CN113924968B - 一种用于植物工厂的无人生产作业系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于植物工厂的无人生产作业系统。无人生产作业系统至少包含：培育架，通过多层空架设置以实现多品种或多数量植物栽培；植物生长供给装置，包含给光区和营养供给区，其中，给光区设置于每层空架顶部以向植物提供光照，营养供给区以水培或雾培的方式向植物提供营养成分。

Description

一种用于植物工厂的无人生产作业系统及方法

技术领域

本发明涉及植物机械技术领域，尤其涉及一种用于植物工厂的无人生产作业方法及系统。

背景技术

植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用智能计算机和电子传感系统对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物的生长发育不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段，是一种高投入、高技术、精装备的生产体系，集生物技术、工程技术和系统管理于一体，使农业生产从自然生态束缚中脱离出来.按计划周年性进行植物产品生产的工厂化农业系统，是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一，代表着未来农业的发展方向。

随着高效智能的植物工厂的发展，半封闭室内环境的植物工厂内部的监控变得重要，由于植物在工厂内部的生长变化会伴随内部环境变化，因此对于植物的生长环境和生长状态的监控对于产量管控变得非常重要。

公开号为CN107368111B的中国专利公开一种基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的方法，主要针对解决植物工厂和密闭生态系统中氧气和二氧化碳气体不平衡的问题。利用植物工厂中不同植物对光周期需求的差异性，交错设置不同植物的光周期，统计各种植物光合速率和呼吸速率，通过线性规划的方法，即可自动交错设置植物工厂内各种植物的光周期，使内部氧气和二氧化碳浓度在最短的时间内恢复均衡；能够根据不同光周期及不同植物生长期下的氧气和二氧化碳释放量保障植物工厂内二氧化碳和氧气的自平衡。上述专利提供了一种环境监控系统，该系统仅能够针对植物所需二氧化碳和氧气进行环境光周期调节，无法针对植物的具体状态进行精细调节，而植物的产量仅仅通过二氧化碳和氧气的调节无法做到预测和控制。

公开号为CN108184475B的中国专利涉及一种植物工厂的光照系统，系统包括：光照驱动组件，用于控制光照元件网络根据植物工厂中各种植区域种植的植物类型分区域提供有助相应类型的植物生长的可控光照；第一限制性信息获取模块，用于获取第一限制性信息；第二限制性信息分析模块，用于获取第二限制性信息；第三限制性信息获取模块，用于获取第三限制性信息；控制模块，用于根据采集的第一、第二限制性信息而调整植物工厂中相应种植区域的光照方案并同步调整植物工厂中相应种植区域的养料供应方案，使得生长在植物工厂中的植物类型的植物的生产速率与第一限制性信息和第三限制性信息的关系被优化。进一步地，基于植物的光合作用的要求，上述专利能够通过营养供应进行光照条件的及时调节，但对于光照调节中的信息获取依然存在缺陷，尤其是在及时反馈植物状态从而进行光照调节方面。

基于现有技术中，植物生长状态与植物给光方案的分离监控，本发明将植物生长状态和植物给光方案相结合，通过实时监控植物生长状态以确定当前的给光方案是否适用于植物生长，从而为植物产量的预测提供最优的数据和环境。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种用于植物工厂的无人生产作业系统。无人生产作业系统至少包含：培育架，通过多层空架设置以实现多品种或多数量植物栽培；植物生长供给装置，包含给光区和营养供给区，其中，给光区设置于每层空架顶部以向植物提供光照，营养供给区包含设置于每层空架的营养循环管路，营养循环管路以水培或雾培的方式向每层空架的植物提供植物所需营养成分。

根据一种优选实施方式，营养供给区包含营养槽，其中，营养槽用于储存向植物供给营养的营养液，营养循环管路与营养槽连通，并铺设于空架上以使存储于营养槽中的营养液通过营养循环管路流经空架。

根据一种优选实施方式，营养槽设置有分隔的多个营养元素存储空间，多个营养元素存储空间在与营养循环管路连接的一侧分别设置有控制阀门，使营养液能够基于多个营养元素存储空间向营养循环管路的输出具有不同的营养配比。

