CN112352671B - 一种自适应穗高拨受式杂交水稻育种装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应穗高拨受式杂交水稻育种装置，包括两个行走车、连接两个行走车的软管；每个行走车均包括车体、驱动车体运动的车体驱动装置、第一电动伸缩杆以及摆动装置和夹持软管的夹持装置；第一电动伸缩杆一端固定于车体上，另一端与摆动装置固定连接；摆动装置包括竖直设置的摆动盘、摆动驱动装置，摆动盘平面内设置开口向上的U型槽，摆动驱动装置驱动夹持装置在U型槽内沿U型槽运动。本发明采用机械式辅助杂交水稻育种，从人工辅助育种变为全自动机械辅助育种，提高了育种效率和节省人力，且自适应不同水稻的穗高，进一步提高育种的效率。本发明还公开了一种自适应穗高拨受式杂交水稻育种装置的控制方法。

Description

一种自适应穗高拨受式杂交水稻育种装置及控制方法

技术领域

本发明涉及水稻培育技术，具体是涉及一种自适应穗高拨受式杂交水稻育种装置。

背景技术

二十世纪六七十年代，袁隆平院士首先在中国开始了杂交水稻的研究，经过十年的艰苦探索和研究，杂交水稻在我国迅速推广开来，取得了举世瞩目的成绩，中国是世界上第一个成功利用杂交水稻优势的国家，水稻也是中国最重要的粮食作物之一。目前在中国水稻育种技术也在不断创新，但是目前大部分地区仍延续传统协助育种工作由自然或人为加大风力的做法，这严重减低了工作效率，耗费大量的人力和物力，而且其育种的效果不佳。

杂交水稻制种是杂交水稻生产的重要组成部分，授粉又是杂交水稻制种的关键环节；充分、均匀的授粉是提高制种质量和产量的前提保障；目前，杂交水稻制种辅助授粉方法主要以传统人力式为主。对于杂交水稻结实而言，平均每朵雌蕊花柱上至少要求有3粒花粉，这样结实出的种子才有可能保持父母本的优良性状，生长发育成优质、高产的杂交水稻种子。

传统的自然授粉是直接通过自然风来吹扬父本花穗为母本区授粉，其杂交率一般为0.2％～4％之间，最高达5％，杂交育种结实率较小，产量最低且不可控，因此，仅依赖自然授粉难以满足杂交水稻制种授粉要求。现在水稻杂交育种一般是通过人工扑打植物穗颈进行人力辅助授粉(如单长竿赶粉法、双短竿推粉法、绳索拉粉法等方式)，传统人力式辅助授粉作业具有劳动强度大、授粉不均匀、花粉的飞扬距离都过短、生产效率低等缺点，已难以满足现代化制种的需求。

因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种自动化辅助育种的自适应穗高拨受式杂交水稻育种装置。

本发明还提供上述自适应穗高拨受式杂交水稻育种装置的控制方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种自适应穗高拨受式杂交水稻育种装置，包括两个行走车、连接两个行走车的软管；所述行走车包括车体、驱动车体运动的车体驱动装置、第一电动伸缩杆以及高度调节装置；所述第一电动伸缩杆固定端固定于车体上，第一电动伸缩杆顶部的输出端与高度调节装置固定连接；所述高度调节装置包括摆动装置和夹持软管的夹持装置，所述摆动装置包括摆动盘、摆动驱动装置，所述摆动盘所在平面竖直设置且平行于行走车运动方向，摆动盘平面内设置开口向上的U型槽，所述夹持装置设置于U型槽内，摆动驱动装置驱动夹持装置沿U型槽运动。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是采用机械式辅助杂交水稻育种，从人工辅助育种变为全自动机械辅助育种，提高了育种效率和节省人力，采用电动伸缩杆调节软管高度，适应不同水稻的穗高，进一步提高育种的效率。

