CN210953957U - 一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人 - Google Patents

Abstract

本次实用新型公开了一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人，包括设备箱，所述设备箱底面四个边角位置分别固定连接一个折杆，每个所述第一折杆另一端通过第一液压缸与第二折杆一端连接，使得所述第二折杆另一端轴线与设备箱中心线平行；机器人结合自动化技术、机器视觉技术和机器人技术，采用多光谱相机和传感器测量植物的结构、株高、颜色、体积、枯萎程度、鲜重、花、果实的数目等重要物理数据及植物生长环境温度、湿度数据，机器人可以通过定位导航在田间自动行驶，快速、高效、大规模进行植物表型的采集工作，不仅可以实现植物生长状态的无损伤采集,而且采集结果准确、全面，可以节省大量的人力物力，提高植物表型采集的效率。

Description

一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人

技术领域

本实用新型涉及多光谱成像技术、物联网技术及植物表型采集领域，具体的说就是一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人。

背景技术

高效的植物表型采集技术作为现代化农业的一个重要研究方向，是育种、品种选择、基因组学和表型组学研究的一个先决条件。植物表型采集技术的科学意义在于准确、快速地获得具有内在联系的各种表型数据，有效采集农作物的生长情况，而实际意义在于该技术有助于培养优秀的生产品种。

传统的表型数据的获取主要是通过手工测量进行。手工测量可以获取植物直径、叶长、叶片数目等指标，通过叶面积仪可以获取植物的叶长、叶宽、叶面积、叶倾角等指标。这些测量都需要花费大量时间，测量结果准确性较低，工作繁琐，工作量大，并且只能获得植物表型的部分指标，在田间采集时效率低下，这些缺点大大限制了大规模遗传育种筛选的效率。

随着网络传输技术、图像处理等技术发展，植物表型采集技术的实际研究与应用日益得到重视。多光谱成像技术是随着科学技术发展生成的一种生物学可视化技术，这种技术利用光谱反射曲线图为基础，以液晶凋谢滤光片为媒介观察红外线区域的多光谱图像，能够精确识别植物表型结构。

发明内容

1.需要解决的技术问题

本次实用新型的目的在于，提出一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人，通过携带多光谱相机和传感器的田间自走机器人来采集植物表型数据，准确、无损伤的采集植物生长状态，节省大量的人力物力，提高植物表型采集的效率。

2.技术方案

为了实现上述目标，本实用新型提出一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人，包括设备箱，所述设备箱底面四个边角位置分别固定连接一个折杆，每个所述第一折杆另一端通过第一液压缸与第二折杆一端连接，使得所述第二折杆另一端轴线与设备箱中心线平行；所述第二折杆另一端通过液压装置与车轮连接，且所述液压装置与第一液压缸垂直；所述设备箱底面对称轴一端安装有多光谱相机，所述多光谱相机一侧安装有可见光相机；所述设备箱顶面对称轴一端固定有安装架，所述安装架上安装有RTK设备、温度传感器和湿度传感器；所述设备箱顶面中部安装有太阳能板和控制模块，所述设备箱两侧面安装有双目立体视觉摄像头，所述设备箱底面中心安装有电源模块。

上述的基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其中，所述液压装置和第二折杆之间连接有旋转电机，且同侧两个所述第二折杆之间固定有横杆；所述液压装置包括第二液压缸、上导板、下导板和滑杆；所述上导板上下两端分别安装有旋转电机和第二液压缸固定部，所述第二液压缸活动部与所述下导板连接；两个所述滑杆滑动安装在所述上导板和下导板上，且底部与所述车轮连接。

上述的基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其中，所述第一液压缸轴线与所述设备箱对称轴垂直。

上述的基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其中，所述车轮外侧沿周向均匀设置有棱突起。

上述的基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其中，所述控制模块包括主控板、数据存储模块、时钟校正模块、远程控制单元和自动行驶模块；所述数据存储模块、时钟校正模块、远程控制单元和自动行驶模块分别与所述主控板电性连接，且所述RTK设备、温度传感器和湿度传感器与所述主控板电性连接，所述电源模块与所述太阳能板电性连接，且为所述主控板、RTK设备、温度传感器和湿度传感器供电。

上述的基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其中，所述主控板为集成电路，且型号为N24L01。

上述的基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其中，所述自动行驶模块为自动引导控制器。

上述的基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其中，所述远程控制单元为无线通信芯片，且型号为GL868-DUAL。

上述的基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其中，所述数据存储模块为NANDFLASH存储器，且型号为K9G8G08U0A。