本技术方案的优点：通过将植物所需的必须营养元素和非必须营养元素中的各种单元素营养液分离密封至单独的空间内，以此配比出针对不同植物品种和不同植物生长状态的营养液。每一个单独的空间设置受数据处理中心控制的控制阀门。初始状态时，数据处理中心基于植物的种类和当前植物的生长时期调节营养液的配比，而在植物进入营养生长和生殖生长过程中数据处理中心基于巡检车对于植物生长状态的信息反馈调节营养液的配比。例如，菠菜营养液(1000ml)初始配方为：四水硝酸钙400mg、硝酸钾200mg、硝酸铵80mg、硫酸铵100mg、硫酸铁30mg、七水硫酸镁250mg、七水硫酸亚铁120mg、四水硫酸锰30mg、五水硫酸铜100mg、氯化钴8mg、磷酸二氢铵4mg、磷酸一氢钠4mg、乙二胺四乙酸二钠20mg、锰80mg、氯100mg、硼8mg、碳8mg，余量为水。但在菠菜进入抽薹时期，叶片若出现发黄且无灾害的症状时，则需要降低四水硝酸钙含量并增加七水硫酸亚铁含量，以通过营养元素的协调增加叶片的绿色，从而提高植物产出的品质。

根据一种优选实施方式，营养循环管路包含设置于空架顶部的光合营养雾喷管和设置于空架底部的根际营养雾喷管，其中，光合营养雾喷管能够将植物茎叶所需营养以气雾的形式向植物茎叶部位释放，根际营养雾喷管能够将植物根部所需营养以气雾的形式向植物根际部位释放。优选地，光合营养雾喷管和根际营养雾喷管分别连接独立存在的营养元素存储空间。

本技术方案的优点：传统雾培法仅能够针对植物的一个固定位置或者靠近植物的一个固定位置进行雾喷，一般主要为植物根际部位，容易造成植株根际营养环境不稳定，从而影响生长速率。同时，由于茎叶部位的吸收能力与根际的吸收能力差异，因此，对于茎叶部位的营养外源补给和根际部位的营养外源补给具有差异，通过本装置的双营养循环管路将差异性补给过程分离，达到精准补给的效果，从而提高植物对于营养吸收的效率。

根据一种优选实施方式，系统还包含植物生长监控装置，植物生长监控装置包含巡检车和用于控制植物生长供给装置、巡检车的数据处理中心。

根据一种优选实施方式，巡检车设置为能够跨越营养循环管路的龙门形结构，两侧设置能够顶起空架上的育苗盘的升降单元。

根据一种优选实施方式，巡检车设置有视觉模块和用于操作植物的夹爪式机械手，其中，视觉模块用于对植物的生长状态进行监控，并基于生长状态的信息反馈对植物进行定植、间苗或采收的操作。

根据一种优选实施方式，在巡检车进入感应植物的预设范围内时，巡检车能够通过设置于其上的视觉模块以红外成像和/或视觉成像的方式采集植物的当前的物理状态或特征。

根据一种优选实施方式，数据处理中心能够通过巡检车对植物当前的物理状态或特征的反馈来调节植物生长供给装置，使植物生长供给装置能够根据植物的生长状态进行光照和营养液的变化性供给。

本技术方案的优点：数据处理中心和巡检车的配合实现对整个植物工厂中的植物的生长状态进行监控，并通过数据处理中心对植物生长监控装置的调节和控制，满足当前植物生长的需求侧。

一种用于植物工厂的无人生产作业方法，至少包含以下步骤：

S1：巡检车设置于其上的视觉模块以红外成像和/或视觉成像的方式采集培育架上种植的植物的当前的物理状态或特征；

S2：数据处理中心基于巡检车反馈的培育架上种植的植物的当前的物理状态或特征识别当前植物生长状态；

S3：数据处理中心控制包含给光区和营养供给区的植物生长供给装置向植物施加适合于当前植物的生长状态的光照和营养成分，其中，给光区自所述空架顶部向植物提供光照，营养供给区以水培或雾培的方式向植物提供营养成分。

附图说明

图1是本发明提供的一种优选实施方式的简化模块连接关系示意图。

附图标记列表

100：培育架；200：植物生长供给装置；210：给光区；220：营养供给区；300：植物生长监控装置；310：巡检车；320：数据处理中心。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

本发明提供一种用于植物工厂的无人生产作业方法及系统。

该系统包含培育架100、植物生长监控装置300和植物生长供给装置200，其中，植物生长监控装置300至少包含巡检车310和用于控制培育架100、巡检车310和植物生长监控装置300的数据处理中心320，如图1所示。

