CN111766239B - 一种盆栽植物光合速率高通量测量机器人 - Google Patents

一种盆栽植物光合速率高通量测量机器人 Download PDF

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Abstract

植物光合作用一直是植物学研究的重要内容。现有光合速率测量装置难以实现大量盆栽样本光合速率的高通量自动测量。针对此现象，本发明设计了一种盆栽植物光合速率高通量测量机器人。该机器人主要包括自动移动平台、光合速率测量、光照自动调节、盆栽识别、供电装置等部分。通过自动移动平台自主移动至目标盆栽处，实现批量盆栽植株的准确定位和高通量逐盆自动检测。检测过程，本机器人还可自动识别植株冠层位置并调节植株冠层光照强度大小，大大提高了盆栽植物光合速率的检测效率和精度。

Description

一种盆栽植物光合速率高通量测量机器人
技术领域
本发明属于农业智能检测领域，涉及一种植物光合速率检测装置，具体涉及一种针对盆栽植物的光合速率高通量检测机器人，对盆栽植株光合速率进行快速无损检测。
背景技术
植物的碳同化物积累主要通过光合作用完成，对于植物光合作用的研究一直是植物学研究的重要方向。目前，植物的光合速率多采用气体参比法测定，即将植物的整体或一部分至于密闭叶室中，通过测定一定时间内CO2、O2、H2O等物质浓度的变化计算其光合速率。现有光合速率测量装置主要包括便携式和固定式两种。如发明专利“棉花铃叶系统光合速率和蒸腾速率的快速测定装置”(申请号：201910195243.8)提出的测定装置结构简单，携带方便，但其主要适用于植物的器官检测，无法满足植物单株或多株的群体测量需求。也有可用于群体植物的光合速率的测量装置及方法，如发明专利“一种单株植物净光合速率的测量装置及其测量方法”(申请号：201610979627.5)需要通过人工方将待测植株置于检测腔体内，费时费力。再如发明专利“一种植物群体光合速率测量装置及方法”(申请号：201710313233.0)，需将所述装置底部埋入土壤中，移动不便，且腔体体积较大，单次检测时间长，难以实现大量样本的高通量检测。在植物育种过程，通常涉及大量盆栽样本的的光合速率检测，因此，寻求一种能实现盆栽植物光合速率的快速、准确、自动检测很有必要。
发明内容
针对现有技术的不足以及盆栽植物的种植环境及特点，本发明提供一种盆栽植物光合速率高通量测量机器人。具体发明内容如下：
一种盆栽植物光合速率高通量测量机器人，用于实现批量盆栽植物的光合速率高通量测量，其特征在于：
该机器人包括自动移动平台、光照自动调节装置、光合速率测量装置、栽培盆自主识别装置、供电装置；
自主移动平台为电驱式四轮移动平台，移动方式为前轮驱动，前轮差速转向；自主移动平台四个侧面及顶面密封，内侧采用黑色磨砂不反光材料，保证检测过程不受外界光照影响，提高检测精度和稳定性；自主移动平台采用视觉导航，提取盆栽植物的摆放方向及手动设置的导航线作为导航路径；
光照自动调节装置安装于光合速率测量装置上方，由LED光源、光照度传感器、光电传感器及光源控制器组成；LED光源便于拆卸，可根据不同检测需求选择安装包括红光、蓝光和白光在内的不同光源类型，提高适用性；光照度传感器和光电传感器设有多组，每组包含两种传感器各1个，分别安装于透明检测腔内部且分布于左右两侧；每组中的光照度传感器与光电传感器沿水平方向安装，检测端面朝向植物，二者相对位置固定且安装于同一水平位置；光照度传感器和光电传感沿着植物生长方向同时往复移动；
光合速率测量装置由包括储气罐、气泵、水分传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器和透明检测腔在内的多个部件构成，通过水分传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器检测经过一定时间间隔后透明检测腔内的的CO2、O2、H2O含量差异，计算植物光合速率；
