田间作物表型监测机器人自走平台与监测方法技术

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；本发明专利技术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。伤的高效采集。伤的高效采集。

【技术实现步骤摘要】
田间作物表型监测机器人自走平台与监测方法


[0001]本专利技术属于农业机器人
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术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。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]本专利技术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，当判别为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩志国，李涛，崔灵恩，赵洪兵，刘昕哲，陈治乾，
申请(专利权)人：慧诺云谱海南科技有限公司，
类型：发明
国别省市：