培育架100设置为多层空架，每一层空架设置有至少一个栽培区、给光区210和巡检轨道。栽培区能够用于植物的栽培，并使给光区210和巡检轨道围绕栽培区设置。

给光区210设置有受数据处理中心320控制的光源模块，给光区210能够针对栽培区进行光源供给，其中光源能够受控制地进行持续或间断的光供给。光源能够进行光强度、光谱颜色的光照变化。优选地，给光区210以与栽培区相距一定距离的方式设置于栽培区上方。

巡检轨道以环绕培育架100的方式设置于培育架100的每一层，巡检车310能够基于轨道的铺设在培育架100上的每一层进行移动。优选地，巡检轨道在培育架100的每一层连续设置，以引导巡检车310在各个培育架100的每一层连续性移动。巡检车310能够在对植物进行巡检时通过红外和照片拍摄的方法实现对植物生长动态的实时监测。优选地，巡检车配置有红外摄像头、黑白摄像头、彩色摄像头和处理器。

巡检车310设置有视觉模块和处理器。巡检车310沿巡检轨道运动时，能够通过视觉模块对栽培区栽培的植物进行图片摄取，为植物生长状态分析提供依据。优选地，视觉模块包含黑白图片的摄取和彩色图片的摄取。巡检车310的处理器能够对黑白图片进行简单的数据提取和数据对比，在发现异常时能够用于彩色图片摄取的指令发送。优选地，巡检车310设置为能够跨越营养液槽的龙门形结构，两侧设置能够顶起栽培板的升降单元。龙门形结构通过侧向的支柱实现与轨道滑动连接，横向设置连接竖向两侧的支柱的支撑杆，从而形成龙门结构的巡检车310。该结构能够允许轨道与营养液槽并行，其支撑形成的与地面分离的空区允许营养液槽通过。同时，两侧的支柱能够受数据处理中心320控制以伸缩的方式调节支撑杆的高度。在巡检车310处于培育架100周围时，能够通过升高支柱使支撑杆达到与培育架100的其中一层处于同一水平面，使设置于支撑杆上的视觉模块能够对该层栽培植物以扫描的方式进行监测。

数据处理中心320能够以有线或无线的方式与培育架100、巡检车310进行数据连接。数据处理中心320能够基于其接收的指令或反馈得到的数据进行指令发出。培育架100能够基于数据处理中心320的指令进行光照条件或其他设置于培育架100上的植物生长供给条件的改变。巡检车310能够对其经过的培育架100上的植物进行拍摄。巡检车310上的处理器或数据处理中心320能够得到拍摄图片，并对拍摄图片进行特征提取。通过将正常状态的植物图片中的特征与当前拍摄图片的特征进行对比，从而发现当前植物生长状态的异常，并基于异常的特征辅助推断植物生长状态异常的原因。优选地，数据处理中心320能够通过人机界面交互对多个环境因子实现耦合控制，以提高控制速度和精度。

根据一种优选实施方式，巡检车310的图片拍摄能够基于数据量处理要求和性状的特征提取条件要求分为黑白色图片摄取、灰度图片摄取和彩色或全彩色图片摄取。植物的异常状态主要为生病状态，其生病状态的起因主要为病害或虫害。由于病害或虫害发生时，植物的叶片、茎秆等组织部位在形状、颜色等方面发生变化，因此，在判断植物异常状态时，仅需要对植物的组织部位的形状或颜色进行判断，即可以得到植物是否处于异常或生病状态。植物组织部位的形状、颜色能够通过黑白色图片的摄取进行判断。例如，在植物生病时，叶片可能卷缩。巡检车310对植物叶片进行黑白色照片的摄取，并对植物叶片的轮廓进行坐标点式的特征提取，从而通过叶片的展开面积减少和叶片轮廓坐标点的位置落差判断当前植物处于异常状态。优选地，使用candy提取边缘，再用minimal bounding或者Minimal radius bounding semi-circle来确定。

进一步地，在通过黑白照片发现异常状态植物时，巡检车310能够对对应区域的植物选择性进行灰度、彩色或全彩色图片的摄取。如表1所示，在进行植物异常/生病状态的判断过程，摄取图片的种类能够以植物异常/生病状态判断所需数据为依据进行选择。优选地，黑白图照片能够为1600*900*2bit的规格。

