CN116009562A - 田间作物表型监测机器人自走平台与监测方法 - Google Patents

Abstract

一种田间作物表型监测机器人自走平台与监测方法，包括车架，载物平台，控制系统、信息采集系统和定位导航模块，沿前进方向，在车架前方左右两侧和后方左右两侧分别对称连接一个轮距调节装置，每个轮距调节装置与一个高度调节装置的顶端连接，每个高度调节装置的底端连接一个行走系统，且行走系统仅与高度调节装置连接；本发明车体下部空间用于通过农作物，机器人通过RTK和IMU组合定位导航，可在田间按规划好的路径行驶，并搭载多种光谱类传感器，实现作物表型信息的采集，同时，通过建立作物生长识别模型，判别监测区域内的作物生长状态，进而控制机器人平台快速做出反应，利用该机器人平台，可以实现作物表型信息精准、无损伤的高效采集。

Description

田间作物表型监测机器人自走平台与监测方法

技术领域

本发明属于农业机器人技术领域，涉及用于农作物表型分析的软硬件平台，特别涉及一种田间作物表型监测机器人自走平台与监测方法。

背景技术

作物表型是指作物受自身基因和环境影响而表现出的特征和性状，决定了作物的产量、品质和抗逆性。表型监测在育种的整个进程中都有着重要作用，不仅可对育种前期的种质筛选进行指导，而且能在后期推广种植中对品种的田间表现进行评估。

目前获取田间表型信息的方法大多是科研人员人工测量每个育种小区的株高、冠层温度等具体参数。传统的作物表型分析方法劳动强度大、耗时长、主观性强，结果存在较大误差，而且会对作物造成破坏。随着表型组学的发展，传统方法已经无法满足进一步研究的需求。因此，高通量、自动化、高分辨率的作物表型信息采集平台与分析技术快速发展，将作物表型信息采集与分析技术用于解析基因组信息和研究生物或非生物胁迫相关的复杂性状，是建立作物生长模型和农业决策系统的重要途径，能够满足填补基因组信息与作物表型可塑性之间空白的需要。因此，高通量表型监测能够加速整个育种进程，并为精准农业监测中的资源调控和管理决策提供重要的数据支撑。

多尺度表型系统的快速发展，为田间和受控环境中的高通量作物表型提供了有效的解决方案。根据系统搭载方式不同，当前的表型信息采集平台可以分为地面表型采集和空中表型采集两种类型。现有的地面作物表型采集平台如大型龙门架式表型平台，多利用固定轨道进行构建，各种传感器接口较多，系统运行平稳，受环境影响较小，数据质量较高，但是投资成本大、运行及维护费用高、不能在多个生态点灵活调度使用。为了进一步降低成本，提高控制和测量精度，小型自走式移动平台开始被设计用来搭载表型获取系统，此类小型平台结构较小、成本较低、可灵活的对不同地块进行信息采集作业，是理想的地面表型解决方案，但在移动过程中获取数据的稳定性较难保障，多存在负载能力不足、质心不稳，离地间隙和轮距不便调节等问题，特别是与传感器的协同工作能力方面存在普遍不足。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种田间作物表型监测机器人自走平台与监测方法，以解决现有机器人行走平台离地间隙和轮距不便调节等问题，进一步解决与传感器的协同工作的问题，更进一步，通过机器人平台携带光谱类传感相机，实现育种小区作物表型信息的准确、高通量采集及实时数据处理，并为后续开展表型组学研究提供数据载体。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是。

一种田间作物表型监测机器人自走平台，包括车架，车架上设置有载物平台，载物平台上搭载控制系统、信息采集系统和定位导航模块，沿前进方向，在所述车架的前方左右两侧和后方左右两侧分别对称连接一个轮距调节装置，每个所述轮距调节装置与一个高度调节装置的顶端连接，每个高度调节装置的底端连接一个行走系统，且行走系统仅与高度调节装置连接，形成高地隙龙门架式结构，龙门架下部空间用于通过作物；每个所述轮距调节装置的长度可调，以所述车架所处的水平面为参考，每个所述轮距调节装置为向上或向下倾斜设置。

