本申请公开了一种基于田间的高通量作物表型机器人及其控制系统，移动导航装置包括可移动车箱、电源、惯性测量单元模块、第一超声波传感器、GPS传感器、网络相机和无线传输设备，作物表型信息获取装置包括：多个用于获取作物表型信息的传感器和便携式高光谱仪，惯性测量单元模块和GPS传感器组合可实现定位和导航功能，网络相机和第一超声波传感器可保证机器人在田间沿指定路径运动，无线传输设备与控制系统的控制站通讯。第二超声波传感器、NDVI传感器、Kinect传感器和便携式高光谱仪获取关于作物的茎高、叶面积、病害与作物密度等表型特征信息，由于机器人直接在田间行进，因此机器人可直接获取更多的作物表型特征信息。
A Field-based High-throughput Crop Phenotype Robot and Its Control System
【技术实现步骤摘要】
一种基于田间的高通量作物表型机器人及其控制系统
本申请涉及农作物表型分析
，具体涉及一种基于田间的高通量作物表型机器人及其控制系统。
技术介绍
表型组学是一门新兴的科学学科，其定义是将不同的传感器、平台和技术进行融合，收集深度表型数据，在不同组织尺度(从细胞到生态系统的区域)的多个时间和空间尺度上表征个体。近年来的研究表明，应用表型组学辅助育种可提高遗传增益的比例，作物育种使遗传获得或改良成为满足我们日益增长的粮食需求的基础。同样，作物表型组学通过与作物的遗传结构联系，对于加速我们理解作物对各种生物和非生物刺激和胁迫的反应至关重要。特别地，作物表型是机器人执行农业任务、评估作物管理状况以及将基因型与作物育种表型等联系起来的先决条件。在自动或自主作物表型研究与分析中需要:一是在田间中自动和及时获取的大量数据集，二是获取准确和精确的地理参考的传感器数据。利用作物的空间位置与大量表征作物特征的数据来进行准确的推断和预测作物的状况，然而，在田间里收集作物数据是劳动密集型和非常昂贵的。虽然目前已应用的基于空中的系统可提高表型的通量能力，但这些平台却也无法获取关于作物少数结构和生长特征的信息，而这些特征是作物生长和管理中最重要的特征之一。
技术实现思路
本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：第一方面，本申请实施例提供了一种基于田间的高通量作物表型机器人，包括：移动导航装置、作物表型信息获取装置和控制器，其中：所述移动导航装置包括可移动车箱、电源、惯性测量单元模块、第一超声波传感器、GPS传感器、网络相机和无线传输设备，所述电源设置在所述可移动车箱内部的一端，所述惯性测量单元模块固定设置在所述移动车箱内部的另一端，所述控制器设置在可移动车箱内部，且与所述电源相邻设置；所述可移动车箱设置一顶盖，所述顶盖与所述可移动车箱的顶部固定连接，所述第一超声波传感器设置在所述可移动车箱行进端的外部侧面上，且所述第一超声波传感器的检测端朝向所述可移动车箱行进的方向，所述网络相机固定设置在所述顶盖靠近行进端的位置，且所述网络相机的镜头朝向所述可移动车箱的行进方向，所述GPS传感器和所述无线传输设备固定设置在所述顶盖相对所述网络相机的位置，所述可移动车箱、所述惯性测量单元模块、所述第一超声波传感器、所述GPS传感器、所述网络相机、所述无线传输设备和所述控制器均与所述电源电连接；所述作物表型信息获取装置包括：第二超声波传感器、第一NDVI传感器、第二NDVI传感器、Kinect传感器和便携式高光谱仪，所述顶盖中心位置固定一立柱，所述立柱的顶端设置一支架，所述立柱的顶端与所述支架的中间位置固定连接，所述立柱与所述支架垂直设置，所述第二超声波传感器通过第一连接件固定设置在所述立柱上，所述第一连接件与所述立柱活动连接，且所述第二超声波传感器的检测端朝向所述可移动车箱一侧面对应的方向；所述第一NDVI传感器和所述Kinect传感器固定设置在所述支架的一端，所述第一NDVI传感器和所述Kinect传感器的检测端均朝下，所述第二NDVI传感器设置在所述支架的中间位置，所述第二NDVI传感器的检测端朝上，所述便携式高光谱仪固定设置在所述支架的另一端，所述便携式高光谱仪的镜头朝下；所述第二超声波传感器、第一NDVI传感器、第二NDVI传感器、Kinect传感器和便携式高光谱仪均与所述电源电连接；所述惯性测量单元模块、第一超声波传感器、GPS传感器、网络相机和无线传输设备、第二超声波传感器、第一NDVI传感器、第二NDVI传感器、Kinect传感器和便携式高光谱仪均与所述控制器电连接。采用上述实现方式，由惯性测量单元模块和GPS传感器组合可实现定位和导航功能，网络相机和第一超声波传感器可保证机器人在田间沿指定路径运动，无线传输设备与控制系统的控制站通讯。第二超声波传感器、NDVI传感器、Kinect传感器和便携式高光谱仪获取关于作物的茎高、叶面积、病害与作物密度等表型特征信息，由于机器人直接在田间行进，因此机器人可直接获取更多的作物表型特征信息。结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述可移动车箱包括箱体、第一车轮和第二车轮，所述第一车轮和所述第二车轮均设置有两个，两个所述第一车轮设置在所述可移动车箱的行进端的两侧，所述第一车轮为万向轮，两个所述第二车轮设置在所述可移动车箱相对所述第一车轮一端的两侧，所述第一车轮和所述第二车轮均与所述箱体活动连接。结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，对应所述第二车轮还设置有步进电机，所述步进电机设置在所述箱体的内部，所述步进电机的输出轴上固装有齿轮，所述第二车轮靠近箱体的一侧设有与所述齿轮啮合的齿圈，所述第二车轮通过所属齿圈与所述齿轮咬合连接，所述步进电机分别与所述电源和所述控制器电连接。