栽培盆识别装置用于识别待检测盆栽的栽培盆外侧的标识，并使检测结果与所栽培盆标识关联，实现高通量连续检测；采用图像识别方法进行栽培盆标记识别，两个识别摄像头对称安装，分别布置于自动移动平台左右两侧中心处距离地面特定高度，该高度根据不同植物栽培高度来调节，满足盆栽植物光合速率高通量测量机器人往复过程的左右两侧识别需求，检测栽培盆侧面的标记符号，并将检测结果与栽培盆标号进行关联。
具体地，通过光照度传感器测量植物冠层高度处光照强度，通过光源控制器调节LED光源的光照强度，控制植物冠层的光照强度至设定值并保持稳定，用于提高光合速率检测准确性。
具体地，光电传感器为反射式，采用跳变检测；具体为，将传感器上下移动过程，检测到光电信号跳变位置处，判定为植物的冠层位置，并在此位置检测检测植物光照强度。
具体地，透明检测腔为圆柱状检测单元，外径为30cm，高度为80cm，材料为透明亚克力板，厚度为5mm；透明检测腔由左右两部分组成，检测过程左右两部分通过电机控制实现向左右两侧张开和合并动作，左右两侧张开便于移动待检测植物处，左右两侧合并用于包裹待检测植物进行测量；左右两部分连接接触面有密封胶圈，保证盆栽植株包裹的密封性，气泵将储气罐内的气体按照所需浓度注入到透明检测腔内。
具体地，识别摄像头布置于距离地面高度30cm处；栽培盆侧面的标记符号采用字符或二维码。
具体地，使用前需将待检测盆栽植物样本按照特定规则设置，所述规则为，栽培盆截面为圆形，对每个栽培盆进行标识并将标识张贴于栽培盆侧面，待检测植物按规则排列，且需保证相邻栽培盆之间间距不小于10cm，相邻列栽培盆中心距距离不小于40cm，便于测量机器人通行检测；摆放样本时，保证每个栽培盆上的标识处于对外，且处于同一侧，便于栽培盆识别装置对每个栽培盆植物的精确定位；在相邻两列之间布设深色导航线，以便于测量机器人检测完其中某列盆栽植物后，采用视觉导航方式，自动顺着导航线行驶到下一列继续进行检测。
具体地，测量机器人的外观尺寸为800*800*1500mm。
具体地，供电装置采用48V输出，30ah的锂电池供电，同时搭配太阳能充电板，为锂电池供电，保障本装置室外采集过程顺利进行。
具体地，导航摄像头沿与水平方向60°夹角方向安装于移动平台前方中间位置处，安装高度距离地面1.8米。
具体地，光合速率测量装置的时间间隔根据实际检测需求设置，设置范围为0-180min。
本发明所述的盆栽植物光合速率高通量测量机器人技术优势包括：
(1)高通量、高效率、省人工。整个检测过程全自主，且能记录每个栽培盆的标识，实现大量盆栽样本的连续、逐一检测，并记录检测结果。与传统方式相比，检测通量和效率高，且无需人工参与。
(2)通用性强、适应性广。本发明的光合检测时间可根据具体试验需求设定，所搭载的光源种类可根据检测需求调整，可适用于不同植物的不同检测需求，具有广泛的适应性。
(3)检测稳定性强，精度高。本装置完全避免外部光源营销，采用自带光源，且通过植物冠层检测和光照自动控制装置保证冠层处的光照强度一致，可实现植物光合呼吸的细微变化检测，检测稳定性强，精度高。
(4)节能环保。本发明在自动移动平台上安装太阳能电池板，可为锂电池充电。本发明正常工作时无需提供额外能源，节能环保。
附图说明
图1植物光合速率高通量测量机器人
图2光合速率测量装置
图3盆栽植物摆放方式
具体实施方式
一种盆栽植物光合速率高通量测量机器人的具体实施方案为：
一种盆栽植物光合速率高通量测量机器人，用于实现批量盆栽植物的光合速率高通量测量，其特征在于：
该机器人包括自动移动平台、光照自动调节装置、光合速率测量装置、栽培盆自主识别装置、供电装置；
