CN114339004B - 一种全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台 - Google Patents
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Abstract
本发明旨在提供一种全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，由主体架构，小车，转动底座，配重盘，水平移动机构、竖直移动机构、上夹持机构、侧夹持机构，换向机构，固定块，成像传感器等组成。它可对植物在俯视角度和侧视角度全方位进行多器官的拍摄，并可以完成俯视角度和侧视角度的自动化切换，既能节省成本，又可以提高采集工作的效率。主体架构部分可由小车带动旋转，可对植物在整周视角进行拍摄。
Description
技术领域
本发明公开了一种全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，属于农业工程领域，该平台适用于各种植物的表型信息采集。
背景技术
植物表型是表现出的、可观察的系统测量和性状表征，受植物基因和环境共同影响或决定，是利用植物基因组信息全面了解其基因功能和生命活动过程的必要信息。近年来，随着生物技术和信息技术的发展，以及各类组学研究方法的提升，已经能获得植物全基因组高密度分子标记、相关基因表达以及关键代谢物的信息。但是，表型的研究方法和采集技术相对滞后，已成为当前限制植物组学发展的一个瓶颈，严重影响了对植物重要适应与经济性状的遗传解析和品种改良的研究进程。
从群体、个体到器官、组织，植物表型组学可研究分析植物多尺度、多维度的全方位数据。开花植物一般具有根、茎、叶、花、果实、种子等六大器官，在现代植物表型性状测量中，主要采集植物六大器官的形态结构参数和生理生化参数，包括株高、地径、分枝及叶片数量、叶片面积以及花、果实的形状、数量与颜色、叶绿素含量、含水率等。
通过监测和量化分析植物在器官、个体和群体等水平上不同发育阶段的动态表型变化，能够揭示植物在不同环境条件下的表型特征，有效提升我国植物遗传育种的效率和精确农林管理的能力。与过去利用人工手动测量的效率低、误差大的方法不同，通过开发自动化的植物表型信息采集平台，搭载不同的成像传感器拍摄植物的图像，利用图像处理和分析技术来获取植物的表型信息已经成为新兴方式。
由于现有平台的结构限制，一种表型信息采集平台往往自由度较少，在某个特定的自由度上只能采集到单一的植物表型。如门架式表型平台成像传感器多安装在植物上方，以俯视拍摄角度采集植物的冠幅、投影面积、冠层叶片数量、冠层紧实度等形态结构表型信息和叶、果实等器官表型信息。自走式表型平台成像传感器多安装在植物侧面，以侧视角度采集株高、茎粗、植物宽度等形态结构表型信息和花、叶、茎等器官表型信息。仅从一个角度采集植物图像，所获取的表型信息种类单一，如果想要获取丰富完善的表型信息，往往是在俯视角度和侧视角度各自安装一个成像传感器，但是必然增加成本且采集和处理过程变得较为繁琐。
发明内容
本发明针对现有植物表型平台存在的问题，设计了一种全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，适合多种环境下单盆植株的表型信息采集工作，它能够让成像传感器采集植物图像时拥有多个自由度，可在不同的视角分别对不同的植物器官进行表型信息的获取；其成像传感器在俯视角度和侧视角度可完成自动化的切换，一个成像传感器便可以完成植物多器官形态结构信息的全方位、多角度拍摄工作，节省成本；成像传感器在切换为侧视拍摄角度后，还可对植物进行360度整周图像的拍摄。
本发明的一种全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，包括主体架构，在主体架构下方设置用于放置植物的配重盘，在配重盘上方的主体架构上设置带动上移动块水平移动的水平移动机构，在配重盘一侧的主体架构上设置有带动侧移动块竖直移动的竖直移动机构，
固定有成像传感器的固定块具有相互垂直的两对夹持面，上夹持装置固定在上移动块上，上夹持装置具有用于夹持固定块的一对夹持面的一对上夹爪，当上夹爪夹住固定块的该对夹持面时，成像传感器处于俯视视角；