进一步的，所述摆动驱动装置包括摆动电机、摆杆，所述摆动电机与第一电动伸缩杆输出端固定连接，摆动电机输出轴延伸方向垂直于摆动盘所在平面，所述摆杆一端与摆动电机输出端固定连接，摆杆延伸方向垂直于摆动电机输出轴延伸方向；所述摆动盘包括前表面盘和后表面盘，所述后表面盘靠近第一电动伸缩杆，前表面盘与后表面盘之间形成摆杆的摆动空间，所述夹持装置设置于摆杆侧面且靠近前表面盘，所述前表面盘和后表面盘均设置开口向上的U型槽，所述U型槽为与夹持装置运动轨迹相对应的半圆弧型槽，所述软管穿过前表面盘和后表面盘的半圆弧型槽，且软管随摆杆的摆动在前表面盘和后表面盘的半圆弧型槽内摆动。

进一步的，所述摆动装置还包括滚轮，所述滚轮设置于摆杆远离摆动电机的一端，滚轮轴线延伸方向垂直于摆杆延伸方向，所述摆动盘内设置滑道，滚轮在滑道上滑行。

进一步的，所述夹持装置包括第二电动伸缩杆、连接杆、压板和固定板，所述第二电动伸缩杆固定端固定于摆杆侧面，第二电动伸缩杆延伸方向垂直于摆杆，所述第二电动伸缩杆输出端通过连接杆与压板连接，压板通过连接杆与固定板连接，所述固定板固定连接于摆杆侧面，固定板延伸方向平行于第二电动伸缩杆延伸方向，所述压板与固定板之间形成软管的置放空间，软管的延伸方向平行于第二电动伸缩杆的延伸方向。

进一步的，还包括软管调节装置，所述软管调节装置包括调节电机、软管转盘，调节电机与车体固定连接，调节电机驱动软管转盘转动，所述软管两端分别固定于两个行走车的软管转盘上，软管转盘转动带动软管缠绕在软管转盘上。

进一步的，所述车体驱动装置包括分别位于车体两侧的两条履带、设于车体两侧的履带轮和支撑轮、设置于车体内驱动履带轮转动的驱动电机，所述车体两侧的履带轮包括主动履带轮和从动履带轮，驱动电机驱动主动履带轮转动；所述履带内表面设有齿纹，车体同侧的主动履带轮和从动履带轮外表面均设有齿纹并内嵌于履带内与履带齿纹啮合；所述主动履带轮、从动履带轮以及履带的齿纹中间设置光滑面，形成“齿纹-光滑面-齿纹”的结构，所述支撑轮在光滑面上滑动。

进一步的，还包括传感器，所述传感器包括温湿度传感器、红外传感器、光照度传感器和风向传感器；所述红外传感器设置于U型槽最高处的中间。

进一步的，还包括信息传输与控制模块，所述信息传输与控制模块用于控制车体驱动装置、夹持装置、软管调节装置、高度调节装置以及第一电动伸缩杆，信息传输与控制模块还用于接收和传输传感器的数据。

本发明提供的上述自适应穗高拨受式杂交水稻育种装置的控制方法，包括以下步骤：

(1)控制两个行走车运行到育种田的上风口；

(2)控制两个行走车沿垂直于风向的方向相反运动，并调整两个行走车之间软管的长度；

(3)调整第一电动伸缩杆，使软管定位于水稻穗头位置；

(4)控制软管沿U型槽来回摆动，同时两个行走车沿顺风方向移动。

进一步的，所述步骤(4)软管沿U型槽来回摆动的角度范围为α_min～α_max，

其中α_min为软管摆动的起始角度；α_max为软管摆动的终止角度；α_min和α_max为相对于水平线的角度；L_min为标准化水稻育种田间单株水稻稻穗长度的最小值；L_max为标准化水稻育种田间单株水稻稻穗长度的最大值；R为软管至U型槽最高处的中点的距离。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是根据田间水稻穗高，将软管控制在最佳拦截拨受位置，进一步提高育种效率。