表1

灰度图片能够用于植物虫害产生的虫子形态、虫害分布和虫害面积的特征提取，并针对其中部分植物的虫害分布进行彩色或全彩图片的摄取。优选地，巡检车310通过自身搭载的处理器在高速移动时处理黑白图片的特征对比，一方面能够及时发现当前所处位置的可能虫害问题，并停滞于此处，并按照顺序依次拍下虫害植株的灰度照片；另一方面，经过虫害植物的巡检车310具有携带虫害虫卵的概率，若经过虫害植物的巡检车310继续前行，则可能将有害虫卵传播至其他种植植物的区域，导致病害产生的范围加重，因此，在检测到可能存在虫害的植物区域时，经过的巡检车310会停滞在该区域，或进行套袋防护处理，或进行消毒清洁处理。

在通过病斑形态、颜色和位置确定了植物的虫害种类后，还能够通过灰度照片对植物正面和背面进行全方位的虫害分布和面积统计，从而结合虫害颜色深度确定植物病情程度，以确定当前的虫害对植物产量的影响程度。例如，番茄棉铃虫。番茄棉铃虫病害主要危害作物的果实，使得作物的产量明显下滑。番茄棉铃虫幼虫蛀食蕾、花、果为主，也为害嫩茎、叶和芽。花蕾受害时，苞叶张开，变成黄绿色，2-3天后脱落。幼果常被吃空或引起腐烂而脱落，成果虽然只被蛀食部分果肉，但因蛀孔在蒂部，便于外源水、病菌流入引起腐烂，所以果实大量被蛀会导致果实腐烂脱落，造成减产。在番茄处于生殖生长时期，番茄棉铃虫会分布于番茄植株的花蕾或果实表面。巡检车310能够对分布虫害的番茄植株进行灰度图片的照射，通过对花蕾、果实和番茄棉铃虫的边缘灰度色差，从而区别番茄花蕾、果实和番茄棉铃虫，从而判断番茄棉铃虫在番茄上的分布位置、分布面积和番茄棉铃虫的形态。

在无法确定植物表面的虫子种类时，能够进一步采用彩色或全彩色的图片摄取，从而得到清晰地虫子图片，用于为数据梳理中心提供判断虫子种类的最终依据。

通过结合虫子种类、虫害分布位置、虫害分布面积以及虫子当前状态，能够对植株当前的健康状态进行评估。由于在发现植物处于虫害状态时，需要对植物进行药物喷洒治疗，因此当前植物的虫害状态能够为后续治疗提供重要依据，从而使数据处理中心320能够选择合适当前植物的治疗药物、药量和施药方式。

数据处理中心320能够通过图片特征摄取对植物异常状态进行评估。基于图片颜色的选择，形成植物虫害判断的层级递进。每一层级的虫害判断对于植物工厂具有不同的用途和意义。例如，黑白图片的摄取，在一方面能够允许巡检车310搭载的处理器自行处理，不需要进行数据传输，也不要求高精度、高运算速度的处理中心，能够在降低成本的同时增快数据处理的速度，使巡检车310能够沿轨道高速运动时，快速扫描栽培区植物以进行异常植物的筛选；另一方面，对于部分植物需要叶片或茎秆作为产出的植物，叶片或茎秆发生病虫害时则无法再次产出，例如粉蝶对于需要叶片产出的植物的破坏，一旦发生，粉蝶所在的植物的叶片则无法用于中药入药。一旦发生，需要考虑将粉蝶破坏植物与正常植物进行隔离，而不需要考虑进行下一步的灰度或彩色图片的摄取。

通过数据处理中心320和处理器对于拍摄图片的处理，得到植物当前状态的具体生理数据。植物当前的生理数据能够实时反馈植物工厂的环境。现有技术中大多针对植物工厂中的环境因素调节方式，而忽视了环境因素调节用于服务植物生长。例如，公开号为CN112470790A的中国专利提供了一种植物生长环境监控调节装置与方法，包括种植大棚、隔离板、检测单元、调整单元及控制单元。在种植大棚内通过隔离板将大棚分隔成多个种植室，每个种植室内设置有检测单元，检测单元通过检测种植室内种植环境反馈至控制单元，控制单元能够根据植物生长状态记录植物生长环境数据，匹配出适合植物生长的生长环境，并根据控制单元经过检测数据控制调整单元改变种植室内种植环境，多个种植室可以同时监控及调节。该装置仅能够通过环境中的气体含量对植物生长状态进行检测，以调节温度和光照。但植物的生长状态最直观的体现在植物自身的状态中，而非环境内的气体含量，或者说环境中的气体含量仅仅为影响植物生长状态的一个因素。因此，本发明通过巡检车310对植物的图像扫描直观的判断植物是否处于健康的营养生长或生殖生长状态。

