CN113138595B - 一种温室高架栽培作物轨道式移动监测平台及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温室高架栽培作物轨道式移动监测平台及其控制方法，其包括移动底盘，移动底盘内设有总控制箱；一升降装置，其包括一级升降机构、二级升降机构和三级升降机构，一级升降机构固定于移动底盘上，二级升降机构安装于一级升降机构上，二级升降机构沿竖直方向滑动，三级升降机构安装于二级升降机构上，且三级升降机构沿竖直方向滑动；机械臂，其包括一级导轨和二级导轨，一级导轨和二级导轨皆沿水平方向延伸，一级导轨的一端铰接于三级升降机构上，一级导轨设有一级安装板，二级导轨的一端铰接于一级安装板上，二级导轨设有二级安装板；仪器固定架，其铰接于二级安装板上，利用多级的升降装置可以对高架植物上端的作物信息进行监测。
Description
技术领域
本发明涉及温室小车领域，特别是涉及一种温室高架栽培作物轨道式移动监测平台及其控制方法。
背景技术
农机装备的智能化是我国农业发展的必然趋势，设施装备的智能化是农机装备智能化的重要组成部分。由于我国市场对于农业产品品质要求的提高，对作物长势信息和基本生态环境因子，如温度、湿度、光照等的监测变的越来越重要，作物生长和环境监测对于实现温室环境的精准控制，实现按需调控，提升农业产品的产量和品质具有重要意义。
本平台主要针对温室高架栽培式的作物的生长监测，利用温室地面铺设的加热管作为导轨，使监测系统沿导轨行进并完成对作物生长和环境信息的监测。传统的作物生长监测往往需要人工和专家经验，主观性强且费时费力，尤其是对于温室高架栽培的作物，由于生长后期番茄和黄瓜等作物高大，人工监测只能监测到植物下端的部分作物，且监测的准确性严重依赖于专家经验。
目前，轨道式移动监测平台在各行各业都有运用。申请号为201621339039.7的发明专利申请，公开了一种移动监测平台，这种移动监测平台采用移动监测的方式，可以沿着既定的轨道游走，从而对周围各处的环境进行监测，采用这种移动监测平台来构建监控报警系统，可以大大减少探测器的数量，简化系统结构，大幅减低建设成本，另外这种移动监测平台，可以更具实际需要，自由搭配不同类型的探测器，使其应用十分灵活。但该套装置没有多级的升降机构，不能满足对高架植物的监测，且续航能力不强，无法实现对作物的长时间监测。
申请号为201710806182.5的发明专利申请，本发明公开了一种紧密贴合式轨道自动巡航监测机器人，包括在导轨上端运行的移动平台，设置于移动平台两端，被配置为分别贴合导轨两侧的导向装置，以及设置移动平台上采集隧道内环境监测数据的监测设备；所述导向装置与导轨保持贴合，使移动平台沿着导轨的路线移动，在移动过程中实现隧道情况的实时检测。但该套装置设计简单，不能搭载多种传检测系统，并且无法探测高架植物上端的作物信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温室高架栽培作物轨道式移动监测平台及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种温室高架栽培作物轨道式移动监测平台及其控制方法，其包括一移动底盘，所述移动底盘内设有总控制箱；一升降装置，所述升降装置包括一级升降机构、二级升降机构和三级升降机构，所述一级升降机构固定于所述移动底盘上，所述二级升降机构可滑动地安装于所述一级升降机构上，且所述二级升降机构相对于所述一级升降机构沿竖直方向滑动，所述三级升降机构可滑动地安装于所述二级升降机构上，且所述三级升降机构相对于所述二级升降机构沿竖直方向滑动；一机械臂，所述机械臂包括一级导轨和二级导轨，所述一级导轨和所述二级导轨皆沿水平方向延伸，所述一级导轨的一端铰接于所述三级升降机构上，所述一级导轨的另一端设有一级安装板，所述二级导轨的一端铰接于所述一级安装板上，所述二级导轨的另一端设有二级安装板；一仪器固定架，所述仪器固定架铰接于所述二级安装板上。
进一步地，所述移动底盘上设有至少一对用于轨道行驶的导向轮，所述移动底盘上还设有用于接触地面的驱动轮，所述移动底盘上还设有用于换向的滚动轮，所述滚动轮位于所述驱动轮和所述导向轮之间。
进一步地，所述一级升降机构相对的两侧各设有一条提示灯。