附图说明

图1是本发明杂交水稻育种装置的整体结构示意图；

图2是本发明杂交水稻育种装置中行走车的主视图；

图3是本发明杂交水稻育种装置中行走车的侧视图；

图4是本发明杂交水稻育种装置中行走车的俯视图；

图5是本发明杂交水稻育种装置中车体与车体驱动装置结合的结构示意图；

图6是本发明杂交水稻育种装置中驱动电机与履带轮连接的剖视图；

图7是本发明杂交水稻育种装置中软管调节装置的结构示意图；

图8是本发明杂交水稻育种装置中高度调节装置的结构示意图；

图9是本发明杂交水稻育种装置中摆动装置和夹持装置连接的结构示意图；

图10是本发明杂交水稻育种装置中夹持装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1至图4所示，本实施例中的一种自适应穗高拨受式杂交水稻育种装置，包括两个结构相同的行走车、两个行走车之间连接的软管204；行走车包括车体106、驱动车体运动的车体驱动装置1、第一电动伸缩杆4、高度调节装置、传感器以及信息传输与控制模块12。第一电动伸缩杆4竖直固定于车体106上，第一电动伸缩杆4固定端固定于车体106上表面，第一电动伸缩杆4顶部的输出端通过连接块13与高度调节装置固定连接。

如图5和图6所示，车体驱动装置1包括分别位于车体106两侧的两条履带103、设于车体106两侧的履带轮101和支撑轮102、设置于车体106内驱动履带轮101转动的驱动电机105；车体106两侧的履带轮101均包括主动履带轮和从动履带轮，驱动电机105驱动主动履带轮转动，驱动电机105通过螺栓固定在车体106内，驱动电机105输出轴通过履带轮联轴器104与主动履带轮的中心轴固定连接，驱动电机105带动主动履带轮转动，然后主动履带轮通过与履带103的啮合，带动履带103传动，从而带动从动履带轮转动，使行走车整体开始运动。所述车体106整体采用铝合金结构，轻质耐用，延长车体的使用寿命；车体106内部设置有铸铁块，铸铁块位于第一电动伸缩杆4正下方，用于保证行走车同步运动的动平衡，避免行走车发生侧翻事故。

所述履带103采用全铝合金材料，可以减少运行过程中的磨损，履带103外表面设置凹凸不平的凸棱结构，增加履带103的抓地力，避免行走车运行过程中履带103打滑，履带103内表面设有齿纹和光滑面，形成“齿纹-光滑面-齿纹”的结构，车体106同侧的主动履带轮和从动履带轮外表面均设设置与履带103内表面相同的“齿纹-光滑面-齿纹”的齿纹结构，车体106同侧的主动履带轮和从动履带轮同时内嵌于一条履带103内并与其齿纹啮合。

车体106两侧固定设置有支撑轮102，支撑轮102在履带103内表面的光滑面上滑动，支撑轮102随着履带103的运动而转动，起到支撑履带103的作用，使行走车的运行更加平稳。在本实施例中车体106一侧设置六个支撑轮102，其中三个支撑履带103上侧，三个支撑履带103下侧。

如图8所示，高度调节装置包括摆动装置5和夹持软管204的夹持装置6，所述摆动装置5包括摆动盘505、摆动驱动装置，摆动驱动装置包括摆动电机501、摆杆503、滚轮504，摆动电机501通过螺栓固定于连接块13的内部，如图9所示，摆动电机501输出轴的延伸方向垂直于摆动盘505所在平面，摆杆503一端通过摆杆联轴器502与摆动电机501的输出端固定连接，摆杆503延伸方向垂直于摆动电机501输出轴的延伸方向，摆杆503另一端设置滚轮504，滚轮504轴线延伸方向垂直于摆杆503延伸方向。

所述摆动盘505所在平面竖直设置，摆动盘505所在平面平行于第一电动伸缩杆4延伸方向且平行于行走车运动方向，在本实施例中，摆动盘505为半圆形板，摆动盘505直边位于弧边的上方且平行于行走车运行方向，摆动盘505包括前表面盘和后表面盘，后表面盘通过连接块13与第一电动伸缩杆4固定连接，前表面盘与后表面盘之间形成摆杆503的摆动空间，摆动盘505侧面弧边的内侧设置滑道，滚轮504在滑道上滚动，使摆杆503的摆动更加平稳。

所述前表面盘和后表面盘均设置开口向上的U型槽，所述夹持装置固定设置于摆杆503的侧面且靠近前表面盘，在本实施例中所述U型槽为与夹持装置6运动轨迹相对应的半圆弧型槽，摆杆503侧面开有通孔，所述通孔延伸方向垂直于摆动盘505所在平面，软管204通过夹持装置6的夹持穿过摆杆503上的通孔及前表面盘和后表面盘的半圆弧型槽，软管204随摆杆503的摆动在前表面盘和后表面盘的半圆弧型槽内摆动。