自主移动平台为电驱式四轮移动平台，移动方式为前轮驱动，前轮差速转向；自主移动平台四个侧面及顶面密封，内侧采用黑色磨砂不反光材料，保证检测过程不受外界光照影响，提高检测精度和稳定性；自主移动平台采用视觉导航，提取盆栽植物的摆放方向及手动设置的导航线作为导航路径；
光照自动调节装置安装于光合速率测量装置上方，由LED光源、光照度传感器、光电传感器及光源控制器组成；LED光源便于拆卸，可根据不同检测需求选择安装包括红光、蓝光和白光在内的不同光源类型，提高适用性；光照度传感器和光电传感器设有多组，每组包含两种传感器各1个，分别安装于透明检测腔内部且分布于左右两侧；每组中的光照度传感器与光电传感器沿水平方向安装，检测端面朝向植物，二者相对位置固定且安装于同一水平位置；光照度传感器和光电传感沿着植物生长方向同时往复移动；
光合速率测量装置由包括储气罐、气泵、水分传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器和透明检测腔在内的多个部件构成，通过水分传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器检测经过一定时间间隔后透明检测腔内的的CO2、O2、H2O含量差异，计算植物光合速率；
栽培盆识别装置用于识别待检测盆栽的栽培盆外侧的标识，并使检测结果与所栽培盆标识关联，实现高通量连续检测；采用图像识别方法进行栽培盆标记识别，两个识别摄像头对称安装，分别布置于自动移动平台左右两侧中心处距离地面特定高度，该高度根据不同植物栽培高度来调节，满足盆栽植物光合速率高通量测量机器人往复过程的左右两侧识别需求，检测栽培盆侧面的标记符号，并将检测结果与栽培盆标号进行关联。
具体地，通过光照度传感器测量植物冠层高度处光照强度，通过光源控制器调节LED光源的光照强度，控制植物冠层的光照强度至设定值并保持稳定，用于提高光合速率检测准确性。
具体地，光电传感器为反射式，采用跳变检测；具体为，将传感器上下移动过程，检测到光电信号跳变位置处，判定为植物的冠层位置，并在此位置检测检测植物光照强度。
具体地，透明检测腔为圆柱状检测单元，外径为30cm，高度为80cm，材料为透明亚克力板，厚度为5mm；透明检测腔由左右两部分组成，检测过程左右两部分通过电机控制实现向左右两侧张开和合并动作，左右两侧张开便于移动待检测植物处，左右两侧合并用于包裹待检测植物进行测量；左右两部分连接接触面有密封胶圈，保证盆栽植株包裹的密封性，气泵将储气罐内的气体按照所需浓度注入到透明检测腔内。
具体地，识别摄像头布置于距离地面高度30cm处；栽培盆侧面的标记符号采用字符或二维码。
具体地，使用前需将待检测盆栽植物样本按照特定规则设置，所述规则为，栽培盆截面为圆形，对每个栽培盆进行标识并将标识张贴于栽培盆侧面，待检测植物按规则排列，且需保证相邻栽培盆之间间距不小于10cm，相邻列栽培盆中心距距离不小于40cm，便于测量机器人通行检测；摆放样本时，保证每个栽培盆上的标识处于对外，且处于同一侧，便于栽培盆识别装置对每个栽培盆植物的精确定位；在相邻两列之间布设深色导航线，以便于测量机器人检测完其中某列盆栽植物后，采用视觉导航方式，自动顺着导航线行驶到下一列继续进行检测。
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 (8)

1.一种盆栽植物光合速率高通量测量机器人，用于实现批量盆栽植物的光合速率高通量测量，其特征在于：
该机器人包括自主移动平台、光照自动调节装置、光合速率测量装置、栽培盆自主识别装置、供电装置；
自主移动平台为电驱式四轮移动平台，移动方式为前轮驱动，前轮差速转向；自主移动平台四个侧面及顶面密封，内侧采用黑色磨砂不反光材料，保证检测过程不受外界光照影响，提高检测精度和稳定性；自主移动平台采用视觉导航，提取盆栽植物的摆放方向及手动设置的导航线作为导航路径；