在一个实施例中，每个所述轮距调节装置包括第一嵌套式方管与车臂套筒，所述车臂套筒的近端连接于所述车架，且与所述车架所处的水平面呈120°~150°夹角，前方左右两侧的轮距调节装置的车臂套筒与前进方向的夹角为锐角，后方左右两侧的轮距调节装置的车臂套筒与前进方向的夹角为钝角；所述第一嵌套式方管内嵌于所述车臂套筒中且能够沿套筒轴向滑动，所述第一嵌套式方管的远端通过第一螺母连接第一传动丝杆，所述第一螺母固定在车臂套筒的内部；每个所述高度调节装置包括竖直设置的第二嵌套式方管与车腿套筒，所述车腿套筒的底端与行走系统连接，所述第二嵌套式方管内嵌于所述车腿套筒中且能够沿套筒轴向滑动，所述第二嵌套式方管的顶端通过第二螺母连接第二传动丝杆，所述第二螺母固定在车腿套筒的内部。

在一个实施例中，每个所述行走系统包括车轮、车销轴、车轮安装架、减速器和链条传动系统；每个所述车轮通过车销轴和车轮安装架安装于一个车腿套筒的底端；所述减速器安装于车轮安装架，其输出轴安装方向朝向车轮的外侧；所述链条传动系统包括链轮、链条、惰轮和张紧装置，其中链轮与所述车轮依次安装在所述车销轴上，所述惰轮安装在减速器上，链轮以及惰轮通过链条与所述车销轴和减速器配合。

在一个实施例中，所述行走系统由动力系统提供行走动力，所述动力系统包括行走电机、齿轮箱、半轴、球叉万向节、差速器、水平传动杆、锥齿轮、竖直传动杆；所述半轴、行走电机与齿轮箱固定对接为一体，两个半轴分别连接于齿轮箱与两个球叉式万向节之间，差速器通过球叉万向节接收半轴传输的动力，由水平传动杆传递给锥齿轮，锥齿轮将动力转化为竖直方向，通过竖直传动杆将动力传送至行走系统，进而带动车轮转动。

在一个实施例中，所述水平传动杆从所述第一嵌套式方管穿过，所述竖直传动杆从所述第二嵌套式方管穿过。

在一个实施例中，所述行走系统由转向系统控制转向，所述转向系统包括转向电机、万向节、转向传动杆、转向片和转向长拉杆；所述转向电机通过万向节和转向传动杆传输动力，所述转向片固定在车腿套筒的上部，所述转向长拉杆连接前方两个转向片。

在一个实施例中，所述信息采集系统包括自稳云台，自稳云台上搭载RGB相机、激光雷达以及高光谱相机，所述自稳云台的旋转电机由所述控制系统控制，实时捕获田间作物的图像并存储上传。

在一个实施例中，所述定位导航模块包括RTK-GNSS和IMU，所述RTK-GNSS获取平台的位置和速度信息，所述IMU获取平台的侧倾角和俯仰角，按照设定间距记录各目标点的经纬度数据，得出行驶路径；所述控制系统读取记录的目标点的位置信息，利用路径规划模块解算生成全局最优路径。

在一个实施例中，所述平台在行走过程中，通过检测行走电机的霍尔信号和调整PWM的占空比，由控制器控制行走电机的各相的输出电流进行负反馈PID调节。

本发明还提供了基于所述田间作物表型监测机器人自走平台的田间作物表型监测方法，包括如下步骤：

步骤1，进行系统初始化；

步骤2，定位导航模块发送实时位置信息，将信息进行存储并进行处理，通过卡尔曼滤波，估计并校正IMU解算的误差，输出位置和姿态信息，并生成最优路径；

步骤3，判断平台是否以预设速度行走，若与设置速度不匹配，则通过PID调速对其进行修正，保证运动的稳定性；

步骤4，向信息采集系统发送指令，在正式作业之前，通过智能算法对现有的裸地、作物生长期以及作物生长状况的图像进行识别，将处理得到的图像进行特征提取和分类，建立识别模型；作业时，对传感器采集的地表信息进行实时处理，通过训练好的识别模型，识别裸地的土黄色和育种小区作物的绿色，判别是否进入育种小区，当判别为裸地时，给控制系统发送指令，驱动电机进行加速，使平台快速反应，到达育种小区；当判别为育种小区时，再次发送指令，使平台按照预设速度沿规划路径行走，当定位导航模块输出的实时位置信息与路径预规划时的目标点位置信息匹配成功时，在育种小区上方进行信息采集，并进行实时动态处理，得到作物表型信息并储存上传；