结合第一方面，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述第一超声波传感器设置有两个，两个所述第一超声波传感器分别设置在所述可移动车箱行进端的外部侧面的两端。结合第一方面，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述顶盖中心位置设置有4个固定件，所述固定件十字交叉设置，所述立柱通过所述固定件固定设置在所述顶盖中心位置。结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述第二超声波传感器设置有多个，多个所述第二超声波传感器通过第一连接件固定设置在所述立柱上，多个所述第二超声波传感器均匀设置。结合第一方面，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述支架上设置第二连接件，所述第二连接件的两个固定环套接在所述支架上，所述第一NDVI传感器、所述Kinect传感器和所述便携式高光谱仪与所述第二连接件的薄板固定连接。结合第一方面或第一方面第一至六种任一可能的实现方式，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述立柱与所述支架之间设置有支撑杆，所述支撑杆两端分别与所述立柱和所述支架固定连接，且所述支撑杆设置有两组，相对所述立柱对称设置。第二方面，本申请实施例提供了一种基于田间的高通量作物表型机器人控制系统，包括：第一方面任一所述的基于田间的高通量作物表型机器人、基站和控制站，所述机器人设置有多台，所述机器人与所述基站和所述控制站通信连接；所述机器人开始运动前，控制站为每个所述机器人预先生成GPS路点阵列，所述GPS路点阵列通过WiFi技术发送给所述机器人；所述机器人在接收到所述GPS路点后，控制器控制所述机器人沿着所述GPS路点阵列对应的路径运动，到达作物的目标地块，其中在运动过程中，所述控制站可监控所述机器人的运行状态；所述机器人到达目标地块后，所述控制站向所述机器人上的所述控制器发送作物表型数据采集工作的命令，所述控制器控制设置在所述机器人上的各个传感器和便携式高光谱仪进行作物表型数据的采集。结合第二方面，在第二方面第一种可能的实现方式中，所述机器人进行作物表型数据的采集过程中，所述控制站中的图形用户界面显示实时作物的表型图像和所述机器人采集的作物表型数据。附图说明图1为本申请实施例提供的一种基于田间的高通量作物表型机器人的结构示意图；图2为本申请实施例提供的一种可移动车箱内部结构示意图；图3为本申请实施例提供的一种基于田间的高通量作物表型机器人控制系统的结构；图1-3中，符号表示本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于田间的高通量作物表型机器人，其特征在于，包括：移动导航装置、作物表型信息获取装置和控制器(1)，其中：所述移动导航装置包括可移动车箱、电源(2)、惯性测量单元模块(3)、第一超声波传感器(4)、GPS传感器(5)、网络相机(6)和无线传输设备(7)，所述电源(2)设置在所述可移动车箱内部的一端，所述惯性测量单元模块(3)固定设置在所述移动车箱内部的另一端，所述控制器(1)设置在可移动车箱内部，且与所述电源(2)相邻设置；所述可移动车箱设置一顶盖(8)，所述顶盖(8)与所述可移动车箱的顶部固定连接，所述第一超声波传感器(4)设置在所述可移动车箱行进端的外部侧面上，且所述第一超声波传感器(4)的检测端朝向所述可移动车箱行进的方向，所述网络相机(6)固定设置在所述顶盖(8)靠近行进端的位置，且所述网络相机(6)的镜头朝向所述可移动车箱的行进方向，所述GPS传感器(5)和所述无线传输设备(7)固定设置在所述顶盖(8)相对所述网络相机(6)的位置，所述可移动车箱、所述惯性测量单元模块(3)、所述第一超声波传感器(4)、所述GPS传感器(5)、所述网络相机(6)、所述无线传输设备(7)和所述控制器(1)均与所述电源(2)电连接；所述作物表型信息获取装置包括：第二超声波传感器(9)、第一NDVI传感器(10)、第二NDVI传感器(11)、Kinect传感器(12)和便携式高光谱仪(13)，所述顶盖(8)中心位置固定一立柱(14)，所述立柱(14)的顶端设置一支架(15)，所述立柱(14)的顶端与所述支架(15)的中间位置固定连接，所述立柱(14)与所述支架(15)垂直设置，所述第二超声波传感器(9)通过第一连接件(21)固定设置在所述立柱(14)上，所述第一连接件(21)与所述立柱(14)活动连接，且所述第二超声波传感器(9)的检测端朝向所述可移动车箱一侧面对应的方向；所述第一NDVI传感器(10)和所述Kinect传感器(12)固定设置在所述支架(15)的一端，所述第一NDVI传感器(10)和所述Kinect传感器(12)的检测端均朝下，所述第二NDVI传感器(11)设置在所述支架(15)的中间位置所述第二NDVI传感器(11)的检测端朝上，所述便携式高光谱仪(13)固定设置在所述支架(15)的另一端，所述便携式高光谱仪(13)的镜头朝下；所述第二超声波传感器(9)、第一NDVI传感器(10)、第二NDVI传感器(11)、Kinect传感器(12)和便携式高光谱仪(13)均与所述电源(2)电连接；所述惯性测量单元模块(3)、第一超声波传感器(4)、GPS传感器(5)、网络相机(6)和无线传输设备(7)、第二超声波传感器(9)、第一NDVI传感器(10)、第二NDVI传感器(11)、Kinect传感器(12)和便携式高光谱仪(13)均与所述控制器(1)电连接。...