如图10所示，所述夹持装置6包括第二电动伸缩杆601、连接杆603、压板604和固定板605，第二电动伸缩杆601固定端固定于摆杆503侧面，第二电动伸缩杆601的延伸方向垂直于摆杆503且垂直于摆动盘505所在平面，第二电动伸缩杆601的输出端固定连接有拉杆602，拉杆602的延伸方向平行于第二电动伸缩杆601的延伸方向，拉杆602通过连接杆603与压板604连接，连接杆603通过销钉设置于拉杆602的两侧，拉杆602两侧的连接杆603分别于压板604的两侧连接，压板604两侧通过连接杆603分别于与固定板605两侧连接，所述固定板605固定连接于摆杆503侧面，固定板605延伸方向平行于第二电动伸缩杆601延伸方向，所述压板604与固定板605之间形成软管204的置放空间且分别位于摆杆503通孔的两侧，软管204的延伸方向平行于第二电动伸缩杆601的延伸方向，压板604和固定板605与软管204接触的表面设置凹凸不平的凸棱结构，增加两者与软管204之间的摩擦力，将软管204夹紧。在本实施例中，第二电动伸缩杆601采用小型伸缩杆，压板604位于摆杆503通孔的上方，固定板605位于摆杆503通孔的下方。

如图7所示，行走车还包括软管调节装置，软管调节装置包括调节电机201、软管转盘203、滑轮组，车体106上表面设有凹槽，凹槽位于摆动盘505正下方，调节电机201固定于凹槽内，调节电机201输出轴通过转盘联轴器202与软管转盘203连接，调节电机201驱动软管转盘203转动，软管204两端分别固定于两个行走车的软管转盘203上，并随着软管转盘203转动缠绕在软管转盘203上。在本实施例中，软管204采用半空心橡胶软管，具有很好的韧性与强度，且表面光滑，在辅助育种过程中更好的保护稻穗，且不易粘连，可大幅度提高育种的成功率。

所述滑轮组包括第一滑轮301、第二滑轮302和第三滑轮303，第一滑轮301通过套筒设置于车体106凹槽的侧壁上，第一滑轮301的轴线垂直于竖直方向，且当软管转盘203转动时，第一滑轮301可以随着软管204一起摆动；第二滑轮302设置于第一电动伸缩杆4的靠近摆动盘505所在平面的一侧，使软管204在收放调节的过程中更加平稳；第三滑轮303通过套筒设置于第一电动伸缩杆4输出端的侧面且位于摆动盘505的正后方，第三滑轮303的轴线垂直于竖直方向，且当软管转盘203转动时，第三滑轮303可以随着软管204一起摆动。

行走车还包括温湿度传感器7、红外传感器8、光照度传感器9和风向传感器10；温湿度传感器7胶接在摆动盘505表面，用于检测环境中的温度和湿度，操作人员通过温湿度传感器7监测田间的温湿度，使辅助育种达到的效果更佳；红外传感器8设置于U型槽最高处的中间位置，用于探测水稻稻穗，根据红外传感器8的探测数据，通过调整第一电动伸缩杆4，将红外传感器8定位到水稻稻穗头处；光照度传感器9胶接于连接块13顶部，用于检测阳光光照度，操作人员通过光照度传感器9监测田间的光照情况，使辅助育种达到的效果更佳；风向传感器10胶接于连接块13顶部，用于检测田间的风向，操作人员通过风向数据控制行走车的运动。