上述的基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其中，所述时钟校正模块为时钟校正芯片，且型号为AT8372A/B。

3.有益效果

综上所述，本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型的植物表型采集机器人结合自动化技术、机器视觉技术和机器人技术，采用多光谱相机和多个传感器采集植物的结构、株高、颜色、体积、枯萎程度、鲜重、花、果实的数目等重要物理数据及植物生长环境温度、湿度数据；

(2)本实用新型的采集机器人通过定位导航在田间自动行驶，快速、高效、大规模进行植物表型的采集工作，不仅可以实现植物生长状态的无损伤采集,而且采集结果准确、全面，可以节省大量的人力物力，提高植物表型采集的效率。

附图说明

图1是本使用新型一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人的结构示意图。

图2是本使用新型一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人的电气原理图。

具体实施方式

以下对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

请参见附图1及附图2所示，一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人，包括设备箱1，所述设备箱1底面四个边角位置分别固定连接一个折杆2，每个所述第一折杆2另一端通过第一液压缸3与第二折杆4一端连接，使得所述第二折杆4另一端轴线与设备箱1中心线平行；所述第二折杆4另一端通过液压装置5与车轮6连接，且所述液压装置5与第一液压缸3垂直；所述设备箱1底面对称轴一端安装有多光谱相机7，所述多光谱相机7一侧安装有可见光相机8；所述设备箱1顶面对称轴一端固定有安装架9，所述安装架9上安装有RTK设备10、温度传感器11和湿度传感器12；所述设备箱1顶面中部安装有太阳能板13和控制模块14，所述设备箱1两侧面安装有双目立体视觉摄像头15，所述设备箱1底面中心安装有电源模块。

所述液压装置5和第二折杆4之间连接有旋转电机16，且同侧两个所述第二折杆4之间固定有横杆17；所述液压装置5包括第二液压缸501、上导板502、下导板503和滑杆504；所述上导板502上下两端分别安装有旋转电机16和第二液压缸501固定部，所述第二液压缸501活动部与所述下导板503连接；两个所述滑杆504滑动安装在所述上导板502和下导板503上，且底部与所述车轮6连接。

所述第一液压缸3轴线与所述设备箱1对称轴垂直，支持车轮上下调节高度及左右调节宽度，改变机器的跨度和高度，进而适应不同植物种植的株距及植物的株高，避免机器人在田间行驶时碰倒、压坏作物。

所述车轮6外侧沿周向均匀设置有棱突起601，增加车轮在田间行驶时的抓地力。

所述控制模块14包括主控板17、数据存储模块18、时钟校正模块19、远程控制单元20和自动行驶模块21；所述数据存储模块18、时钟校正模块19、远程控制单元20和自动行驶模块21分别与所述主控板17电性连接，且所述RTK设备10、温度传感器11和湿度传感器12与所述主控板17电性连接，所述电源模块与所述太阳能板13电性连接，且为所述主控板17、RTK设备10、温度传感器11和湿度传感器12供电。

所述主控板17集成电路，且型号为N24L01，为整个采集机器人的控制大脑，用于远程接受指令，并对采集机器人的运动和采集进行控制。

所述自动行驶模块21为自动引导控制器，首先通过RTK设备，应用差分定位技术，能够在野外实时得到厘米级定位精度，准确定位机器的位置，为自动行驶提供基础支撑，然后控制采集车按照设计规划的路线进行自动行驶，自动转向，完成规定路线后自动停止或返回初始地点，并实现人工命令转向和自动行驶转向，应用双目视觉技术，机器可以像人眼一样识别田地路面、田垄情况，遇到障碍物能够自动转向。

所述远程控制单元20为无线通信芯片，且型号为GL868-DUAL，接收遥控器的指令，控制机器人按照指令进行移动、采集操作。

所述数据存储模块18为NAND FLASH存储器，且型号为K9G8G08U0A，用来存储温度、湿度传感器及多光谱相机，可见光相机采集的环境温度、湿度及植物的结构、株高、颜色、体积、枯萎程度、花、果实的数目等表型数据。

所述时钟校正模块19为时钟校正芯片，且型号为AT8372A/B，使用高精度定位授时，来校正机器人进行定位、自动行驶、数据采集时记录的时间信息。

实施例1

将机器人运输至植物表型采集作业区域，检查设备箱1-1内动力装置、控制装置的完好情况。检查所述电源模块电量情况，在天气晴好，阳光照射充足时也可以使用机器顶部外置的太阳能板13为电瓶充电，通过电源模块提供的电能来驱动机器内部设备的运行，作为机器行驶的动力。按照采集植物的株距和株高设定机身的高度和宽度，调节车轮上的第一液压缸3、第二液压缸501，改变机身的高度和宽度，避免机器人在田间行驶时碰倒、压坏作物。通过第二液压缸501调节温度传感器11、湿度传感器12、多光谱相机7和可见光相机8的位置及高度，使其满足植物表型采集的需求。