步骤5，在采集过程中，通过作物生长识别模型判别，若发现图像数据出现作物生长状况异常，机器人平台停止运动，按设定条件进行多次数据采集，同时对该采集点标记为关键点，之后机器人平台继续运动；当判别该采集点图像裸地信息远大于育种小区作物信息时，将该点标记为无用采集点，下一次采集时忽略该采集点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是。

1、本发明机器人自走平台采用了“蝴蝶状”的分布形式，结构紧凑﹑重心稳定、田间行走平稳性高、负载能力强。

2、本发明机器人通过RTK和IMU组合导航，获取高精度定位信息，保证在田间狭窄行距条件限制下，准确行走至各个育种小区，与光谱类传感相机进行协同工作，有效覆盖采集各育种小区内作物生长的多种类型图像，大大提高表型数据空间戳的精确性和减少冗余数据的采集。

3、本发明通过路径规划作业和识别算法的融合，可有效减少田间空跑距离以及无效采集点，更进一步的提高采集信息的数据质量，并提高工作效率，实现机器人平台自主作业的智能化，开创了田间智能表型分析的新思路。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的俯视示意图。

图3为本发明的侧视示意图。

图4为本发明的行走系统示意图。

图5为本发明的动力系统示意图。

图6为本发明的转向系统示意图。

图7为本发明的硬件结构示意图。

图8为本发明的定位导航模块示意图。

图9为本发明进行数据采集的实施例示意图。

图10为本发明的工作流程示意图。

图中标记为：1-行走系统，11-车轮，12-车销轴，13-车轮安装架，14-减速器，15-链条传动系统，2-高度调节装置，21-嵌套式方管，22-车腿套筒，3-轮距调节装置，31-嵌套式方管，32-车臂套筒，4-载物平台，5-动力系统，51-行走电机，52-齿轮箱，53-半轴，54-球叉万向节，55-差速器，56-水平传动杆，57-锥齿轮，58-竖直传动杆，6-控制系统，7-转向系统，71-转向电机，72-万向节，73-转向传动杆，74-转向片，75-转向长拉杆，8-信息采集系统，9-定位导航模块，10-供电模块。

实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

参照图1、图2与图3所示，本发明首先提供了一种田间作物表型监测机器人自走平台，包括车架、行走系统1、高度调节装置2、轮距调节装置3、载物平台4、动力系统5、控制系统6、转向系统7、信息采集系统8、定位导航模块9以及供电模块10，控制系统6、信息采集系统8和定位导航模块9搭载于载物平台4。

车架是承载部分，俯视可呈“I”字型或“十”字型结构，并可由角钢焊接而成。本发明定义平台的前进方向为前方，其相对方向为后方。

轮距调节装置3用于调节左右轮距，本发明中轮距调节装置3共有四个，分别连接在车架的前方左右两侧以及车架的后方左右两侧，容易理解，前方左右两侧的两个轮距调节装置3应相互对称，后方左右两侧的两个轮距调节装置3应相互对称，左侧两个轮距调节装置3最好也相互对称，右侧两个轮距调节装置3最好也相互对称。显然，作为调节部分，每个轮距调节装置3的长度是可调的。

高度调节装置2用于调整车架高度，其数量也为四个，每个轮距调节装置3与一个高度调节装置2的顶端连接。

行走系统1是行走执行部分，其数量也为四个，每个高度调节装置2的底端连接一个行走系统1，在本发明中，左右两个行走系统1之间无车轴连接，即行走系统1仅与高度调节装置2连接，没有车桥，形成高地隙龙门架式结构，龙门架下部空间用于通过作物，可提高在田间的通过性，防止车桥破坏作物。

