为已知固定值；nd为从布帘下端从初始最高位置处移动至其下端距离地面高度hd处需旋转的圈数，为计算值；hu为作物冠层高度h的1.5倍；
针对不同高度作物连续采集，控制伺服电机运动方式以此类推。
具体地，采集传感器及超声传感器通过连接件固定于所述采集平台上方，采集过程中根据检测小区的作物高度，通过采集平台自动调整采集传感器的高度；采集传感器沿着与行驶方向相垂直的方向，左右移动。
具体地，采集传感器水平方向移动范围为0-1.5m，垂直方向移动范围为：0-2m；单次可检测的作物小区宽度范围为0-2m，可检测的作物高度范围为0-3m；满足包括玉米、小麦、水稻、油菜、大豆在内的多种作物检测需求。
具体地，使用前需将各检测小区编号写入RFID标签内，并将标签按照相同规律置于各检测小区中；检测小区自动配准单元通过RFID读写装置感应并读取RFID标签信息，与所测得的表型数据进行关联，实现检测小区与所测得的表型参数对应归类，无需后续手动对数据进行分类。
具体地，PLC分别与轮式移动底盘电机、作物信息采集模块的采集平台电机、作物冠层感应传感器、RFID读写装置相连，用于控制作物表型高通量无损检测装置的移动、采集传感器信息采集、检测区域自动配准；PLC同时与工控机相连，通过串口实现通信；工控机与采集传感器连接，基于PLC反馈的信号，控制各个传感器进行数据采集、显示及存储。
具体地，还可以按照如下操作步骤：
(1)准备工作：对拟检测小区(对象)根据各自需求进行编号，将编号写入RFID标签内，将写入编号的标签按照统一规则置于待检测小区(对象)中。
(2)系统初始化：按下启动按钮，给系统所有用电设备上电，自动进行系统初始化。此时遮光布帘自动升起至最高处，采集平台水平方向移动至中心位置处，垂直方向移动至最高位置处。通过遥控器控制自走式作物表型高通量检测装置移动至检测起始位置后。规划好平台运行轨迹。
(3)采集软件启动：启动工控机上的采集软件，设置采集数据的存储路径，设置好小车的检测传感器与作物的检测距离，随后开始自动采集。此时检测装置会沿规划好的运行轨迹进行移动。
(4)开始检测：小车移动过程RFID读写装置不断读取数据，匹配成功后读取信息，此时小车停止移动。随后超声传感器测量其与检测对象的距离并调节采集平台使传感器与检测对象的距离为设置距离。与此同时，遮光布连自动下落形成检测暗暗室，且采集平台带着采集传感器向左移动，直至到达最左端位置处。
(5)数据采集：采集传感器移动至最左端后，按照设定速度，沿水平方向移动，同时各传感器开始连续采集数据，直至移动至最右端后停止。采集的数据自动存储在所设置路径下，以从RFID读取的标号为名的文件夹内。随后采集平台向左水平移动至初始位置，遮光布连自动升起。小车继续运动，如此往复。
(6)停止运行，在采集软件中点击停止采集后，作物表型高通量检测装置停止采集，此时所有硬件自动恢复至初始位置。即遮光布帘自动升起至最高处，采集平台水平方向移动至中心位置处，垂直方向移动至最高位置处。遥控该检测装置移动至目标位置后，系统断电。
本申请中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种自走式作物表型高通量检测装置，同时适用于田间和室内环境的表型检测，适用于作物不同生育期、不同生长高度的检测，其特征在于：该装置由包括高地隙轮式移动底盘、作物信息采集模块、检测暗室、轮侧遮光板、检测区自动配准单元、采集控制系统在内的多个功能模块组成，检测过程跨苗移动，从作物上方进行信息采集，检测过程可实时测量作物的高度，并根据作物高度自动调整所述信息采集模块，保证采集视场和所采集数据的一致性，检测暗室随着高地隙轮式移动底盘运动，检测过程在检测暗室内进行，检测暗室在车轮行驶方向两侧下端安装有轮侧遮光板，可避免检测过程从轮侧漏光，保证检测精度；检测暗室的顶面和两侧面采用铝板并对内侧进行喷黑处理；检测暗室前后采用带轨道的电动黑色不透光帘布，帘布的升降采用低压直流伺服电机控制；检测过程中，帘布的升降距离l根据检测过程所计算的作物冠层高度h自动调整，兼顾检测稳定性和检测效率，不仅保证暗环境检测，且可避免帘布升降行程过大、耗费时间过长。
2.根据权利要求1所述的自走式作物表型高通量检测装置，其特征在于：检测暗室顶部安装LED光源，为表型检测平台提供稳定的光照环境，LED光源光照强度自动可调，根据实际检测需求，设置为某一特定光照强度。
