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原文传递一种田间小麦高通量表型信息获取装置及其控制方法

专利名称：	一种田间小麦高通量表型信息获取装置及其控制方法
摘要：	本申请公开了一种田间小麦高通量表型信息获取装置及其控制方法，包括：车架、测量装置和控制系统，测量装置和控制系统固定设置在车架上，其中：车架包括车架本体、伸缩杆、支撑架、第一车轮和第二车轮，测量装置包括：网络相机、超声波传感器、NDVI传感器、数字相机、便携式高光谱仪和红外测距传感器，控制系统包括：计算机、控制器和步进电机，车架本体可以在第一车轮和第二车轮的带动下在小麦地中小麦的行间的空白地中运动，完成对小麦表型信息的采集，并且采集的信息可以发送给计算机，由于可以通过车体本体在小麦地自由运动，而且可以贴近小麦进行信息采集，相比传统的信息采集平台，既降低了成本又可以实现信息采集的准确性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	山东;37
申请人：	山东农业大学
发明人：	刘平;刘宝花;王春颖;朱衍俊
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-08T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-28T00:00:00+0800
申请号：	CN201910174109.X
公开号：	CN109813852A
代理机构：	济南誉丰专利代理事务所(普通合伙企业)
代理人：	李茜
分类号：	G01N33/00(2006.01);G;G01;G01N;G01N33
申请人地址：	271018 山东省泰安市岱宗大街61号
主权项：	1.一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，包括：车架、测量装置和控制系统，所述测量装置和所述控制系统固定设置在所述车架上，其中：所述车架包括车架本体(1)、伸缩杆(2)、支撑架(3)、第一车轮(4)和第二车轮(5)，所述第一车轮(4)和所述第二车轮(5)分别设置有两个，每个车轮对应设置一个所述支撑架(3)，所述支撑架(3)与所述车架本体(1)之间设置所述伸缩杆(2)，所述伸缩杆(2)分别连接所述车架本体(1)和所述支撑架(3)，所述第一车轮(4)和第二车轮(5)分别与对应的所述支撑架(3)活动连接；所述测量装置包括：网络相机(6)、超声波传感器(7)、NDVI传感器、数字相机(8)、便携式高光谱仪(9)和红外测距传感器(10)，所述网络相机(6)设置在所述车架本体(1)中间位置，且所述网络相机(6)的镜头朝向为水平方向，所述超声波传感器(7)设置在所述车架本体(1)靠近所述第二车轮(5)的一端，所述超声波传感器(7)的检测端朝下，所述NDVI传感器设置在所述车架本体(1)与所述超声波传感器(7)设置位置相邻，所述数字相机(8)设置在于所述NDVI传感器相同位置，且镜头朝向与其中一个NDVI传感器的检测端设置方向相反，所述数字相机(8)的镜头朝下，所述便携式高谱仪(9)设置在靠近所述第一车轮(4)的一端，所述便携式高谱仪(9)的镜头朝下；所述红外测距传感器(10)固定设置在所述第二车轮(5)的支撑架(3)上；所述控制系统包括：计算机(11)、控制器(12)和步进电机，所述计算机(11)、所述控制器(12)和所述步进电机均固定设置在所述车架本体(1)上，所述计算机(11)与所述网络相机(6)和所述便携式高光谱仪(9)电连接；所述控制器(12)与所述步进电机、红外测距传感器(10)、数字相机(8)、NDVI传感器和超声波传感器(7)电连接，所述步进电机用于驱动所述获取装置运行。 2.根据权利要求1所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述车架本体(1)包括第一方杆(13)、第二方杆(14)、第一圆杆(15)、第二圆杆(16)、第三圆杆(17)和第四圆杆(18)，所述第一方杆(13)分别连接所述第一圆杆(15)和所述第二圆杆(16)的第一端，所述第二方杆(14)分别连接所述一圆杆和所述第二圆杆(16)的第二端，所述第三圆杆(17)和所述第四圆杆(18)的两端分别与所述第一圆杆(15)和所述第二圆杆(16)固定连接，所述第三圆杆(17)和所述第四圆杆(18)均匀分布在所述第一方杆(13)和所述第二方杆(14)之间。 3.根据权利要求2所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述支撑架(3)为六边形支撑架，所述第一车轮(4)对应的支撑架(3)通过所述伸缩杆(2)与所述第一方杆(13)的两端相连接；所述第二车轮(5)对应的支撑架(3)通过所述伸缩杆(2)与所述第二方杆(14)的两端相连接。 4.根据权利要求3所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述第一圆杆(15)和所述第二圆杆(16)中间设置均连接一丝杆(19)，两个所述丝杆(19)分别与所述第一圆杆(15)和所述第二圆杆(16)固定连接，所述网络相机(6)设置有两个，且分别设置在两个所述丝杆(19)上，两个所述网络相机(6)的镜头朝向内侧。 5.根据权利要求4所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述超声波传感器(7)设置有多个，多个所述超声波传感器(7)通过第一连接件(20)固定设置在所述第二方杆(14)上，且多个所述超声波传感器(7)均匀设置，多个所述超声波传感器(7)的检测端均垂直朝下。 6.