当以车架所处的水平面为参考时，每个所述轮距调节装置3可向上或向下倾斜设置。而以前进方向为参考时，前方两个轮距调节装置3与前进方向具有锐角夹角，而后方两个轮距调节装置3与前进方向具有钝角夹角。

根据上述连接结构，使得整个车体骨架呈“蝴蝶”形状。其结构紧凑﹑重心稳定、田间行走平稳性高、负载能力强，并且具有良好的通过能力。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，行走系统1包括车轮11、车销轴12、车轮安装架13、减速器14和链条传动系统15。车轮安装架13焊接在高度调节装置2的下方，车销轴12安装在车轮11上，减速器14通过定位螺丝安装在车轮安装架13，具体宜安装于底部位置，减速器14的输出轴安装方向朝向车轮11的外侧，链条传动系统15包括链轮、链条、惰轮和张紧装置，链轮及车轮11依次安装在车销轴12上，惰轮安装在减速器14上，链轮以及惰轮通过链条与车销轴12和减速器14配合。使用链条传动，可以在两轴中心距较远的情况下传递运动和动力。能在低速，重载和高温条件下及尘土大的情况下工作，能够保证准确的传动比，传递功率较大，并且作用在轴上的力较小，传动效率高。

在本发明的一些实施例中，再次参考图1，每个轮距调节装置3主要包括第一嵌套式方管31、车臂套筒32、第一传动丝杆和第一螺母。其中，车臂套筒32的近端连接于车架，且与车架所处的水平面呈120°~150°夹角，优选为150°，可通过螺栓螺母连接。此处“近端”指的是更加接近车架的一端。此时，前方左右两侧的轮距调节装置3的车臂套筒32与前进方向的夹角为锐角，后方左右两侧的轮距调节装置3的车臂套筒32与前进方向的夹角为钝角。第一嵌套式方管31内嵌于车臂套筒32中且能够沿套筒轴向滑动，第一嵌套式方管31的远端通过第一螺母连接第一传动丝杆，第一螺母固定在车臂套筒32的内部。此处“远端”指的是更加远离车架的一端。

调节轮距时，转动第一传动丝杠，使第一传动丝杠的圆周运动转换为轴向运动，带动第一嵌套式方管31伸缩，从而达到调节轮距的目的。

在本发明的一些实施例中，再次参考图1，每个高度调节装置2主要包括第二嵌套式方管21、车腿套筒22、第二传动丝杆和第二螺母。其中，第二嵌套式方管21与车腿套筒22均竖直设置。车腿套筒22的底端与行走系统1连接，特别地，是指每个车轮11通过车销轴12和车轮安装架13安装于一个车腿套筒22的底端。第二嵌套式方管21内嵌于车腿套筒22中且能够沿套筒轴向滑动，第二嵌套式方管21的顶端通过第二螺母连接第二传动丝杆，第二螺母固定在车腿套筒22的内部。

调节高度时，转动第二传动丝杠，使第二传动丝杠的圆周运动转换为轴向运动，带动第二嵌套式方管21伸缩，从而达到调节高度的目的。

在上述实施例中，第一嵌套式方管31和第二嵌套式方管21上可标有刻度线，从而能够定量地对轮距和平台高度进行调节。调节高度时，需保证四条车腿升降高度一致，避免载物平台4倾斜。调节轮距时，四个车臂都需要调节，两两对称，确保调节同样的长度，调节结束后测量前后轮距是否一致，从而避免因轮距不一致而导致车体变形。此处，车腿的高度主要是指第二嵌套式方管21与车腿套筒22的总高度。车臂的长度主要是指第一嵌套式方管31与车臂套筒32的长高度。本发明四个车轮11通过四个车臂与车腿刚性连接，形式简单稳定。