光照自动调节装置由LED光源、光照度传感器、光电传感器及光源控制器组成；LED光源便于拆卸，可根据不同检测需求选择安装包括红光、蓝光和白光在内的不同光源类型，提高适用性；光照度传感器和光电传感器设有多组，每组包含两种传感器各1个，分别安装于透明检测腔内部且分布于左右两侧；每组中的光照度传感器与光电传感器沿水平方向安装，检测端面朝向植物，二者相对位置固定且安装于同一水平位置；光照度传感器和光电传感器沿着植物生长方向同时往复移动；通过光照度传感器测量植物冠层高度处光照强度，通过光源控制器调节LED光源的光照强度，控制植物冠层的光照强度至设定值并保持稳定，用于提高光合速率检测准确性；光电传感器为反射式，采用跳变检测；具体为，在光电传感器上下移动过程中，将检测到的光电信号跳变位置处判定为植物的冠层位置，并在此位置检测植物光照强度；
光合速率测量装置由包括储气罐、气泵、水分传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器和透明检测腔在内的多个部件构成，通过水分传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器检测经过一定时间间隔后透明检测腔内的CO2、O2、H2O含量差异，计算植物光合速率；
栽培盆自主识别装置用于识别待检测盆栽的栽培盆外侧的标识，并使检测结果与栽培盆标识关联，实现高通量连续检测；采用图像识别方法进行栽培盆标记识别，两个识别摄像头对称安装，分别布置于自主移动平台左右两侧中心处距离地面特定高度，该高度根据不同植物栽培高度来调节，满足盆栽植物光合速率高通量测量机器人往复过程的左右两侧识别需求，检测栽培盆侧面的标记符号，并将检测结果与栽培盆标号进行关联。
2.根据权利要求1所述的盆栽植物光合速率高通量测量机器人，其特征在于：透明检测腔为圆柱状检测单元，外径为30cm，高度为80cm，材料为透明亚克力板，厚度为5mm；透明检测腔由左右两部分组成，检测过程左右两部分通过电机控制实现向左右两侧张开和合并动作，左右两侧张开至便于移动待检测植物处，左右两侧合并用于包裹待检测植物进行测量；左右两部分连接接触面有密封胶圈，保证盆栽植株包裹的密封性，气泵将储气罐内的气体按照所需浓度注入到透明检测腔内。
3.根据权利要求1所述的盆栽植物光合速率高通量测量机器人，其特征在于：识别摄像头布置于距离地面高度30cm处；栽培盆侧面的标记符号采用字符或二维码。
4.根据权利要求1所述的盆栽植物光合速率高通量测量机器人，其特征在于：使用前需将待检测盆栽植物样本按照特定规则设置，所述规则为，栽培盆截面为圆形，对每个栽培盆进行标识并将标识张贴于栽培盆侧面，待检测植物按规则排列，且需保证相邻栽培盆之间间距不小于10cm，相邻列栽培盆中心距离不小于40cm，便于测量机器人通行检测；摆放样本时，保证每个栽培盆上的标识处于对外，且处于同一侧，便于栽培盆自主识别装置对每个栽培盆植物的精确定位；在相邻两列之间布设深色导航线，以便于测量机器人检测完其中某列盆栽植物后，采用视觉导航方式，自动顺着导航线行驶到下一列继续进行检测。
5.根据权利要求1所述的盆栽植物光合速率高通量测量机器人，其特征在于：测量机器人的外观尺寸为800*800*1500mm。
6.根据权利要求1所述的盆栽植物光合速率高通量测量机器人，其特征在于：供电装置采用48V输出，30ah的锂电池供电，同时搭配太阳能充电板，为锂电池供电，保障本装置室外采集过程顺利进行。
7.根据权利要求1所述的盆栽植物光合速率高通量测量机器人，其特征在于：导航摄像头沿与水平方向60°夹角方向安装于移动平台前方中间位置处，安装高度距离地面1.8米。
8.根据权利要求1所述的盆栽植物光合速率高通量测量机器人，其特征在于：光合速率测量装置的时间间隔根据实际检测需求设置，设置范围为0-180min。
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