一种基于智能机器人的水稻根系性状无损测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于智能机器人的水稻根系性状无损测量装置。该装置实现了高精度、高通量和全自动的水稻全生育期地上地下表型信息获取和数字一体化数据存储。本发明专利技术采用倾斜30度的根盒用于放置植株生长，根盒底面为玻璃材质，根系由重力作用贴于玻璃面上生长，根盒可以为根盒遮光且能在测量时补光；采用机器人搭载红外相机、高光谱相机、RGB可见光相机和扫描仪用于植株地上地下部分表型测量；结合环境监控系统完成表型和环境的探测。本发明专利技术提供了一种高通量、全自动、高精度的水稻全生育期根系表型测量方案，能快速准确获取水稻性状和环境信息，帮助生物学家结合基因数据，完成水稻功能基因组解析的工作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于智能机器人的水稻根系性状无损测量装置
本专利技术属于农业自动化领域，具体涉及一种基于智能机器人的水稻根系性状无损测量装置。
技术介绍
全球一半人口以水稻作为主粮，同时水稻也是我国主要粮食作物。实现粮食产量的持续增长对于我国以及世界都有非常重要的意义。通过水稻育种和功能基因组解析，深入挖掘水稻潜力，培育高产、高营养和强抗逆和的水稻是每个水稻研究者的共同心愿。测序技术已经比较成熟，水稻的基因测序早已完成，基因功能的解析成为目前水稻育种的重点和难点。要实现对水稻基因功能解析就必须将表型与基因型结合，通过表型信息确定植株变异基因定位点，这对表型数据的获取提出了新的要求。传统的人工获取表型数据的方法效率慢、精度低、成本高，制约了功能基因解析的发展，为加快水稻遗传改良的进度，高通量、高精度的表型设备成为目前的主要需求。近年来随着植物表型技术的发展，越来越多的表型信息被深入挖掘，人眼能直观观测的表型性状能够很容易获取图像来进行量化提取，比如株高、叶片颜色、水稻分蘖等表型信息。但是，随着功能基因组解析的推进，人们所关注的表型信息越来越多，从可见到不可见的，从植株表面到植株内部、从地上部分到地下部分，这些都对表型获取设备提出了新的要求。对于植物来说，根系是吸收水分和营养的器官，根系的发达与否与作物生长状态息息相关，培育具有发达根系的作物对于提高作物产量有着非常重要的意义。但是就目前而言，地下部分特别是根系表型的测量一直都是表型测量的难点，特别是无损检测根系的生长发育状态一直是目前作物研究的一个瓶颈。r>
技术实现思路
：(一)要解决的技术问题要推进水稻功能基因组解析，对表型设备提出了新的要求。1.无损检测：在不破坏植株生理结构的前提下尽可能保证获取植株真实的性状信息。无损检测可以实时获取植物生长动态参数，结合环境信息试表型信息更加有用且具有说服力。2.高通量：一方面为了满足研究过程中对实验材料多品种、多重复和多对照的要求，另一方面结合代谢组学实时监测植株内部生理生化信息，就需要在在内部生化信息改变前完成全部监测任务，就需要在短时间完成大批量的表型数据监测。3.多表型：为了实现多尺度表型和基因的联合分析，需要获取生理生化的多种表型信息。4.全生育期根系测量：由于根系生长于土壤无法直接观测，要实现在保证植株正常生长的前提下，精确地观测到根系的生长发育情况是本专利技术要解决的主要问题。(二)技术方案本专利技术为了解决其技术问题所采用的技术方案，一种基于智能机器人的水稻根系性状无损测量装置。