本发明由动力系统5为行走系统1行走动力，在一些实施例中，如图5所示，动力系统5包括行走电机51、齿轮箱52、半轴53、球叉万向节54、差速器55、水平传动杆56、锥齿轮57、竖直传动杆58，半轴53、行走电机51与齿轮箱52固定对接为一体，半轴53和球叉式万向节54均为两个，齿轮箱52设置在中间位置。每个半轴53连接于齿轮箱52与一个球叉式万向节54之间，行走电机51通过螺栓等形式固定在载物平台4上，差速器55通过球叉万向节54接收半轴53传输的动力，由水平传动杆56传递给锥齿轮57，锥齿轮57将动力转化为竖直方向，通过竖直传动杆58将动力传送至行走系统1，进而带动车轮11转动，其中竖直传动杆58可与减速器14配合传输动力。半轴53、球叉万向节54、水平传动杆56、锥齿轮57、竖直传动杆58组成了传动装置，由供电模块10提供动力。

为了使得结构更加紧凑，示例地，水平传动杆56从第一嵌套式方管31穿过，而竖直传动杆58从第二嵌套式方管21穿过。

本实施例中，动力系统5将行走电机51、齿轮箱52等有机地集于一体，结构紧凑、简单，制造成本低，便于维护保养，差速器55还解决了车轮差速问题，将动力均匀分配，实现四轮全时四驱，性能更加完善，运行更加平稳。差速器55主要是由三个部件构成的，一是半轴齿轮，二是行星齿轮，三是齿轮架，其作用是调整车轮11的转速差，当平台转弯的时候，或者在凹凸不平的路面行驶时，差速器55可以使车轮11以不同的转速来滚动，从而可以保证两侧的驱动车轮做纯滚动运动。行走系统1中的减速器14可以顺时针和逆时针方向传递动力，实现平台的前进与后退功能，在无动力传输时，其内部齿轮锁死，起到刹车作用，安全性高。

本发明由转向系统7控制行走系统1的转向，在一些实施例中，如图6所示，转向系统7包括转向电机71、万向节72、转向传动杆73、转向片74和转向长拉杆75。转向时，转向电机71转动，通过万向节72和转向传动杆73将动力传输到转向片74，转向片74与车腿套筒22固定，并优选固定在车腿套筒22的上部以避免下方作物阻碍通行，转向片74通过车腿套筒22带动车轮11转动，转向长拉杆75连接前方两个转向片74，实现对两个转向轮之间阿克曼转角的控制，阿克曼角可防止轮胎在转弯时发生侧滑，保证车身转弯的平顺。

本发明的实施例中，如图7所示，平台的系统功能部分主要由控制系统6、动力模块、信息采集系统8、定位导航模块9、供电模块10五部分组成。

本发明中，控制系统6包括主控模块、监控显示模块、遥控模块、预留接口，主控模块包括数据储存模块、数据处理模块、数据收发模块、路径规划模块。整个控制系统6由嵌入式主板进行控制，监控显示模块可以远程控制平台并监控其工作状态，遥控模块采用LoRa无线通信模块与主控模块通信，用来向动力模块发送行驶和转向指令。

本发明中，动力模块主要包括电机控制器、行走电机51、转向电机71以及转速显示模块，行走电机51和转向电机71均可采用无刷直流电机。电机控制器接受控制系统6的指令，对无刷直流电机进行控制，通过检测行走电机51的霍尔信号和和调整PWM的占空比，给行走电机51的各相的输出电流来进行负反馈PID调节，减少中间传动中的误差，对行走电机51进行恒速调节，可提高在田间路面不平整时的运动稳定性，通过转速显示模块可以实时监控电机速度。控制系统6可设置蜂鸣器用来判断是否接收到遥控信号，同时向定位导航模块9、电机控制器以及信息采集系统8发送控制指令。

本发明中，信息采集系统8包括自稳云台，自稳云台上搭载RGB相机、激光雷达、高光谱相机等光谱类传感器，自稳云台可连接在载物平台4的正下方，RGB相机与自稳云台连接，云台的旋转电机通过电路与控制系统6连接，由控制系统6控制，通过对RGB相机的控制，实时捕获田间作物的图像，上传至数据存储模块，由数据处理模块进行初步处理，并可进一步上传。同时预留有接口，可方便替换其他不同类型的传感器。