使用人工操作模式，操作机器人进行采集作业，根据田间路况设置机器人前轮驱动或四轮驱动，远程遥控装置能够发送前进、后退、左转、右转、停止等控制指令，机器人设备箱内的远程控制单元20接收指令，将指令传递给主控板17，主控板17控制机器人按照指令行动，可以手动操作温度传感器11、湿度传感器12、多光谱相机7和可见光相机8进行数据采集。

温度、湿度传感器采集的环境温度、湿度，可见光相机采集植物的株高、多光谱相机采集植物的结构、颜色、体积、枯萎程度、花、果实的数目等表型数据存储在数据存储模块中，可以导出进行使用。

实施例2

使用自动控制模式，可以设定自动行驶路线、速度及采集设备工作时间，通过远程控制单元20传递给主控板和传感器组，机器人按照设置好的路线自动行驶，采集植物表型数据。

机器上部搭载RTK 10设备，应用差分定位技术，能够在野外实时得到厘米级定位精度，准确定位机器的位置，自动驾驶时，机器随时定位自身位置，与规划的路线图进行比对，防止方向偏离，精确进行自动行驶。

虽然本实用新型已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其特征在于：包括设备箱(1)，所述设备箱(1)底面四个边角位置分别固定连接一个第一折杆(2)，每个所述第一折杆(2)另一端通过第一液压缸(3)与第二折杆(4)一端连接，使得所述第二折杆(4)另一端轴线与设备箱(1)中心线平行；所述第二折杆(4)另一端通过液压装置(5)与车轮(6)连接，且所述液压装置(5)与第一液压缸(3)垂直；所述设备箱(1)底面对称轴一端安装有多光谱相机(7)，所述多光谱相机(7)一侧安装有可见光相机(8)；所述设备箱(1)顶面对称轴一端固定有安装架(9)，所述安装架(9)上安装有RTK设备(10)、温度传感器(11)和湿度传感器(12)；所述设备箱(1)顶面中部安装有太阳能板(13)和控制模块(14)，所述设备箱(1)两侧面安装有双目立体视觉摄像头(15)，所述设备箱(1)底面中心安装有电源模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其特征在于：所述液压装置(5)和第二折杆(4)之间连接有旋转电机(16)，且同侧两个所述第二折杆(4)之间固定有横杆；所述液压装置(5)包括第二液压缸(501)、上导板(502)、下导板(503)和滑杆(504)；所述上导板(502)上下两端分别安装有旋转电机(16)和第二液压缸(501)固定部，所述第二液压缸(501)活动部与所述下导板(503)连接；两个所述滑杆(504)滑动安装在所述上导板(502)和下导板(503)上，且底部与所述车轮(6)连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其特征在于：所述第一液压缸(3)轴线与所述设备箱(1)对称轴垂直。

4.根据权利要求2所述的一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其特征在于：所述车轮(6)外侧沿周向均匀设置有棱突起(601)。

5.根据权利要求1所述的一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其特征在于：所述控制模块(14)包括主控板(17)、数据存储模块(18)、时钟校正模块(19)、远程控制单元(20)和自动行驶模块(21)；所述数据存储模块(18)、时钟校正模块(19)、远程控制单元(20)和自动行驶模块(21)分别与所述主控板(17)电性连接，且所述RTK设备(10)、温度传感器(11)和湿度传感器(12)与所述主控板(17)电性连接，所述电源模块与所述太阳能板(13)电性连接，且为所述主控板(17)、RTK设备(10)、温度传感器(11)和湿度传感器(12)供电。

6.根据权利要求5所述的一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其特征在于：所述主控板(17)集成电路，且型号为N24L01。

7.根据权利要求5所述的一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其特征在于：所述自动行驶模块(21)为自动引导控制器。

8.根据权利要求5所述的一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其特征在于：所述远程控制单元(20)为无线通信芯片，且型号为GL868-DUAL。

9.根据权利要求5所述的一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其特征在于：所述数据存储模块(18)为NAND FLASH存储器，且型号为K9G8G08U0A。

10.根据权利要求5所述的一种基于多光谱成像的植物表型采集机器人，其特征在于：所述时钟校正模块(19)为时钟校正芯片，且型号为AT8372A/B。

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