3.根据权利要求2所述的自走式作物表型高通量检测装置，其特征在于：作物信息采集模块包括采集传感器、超声传感器及采集平台；所述的采集传感器包含可见光相机、热红外相机、高光谱相机，还可根据需求挂载其他种类传感器；超声传感器与采集传感器一起挂载在采集平台上，用于检测采集传感器距离检测对象冠层的距离d，并进行控制调节；采集平台为二自由度移动平台，由两个竖直安装的直线导轨和一个水平安装的直线导轨组成，水平安装的直线导轨可沿两个竖直安装的直线导轨做上下运动，进而带动作物信息采集模块上下移动；采集传感器及超声传感器沿采集平台水平安装的直线导轨在水平方向移动。
4.根据权利要求3所述的自走式作物表型高通量检测装置，其特征在于，作物冠层高度h的具体计算方法为：
h＝H0-s-d
其中，H0为初始位置处，采集传感器与地面的距离，为定量；
s为采集传感器沿竖直方向移动的距离，为测得已知量；
d为采集传感器距离检测对象冠层的距离，为测得已知量。
5.根据权利要求4所述的自走式作物表型高通量检测装置，其特征在于，帘布升降距离l可根据作物冠层高度h自动调整，通过调整帘布升降伺服电机的旋转圈数n来实现；为兼顾检测效率和检测效果，设置帘布放下时其下端距离地面的高度hd＝0.5h，帘布升起时其下端距离地面的高度hu＝1.5h；检测过程，控制伺服电机将帘布从初始位置放置至其下端距离地面高度hd处，需旋转的圈数nd的计算方法如下：
Figure FSA0000212582440000021
则，
Figure FSA0000212582440000022
其中，π是圆周率，为常数；H为伺服电机轴中心距离地面的高度，为已知固定值；D0为帘布卷轴的初始直径，为已知固定值；
Figure FSA0000212582440000023
为帘布卷起后每层的平均厚度，为已知固定值；hd为作物冠层高度h的0.5倍；
控制伺服电机将布帘下端从距离地面高度hd处升至距离地面高度hu处，或将布帘下端从距离地面高度hu处降至距离地面高度hd，需旋转的圈数nu的计算方法如下：
Figure FSA0000212582440000024
则，
Figure FSA0000212582440000025
其中，π是圆周率，为常数；D0为帘布卷轴的初始直径，为已知固定值；
Figure FSA0000212582440000026
为帘布卷起后每层的平均厚度，为已知固定值；nd为从布帘下端从初始最高位置处移动至其下端距离地面高度hd处需旋转的圈数，为计算值；hu为作物冠层高度h的1.5倍；
针对不同高度作物连续采集，控制伺服电机运动方式以此类推。
6.根据权利要求5所述的自走式作物表型高通量检测装置，其特征在于，采集传感器及超声传感器通过连接件固定于所述采集平台上方，采集过程中根据检测小区的作物高度，通过采集平台自动调整采集传感器的高度；采集传感器沿着与行驶方向相垂直的方向，左右移动。
7.根据权利要求1所述的自走式作物表型高通量检测装置，其特征在于，采集传感器水平方向移动范围为0-1.5m，垂直方向移动范围为：0-2m；单次可检测的作物小区宽度范围为0-2m，可检测的作物高度范围为0-3m；满足包括玉米、小麦、水稻、油菜、大豆在内的多种作物检测需求。
8.根据权利要求1所述的自走式作物表型高通量检测装置，其特征在于，使用前需将各检测小区编号写入RFID标签内，并将标签按照相同规律置于各检测小区中；检测小区自动配准单元通过RFID读写装置感应并读取RFID标签信息，与所测得的表型数据进行关联，实现检测小区与所测得的表型参数对应归类，无需后续手动对数据进行分类。
9.根据权利要求1所述的自走式作物表型高通量检测装置，其特征在于，PLC分别与轮式移动底盘电机、作物信息采集模块的采集平台电机、作物冠层感应传感器、RFID读写装置相连，用于控制作物表型高通量无损检测装置的移动、采集传感器信息采集、检测区域自动配准；PLC同时与工控机相连，通过串口实现通信；工控机与采集传感器连接，基于PLC反馈的信号，控制各个传感器进行数据采集、显示及存储。
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