进一步地，所述一级升降机构的侧面设有外围导轨，所述外围导轨内部固设有外围控制器。
进一步地，所述外围导轨上设有显示屏。
进一步地，所述仪器固定架包括延伸架和安装架，所述二级安装板上设有竖直延伸的第一转轴，所述延伸架的一端铰接于第一转轴，所述延伸架的另一端设有水平延伸的第二转轴，所述安装架铰接于第二转轴。
进一步地，还包括背景隔离装置，所述移动底盘上设有检测摄像头，所述检测摄像头用于检测栽培作物的茎宽，所述背景隔离装置包括传送带和对照棒，所述传送带的传动方向与所述移动底盘的移动方向相平行，所述对照棒位于所述传送带上方，所述对照棒随所述传送带传动而移动，所述对照棒为所述检测摄像头检测栽培作物的茎宽提供尺度的标定。
进一步地，所述背景隔离装置还包括第一支撑架、第二支撑架和齿条，所述第一支撑架和所述第二支撑架安装在所述传送带上，且所述第一支撑架和所述第二支撑架随所述传送带传动而平移，所述第一支撑架和所述第二支撑架上各设有一对齿轮，四个齿轮呈矩形排布，所述齿条套在四个齿轮外，且所述齿条呈8字型，所述齿条包括相交的第一部分和第二分部，所述对照棒分别与所述第一部分和第二部分相连接。
一种温室高架栽培作物轨道式移动监测平台的控制方法，其包括如下步骤：S01、启动移动底盘，总控制箱对自身系统进行自检，确认自身系统各个部件正常进入工作状态，操作者输入行走命令，移动底盘从初始位置出发；S02、移动底盘沿轨道行驶，根据步骤S01的行走命令到达预定位置或者通过操作者远程控制到达预定位置；S03、总控制箱进入监测状态，操作者输入监测命令，系统根据待监测对象的位置，判断待监测对象是否在二级升降机构最大高度内，如待监测对象在二级升降机构最大高度内，则控制二级升降机构往上升，使计算仪器固定架达到待监测对象的高度；如待监测对象在二级升降机构最大高度外，则控制二级升降机构往上升，再控制三级升降机构往上升，使仪器固定架达到待监测对象的高度；S04、控制一级导轨和二级导轨旋转，使待监测对象朝向待监测对象，根据待监测对象的仪器种类对待监测对象进行监测，直到完成待监测对象的监测；S05、操作者输入新的行走命令，移动底盘行走至下一个待监测对象，重复步骤S03和S04；S06、总控制箱结束监测状态，移动底盘返回初始位置。
本发明的有益效果为：利用多级的升降装置可以对高架植物上端的作物信息进行监测，能够满足不同株型的高架栽培作物在不同生长期的长势和环境监测的需求，为以作物需求为导向的水肥和环境优化调控提供科学依据，将总控制箱设置在所述移动底盘内，将仪器固定架设置在顶部，降低整体的重心，确保移动底盘行走的稳定性，避免行走过程因轨道不平和重心答复变化导致颠簸，保证巡航的精度和稳定性，应用该技术方便分割作物茎秆，精准标定作物生长信息数据。
附图说明
附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。
图1为本发明一实施例提供的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的侧面图；
图3为本发明一实施例提供的俯视图；
图4为升降装置和机械臂的结构示意图;
图5为背景隔离装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1-3中所示，本发明一实施例提供的一种温室高架栽培作物轨道式移动监测平台，其包括移动底盘1、升降装置2、机械臂3和仪器固定架4，所述移动底盘1内设有总控制箱、蓄电池和驱动器，所述总控制箱用于控制整个检测平台的运行，所述蓄电池为整个轨道式移动监测平台供电。所述移动底盘1上设有两对用于轨道行驶的导向轮5，所述导向轮5表面采用菱形网格微结构，以保证具有一定的摩擦导向力，所述导向轮5的外缘采用凸起结构，以保证所述移动底盘1在产生极限偏离时能够适应轨道自动纠偏，确保不会脱轨，其中轨道为温室内加热管，所述导向轮5的作用是支撑整个轨道式移动监测平台并保证整个轨道式移动监测平台沿轨道行进，保证巡航的精度和稳定性，所述移动底盘1两侧设有轮子架6，所述轮子架6安装有用于接触地面的驱动轮7，且所述轮子架6上安装有用于移动底盘1减震的减震弹簧8，所述移动底盘1上还设有用于换向的滚动轮9，所述移动底盘1利用所述滚动轮9进行转弯，所述滚动轮9位于所述驱动轮7和所述导向轮5之间，所述驱动器驱动驱动轮7和滚动轮9转动。