数据处理中心320的数据处理包含至少三个优先级，其中，包含植物黑白色图片的第一优先级、植物灰度图片的第二优先级和植物彩色图片的第三优先级。

巡检车310的图片摄取包含第一优先级的黑白色图片摄取方式。巡检车310沿轨道高速移动时，通过摄像头对其视野范围内的植物进行扫描。数据处理中心320或巡检车310的处理器基于扫描得到的图片进行特征提取和比对，提取植物的茎秆和/或叶片形态/轮廓，从而发现非正常状态的植物。其中，非正常状态的植物包含营养不平衡或光照不平衡以及发生灾害的植物。在发现非正常状态的植物时，巡检车310基于数据处理中心320发送的第二优先级的灰度图片摄取的指令，以增加颜色丰富度的方式对检测到的非正常状态的植物进行图像摄取。第二优先级中涉及的灰度图片能够用于提取植物茎秆和/或叶片上的病斑或虫害的形态、位置和面积的特征。

在病斑或虫害的形态未能够使数据处理中心320基于其数据库存储的已知病虫害的类型判断出病斑或虫害的种类时，数据处理中心320能够向巡检车310发出指令，使巡检车310进行第三优先级的图片摄取。第三优先级的图片摄取能够用于异物分布的检测。

根据一种优选实施方式，巡检车310在高速移动过程中，优先使用黑白摄像头对栽培架的植物进行扫描式拍摄。黑白照片相对灰度、彩色和全彩照片，其数据量和通道的要求更低，并且仅仅用于植物轮廓和形态的判断，黑白照片完全适用。由巡检车310对植物拍摄的黑白照片的数据量较小，其能够通过自身携带的处理器对扫描得到的黑白照片进行处理，其能够提取照片中植株的叶片、茎秆等形态特征，例如茎秆和叶片的轮廓，并通过与健康状态的植物进行特征比对，从而及时发现植物组织部位的异常。

在确定了患病植物的区域后，植物的患病深度和患病类群需要确定。植物的患病类群能够帮助确定植物的治疗方案，而植物的患病深度一方面能够作为治疗方案的预设的依据，另一方面还能够在进行植物患病深度判断时。

植物患病类群的判断依赖于植物病斑颜色、位置和形态的判断，其中植物病斑位置和形态依靠巡检车310对植物拍摄的灰度图片进行判断，植物病斑颜色依靠巡检车310对植物拍摄的彩色或全彩图片进行判断。由于灰度图片的数据处理量小于彩色或全彩图片，而黑白图片的数据处理量小于灰度图片的数据处理量，因此，在能够满足对植物形态或植物表面形态的特征提取的情况下，采用照片摄取优先级的形式进行图像采集。优先级的顺序能够为黑白图>灰度图>彩色图>全彩图。

实施例1

巡检车310至少包含第一轨道车和第二轨道车。

第一轨道车的视觉模块设置有用于第一优先级图片摄取的黑白图片摄像单元。第一轨道车在沿轨道移动时，能够以至少能够通过用于识别植物的生长状态的摄像头对每一栽培层内的各栽培板上所种植的植物的生长状态进行初步识别。

第二轨道车的视觉模块设置有至少能够拍摄灰度图片的摄像单元。第一轨道车和第二轨道车均能够沿轨道在培育架100上及周围移动，以保证第二轨道车能够达到第一轨道车发送的定位位置，实现异常状态植物的精准定位。当通过黑白图片识别出某块栽培区域内所生长的植物的生长状态存在异常时，则设置于第二轨道车的摄像单元开始启动并对黑白图片所对应栽培区域内的植物进行拍摄，以对植物的病害和/或虫害的类别和严重等级进行进一步地识别。优选地，第一轨道车向数据处理中心320反馈的数据信息能够包含植物异常状态的判断结果、异常状态植物的位置信息和第一轨道车的位置信息。数据处理中心320在得到异常状态植物的位置信息和第一轨道车的位置信息时，能够发送移动定位以控制第二轨道车的移动路径和停止位置，并为第二轨道车的扫描方向提供辅助判断。例如，第一轨道车在到达第一栽培区的第一位置时，摄像单元在第一栽培区的第五行第四列、第五行第五列以及第五行第六列发现了异常状态植株，则第二轨道车能够基于数据处理中心320的信息反馈，同样移动至第一位置，并寻找第一栽培区的第五行第四列、第五行第五列以及第五行第六列植物进行第二优先级的图片摄取。