根据权利要求5所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述NDVI传感器包括第一NDVI传感器(21)、第二NDVI传感器(22)和第三NDVI传感器(23)，所述第一NDVI传感器(21)通过第二连接件(24)固定设置在所述第四圆杆(18)的中间位置，且所述第一NDVI传感器(21)的检测端朝上，所述第二NDVI传感器(22)和所述第三NDVI传感器(23)分别通过所述第二连接件(24)固定在所述第四圆杆(18)的两端，且所述第二NDVI传感器(22)和所述第三NDVI传感器(23)的检测端垂直朝下；所述数字相机(8)设置在所述第四圆杆(18)与所述第一NDVI传感器(21)对应的位置，所述数字相机(8)通过第三连接件(25)与所述第四圆杆(18)固定连接，所述第四圆杆(18)的两端还设置有GPS模块(26)，所述GPS模块(26)通过第四连接件(27)固定设置在所述第四圆杆(18)的一端，所述GPS模块(26)与所述计算机(11)电连接。 7.根据权利要求6所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述便携式高光谱仪(9)通过第五连接件(28)固定设置在所述第三圆杆(17)的中间位置，所述红外测距传感器(10)固定设置在所述第二车轮(5)的支撑架(3)上。 8.根据权利要求7所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述步进电机包括第一步进电机(29)和第二步进电机(30)，所述第一步进电机(29)包括两个，且两个所述第一步进电机(29)分别固定安装在与第一车轮(4)连接的所述支撑架(3)的外侧，且所述第一步进电机(29)的输出轴上固装有齿轮，两个所述第一车轮(4)上设有与所述齿轮啮合的齿圈，所述齿轮与所述齿圈啮合连接；所述第二步进电机(30)设置有两个，两个所述第二步进电机(30)分别固定设置在两个所述丝杆(19)靠近圆杆的一端，所述第二步进电机(30)的输出轴上固装有齿轮，两个所述丝杆(19)上设有与所述齿轮啮合的齿圈，所述齿轮与所述齿圈啮合连接。 9.根据权利要求8所述的一种田间小麦高通量表型信息获取装置，其特征在于，所述车架本体(1)靠近所述第三圆杆(17)的一端设置有一支撑板(31)，所述支撑板(31)两端分别与所述第一圆杆(15)和所述第二圆杆(16)固定连接，所述计算机(11)和所述控制器(12)固定设置在所述支撑板(31)上；所述支撑板(31)上还设置一电源(32)，所述电源(32)分别与所述计算机(11)、所述控制器(12)、所述步进电机、所述网络相机(6)、所述超声波传感器(7)、所述NDVI传感器、所述数字相机(8)、所述便携式高光谱仪(9)和所述红外测距传感器(10)电连接。 10.一种田间小麦高通量表型信息获取装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括：确定小麦所处的成长期，所述成长期包括小麦处于抽穗期和开花期前后；如果所述小麦处于抽穗期，则对所述获取装置的各个部件进行调整，包括：根据测量田地中小麦的大致高度，调整伸缩杆的高度，使得第四圆杆所在水平面距小麦冠层90cm；根据两个第二车轮在测量田地中横跨小麦的行数，设置超声波传感器的个数，并且保证每个超声波传感器检测一行小麦；通过GPS模块定位测量地块的初始位置；根据小麦行间距的大小，调整红外测距传感器的设置范围；控制所述获取装置对所述小麦进行检测，包括：控制两个第一步进电机带动第一车轮以一定的速度前进，同时，红外测距传感器实时检测与小麦的距离，并将信息反馈给控制器，进而调整两个第一步进电机的转速，采用PID控制保证该装置在小麦的行间的空白地中运动；控制超声波传感器实时检测每行小麦，将输出的模拟电压信号发送给所述控制器，可得到超声波传感器与冠层之间的距离，再由超声波传感器与地面的一定关系，可得到小麦的株高；控制三个NDVI传感器同时工作，NDVI传感器根据垂直向上的NDVI传感器测量向下反射太阳辐射值，垂直向下的NDVI传感器测量向上反射太阳辐射值，可得到NDVI的数值；控制数字相机与便携式高光谱仪同时开始工作，同时控制第一步进电机停止运动并发送信号刷新GPS模块重新获取此时的位置信息；6s后第一步进电机运动，同时将数字相机获得的图像和高光谱仪获得的光谱信息分别发送给控制器和计算机；6s后获取装置重复上述工作流程，直到完成整个田地的测量工作；将获取到的数据进行处理，包括：将光谱信息输入已建立好的数学模型中，可检测到小麦叶枯病(STB)以及量化感病的严重程度，将光谱信息与控制器中GPS模块的历史数据相匹配，可以准确地检测出该田地中叶枯病严重的区域；将数字相机获得的图像进行图像处理，从而可得到每张图像中的总穗数，同时由控制器中GPS模块的历史数据定位出每张图像对应的实际地块，并测量出每一地块的面积，进而获得小麦的穗密度；如果所述小麦处于开花期前后，则对所述获取装置的各个部件进行调整，包括：调整伸缩杆的高度和红外测距传感器的设置范围、设置超声波传感器的个数、初始化GPS模块；控制所述获取装置对所述小麦进行检测，包括：控制第一步进电机、红外测距传感器和超声波传感器工作，装置运动10s后停止，控制器可获得超声波传感器与冠层之间的距离D，进而得到目前检测的地块中的平均距离，根据超声波传感器与网络相机的一定位置关系，同时控制第二步进电机转动带动丝杠运动，使得两个网络相机位于小麦的麦穗位置；控制第一步进电机工作6s，使装置向前运动；控制数字相机与便携式高光谱仪同时开始工作，同时控制第一步进电机停止工作并发送信号刷新GPS模块重新获取此时的位置信息；6s后第一步进电机工作，同时将数字相机获得的图像和高光谱仪获得的光谱信息分别发送给控制器和计算机； 6s后再次控制数字相机与便携式高光谱仪同时开始工作，同时控制第一步进电机停止工作并发送信号刷新GPS模块重新获取此时的位置信息，直到完成整个田地的小麦测量工作。
所属类别：	发明专利