所述信息传输与控制模块12固定胶接于车体106上，用于控制驱动电机105和调节电机201以及摆动电机501的启停与正反转、控制第一电动伸缩杆4和第二电动伸缩杆601的伸缩、接收并传输传感器检测的数据。信息传输与控制模块12控制驱动电机105的正反转从而控制行走车的运动方向，在本实施例中，驱动电机105的转速为30转/分钟，对应行走车前进速度为20厘米/秒。信息传输与控制模块12控制调节电机201的正反转从而控制软管204的收放，在本实施例中，调节电机201转动速度为60转/分钟，对应软管204的收放速度为15厘米/秒。信息传输与控制模块12通过控制摆动电机501的正反转从而控制摆杆503的摆动。信息传输与控制模块12控制第一电动伸缩杆4的伸缩调节红外传感器相对于车体的高度，从而使红外传感器定位于水稻稻穗头的位置，在本实施例中，第一电动伸缩杆4的伸缩速度为3厘米/秒。信息传输与控制模块12控制第二电动伸缩杆601的伸缩达到对软管204的夹紧与放松，在本实施例中，每按下一次工作指令，第二电动伸缩杆601对应伸长或缩短5厘米。信息传输与控制模块10接收各传感器检测的数据并将数据传输到计算机上，以便技术人员根据田间环境调整辅助育种工作，使辅助育种达到的效果更佳。

车体106上设置电源11，电源11是整个行走车的供电部分，电源11通过胶接固定于车体106的上表面，用于为驱动电机105、调节电机201、摆动电机501、第一电动伸缩杆4、第二电动伸缩杆601、温湿度传感器7、红外传感器8、光照度传感器9、风向传感器10和信息传输与控制模块12供电。

实施例二

本实施例提供上述实施例的一种杂交水稻育种装置的控制方法：

首先接通两个行走车的电源11，操作人员控制计算机上的操作面板，根据风向传感器10检测的数据，判断出标准化水稻育种田间的上风口位置，控制两个行走车运行到上风口位置处；然后控制两个行走车沿垂直于风向的方向，向各自相反的方向运动，同时控制调节电机201转动，将两个行走车之间的软管204放长，直到两个行走车运行到田间的边缘位置，控制调节电机201停止工作，并控制第二电动伸缩杆601开始伸缩，带动压板604压向软管204，将软管204夹紧；然后控制第一电动伸缩杆4的伸缩，根据红外传感器8的检测，将红外传感器8调节定位于水稻稻穗头处，此时调节摆动电机501，从而使软管204刚好定位于水稻稻穗头上，然后计算出在标准化水稻育种田间摆动电机501的最佳摆动角度范围为α_min～α_max(即软管204沿U型槽来回摆动的角度范围为α_min～α_max)

其中α_min为软管摆动的起始角度；α_max为软管摆动的终止角度；α_min和α_max为相对于水平线的角度；L_min为标准化水稻育种田间单株水稻稻穗长度的最小值；L_max为标准化水稻育种田间单株水稻稻穗长度的最大值；R为软管至U型槽最高中点处红外传感器8的距离。在本实施例中，R的取值为定值，大小为40厘米。

其次操作人员结合温湿度传感器7和光照传感器9的检测数据，当标准化水稻育种田间温度、湿度和光照度均符合：温度在25～30度之间、湿度在70％～80％之间、光照度要不低于三万勒克斯的要求时，控制摆动电机501在角度范围为α_min～α_max的范围内摆动，带动软管204在U型槽内来回摆动；同时启动驱动电机105，使整个行走小车沿顺风的风向开始运动，此时两个行走车向前运动同时软管204摆动实现对水稻稻穗的摇摆，增强育种工作。

在两个行走车同步运行5秒后，操作人员根据红外传感器8的检测，再次调节第一电动伸缩杆4将其定位到水稻稻穗头位置处，然后重复上述操作进行协助增强育种工作。

最后，当指定的稻田全部操作完毕后，操作人员控制第二电动伸缩杆601的伸缩，将软管204松开，然后通过调节电机201将软管204收回，待全部工作结束后，关闭电源11，将整个装置运行至原指定位置处。

Claims (7)

1.一种自适应穗高拨受式杂交水稻育种装置，其特征在于，包括两个行走车、连接两个行走车的软管；每个行走车均包括车体、驱动车体运动的车体驱动装置、第一电动伸缩杆以及高度调节装置；所述第一电动伸缩杆固定端固定于车体上，第一电动伸缩杆顶部的输出端与高度调节装置固定连接；所述高度调节装置包括摆动装置和夹持软管的夹持装置，所述摆动装置包括摆动盘、摆动驱动装置，所述摆动盘所在平面竖直设置且平行于行走车运动方向，摆动盘平面内设置开口向上的U型槽，所述夹持装置设置于U型槽内，摆动驱动装置驱动夹持装置沿U型槽运动；