侧夹持装置固定在换向机构上，侧夹持装置具有用于夹持固定块的另一对夹持面的一对侧夹爪，换向机构用于带动侧夹持装置转动；当侧夹爪夹住固定块的该另一对夹持面时，换向机构动作带动侧夹持装置、固定块转动90°，使得成像传感器在俯视视角或侧视视角之间变换；换向机构设置在侧移动块上；
当上夹爪夹住固定块，水平移动机构动作，通过上移动块带动上夹持装置、固定块水平移动，成像传感器对植物进行俯视视角的拍摄，同时被上夹爪夹住的固定块能够移动到被侧夹爪夹住的位置；
当上夹爪松开固定块，侧夹爪夹住固定块后，换向机构动作带动侧夹持装置、固定块转动，使得固定块上的成像传感器处于侧视视角，再通过侧移动块带动固定块竖直移动，成像传感器对植物进行侧视视角的拍摄。
上述的全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，主体架构设置在一个能够环绕配重盘转动的转动底座上。
上述的全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，配重盘与转动底座上具有相互配合的以配重盘的竖直轴线为中心线的环形导向装置。
上述的全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，转动底座上设置用于带动转动底座旋转的小车。
上述的全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，换向机构为换向电机，侧夹持装置设置在换向电机的输出轴上。
上述的全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，水平移动机构为丝杠滑块机构，上移动块为水平移动机构中的滑块。
上述的全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，竖直移动机构为丝杠滑块机构，侧移动块为竖直移动机构中的滑块。
上述的全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，固定块具有一对在竖直方向延伸的竖直夹持面和一对在水平方向延伸的水平夹持面，一对上夹爪和一对侧夹爪分别能够夹住一对竖直夹持面和一对水平夹持面。
操作者在使用该植物表型平台采集植物表型数据的时候，将成像传感器17连接在固定块16上，控制上夹持装置中的上夹爪151由松开状态变为闭合状态夹紧固定块16。利用水平移动机构中的上移动块带动上夹持装置、成像传感器17到达目标植物的位置，进行俯视视角的拍摄。在俯视角度，可以采集植物的冠幅、投影面积、冠层叶片数量、冠层紧实度等形态结构表型信息和叶、果实等器官表型信息。
当完成俯视视角的拍摄时，上移动块带动成像传感器17往侧方夹爪15方向移动，固定块16会进入侧方处于松开状态的侧夹爪151，上移动块停止运动。此时，侧方的侧夹爪152由松开状态变为闭合状态夹紧固定块16的侧端，上方的上夹爪151由闭合状态变为松开状态，成像传感器由上方的上夹爪151固定变为侧方的侧夹爪152固定。固定有固定件3、换向机构等结构的侧移动块进行垂直下行运动，待到达可以使固定块16换向的安全位置后，通过换向机构顺时针转动1/4圈，把成像传感器17转换成侧视角度。成像传感器17转换角度后，继续调节侧移动块的位置，达到侧视角度理想的拍摄位置。在侧视角度，可以采集株高、茎粗、植物宽度等形态结构表型信息和花、叶、茎等器官表型信息。
在进行侧视角度拍摄时，若进行植物叶片等器官的表型信息采集，因植物生长形态的不同，枝干和叶片会存在相互遮挡的情况。门架式的主体架构固定在转动底座19上，转动底座19利用突出的圆形导轨放置在配重盘20的圆形导轨槽里，可由小车10带动围绕放置在配重盘20上的植物18进行转动，在侧视拍摄角度对植物进行360度整周的拍摄，利用取多角度图像平均值的方法来最大可能降低遮挡问题对单一角度表型信息采集的影响。