如图1-4中所示，所述升降装置2包括一级升降机构10、二级升降机构11和三级升降机构12，所述一级升降机构10固定于所述移动底盘1的前半部分上，所述二级升降机构11可滑动地安装于所述一级升降机构10上，且所述二级升降机构11相对于所述一级升降机构10沿竖直方向滑动，所述三级升降机构12可滑动地安装于所述二级升降机构11上，且所述三级升降机构12相对于所述二级升降机构11沿竖直方向滑动，其中所述二级升降机构11的侧面和所述三级升降机构12的侧面皆设有升降导轨，所述一级升降机构10、所述二级升降机构11和所述三级升降机构12使用的皆为丝杆滑台模组技术，其中所述升降装置2的顶端最高可以升到离地面3.5米的高度，对于高架作物的监测具有较大的优势。
如图1-4中所示，所述机械臂3包括一级导轨13和二级导轨14，所述一级导轨13和所述二级导轨14皆沿水平方向延伸，所述一级导轨13的一端铰接于所述三级升降机构12上，所述一级导轨13可以相对于所述三级升降机构12在水平面旋转，所述一级导轨13远离所述三级升降机构12的一端设有一级安装板15，所述二级导轨14的一端铰接与所述一级安装板15上，所述第二导轨可以相对所述一级安装板15在水平面旋转，所述二级导轨14远离所述一级安装板15的一端设有二级安装板16，所述仪器固定架4铰接于所述二级安装板16上，且所述仪器固定架4不与所述一级安装板15接触，所述仪器固定架4可以在二级安装板16上做多角度旋转，所述仪器固定架4可以安装作物和环境检测的多种传感器。本发明利用多级的升降装置2可以对高架植物上端的作物信息进行监测，且以加热管作为轨道的方式能够确保行走的稳定性和检测位姿的准确。本发明能够满足不同株型的高架栽培作物在不同生长期的长势和环境监测的需求，为以作物需求为导向的水肥和环境优化调控提供科学依据。所述一级导轨13为500mm长，所述二级导轨14为500mm长，配合所述仪器固定架4可以完成水平方向200-1000mm的不同伸展和回转半径范围的传感器的视场和位姿调节。
如图1-4中所示，所述一级升降机构10相对的两侧各设有一条提示灯17，所述提示灯17采用LED组合光源，可以用于图像和多信息采集时的补光。所述一级升降机构10的侧面设有外围导轨18，所述外围导轨18分别与所述二级升降机构11和所述三级升降机构12连接，所述外围导轨18可以随所述二级升降机构11和所述三级升降机构12进行拉伸，所述外围导轨18用于加固所述二级升降机构11和所述三级升降机构12，所述外围导轨18内部固设有外围控制器，所述外围导轨18可以对所述外围控制器进行保护，所述外围导轨18上设有显示屏19，所述外围控制器控制着所述显示屏19，也控制所述外围导轨18的升降。所述仪器固定架4包括延伸架20和安装架21，所述二级安装板16上设有竖直延伸的第一转轴22，所述延伸架20的一端铰接于第一转轴22，所述延伸架20绕所述第一转轴22旋转，所述延伸架20的另一端设有水平延伸的第二转轴23，所述安装架21铰接于第二转轴23，所述安装架21绕所述第二转轴23旋转所述安装架21用于安装各种传感器和拍照摄像头。所述安装架21安装多种传感器形成多传感检测系统，结合第二转轴23可以实现垂直方向的-90°~90°视角的传感器位姿调节。第一转轴22采用具有位置反馈伺服电机完成驱动控制，垂直翻转轴采用带有位置反馈的小型步进电机完成，系统探测时，基于期望的空间位姿坐标，通过多轴配合结合运动路径轨迹的组合规划，实现对多传感探测器的物距、视场等位姿的精准控制。将总控制箱、驱动器、蓄电池等较重的零部件设置在所述移动底盘1内，将仪器固定架4等轻型部件设置在顶部，降低整体的重心，确保移动底盘1行走的稳定性，避免行走过程因轨道不平和重心答复变化导致颠簸，同时在材料的选取上，所述移动底盘1采用了实心结构的钢材，而升降装置2和机械臂3则采用了高强度的铝材进行加工制造，以降低中心提高系统高举作业的稳定性和载荷。同时为了保证续航要求，所述蓄电池采用大容量锂电池，以保证长时间的自主巡航作业。