所述摆动驱动装置包括摆动电机、摆杆，所述摆动电机与第一电动伸缩杆输出端固定连接，摆动电机输出轴延伸方向垂直于摆动盘所在平面，所述摆杆一端与摆动电机输出端固定连接，摆杆延伸方向垂直于摆动电机输出轴延伸方向；所述摆动盘包括前表面盘和后表面盘，所述后表面盘靠近第一电动伸缩杆，前表面盘与后表面盘之间形成摆杆的摆动空间，所述夹持装置设置于摆杆侧面且靠近前表面盘，所述前表面盘和后表面盘均设置开口向上的U型槽，所述U型槽为与夹持装置运动轨迹相对应的半圆弧型槽，所述软管穿过前表面盘和后表面盘的半圆弧型槽，且软管随摆杆的摆动在前表面盘和后表面盘的半圆弧型槽内摆动；

所述摆动装置还包括滚轮，所述滚轮设置于摆杆远离摆动电机的一端，滚轮轴线延伸方向垂直于摆杆延伸方向，所述摆动盘内设置滑道，滚轮在滑道上滑行；

所述夹持装置包括第二电动伸缩杆、连接杆、压板和固定板，所述第二电动伸缩杆固定端固定于摆杆侧面，第二电动伸缩杆延伸方向垂直于摆杆，所述第二电动伸缩杆输出端通过连接杆与压板连接，压板通过连接杆与固定板连接，所述固定板固定连接于摆杆侧面，固定板延伸方向平行于第二电动伸缩杆延伸方向，所述压板与固定板之间形成软管的置放空间，软管的延伸方向平行于第二电动伸缩杆的延伸方向。

2.根据权利要求1所述的杂交水稻育种装置，其特征在于，还包括软管调节装置，所述软管调节装置包括调节电机、软管转盘，调节电机与车体固定连接，调节电机驱动软管转盘转动，所述软管两端分别固定于两个行走车的软管转盘上，软管转盘转动带动软管缠绕在软管转盘上。

3.根据权利要求1所述的杂交水稻育种装置，其特征在于，所述车体驱动装置包括分别位于车体两侧的两条履带、设于车体两侧的履带轮和支撑轮、设置于车体内驱动履带轮转动的驱动电机，所述车体两侧的履带轮包括主动履带轮和从动履带轮，驱动电机驱动主动履带轮转动；所述履带内表面设有齿纹，车体同侧的主动履带轮和从动履带轮外表面均设有齿纹并内嵌于履带内与履带齿纹啮合；所述主动履带轮、从动履带轮以及履带的齿纹中间设置光滑面，形成“齿纹-光滑面-齿纹”的结构，所述支撑轮在光滑面上滑动。

4.根据权利要求3所述的杂交水稻育种装置，其特征在于，还包括传感器，所述传感器包括温湿度传感器、红外传感器、光照度传感器和风向传感器；所述红外传感器设置于U型槽最高处的中间。

5.根据权利要求4所述的杂交水稻育种装置，其特征在于，还包括信息传输与控制模块，所述信息传输与控制模块用于控制车体驱动装置、夹持装置、软管调节装置、高度调节装置以及第一电动伸缩杆，信息传输与控制模块还用于接收和传输传感器的数据。

6.一种对权利要求1至5中任一项所述的杂交水稻育种装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）控制两个行走车运行到育种田的上风口；

（2）控制两个行走车沿垂直于风向的方向相反运动，并调整两个行走车之间软管的长度；

（3）调整第一电动伸缩杆，使软管定位于水稻穗头位置；

（4）控制软管沿U型槽来回摆动，同时两个行走车沿顺风方向移动。

7.根据权利要求6所述的杂交水稻育种装置的控制方法，其特征在于，所述步骤（4）软管沿U型槽来回摆动的角度范围为

，

其中

为软管摆动的起始角度；

为软管摆动的终止角度；

和

为相对于水平线的角度；

为标准化水稻育种田间单株水稻稻穗长度的最小值；

为标准化水稻育种田间单株水稻稻穗长度的最大值；R为软管至U型槽最高处的中点的距离。

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