根据一种优选实施方式，用于识别植物的生长状态的摄像单元经由轨道车自身的第一通信单元与智能植物工厂/的控制单元建立数据连接。优选地，第一轨道车能够沿着轨道定期或不定期地对每一栽培层内的各栽培板上所种植的植物的生长状态进行初步识别。

第一轨道车能够通过自身搭载的处理器，将其拍摄的黑白图片进行数据处理，而无需将黑白图片发送至控制单元或其他模块进行识别分析，从而发现植物是否异常。第一轨道车自身进行数据处理能够增加数据处理的速度，在第一轨道车高度移动时能够及时反馈结果，分派第二轨道车进行进一步的检查。

图像摄取的优先级设定，相比直接通过摄像头采集栽培板内植物的彩色图像，一方面由于彩色图片/视频所占用的内存较大而造成控制单元进行图像识别所需处理的数据量巨大，而最终导致通过摄像头基于图像识别分析病害和/或虫害的处理速度不高，进而导致移动平台能够在专用轨道行驶的最大速度较低，无法适应大面积的植物工厂的日常巡检监测需求；

通过黑白摄像头或摄像头摄取黑白图片的方式识别植物的生长状态以进一步分析植物病害和/或虫害，并直接通过用于识别植物的生长状态的摄像头而无需将用于识别植物的生长状态的摄像头所拍摄的黑白图片发送至控制单元来初步识别植物的生长状态，来提高初步识别的处理速度，进一步地当控制单元初步识别的处理速度提高之后，第一轨道车的移动速度也可以得到显著地提高，从而在确保初步识别植物的生长状态是否正常的基础上提高对植物工厂内植物的监测速率、增大单位时间内对植物工厂内栽培板上所生长植物的监测面积。

第二轨道车的设置还能够进一步地增加异常状态植物的产生原因，以流水线的拍摄方式增加拍摄的处理效率和拍摄效率，避免不必要的图片类型切换或摄像头切换。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

本系统中还设置有温控装置，温控装置同样受数据处理中心320控制。植物缺水或高温状态时，植物叶片呈现卷缩状或发黄。在第一轨道车通过第一优先级的检查发现异常状态的植物(例如，叶片卷缩)时，第二轨道车能够通过第二优先级进行异常状态植物的检查，如果未发现异物，则数据处理中心320考虑植物的光照、温度或营养失衡，并进一步反馈给数据处理中心320。数据处理中心320将对植物生长环境的湿度、温度、光照和营养供给进行检查，并控制植物生长供给装置200进行环境因素调节，以确保植物的异常生长与环境因素无关。

根据一种优选实施方式，基于异常状态植物的检查结果，数据处理中心能够控制光合营养雾喷管和/或根际营养雾喷管向存在异常状态植物的区域喷射营养液或水，从而通过喷射的营养液或水调节植物生长状态。

实施例3

本实施例是对实施例1、实施例2的进一步改进，重复的内容不再赘述。

培育架100基于植物的不同生长时期能够分为播种育苗区、定植间苗区和生长区。播种育苗区中的培育架100包含海绵和栽培板。将蔬菜种子播于育苗海绵块上。具体地，种子播种于海绵块上，通过栽培篮整齐摆放在栽培板上，播种后放到多层育苗架上育苗。在种子未萌发前，将育苗架上的灯光关闭，待2天后种子萌发后，开启灯光，并按照时间控制器设定程序开关灯。优选地，单体海绵块规格25mm×25mm×25mm。该区间需求独立的空调系统。优选地，光期20℃，暗期18℃。用于播种育苗的栽培架在各层配置营养液循环系统、光照系统。优选地，采用荧光灯或白色LED灯作为光源，光强度为10μmol·m^-2·s^-1。