如图1-4中所示，多传感检测系统由工控机进行控制。总控制箱通过485总线采用MODBUS协议解析获取温度湿度、光照、红外温度等传感器数据，采用千兆路由器网络端口获取视觉传感器、激光测距和光纤传感器的光谱信息。多传感器的采集与处理系统利用LabVIEW界面编辑功能以及能够调用Windows32动态连接库的特性，并针对LabVIEW调用DLL的特点和传感器控制的复杂性，确定可见光相机、红外热成像、光谱仪和温湿压三合一传感器可调用的功能函数，每个可调用函数都对应着某一具体的功能任务。包括初始化函数、运行条件初始化函数、运行状态函数、脉冲发送函数、轴伸长计算函数、停止运行函数、归零函数以及结束运行函数等。整个LabVIEW传感器部分的框图程序的结构采用循环结构和顺序结构（Sequence Structure）堆叠而成，每一顺序框都对应某项固定的任务都包含在整个固定频率的循环结构当中。本系统通过LabVIEW创建人机交互界面，以实现温室作物和环境多传感信息的采集和运动控制过程。
如图5中所示，所述温室高架栽培作物轨道式移动监测平台还包括背景隔离装置，所述移动底盘1上设有检测摄像头，所述检测摄像头用于检测栽培作物的茎宽，所述背景隔离装置包括传送带24、对照棒25、第一支撑架26、第二支撑架27和齿条28，所述传送带24的传动方向与所述移动底盘1的移动方向相平行，所述第一支撑架26和所述第二支撑架27安装在所述传送带24上，且所述第一支撑架26和所述第二支撑架27随所述传送带24传动而平移，所述第一支撑架26和所述第二支撑架27上各设有一对齿轮29，四个齿轮29呈矩形排布，所述齿条28套在四个齿轮29外，且所述齿条28呈8字型，其中一个齿轮29连接有单独的伺服电机，伺服电机控制齿轮29转动，从而带动整个齿条28传动。所述齿条28包括相交的第一部分和第二分部，所述对照棒25分别与所述第一部分和第二部分相连接，当所述齿条28传动时，所述对照棒25在齿条28的带动下发生偏转和移动，从而实现利用伺服电机调整对照棒25，其中所述对照棒25为黑色碳纤维棒，由于黑色与绿色阈值差异较大，能较好的分割主茎秆。所述对照棒25位于所述传送带上方，所述对照棒25随所述传送带24传动而平移，所述对照棒25为所述检测摄像头检测栽培作物的茎宽提供尺度的标定。在实际使用中，温室内的高架栽培作物是沿着所述移动底盘1的轨道一排分布下去，所述传送带24则位于高架栽培作物远离轨道的一侧，也就是高架栽培作物在所述传送带24和轨道之间，当所述移动底盘1移动到高架栽培作物的一侧时，所述伺服电机控制齿条传动，使对照棒25的中点落在检测摄像头的镜头的中点，且对照棒25与待测量的高架栽培作物的茎部共线，所述检测摄像头即可将图像拍下来，总控制箱再根据图像以对照棒为尺度的标定，计算出作物的茎宽，株高冠幅等数据，然后将移动底盘1的移动速度与传送带的传动速度同步，检测摄像头在拍摄下一个作物的茎部时，对照棒25刚好与该作物的茎部共线，无需调整齿条28，总控制箱即可计算下一个作物的茎宽，株高冠幅等数据。由于在进行颜色的阈值设置时由于背景几乎全为相同颜色，不方便分割出来，本发明通过采用对照棒25容易进行分割，方便测量作物的茎部。此外，将齿条设置成8字型，可以使对照棒25更加牢固，在测量作物茎部时不易发生抖动，影响测量效果。应用背景隔离装置方便分割作物茎秆，精准标定作物生长信息数据。
一种温室高架栽培作物轨道式移动监测平台的控制方法，其包括如下步骤：S01、启动移动底盘1，总控制箱对自身系统进行自检，确认自身系统各个部件正常进入工作状态，自检完成之后，通过总控制箱内的上位机对传感器及控制器控制参数初始化，包括对增量编码器原点设置，移动底盘各电机控制参数、初始运行速度等参数设置。当系统检测未发生任何异常报警并完成初始化，则进行复位并等待接收上位机的运动控制指令或遥控指令，当系统有任何警告或错误信号时，则移动平台停车报警，并等待人工处理。初始化后，操作者输入行走命令，移动底盘1从初始位置出发；S02、移动底盘1沿轨道行驶，根据步骤S01的行走命令到达预定位置或者通过操作者远程控制到达预定位置；S03、总控制箱进入监测状态，操作者输入监测命令，系统根据待监测对象的位置，判断待监测对象是否在二级升降机构11最大高度内，如待监测对象在二级升降机构11最大高度内，则控制二级升降机构11往上升，使计算仪器固定架达到待监测对象的高度；如待监测对象在二级升降机构11最大高度外，则控制二级升降机构11往上升，再控制三级升降机构12往上升，使仪器固定架达到待监测对象的高度；S04、控制一级导轨13和二级导轨14旋转，使待监测对象朝向待监测对象，根据待监测对象的仪器种类对待监测对象进行监测，直到完成待监测对象的监测；S05、操作者输入新的行走命令，移动底盘行走至下一个待监测对象，重复步骤S03和S04；S06、总控制箱结束监测状态，移动底盘1返回初始位置。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种温室高架栽培作物轨道式移动监测平台，其特征在于，包括：