本发明与现有的技术比较，有如下特点和有益效果：采用本发明设计的一种全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台能够让成像传感器采集植物图像时拥有多个自由度，可在不同的视角分别对不同的植物器官进行表型信息的采集。成像传感器在俯视角度和侧视角度可完成自动化的切换，一个成像传感器便可以完成多个角度的拍摄工作，节省成本。成像传感器在切换为侧视拍摄角度后，主体架构部分可由底部的小车带动旋转，在侧视拍摄角度对植物进行360度整周图像的拍摄。
附图说明
图1为本发明的简图
图2为本发明的主视图
图3为本发明的左视图
图4为本发明的俯视图
图5为本发明的成像传感器俯视转侧视过程中的状态一图
图6为本发明的成像传感器俯视转侧视过程中的状态二图
图7为本发明的成像传感器俯视转侧视过程中的状态三图
图8为本发明的成像传感器俯视转侧视过程中的状态四图
图9为本发明的转盘底座图
图10为本发明的成像传感器模块图
图11为本发明的配重盘图
图1中，1、驱动电机；2、联轴器；3、固定件；4、换向电机（换向机构）；5、导轨；6、底板；7、型材；8、丝杠；9、底座；10、小车；11、电机固定座；12、稳定支座；13、滑块一；14、连接板；151、上夹爪；152、侧夹爪；16、固定块；17、成像传感器；18、植物；19、转动底座；20、配重盘；23、滑块二；100、水平移动机构；200、竖直移动机构；300、上夹持机构；400、下夹持机构。
具体实施方式
参见图1所示的一种全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，包括主体架构，小车10，转动底座19，配重盘20，水平移动机构100、竖直移动机构200、上夹持机构300、侧夹持机构400，换向电机，固定块16，成像传感器16等。
主体架构由型材7组成，设置在一个能够环绕配重盘20转动的转动底座19上，转动底座两端设置用于带动转动底座转动的小车10。
水平移动机构100、竖直移动机构200均为丝杠滑块机构，属于现有技术。以竖直移动机构200为例，其一般包括驱动电机1、联轴器2、导轨5、底板6、丝杠8、底座9、电机固定座11、稳定支座12、滑块。为了对水平移动机构100、竖直移动机构200中的滑块进行区分，水平移动机构100、竖直移动机构200中的滑块分别为滑块一13、滑块二23。
驱动电机1固定在电机固定座11上，并通过联轴器2与丝杠8连接，丝杠8末端与底座9连接。底座9、稳定支座12和电机固定座11固定在底板6上，底板6固定在型材7上。滑块二23沿着开在底板6上的导轨5可在丝杠8上的底座9和稳定支座12的区间滑动。
上夹持机构300中的机座通过连接板14固定在滑块一13上，上夹持机构300中的机座设置在前后方向开合的一对上夹爪151。换向电机4由固定件3固定在滑块二33上，换向电机4的轴端侧与侧夹持机构400中的机座相连，该机座上设置在竖直方向开合的一对侧夹爪152。上夹持机构、侧夹持机构属于现有技术。
门架式的主体架构固定在转动底座19上，转动底座19利用突出的圆形导轨放置在配重盘20的圆形导轨槽里，可由小车10带动围绕放置在配重盘20上的植物18进行转动。
固定块16为四棱柱，具有一对在竖直方向延伸的竖直夹持面和一对在水平方向延伸的水平夹持面，一对上夹爪和一对侧夹爪分别能够夹住一对竖直夹持面和一对水平夹持面。
操作者在使用该植物表型平台采集植物表型数据的时候，将成像传感器17连接在固定块16上，控制上夹爪151由松开状态变为闭合状态夹紧固定块16的竖直夹持面。通过水平移动机构调节滑块一13的位置。滑块一13会带动成像传感器17到达目标植物的位置，进行俯视视角的拍摄。此时，机构的状态如图5所示。在俯视角度，可以采集植物的冠幅、投影面积、冠层叶片数量、冠层紧实度等形态结构表型信息和叶、果实等器官表型信息。
当完成俯视视角的拍摄时，滑块一13带动成像传感器17往侧夹爪152方向移动，固定块16会进入侧方处于松开状态的侧夹爪152，上方的滑块一13停止运动。此时，侧夹爪152由松开状态变为闭合状态夹紧固定块16的水平夹持面，上夹爪151由闭合状态变为松开状态，成像传感器由上夹爪151固定变为侧夹爪152固定。此时，机构的状态如图6所示。通过竖直移动机构带动滑块二23进行垂直下行运动，待到达可以使固定块16换向的安全位置后，机构的状态如图6所示。通过电源控制换向电机4顺时针转动1/4圈，把成像传感器17转换成侧视角度。成像传感器17转换角度后，继续调节滑块二23的位置，达到侧视角度理想的拍摄位置。此时，机构的状态如图7所示。在侧视角度，可以采集株高、茎粗、植物宽度等形态结构表型信息和花、叶、茎等器官表型信息。