本发明中，定位导航模块9主要由RTK-GNSS、IMU和通信模块组成，RTK-GNSS主要包括GNSS定位板卡、天线、无线数传电台和移动电源。GNSS定位板卡选取利用u-blox的ZED-F9P模块，该模块能够达到10mm的3维精度，有五个同时处于活动状态的通信端口，USB端口随时可用，将ZED-F9P连接到u-center可以快速进行配置和查看NMEA语句，该板卡使用外部5V或3.3V的电源供电，ZED-F9P定位性能优越能够满足RTK高精度定位要求；IMU选取低成本的ADIS 16477，包括一个三轴的陀螺仪和一个三轴的加速计；通信模块选用E62-433T30D全双工无线数传模块（UART接口），透明传输方式，工作在425～450.5MHz频段（默认433MHz )，发射功率1W，有较强的抗干扰能力，通信稳定性高；天线采用中海达AT-4500型外置式GNSS导航型天线。

本发明的一些实施例中，定位导航模块9如图8所示，采用RTK-GNSS与IMU松耦合导航模式，RTK-GNSS主要获取平台的位置和速度信息，IMU主要获取平台的侧倾角和俯仰角，将RTK-GNSS接收到的实时定位信息与IMU接收到的数据输入卡尔曼滤波器，然后通过滤波器估计并校正IMU解算的误差，最后输出高精度的位置和姿态信息，按照设定间距记录各目标点的经纬度数据，得出行驶路径。控制系统6读取数据储存模块中记录的起始坐标点、终点坐标点以及固定间距的目标点的位置信息，由路径规划模块进行解算，将各个目标点信息进行存储，路径规划过程中采用多次往返进行轨迹的逼近，生成全局最优路径，并发送至电机控制器，通过驱动电机控制移动机器人行驶至各个目标节点，进而完成全局最优路径。

本发明中，供电模块10由48V铅酸蓄电池、电压显示模块、降压模块组成。

本发明中，行走时，向电机控制器发送命令，电机控制器接收命令后传输给电机驱动器，电器驱动器控制行走电机51转动，电机转子将动力传输给齿轮箱52，齿轮箱52将输入动力经减速后传递给两个半轴53，半轴通过球叉万向节54将动力传输到差速器55，前后两个差速器55通过四个水平传动杆56分配转矩，保证车轮11在各种运动条件下的动力传递，同时避免轮胎与地面打滑，随后将动力传递给锥齿轮57，锥齿轮57继续通过竖直传动杆58将动力传输至行走系统1，进而带动车轮11转动，由电机控制器可以对其实现加速、减速、前进、后退、停止等功能。转向时，转向电机71转动，通过万向节72和转向传动杆73将动力传输到转向片74，转向片74与车腿固定，带动车腿转动，转向长拉杆75与转向片74连接，实现对两个转向轮之间阿克曼转角的控制，阿克曼角可防止轮胎在转弯时发生侧滑，保证车身转弯的平顺。

本发明中，数据采集的实施例如图9所示，图中长方形表示育种小区，三角形表示表型平台，圆形表示育种小区内的关键点。连接起始坐标点、终点坐标点以及固定间距目标点的实线是预先设定的遍历路，箭头所指方向为平台的行走方向。在一个实施例中，在数据采集时，平台按照预设的S型路线以设定好的初始速度进行信息采集作业，由于平台存在最小转弯半径，需在地头预留一定的宽度作为转弯区域。定位导航模块9输出的实时位置信息与路径预规划时的目标点位置信息进行匹配，随即启动RGB相机，进行信息采集作业，将采集到的数据和对应点的位置信息同步存储于数据存储模块之中，并通过数据收发模块传输至远程上位机，当匹配到终点位置信息时，使相机休眠，整个信息采集系统8停止工作，完成作业。

本发明中，工作流程如图10所示，过程具体包括。

步骤1，进行系统初始化，通过蜂鸣器判断是否接收到遥控信号，向定位导航模块、电机控制器以及信息采集系统发送控制指令。

步骤2，定位导航模块9开始发送实时位置信息，将信息进行存储并进行处理，通过卡尔曼滤波，估计并校正IMU解算的误差，输出高精度的位置和姿态信息，进一步的，记录目标点的位置信息，由路径规划模块进行解算，生成最优路径。

