CN114339005B - 一种基于多视角图像的移动式植物表型信息自动采集平台 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一种基于多视角图像的移动式植物表型信息自动采集平台，该设备由框架、支架、水平移动机构、竖直移动机构、升降机构，换向机构、模盒、成像传感器、滑块一连接件、电机轴连接件等组成。本发明底部的轮子便于整个平台在多种复杂环境之间移动，适用于温室、野外等不同拍摄场合。本发明具有多个自由度，成像传感器与植物之间的位置可调，满足植物不同高度、冠层、形态的需求；成像传感器可自动化切换俯视拍摄视角和侧视拍摄视角，且在侧视拍摄角度时能360度任意视角拍摄植物图像，利用一个成像传感器便可以完成多视角图像的植物表型信息采集需求，节省成本的同时方便快捷。

Description

一种基于多视角图像的移动式植物表型信息自动采集平台

技术领域

本发明公开了一种基于多视角图像的移动式植物表型信息自动采集平台，属于农业工程领域，该平台适用于各种植物的表型数据采集。

背景技术

植物表型是指植物受自身基因表达、环境影响相互作用的可测量的特征和性状，也是决定农作物产量、品质和抗逆性等性状的重要因素。

传统在表型测量工作中多依靠手工测量，如用卷尺测量植株高度、用游标卡尺测量一些苗期植株的地径等。这些测量方法不仅在技术上较为落后，且效率低、结果存在较大误差。随着基因组学研究的快速发展,传统植物表型研究方法在诸多方面已无法满足进一步研究的需要，无损式、高精度、自动化的植物表型获取技术成为植物表型研究的新兴热点方向。

近年来，数字图像技术为植物表型的测量提供了新的方向与手段。在室内与田间的环境下，利用不同的成像传感器拍摄图像用于获取和分析植物表型已经成为现在植物表型研究中较为先进的方法。通过开发无损式、高精度、自动化的植物表型信息采集平台与分析技术对于加快植物改良和育种、提高产量和抗病虫害能力至关重要。将植物表型信息采集平台与分析技术用于解析基因组信息，定量研究与生长、产量和适应生物或非生物胁迫相关的复杂性状，是建立植物生长模型和采集植物高维、丰富表型数据集的重要途径，能够满足填补基因组信息与植物表型可塑性之间空白的需要。

现有的植物表型平台如门架式平台、无人机式平台多应用于田间等室外场景，虽然通量高、范围大，但是在群落多株植物存在互相遮挡情况时，对于单株植物的叶片、茎等器官的表型参数难以实现完全和精确采集。台式表型平台、传送带式表型平台适用于温室等室内场景，可以对一些盆栽小型植物进行批量采样。但是台式表型平台、传送带式表型平台往往将植物或者成像传感器固定在定点位置，且在采集不同视角的表型信息时，需要在不同固定位置通过增加成像传感器的数量来实现，从而提高了成本。

发明内容

本发明针对现有植物表型平台存在的问题，设计了基于多视角图像的移动式植物表型信息自动采集平台，它适合多种复杂环境下单盆植株的表型信息采集工作，采用它能够实现成像传感器与植物的垂直距离、横向距离可调，可在植物不同的高度、冠层、形态时，调节成像传感器的位置，拥有最佳的成像效果，即满足植物不同生长阶段的需求；并且成像传感器可自动化切换俯视拍摄角度和侧视拍摄角度，且在侧视拍摄角度时能360度任意视角拍摄植物图像，利用一个成像传感器便可以完成多种角度的拍摄需求，提高工作效率的同时节省成本，同时平台配有轮子，在转换工作环境时，便于移动。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于多视角图像的移动式植物表型信息自动采集平台，包括框架，在框架底部设置用于放置植物的支架，在支架上方的框架上设置带动上移动块水平移动的水平移动机构，在支架一侧的框架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模盒上开有上缝和下缝，在水平方向延伸的上平板固定在上移动块上；

下平板固定在换向机构上，换向机构用于带动下平板在下述两种状态进行变换：在水平方向延伸状态，在竖直方向延伸状态；换向机构设置在侧移动块上，当成像传感器处于俯视视角、下平板在水平方向延伸时，上平板、下平板可同时分别穿过上缝、上缝，或者，上平板穿过上缝、下平板退出下缝，或者，下平板退出上缝，下平板穿过下缝；