一种基于智能机器人的水稻根系性状无损测量装置，用于实现高精度、高通量和全自动的水稻地上地下表型性状获取和数字一体化数据存储，其特征在于：针对根盒水稻不同器官表型的信息，实现植株全生育期高通量、全自动、数字化的地上地下全部表型获取和解析；该根系性状无损测量装置包括根盒阵列、智能机器人、光学传感器、环境监控系统以及中央处理系统等部分；根盒阵列由主框架、根盒和滴灌系统三个模块组成，用于装载土壤供给植株生长并展露器官组织用于表型数据获取；根盒玻璃的一面安装了基于滑槽的可开关不透光窗帘，关闭时保证根系处于黑暗环境生长，开启时用于测量根系表型参数；根盒立柱上安装了LED光源用于根系测量的光照补充，并且采用合理的位置布置设计，用于最大程度削减玻璃镜面反光对测量结果造成的干扰，从而获得高精度测量结果；智能机器人同时搭载探测器，实现智能导航、自动定位和精确测量；光学传感器包括红外相机、高光谱相机、RGB可见光相机和扫描仪，用于提取植株器官表型参数；环境监测系统用于获取环境信息；中央处理系统用于完成系统的控制和图像处理的工作。优选地，所述主框架用于放置根盒，可根据需要确认根盒以及主框架的装配关系，包括根盒的排列间距和摆放位置。优选地，所述根盒的侧面由3面不透明的不锈钢板和一面透明钢化玻璃面组成，钢化玻璃面向地面倾斜30度角，使植物根系能够更好的贴合钢化玻璃面生长。优选地，所述自动滴灌系统由滴管、滴头和电动阀组成，既可根据用户对每一根盒进行定量精确灌溉，也可快速完成大批量实验灌溉任务。优选的，根盒的透明钢化玻璃面外层还具有一层可开关不透光遮阳帘，不透光遮阳帘安装于玻璃面外侧，不透光遮阳帘采取不透光可折叠帆布材质，外框采用钣金结构拼接而成，且尺寸与透明玻璃面保持一致，与玻璃面齐平的边缘带有折弯边，从而使得遮阳帘在不打开状态下，完全避免了阳光照射进入水稻根系部分，水稻正常生长时遮阳帘关闭，避免水稻根系在光照下进行有氧呼吸产生青苔，使青苔依附于玻璃面上，从而影响水稻根系的成像质量；检测时则可直接通过遮阳帘活扣把手进行打开，对水稻根系进行检测。优选地，机根盒玻璃面左右立柱两侧安装了两条LED光源，光源长度与根盒侧面长度保持一致，确保玻璃面上下光照亮度均一，同时LED光源灯珠面与玻璃面保持垂直，LED光源侧面与玻璃面平行，左右两个LED灯珠平行对立，保证了光源的光不被玻璃面反射，影响成像；LED光源远离玻璃面的侧面有一个遮光挡板，可有效的保证LED光源的光不往成像传感器侧发散，不影响相机镜头采光。优选地，所述智能机器人由地面磁导条引导前进，在每排根盒前放置路径导向标签，每个根盒前放置RFID标签实现精确定位；机器人上还搭载移动模组，控制相机上下移动和调节相机拍照距离。优选地，其特征在于：RGB成像、红外热成像、高光谱成像和非接触式扫描仪用于获得不同器官总共20个表型相关参数；4个光学成像单元即可协调统一工作，也可独立完成检测任务。优选的，所述环境监测系统包括气候监测系统和土壤监测系统，气候监测系统监测可自动监测包括温度、湿度、光照、气压、风速和风向在内的环境参数，土壤监测系统可监测每一根盒土壤水分的变化并上传到中央处理系统。优选地，中央处理系统一方面实现对滴灌、光照、机器人运动和图像获取的控制，另一方面完成图像处理和参数提取的工作，实现数字一体化管理，将采集的图片保存于云端。(三)有益效果本专利技术基于专利技术人在本领域多年的技术积累和研发，一种基于智能机器人的水稻根系性状无损测量装置，用于实现高精度、高通量和全自动的水稻全生育期地上地下表型信息获取和数字一体化数据存储。与现有的技术而言，至少具备以下技术优势：(1)机器人的远程操控实现了自动化的表型测量，减少了人力成本，完成了高通量表型测量的任务，节约了表型检测的时间，在短时间完成检测可以在生化性质改变之前完成检测，可以配合代谢组进行关联性分析；(2)机器人搭载多种传感器可以在短时间多尺度完成多种表型检测任务，能反映植株全方位的表型特征，可以结合环境监测实现表型、环境、代谢和基因联合分析；(3)提出了一种高通量根系表型的检测方案，通过一套与方法相配套的硬件设计，解决了根系全生育期避光、显现、补光和高通量测量等问题，显著提高了测量精度，获得了高质量的测量数据，为根系相关研究提供支持。