定植间苗区中的培育架100包含育苗架。种子在育苗架停留15天左右后，幼苗长至适宜大小，将育苗架上幼苗转运到定值区进行定值。定值是将高密度的育苗板换成较低密度的小苗板，增大株间距。空育苗板清洗后，放到暂存区等待下次播种使用。定值到小苗板上的幼苗送到生长区栽培架上继续生长。小苗生长15天左右后，从栽培架上取出送到间苗工位进行间苗，间苗是将小苗板上的小苗取出后放到株密度更低的大苗板，提供更大的蔬菜生长空间。产生的空小苗板清洗后，放到暂存区等待下次定值使用。间苗到大苗板上的小苗送到生长区栽培架上继续生长。

生长区的培育架100能够设置于三层通高的人工光培育室。优选地，人工光培育室净高9.3m。

本发明还涉及取放货提升机、潜入式激光导引AGV、定值/间苗机械手、高速移载车。取放货提升机用于将栽培板从栽培架上取出放到高速移载车上。取出机构为伸缩式货叉，可两个方向伸缩。货叉中间设计集水槽，对取放栽培板过程中菜根滴落的营养液进行收集。货叉可以在提升机载货台上水平横移，取放同组栽培架两排栽培板。AGV两轮差速驱动，锂电池供电，激光定位，无轨化行走，自动顶升。可原地差速旋转，对不平路面、打滑路面、人为推挤具有很强的抗干扰能力。可根据需求及中央管理系统产生停障及避障绕行行为。高速移载车位于库前端，移载车由底座和滑台组成，滑台上有输送机，可以运载栽培板。高速移载车能够串联多个设备，使栽培板连贯转运。定值/间苗机械手由桁架机构组成，可自动完成定值、间苗工作。机械手前端设计夹爪，用来夹取栽培篮，从而完成定值/间苗动作。优选地，机械手能够设置于巡检车310上，并伴随巡检车310在栽培架或周向环绕的轨道上移动时作业。

根据一种优选实施方式，基于工厂化植物生产的系统，其能够实行以下生产流程：人工在二楼播种间组装育苗板、栽培篮、栽培海绵，通过播种机播种，然后放入育苗架育苗。在育苗架生长15天左后，人工取出育苗板，通过转运手推车送到二楼提升机前输送管线，通过提升机送到一楼定值区定值，定值时所用的小苗板通过AGV从小苗板暂存区送到定值工位。定值好的小苗板通过高速移载车、提升机、穿梭小车送到栽培架指定位置。定值产生的空育苗板通过AGV送到一楼清洗间清洗，清洗完成后以整垛的方式由AGV送到一楼提升机入口处，然后由提升机将育苗板送到二楼播种间，等待下一次播种使用。

小苗在栽培区生长15天左右后需要进行间苗，由穿梭小车、提升机、高速移载车将小苗板送到间苗区间苗。间苗时需要的空大苗板由AGV从空大苗板暂存区运送到间苗区，自动完成间苗，间苗后的大苗板通过高速移载车、提升机、穿梭小车送到栽培区指定位置继续生长。

本发明中的工厂化植物生产的系统还设置有采收包装区和栽培板清洗及存放区。

采收包装区用于处理成熟后栽培植物的采收。大苗在栽培区生长15天左右长成，通过穿梭小车、提升机、高速移载车将小苗板送到采收区采收。采收前将蔬菜栽培篮以下根部切除，切除的根部通过根部收集器收集。然后大苗板进入采摘机械手，自动将蔬菜采摘到输送机上。产生的空大苗板由高速移载车送至北侧输送线上，再由AGV运动清洗间清洗，然后再由AGV送到空大苗板暂存区。采摘后的蔬菜先经过人工处理，合格的蔬菜进入包装机包装、称重、贴标签，然后由抓取机械手码放到周转箱中。周转箱中的蔬菜先进入预冷室预冷，然后由AGV运送到打包间包装发运。

栽培板清洗及存放区用于栽培板使用后的处理，由于栽培板的可重复使用性，因此处理后能够重复使用。各环节长生的空栽培板由AGV送到清洗间清洗，使用清洗机高压清洗、再通过高压空气吹去残余水分，通过叠盘机叠垛，再由AGV送到空栽培板暂存区备用。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。

Claims (8)