在进行侧视角度拍摄时，若进行植物叶片等器官的表型信息采集，因植物生长形态的不同，枝干和叶片会存在相互遮挡的情况。门架式的主体架构固定在转动底座19上，转动底座19利用突出的圆形导轨放置在配重盘20的圆形导轨槽里，可由小车10带动围绕放置在配重盘20上的植物18进行转动，在侧视拍摄角度对植物进行360度整周的拍摄，利用取多角度图像平均值的方法来最大可能降低遮挡问题对单一角度表型信息采集的影响。
本发明可对植物在俯视角度和侧视角度全方位进行多器官的拍摄，并可以完成俯视角度和侧视角度的自动化切换，既能节省成本，又可以提高采集工作的效率。主体架构部分可由小车带动旋转，可对植物在360度整周视角进行拍摄。
Claims (8)
1.一种全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，包括主体架构，在主体架构下方设置用于放置植物的配重盘，在配重盘上方的主体架构上设置带动上移动块水平移动的水平移动机构，在配重盘一侧的主体架构上设置有带动侧移动块竖直移动的竖直移动机构，其特征在于：
固定有成像传感器的固定块具有相互垂直的两对夹持面，上夹持装置固定在上移动块上，上夹持装置具有用于夹持固定块的一对夹持面的一对上夹爪，当上夹爪夹住固定块的该对夹持面时，成像传感器处于俯视视角；
侧夹持装置固定在换向机构上，侧夹持装置具有用于夹持固定块的另一对夹持面的一对侧夹爪，换向机构用于带动侧夹持装置转动；当侧夹爪夹住固定块的该另一对夹持面时，换向机构动作带动下夹持装置、固定块转动90°，使得成像传感器在俯视视角或侧视视角之间变换；换向机构设置在侧移动块上；
当上夹爪夹住固定块，水平移动机构动作，通过上移动块带动上夹持装置、固定块水平移动，成像传感器对植物进行俯视视角的拍摄，同时被上夹爪夹住的固定块能够移动到被侧夹爪夹住的位置；
当上夹爪松开固定块，侧夹爪夹住固定块后，换向机构动作带动侧夹持装置、固定块转动，使得固定块上的成像传感器处于侧视视角，再通过侧移动块带动固定块竖直移动，成像传感器对植物进行侧视视角的拍摄。
2.如权利要求1所述的全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，其特征是：主体架构设置在一个能够环绕配重盘转动的转动底座上。
3.如权利要求2所述的全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，其特征是：配重盘与转动底座上具有相互配合的以配重盘的竖直轴线为中心线的环形导向装置。
4.如权利要求2所述的全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，其特征是：转动底座上设置用于带动转动底座旋转的小车。
5.如权利要求1所述的全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，其特征是：换向机构为换向电机，侧夹持装置设置在换向电机的输出轴上。
6.如权利要求1所述的全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，其特征是：水平移动机构为丝杠滑块机构，上移动块为水平移动机构中的滑块。
7.如权利要求1所述的全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，其特征是：竖直移动机构为丝杠滑块机构，侧移动块为竖直移动机构中的滑块。
8.如权利要求1所述的全方位采集植物多器官形态结构信息的表型平台，其特征是：固定块具有一对在竖直方向延伸的竖直夹持面和一对在水平方向延伸的水平夹持面，一对上夹爪和一对侧夹爪分别能够夹住一对竖直夹持面和一对水平夹持面。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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