(4)本系统具有非常好的应用潜力，经过改装也可适用于大麦、小麦、玉米、油菜等主要农作物表型检测。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于智能机器人的水稻根系性状无损测量装置，其特征在于：针对根盒水稻不同器官表型的信息，实现植株全生育期高通量、全自动、数字化的地上地下全部表型获取和解析；该根系性状无损测量装置包括根盒阵列、智能机器人、光学传感器、环境监控系统以及中央处理系统等部分；根盒阵列由主框架、根盒和滴灌系统三个模块组成，用于装载土壤供给植株生长并展露器官组织用于表型数据获取；根盒玻璃的一面安装了基于滑槽的可开关不透光窗帘，关闭时保证根系处于黑暗环境生长，开启时用于测量根系表型参数；根盒立柱上安装了LED光源用于根系测量的光照补充，并且采用合理的位置布置设计，用于最大程度削减玻璃镜面反光对测量结果造成的干扰，从而获得高精度测量结果；智能机器人同时搭载探测器，实现智能导航、自动定位和精确测量；光学传感器包括红外相机、高光谱相机、RGB可见光相机和扫描仪，用于提取植株器官表型参数；环境监测系统用于获取环境信息；中央处理系统用于完成系统的控制和图像处理的工作。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于智能机器人的水稻根系性状无损测量装置，其特征在于：针对根盒水稻不同器官表型的信息，实现植株全生育期高通量、全自动、数字化的地上地下全部表型获取和解析；该根系性状无损测量装置包括根盒阵列、智能机器人、光学传感器、环境监控系统以及中央处理系统等部分；根盒阵列由主框架、根盒和滴灌系统三个模块组成，用于装载土壤供给植株生长并展露器官组织用于表型数据获取；根盒玻璃的一面安装了基于滑槽的可开关不透光窗帘，关闭时保证根系处于黑暗环境生长，开启时用于测量根系表型参数；根盒立柱上安装了LED光源用于根系测量的光照补充，并且采用合理的位置布置设计，用于最大程度削减玻璃镜面反光对测量结果造成的干扰，从而获得高精度测量结果；智能机器人同时搭载探测器，实现智能导航、自动定位和精确测量；光学传感器包括红外相机、高光谱相机、RGB可见光相机和扫描仪，用于提取植株器官表型参数；环境监测系统用于获取环境信息；中央处理系统用于完成系统的控制和图像处理的工作。


2.根据权利要求1所述的基于智能机器人的水稻根系无损测量装置，其特征在于：所述主框架用于放置根盒，可根据需要确认根盒以及主框架的装配关系，包括根盒的排列间距和摆放位置。


3.根据权利要求1所述的基于智能机器人的水稻根系性状无损测量装置，其特征在于：所述根盒的侧面由3面不透明的不锈钢板和一面透明钢化玻璃面组成，钢化玻璃面向地面倾斜30度角，使植物根系能够更好的贴合钢化玻璃面生长。


4.根据权利要求1所述的基于智能机器人的水稻根系性状无损测量装置，其特征在于：根盒的透明钢化玻璃面外层还具有一层可开关不透光遮阳帘，不透光遮阳帘安装于玻璃面外侧，不透光遮阳帘采取不透光可折叠帆布材质，外框采用钣金结构拼接而成，且尺寸与透明玻璃面保持一致，与玻璃面齐平的边缘带有折弯边，从而使得遮阳帘在不打开状态下，完全避免了阳光照射进入水稻根系部分，水稻正常生长时遮阳帘关闭，避免水稻根系在光照下进行有氧呼吸产生青苔，使青苔依附于玻璃面上，从而影响水稻根系的成像质量；检测时则可...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶军立，许先志，徐泽东，谭力铭，黄成龙，
申请(专利权)人：武汉谷丰光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42