【技术特征摘要】
1.一种基于田间的高通量作物表型机器人，其特征在于，包括：移动导航装置、作物表型信息获取装置和控制器(1)，其中：所述移动导航装置包括可移动车箱、电源(2)、惯性测量单元模块(3)、第一超声波传感器(4)、GPS传感器(5)、网络相机(6)和无线传输设备(7)，所述电源(2)设置在所述可移动车箱内部的一端，所述惯性测量单元模块(3)固定设置在所述移动车箱内部的另一端，所述控制器(1)设置在可移动车箱内部，且与所述电源(2)相邻设置；所述可移动车箱设置一顶盖(8)，所述顶盖(8)与所述可移动车箱的顶部固定连接，所述第一超声波传感器(4)设置在所述可移动车箱行进端的外部侧面上，且所述第一超声波传感器(4)的检测端朝向所述可移动车箱行进的方向，所述网络相机(6)固定设置在所述顶盖(8)靠近行进端的位置，且所述网络相机(6)的镜头朝向所述可移动车箱的行进方向，所述GPS传感器(5)和所述无线传输设备(7)固定设置在所述顶盖(8)相对所述网络相机(6)的位置，所述可移动车箱、所述惯性测量单元模块(3)、所述第一超声波传感器(4)、所述GPS传感器(5)、所述网络相机(6)、所述无线传输设备(7)和所述控制器(1)均与所述电源(2)电连接；所述作物表型信息获取装置包括：第二超声波传感器(9)、第一NDVI传感器(10)、第二NDVI传感器(11)、Kinect传感器(12)和便携式高光谱仪(13)，所述顶盖(8)中心位置固定一立柱(14)，所述立柱(14)的顶端设置一支架(15)，所述立柱(14)的顶端与所述支架(15)的中间位置固定连接，所述立柱(14)与所述支架(15)垂直设置，所述第二超声波传感器(9)通过第一连接件(21)固定设置在所述立柱(14)上，所述第一连接件(21)与所述立柱(14)活动连接，且所述第二超声波传感器(9)的检测端朝向所述可移动车箱一侧面对应的方向；所述第一NDVI传感器(10)和所述Kinect传感器(12)固定设置在所述支架(15)的一端，所述第一NDVI传感器(10)和所述Kinect传感器(12)的检测端均朝下，所述第二NDVI传感器(11)设置在所述支架(15)的中间位置所述第二NDVI传感器(11)的检测端朝上，所述便携式高光谱仪(13)固定设置在所述支架(15)的另一端，所述便携式高光谱仪(13)的镜头朝下；所述第二超声波传感器(9)、第一NDVI传感器(10)、第二NDVI传感器(11)、Kinect传感器(12)和便携式高光谱仪(13)均与所述电源(2)电连接；所述惯性测量单元模块(3)、第一超声波传感器(4)、GPS传感器(5)、网络相机(6)和无线传输设备(7)、第二超声波传感器(9)、第一NDVI传感器(10)、第二NDVI传感器(11)、Kinect传感器(12)和便携式高光谱仪(13)均与所述控制器(1)电连接。2.根据权利要求1所述的基于田间的高通量作物表型机器人，其特征在于，所述可移动车箱包括箱体(16)、第一车轮(17)和第二车轮(18)，所述第一车轮(17)和所述第二车轮(18)均设置有两个，两个所述第一车轮(17)设置在所述可移动车箱的行进端的两侧，...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘平，刘宝花，王春颖，
申请(专利权)人：山东农业大学，
类型：发明
国别省市：山东,37
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