当上平板穿过上缝、且下平板从下缝中退出后，水平移动机构动作，通过上移动块带动模盒水平移动，成像传感器能够对植物进行俯视视角的拍摄；

当上平板从上缝中退出、且下平板穿过下缝后，换向机构动作带动下平板变换到在竖直方向延伸状态，模盒上的成像传感器处于侧视视角，通过侧移动块带动模盒竖直移动，成像传感器能够对植物进行侧视视角的拍摄。

上述的移动式植物表型信息自动采集平台，支架设置在相对于框架竖直移动的升降机构上。

上述的移动式植物表型信息自动采集平台，升降机构设置在相对于框架水平移动的平移机构上。其中，平移机构为丝杠滑块机构，升降机构设置在平移机构中的滑块上。

上述的移动式植物表型信息自动采集平台，升降机构为丝杠滑块机构，支架固定在升降机构中的滑块上。

上述的移动式植物表型信息自动采集平台，支架上设置相对于支架绕竖直轴线转动的用于放置植物的旋转托盘。

上述的移动式植物表型信息自动采集平台，换向机构为换向电机，下平板设置在换向电机的输出轴上。

上述的移动式植物表型信息自动采集平台，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。

上述的移动式植物表型信息自动采集平台，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。

上述的移动式植物表型信息自动采集平台，在水平方向上竖直移动机构靠近水平移动机构的左端，上平板的左端与竖直方向延伸的上推板固定，上推板连接在上移动块上；下平板的左端与竖直方向延伸的下挡板固定，下挡板在换向机构上。

上述的移动式植物表型信息自动采集平台，在水平方向上竖直移动机构靠近水平移动机构的右端，上平板的右端与竖直方向延伸的上推板固定，上推板连接在上移动块上；下平板的右端与竖直方向延伸的下挡板固定，下挡板在换向机构上。

操作者在使用该表型信息自动采集平台采集植物表型数据的时候，将模盒15通过模盒上缝悬挂在上平板上，利用水平移动机构调节上移动块的位置。上移动块会带动成像传感器16到达目标植物的位置，进行俯视视角的拍摄。

在进行俯视视角的拍摄时，因植物处于不同生长时期会有不同的高度、冠层、形态，所以植物与成像传感器之间的垂直距离自然而然会影响成像的效果。如植物高度较低时，便可通过升降机构调节支架19的位置，进而缩短植物17与成像传感器之间的垂直距离以获得更好的成像效果。

当完成俯视视角的拍摄时，处于水平方向延伸状态的下平板在竖直移动机构的带动下升到适当位置，水平移动机构带动模盒15往下平板方向移动，使得下平板穿过模盒15下缝后水平移动机构停止，然后竖直移动机构带动下平板略上升，使得模盒的重量主要由下平板承担，接着水平移动机构动作带动上平板完全从模盒15上缝中抽出停止动作。此时，模盒悬挂在下平板上。换向机构动作，带动下平板、模盒等转动90°，把成像传感器16由俯视角度转换成侧视角度。成像传感器16转换角度后，通过竖直移动机构带动下平板、模盒等在竖直方向移动，达到侧视角度理想的拍摄位置。

在进行侧视角度拍摄时，因植物处于不同生长时期会有不同的高度、冠层、形态，所以植物与成像传感器之间的横向距离自然而然会影响成像的效果。通过平移机构带动升降机构、支架等在水平方向移动，调节支架19的位置，改变植物17与成像传感器之间的横向距离以获得更好的成像效果。

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，因植物生长冠层、形态的不同，枝干和叶片会存在相互遮挡的情况。此时，把植物17放置在相对于支架绕竖直轴线转动的旋转托盘18上，可以在侧视角度对植物17信息进行360度多角度采集，利用取平均值的方法来最大可能降低植物枝叶遮挡问题对单一视角表型信息采集的影响。

本发明与现有的技术比较，有如下有益效果：本发明中的植物表型自动采集平台满足植物不同生长阶段的需求，并且成像传感器可自动化切换俯视拍摄角度和侧视拍摄角度，且在侧视拍摄角度时能360度任意视角采集植物图像，利用一个成像传感器便可以完成多种角度的拍摄需求，提高工作效率的同时节省成本。平台配有轮子，在转换工作环境时，便于移动。