步骤3，电机控制器接收控制指令，判断平台是否以预设速度行走，若与设置速度不匹配，则通过PID调速对其进行修正，保证运动的稳定性。

步骤4，向信息采集系统8发送指令，在正式作业之前，通过深度学习算法对大量现有的裸地、作物生长期以及作物生长状况的图像进行识别，将处理得到的图像进行特征提取和分类，建立识别模型。作业时，数据处理模块对传感器采集的地表信息进行实时处理，通过训练好的识别模型，识别裸地的土黄色和育种小区作物的绿色，判别是否进入育种小区，当判别为裸地时，给控制系统6发送指令，驱动行走电机51进行加速，使平台快速反应，到达育种小区；当判别为育种小区时，再次发送控制指令，使平台按照预设速度沿着规划好的路径行走，当定位导航模块9输出的实时位置信息与路径预规划时的目标点位置信息匹配成功时，在育种小区上方进行信息采集，进行常规数据的采集并进行实时动态处理，可得到作物株高、叶面积等表型信息并储存上传。

步骤5，在采集过程中，通过作物生长识别模型判别，若发现图像数据出现作物生长状况异常，机器人平台停止运动，按设定条件进行多次数据采集，同时对该采集点标记为关键点，之后机器人平台继续运动；当判别该采集点图像裸地信息远大于育种小区作物信息时，将该点标记为无用采集点，下一次采集时可忽略该点信息，可更进一步的提高采集信息的数据质量，并提高工作效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种田间作物表型监测机器人自走平台，包括车架，车架上设置有载物平台（4），载物平台（4）上搭载控制系统（6）、信息采集系统（8）和定位导航模块（9），沿前进方向，在所述车架的前方左右两侧和后方左右两侧分别对称连接一个轮距调节装置（3），每个所述轮距调节装置（3）与一个高度调节装置（2）的顶端连接，每个高度调节装置（2）的底端连接一个行走系统（1），且行走系统（1）仅与高度调节装置（2）连接，形成高地隙龙门架式结构，龙门架下部空间用于通过作物；每个所述轮距调节装置（3）的长度可调，以所述车架所处的水平面为参考，每个所述轮距调节装置（3）为向上或向下倾斜设置；其特征在于，每个所述轮距调节装置（3）包括第一嵌套式方管（31）与车臂套筒（32），所述车臂套筒（32）的近端连接于所述车架，且与所述车架所处的水平面呈120°~150°夹角，前方左右两侧的轮距调节装置（3）的车臂套筒（32）与前进方向的夹角为锐角，后方左右两侧的轮距调节装置（3）的车臂套筒（32）与前进方向的夹角为钝角；所述第一嵌套式方管（31）内嵌于所述车臂套筒（32）中且能够沿套筒轴向滑动，所述第一嵌套式方管（31）的远端通过第一螺母连接第一传动丝杆，所述第一螺母固定在车臂套筒（32）的内部；

每个所述高度调节装置（2）包括竖直设置的第二嵌套式方管（21）与车腿套筒（22），所述车腿套筒（22）的底端与行走系统（1）连接，所述第二嵌套式方管（21）内嵌于所述车腿套筒（22）中且能够沿套筒轴向滑动，所述第二嵌套式方管（21）的顶端通过第二螺母连接第二传动丝杆，所述第二螺母固定在车腿套筒（22）的内部。

2.根据权利要求1所述田间作物表型监测机器人自走平台，其特征在于，每个所述行走系统（1）包括车轮（11）、车销轴（12）、车轮安装架（13）、减速器（14）和链条传动系统（15）；每个所述车轮（11）通过车销轴（12）和车轮安装架（13）安装于一个车腿套筒（22）的底端；所述减速器（14）安装于车轮安装架（13），其输出轴安装方向朝向车轮（11）的外侧；所述链条传动系统（15）包括链轮、链条、惰轮和张紧装置，其中链轮与所述车轮（11）依次安装在所述车销轴（12）上，所述惰轮安装在减速器（14）上，链轮以及惰轮通过链条与所述车销轴（12）和减速器（14）配合。