一移动底盘，所述移动底盘内设有总控制箱；
一升降装置，所述升降装置包括一级升降机构、二级升降机构和三级升降机构，所述一级升降机构固定于所述移动底盘上，所述二级升降机构可滑动地安装于所述一级升降机构上，且所述二级升降机构相对于所述一级升降机构沿竖直方向滑动，所述三级升降机构可滑动地安装于所述二级升降机构上，且所述三级升降机构相对于所述二级升降机构沿竖直方向滑动；
一机械臂，所述机械臂包括一级导轨和二级导轨，所述一级导轨和所述二级导轨皆沿水平方向延伸，所述一级导轨的一端铰接于所述三级升降机构上，所述一级导轨的另一端设有一级安装板，所述二级导轨的一端铰接于所述一级安装板上，所述二级导轨的另一端设有二级安装板；
一仪器固定架，所述仪器固定架铰接于所述二级安装板上；
还包括背景隔离装置，所述移动底盘上设有检测摄像头，所述检测摄像头用于检测栽培作物的茎宽，所述背景隔离装置包括传送带和对照棒，所述传送带的传动方向与所述移动底盘的移动方向相平行，所述对照棒位于所述传送带上方，所述对照棒随所述传送带传动而移动，所述对照棒为所述检测摄像头检测栽培作物的茎宽提供尺度的标定；所述背景隔离装置还包括第一支撑架、第二支撑架和齿条，所述第一支撑架和所述第二支撑架安装在所述传送带上，且所述第一支撑架和所述第二支撑架随所述传送带传动而平移，所述第一支撑架和所述第二支撑架上各设有一对齿轮，四个齿轮呈矩形排布，所述齿条套在四个齿轮外，且所述齿条呈8字型，所述齿条包括相交的第一部分和第二分部，所述对照棒分别与所述第一部分和第二部分相连接。
2.根据权利要求1所述的温室高架栽培作物轨道式移动监测平台，其特征在于：所述移动底盘上设有至少一对用于轨道行驶的导向轮，所述移动底盘上还设有用于接触地面的驱动轮，所述移动底盘上还设有用于换向的滚动轮，所述滚动轮位于所述驱动轮和所述导向轮之间。
3.根据权利要求1所述的温室高架栽培作物轨道式移动监测平台，其特征在于：所述一级升降机构相对的两侧各设有一条提示灯。
4.根据权利要求1所述的温室高架栽培作物轨道式移动监测平台，其特征在于：所述一级升降机构的侧面设有外围导轨，所述外围导轨内部固设有外围控制器。
5.根据权利要求4所述的温室高架栽培作物轨道式移动监测平台，其特征在于：所述外围导轨上设有显示屏。
6.根据权利要求1所述的温室高架栽培作物轨道式移动监测平台，其特征在于：所述仪器固定架包括延伸架和安装架，所述二级安装板上设有竖直延伸的第一转轴，所述延伸架的一端铰接于第一转轴，所述延伸架的另一端设有水平延伸的第二转轴，所述安装架铰接于第二转轴。
7.权利要求1至6任一项所述的温室高架栽培作物轨道式移动监测平台的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01、启动移动底盘，总控制箱对自身系统进行自检，确认自身系统各个部件正常进入工作状态，操作者输入行走命令，移动底盘从初始位置出发；
S02、移动底盘沿轨道行驶，根据步骤S01的行走命令到达预定位置或者通过操作者远程控制到达预定位置；
S03、总控制箱进入监测状态，操作者输入监测命令，系统根据待监测对象的位置，判断待监测对象是否在二级升降机构最大高度内，如待监测对象在二级升降机构最大高度内，则控制二级升降机构往上升，使仪器固定架达到待监测对象的高度；如待监测对象在二级升降机构最大高度外，则控制二级升降机构往上升，再控制三级升降机构往上升，使仪器固定架达到待监测对象的高度；
S04、控制一级导轨和二级导轨旋转，使仪器朝向待监测对象，根据待监测对象的仪器种类对待监测对象进行监测，直到完成待监测对象的监测；
S05、操作者输入新的行走命令，移动底盘行走至下一个待监测对象，重复步骤S03和S04；
S06、总控制箱结束监测状态，移动底盘返回初始位置。
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