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为本发明的植物运动模块图

图6为本发明的成像传感器运动模块图

图7为本发明的换向机构图

图8为本发明的成像传感器俯视转侧视过程中的状态一图

图9为本发明的成像传感器俯视转侧视过程中的状态二图

图10为本发明的成像传感器俯视转侧视过程中的状态三图

图11为本发明的成像传感器俯视转侧视过程中的状态四图

图12为本发明的成像传感器俯视转侧视过程中的状态五图

图13为本发明的滑块一连接件图

图14为本发明的电机轴连接件图

图15为本发明的模盒模块图

图16为本发明的支架图

图中，1、驱动电机；2、电机固定座；3、联轴器；4、稳定支座；5、换向电机（换向机构）；6、滑块一；7、丝杠；8、底板；9、型材；10、底座；11、轮子；12、固定件；13、上平板；14、下平板；15、模盒；151、上缝；152、下缝；16、成像传感器；17、植物；18、旋转托盘；19、支架；20、十字连接板；21、导轨；22、连接螺栓；23、上推板；24、下挡板；26、滑块二；36、滑块三；46、滑块四；50、滑块一连接件；60、电机轴连接件；100、水平移动机构；200、竖直移动机构；300、平移机构；400、升降机构。

具体实施方式

参见图1所示的一种基于多视角图像的移动式植物表型信息自动采集平台，包括框架，轮子11、支架19，旋转托盘18，水平移动机构100、竖直移动机构200、平移机构300、升降机构400，换向电机，模盒15，成像传感器16，滑块一连接件50，电机轴连接件60等。

框架由型材9组成。轮子11设置在框架底部，可带动整个装置的移动。

水平移动机构100、竖直移动机构200、平移机构300、升降机构400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、电机固定座2、联轴器3、稳定支座4、滑块、丝杠7、底板8、底座10。为了对水平移动机构100、竖直移动机构200、平移机构300、升降机构400中的滑块进行区分，水平移动机构100、竖直移动机构200、平移机构300、升降机构400中的滑块分别为滑块一6、滑块二26、滑块三36、滑块四46。驱动电机1固定在电机固定座2并通过联轴器3与丝杠7连接，丝杠3末端与底座10连接。底座10、稳定支座4和电机固定座2固定在底板8上。滑块二26沿着在底板8上所开的导轨21可在丝杠7上的底座10和稳定支座4的区间滑动。

水平移动机构100、竖直移动机构200、平移机构300中的底板均固定在型材9上，升降机构400中的底板固定在滑块三36上。

滑块一连接件50由固定相连的上平板13、上推板23等组成，固定在滑块一6下部。

电机轴连接件60由固定相连的下平板14、下挡板24等组成，固定在换向电机5的输出轴端部。

换向电机5由固定件12固定在滑块二26上，换向电机5的输出轴端部由联轴器与固定电机轴连接件的螺栓22连接。

成像传感器16放置在开有上缝151和下缝152的模盒15中，模盒15通过上缝和下缝可悬挂在上平板13和下平板14上。

植物17放置在旋转托盘18上，旋转托盘18放置在支架19上，支架19通过十字连接板20固定在滑块四46上。

操作者在使用该表型信息自动采集平台采集植物表型数据的时候，将模盒15通过模盒上缝悬挂在滑块一连接件上，利用电源控制水平移动机构中的驱动电机1，驱动电机1通过联轴器3带动丝杠7的转动，继而调节滑块一6的位置。滑块一6会带动成像传感器16到达目标植物的位置，进行俯视视角的拍摄。

在进行俯视视角的拍摄时，因植物处于不同生长时期会有不同的高度、冠层、形态，所以植物与成像传感器之间的垂直距离自然而然会影响成像的效果。如植物高度较低时，便可通过调节固定支架19的滑块四46的位置，进而缩短植物17与成像传感器之间的垂直距离以获得更好的成像效果。

在进行俯视视角拍摄时，成像传感器运动模块整体状态如图8所示。当完成俯视视角的拍摄时，滑块一6带动模盒15往电机轴连接件方向移动，下平板14会穿过模盒15下缝，成像传感器运动模块整体状态如图9所示。滑块一6继续运动，当上平板13完全从模盒15上缝中抽出后，滑块一6停止运动，成像传感器运动模块整体状态如图10所示。此时，模盒悬挂在下平板14上。固定有换向电机5、固定件12等的滑块二26垂直下行运动，待到达可以使模盒15换向的安全位置后，成像传感器运动模块整体状态如图11所示。最后，通过电源控制换向电机5逆时针转动1/4圈，把成像传感器16转换成侧视角度，成像传感器运动模块整体状态如图12所示。成像传感器16转换角度后，继续调节滑块二26的位置，达到侧视角度理想的拍摄位置。