1.一种用于植物工厂的无人生产作业系统，其特征在于，至少包含：

培育架（100），通过多层空架设置以实现多品种或多数量植物栽培；

植物生长供给装置（200），包含给光区（210）和营养供给区（220），

其中，所述给光区（210）设置于每层所述空架顶部以向所述植物提供光照，

所述营养供给区（220）包含设置于每层所述空架的营养循环管路，所述营养循环管路以水培或雾培的方式向每层所述空架的植物提供植物所需营养成分；

所述系统还包含植物生长监控装置（300），所述植物生长监控装置（300）包含巡检车（310）和用于控制所述植物生长供给装置（200）、所述巡检车（310）的数据处理中心（320）；

所述巡检车（310）设置有视觉模块和用于操作所述植物的夹爪式机械手，其中，所述视觉模块用于对所述植物的生长状态进行监控，并基于所述生长状态的信息反馈对所述植物进行定植、间苗或采收的操作；

数据处理中心（320）的数据处理包含至少三个优先级，其中，包含植物黑白色图片的第一优先级、植物灰度图片的第二优先级和植物彩色图片的第三优先级；

巡检车（310）的图片摄取包含第一优先级的黑白色图片摄取方式，巡检车（310）沿轨道高速移动时，通过摄像头对其视野范围内的植物进行扫描，数据处理中心（320）或巡检车（310）的处理器基于扫描得到的图片进行特征提取和比对，提取植物的茎秆的形态/轮廓，和/或叶片的形态/轮廓，从而发现非正常状态的植物，其中，非正常状态的植物包含营养不平衡或光照不平衡或发生灾害的植物，在发现非正常状态的植物时，巡检车（310）基于数据处理中心（320）发送的第二优先级的灰度图片摄取的指令，以增加颜色丰富度的方式对检测到的非正常状态的植物进行图像摄取，第二优先级中涉及的灰度图片能够用于提取植物茎秆和/或叶片上的病斑的形态、位置和面积的特征或虫害的形态、位置和面积的特征；

在病斑或虫害的形态未能够使数据处理中心（320）基于其数据库存储的已知病虫害的类型判断出病斑或虫害的种类时，数据处理中心（320）能够向巡检车（310）发出指令，使巡检车（310）进行第三优先级的图片摄取，第三优先级的图片摄取能够用于异物分布的检测。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述营养供给区（220）包含营养槽，所述营养槽用于储存向植物供给营养的营养液，所述营养循环管路与所述营养槽连通，并铺设于所述空架上以使存储于所述营养槽中的营养液通过所述营养循环管路流经所述空架。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述营养槽设置有分隔的多个营养元素存储空间，多个所述营养元素存储空间在与所述营养循环管路连接的一侧分别设置有控制阀门，使所述营养液能够基于多个所述营养元素存储空间向所述营养循环管路的输出具有不同的营养配比。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述营养循环管路包含设置于所述空架顶部的光合营养雾喷管和设置与所述空架底部的根际营养雾喷管，其中，所述光合营养雾喷管能够将植物茎叶所需营养以气雾的形式向植物茎叶部位释放，所述根际营养雾喷管能够将植物根部所需营养以气雾的形式向植物根部部位释放。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述巡检车（310）设置为能够跨越所述营养循环管路的龙门形结构，两侧设置能够顶起所述空架上的育苗盘的升降单元。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述巡检车（310）进入感应所述植物的预设范围内时，所述巡检车（310）能够通过设置于其上的视觉模块以红外成像和/或视觉成像的方式采集所述植物的当前的物理状态或特征。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理中心（320）能够通过所述巡检车（310）对所述植物当前的物理状态或特征的反馈来调节所述植物生长供给装置（200），使所述植物生长供给装置（200）能够根据所述植物的生长状态进行光照和营养液的变化性供给。

8.一种根据权利要求1至7之一所述的用于植物工厂的无人生产作业系统进行无人生产作业的方法，其特征在于，至少包含以下步骤：

S1：巡检车（310）设置于其上的视觉模块以红外成像和/或视觉成像的方式采集培育架（100）上种植的所述植物的当前的物理状态或特征；

S2：数据处理中心（320）基于巡检车（310）反馈的培育架（100）上种植的植物的当前的物理状态或特征识别当前植物生长状态；

S3：数据处理中心（320）控制包含给光区（210）和营养供给区（220）的植物生长供给装置（200）向所述植物施加适合于当前所述植物的生长状态的光照和营养成分，其中，所述给光区（210）自所述空架顶部向所述植物提供光照，所述营养供给区（220）以雾培或水培的方式向所述植物提供营养成分。

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