3.根据权利要求2所述田间作物表型监测机器人自走平台，其特征在于，所述行走系统（1）由动力系统（5）提供行走动力，所述动力系统（5）包括行走电机（51）、齿轮箱（52）、半轴（53）、球叉万向节（54）、差速器（55）、水平传动杆（56）、锥齿轮（57）、竖直传动杆（58）；所述半轴（53）、行走电机（51）与齿轮箱（52）固定对接为一体，两个半轴（53）分别连接于齿轮箱（52）与两个球叉式万向节（54）之间，差速器（55）通过球叉万向节（54）接收半轴（53）传输的动力，由水平传动杆（56）传递给锥齿轮（57），锥齿轮（57）将动力转化为竖直方向，通过竖直传动杆（58）将动力传送至行走系统（1），进而带动车轮（11）转动。

4.根据权利要求3所述田间作物表型监测机器人自走平台，其特征在于，所述水平传动杆（56）从所述第一嵌套式方管（31）穿过，所述竖直传动杆（58）从所述第二嵌套式方管（21）穿过。

5.根据权利要求3所述田间作物表型监测机器人自走平台，其特征在于，所述行走系统（1）由转向系统（7）控制转向，所述转向系统（7）包括转向电机（71）、万向节（72）、转向传动杆（73）、转向片（74）和转向长拉杆（75）；所述转向电机（71）通过万向节（72）和转向传动杆（73）传输动力，所述转向片（74）固定在车腿套筒（22）的上部，所述转向长拉杆（75）连接前方两个转向片（74）。

6.根据权利要求3所述田间作物表型监测机器人自走平台，其特征在于，所述信息采集系统（8）包括自稳云台，自稳云台上搭载光谱类传感相机，所述自稳云台的旋转电机由所述控制系统（6）控制，实时捕获田间作物生长的图像并存储上传。

7.根据权利要求3所述田间作物表型监测机器人自走平台，其特征在于，所述定位导航模块（9）包括RTK-GNSS和IMU，所述RTK-GNSS获取平台的位置和速度信息，所述IMU获取平台的侧倾角和俯仰角，按照设定间距记录各目标点的经纬度数据，得出行驶路径；所述控制系统（6）读取记录的目标点的位置信息，利用路径规划模块解算生成全局最优路径。

8.根据权利要求3所述田间作物表型监测机器人自走平台，其特征在于，所述平台在行走过程中，通过检测行走电机（51）的霍尔信号和调整PWM的占空比，由控制器控制行走电机（51）的各相的输出电流进行负反馈PID调节。

9.基于权利要求1所述田间作物表型监测机器人自走平台的田间作物表型监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，进行系统初始化；

步骤2，定位导航模块（9）发送实时位置信息，将信息进行存储并进行处理，通过卡尔曼滤波，估计并校正IMU解算的误差，输出位置和姿态信息，并生成最优路径；

步骤3，判断平台是否以预设速度行走，若与设置速度不匹配，则通过PID调速对其进行修正，保证运动的稳定性；

步骤4，向信息采集系统（8）发送指令，在正式作业之前，通过智能算法对现有的裸地、作物生长期以及作物生长状况的图像进行识别，将处理得到的图像进行特征提取和分类，建立识别模型；作业时，对传感器采集的地面信息进行实时处理，通过训练好的识别模型，识别裸地的土黄色和育种小区作物的绿色，判别是否进入育种小区，当判别为裸地时，给控制系统（6）发送指令，驱动电机进行加速，使平台快速反应，到达育种小区；当判别为育种小区时，再次发送指令，使平台按照预设速度沿规划路径行走，当定位导航模块（9）输出的实时位置信息与路径预规划时的目标点位置信息匹配成功时，在育种小区上方进行信息采集，并进行实时动态处理，得到作物表型信息并储存上传；

步骤5，在采集过程中，通过作物生长识别模型判别，若发现图像数据出现作物生长状况异常，机器人平台停止运动，按设定条件进行多次数据采集，同时对相应采集点标记为关键点，之后机器人平台继续运动；当判别该采集点图像裸地信息远大于育种小区作物信息时，将该点标记为无用采集点，下一次采集时忽略该采集点。

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