在进行侧视角度拍摄时，因植物处于不同生长时期会有不同的高度、冠层和形态，所以植物与成像传感器之间的横向距离自然而然会影响成像的效果。如植物高度较高时，便可通过调节利用十字连接板20固定升降机构中底板的滑块三36的横向位置，进而调节固定支架19的位置，增加植物17与成像传感器之间的横向距离以获得更好的成像效果。

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，因植物生长冠层、形态的不同，枝干和叶片会存在相互遮挡的情况。把植物17放置在旋转托盘18上，通过电源调节旋转托盘转动速度，可以在侧视角度对植物17进行360度任意视角采集，获取株高、地径、叶片投影面积、叶片数量、叶空间分布等表型参数，利用多角度取平均值的方法来最大可能降低枝叶遮挡问题对单一视角表型信息采集精度的影响。

本发明底部的轮子便于整个平台在多种复杂环境之间移动，适用于温室、野外等不同拍摄场合。本发明具有多个自由度，成像传感器与植物之间的位置可调，满足植物不同高度、冠层、形态的需求；成像传感器可自动化切换俯视拍摄视角和侧视拍摄视角，且在侧视拍摄角度时能360度任意视角拍摄植物图像，利用一个成像传感器便可以完成多视角图像的植物表型信息采集需求，节省成本的同时方便快捷。

Claims (10)

1.一种基于多视角图像的移动式植物表型信息自动采集平台，包括框架，在框架底部设置用于放置植物的支架，在支架上方的框架上设置带动上移动块水平移动的水平移动机构，在支架一侧的框架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模盒上开有上缝和下缝，在水平方向延伸的上平板固定在上移动块上；

下平板固定在换向机构上，换向机构用于带动下平板在下述两种状态进行变换：在水平方向延伸状态，在竖直方向延伸状态；换向机构设置在侧移动块上，当成像传感器处于俯视视角、下平板在水平方向延伸时，上平板、下平板可同时分别穿过上缝、上缝，或者，上平板穿过上缝、下平板退出下缝，或者，下平板退出上缝，下平板穿过下缝；

当上平板穿过上缝、且下平板从下缝中退出后，水平移动机构动作，通过上移动块带动模盒水平移动，成像传感器能够对植物进行俯视视角的拍摄；

当上平板从上缝中退出、且下平板穿过下缝后，换向机构动作带动下平板变换到在竖直方向延伸状态，模盒上的成像传感器处于侧视视角，通过侧移动块带动模盒竖直移动，成像传感器能够对植物进行侧视视角的拍摄。

2.如权利要求1所述的移动式植物表型信息自动采集平台，其特征是：支架设置在相对于框架竖直移动的升降机构上。

3.如权利要求2所述的移动式植物表型信息自动采集平台，其特征是：升降机构设置在相对于框架水平移动的平移机构上。

4.如权利要求3所述的移动式植物表型信息自动采集平台，其特征是：平移机构为丝杠滑块机构，升降机构设置在平移机构中的滑块上。

5.如权利要求2所述的移动式植物表型信息自动采集平台，其特征是：升降机构为丝杠滑块机构，支架固定在升降机构中的滑块上。

6.如权利要求1所述的移动式植物表型信息自动采集平台，其特征是：支架上设置相对于支架绕竖直轴线转动的用于放置植物的旋转托盘。

7.如权利要求1所述的移动式植物表型信息自动采集平台，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。

8.如权利要求1所述的移动式植物表型信息自动采集平台，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。

9.如权利要求1所述的移动式植物表型信息自动采集平台，其特征是：在水平方向上竖直移动机构靠近水平移动机构的左端，上平板的左端与竖直方向延伸的上推板固定，上推板连接在上移动块上；下平板的左端与竖直方向延伸的下挡板固定，下挡板在换向机构上。

10.如权利要求1所述的移动式植物表型信息自动采集平台，其特征是：在水平方向上竖直移动机构靠近水平移动机构的右端，上平板的右端与竖直方向延伸的上推板固定，上推板连接在上移动块上；下平板的右端与竖直方向延伸的下挡板固定，下挡板在换向机构上。