一种旋转式生物量测量装置的制作方法

本实用新型涉及作物生物量测定技术领域，尤其是涉及一种旋转式生物量测量装置。

背景技术：

农田作物的生长过程中，株高、叶面积指数、覆盖度、生物量等农艺性状是反应植物生长状况的指标，作物生物量是农艺性状检测的重要指标。一般情况下，生物量越大，作物生长环境越适宜，常用来评估作物的生长状态、产量和产值，同时对于作物育种和种质资源的筛选具有重要意义。

传统生物量的测量多以人工破坏性取样测量为主，采用收割法将测量范围内作物和植被移除称重，这种一次性的取样方式虽然测量准确，但测量周期长，具有破坏性，且无法实现相同样本不同生育期的动态连续测量。非破坏性无损测量已成为作物生物量测量的趋势，主要依据作物的生物力学和图像特性进行作物生物量的测量。农作物的生物量与其种植密度、生长时期、株高、茎粗和茎秆强度等农艺形状相关，可通过测量作物在旋转力作用下的形变进行作物生物量的测量。

申请号为20101020584.7的中国专利文件中公布了基于力矩的生物量活体检测设备及方法的实用新型专利，用于活体生物量测量。该实用新型专利采用导轨式结构，通过扭力传感器测量装置与支杆，将触杆固定于导轨上。触杆在导轨运动，使作物茎秆受力，将作物茎秆的产生的回弹力作用于触杆，通过扭矩传感器测量回弹力的大小，并建立力矩与作物生物量的之间的数学模型。该测量装置测量过程中需要至少两人协助才能实现导轨的搬运，触杆高度的调节采用手动方式，测量作物不同高度生物量调节复杂。

申请号为201210078528.1的实用新型专利申请，将压力传感器置于水平推杆与竖直连接杆直接，将两根悬挂背带分别系在脖颈和腰间，通过采集作物回弹力电压信号对生物量进行测量。该装置操作过程中需要人的参与，且水平推杆的速度不可控，生物量活体测量过程消耗人力。

申请号为201410626908.3的实用新型专利申请公开了一种基于机器视觉与生物量荷重探测方法结合的生物量测量装置，该实用新型主要适用于设施作物的个体生物量检测，无法进行田间作物生物量的检测。

上述现有的田间作物生物量检测装置和方法，多数需要人的直接协助或参与方能完成，测量高度需要人工调节，费事费力，不能满足现代农业精确测量的需要。

技术实现要素：

本实用新型提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的旋转式生物量测量装置，该装置可对不同高度下作物的生物量信息匀速测量，提高测量的精准性，实现作物生物量的准确动态测量。

根据本实用新型的一个方面，提供一种旋转式生物量测量装置，该装置包括支撑架、旋转臂和控制机构，所述支撑架的下端固定在地面上，所述旋转臂设置在所述支撑架的上方，所述控制机构设置在所述支撑架内部且驱动所述旋转臂作上下及旋转运动，所述旋转臂上设有用于测量其离地高度的测距模块。

优选地，所述控制机构包括丝杆、电机、伺服电机、扭矩传感器和微控制器，所述伺服电机驱动所述旋转臂旋转，所述扭矩传感器与所述旋转臂连接，所述伺服电机设置在所述丝杆上端，所述电机驱动所述丝杆转动，并带动所述丝杆上的所述伺服电机和旋转臂上下运动。通过所述电机和丝杆运动可调整所述旋转臂的离地高度，通过所述伺服电机可调整所述旋转臂的旋转速度。

优选地，所述微控制器包括无线收发模块，所述微控制器发送控制信号以控制所述电机和伺服电机的转速，用于分别调节丝杆的垂直位移和旋转臂的转速，并接收远程控制器发送的所述旋转臂转速和高度的参数信息；所述扭矩传感器的测量数据通过所述微控制器的无线收发模块发送至远程控制器，并通过显示器显示。所述无线收发模块设有一对，一个直接与所述微控芯片相连，另一个与远程控制器相连，实现远程控制器与微控芯片的通信。

优选地，所述伺服电机控制所述旋转臂匀速转动，可避免由于所述旋转臂转速不均匀而产生的扭矩变化，进而影响生物量信息测量的准确性。

优选地，所述扭矩传感器固定于所述伺服电机的上端，所述扭矩传感器上端与旋转臂相连，用于获取作物的回弹特性数据，并将获得的数据发送至微控制器，以无线方式发送至远程控制器。所述旋转臂作匀速转动时，迫使作物受力变形，其变形产生的回弹力通过扭力传感器测量，作物对旋转臂的回弹力信息换算成作物生物量信息，并以无线方式发送至远程控制器并显示。

优选地，所述测距模块包括激光测距传感器，并固定在所述旋转臂的下侧，通过测量旋转臂距离地面的高度，可获取不同高度处扭矩大小与作物生物量的关系，从而对不同生长阶段的生物量信息进行量化。

优选地，所述支撑架内部设有电池模块。所述电池模块为整个测量装置提供所需的动力和电力能量，同时增加支撑架的重量，增大与地面的摩擦力，增强该装置整体的稳定性。

优选地，所述支撑架的底端设有插入地面内的支撑脚，所述支撑脚呈三角状，可直接插入测量田间土地，防止在旋转式生物量测量装置的使用过程中，所述支撑架发生圆周转动。

优选地，所述旋转臂设有多个，且均水平地设置在所述扭矩传感器的上端。

优选地，所述电池模块包括太阳能供电电池，通过太阳能对所述电池模块进行充电，可延长旋转式生物量测量装置的使用寿命。

基于上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型提出的生物量测量装置，无需操作人员直接参与，避免测量过程中因人的主观因素对测量结果的影响，同时可解放劳动力；以无线方式将需要的转速与测量高度参数发送至微控制器，通过丝杆电机和伺服电机调节旋转臂测量高度和转速，可测定不同高度、不同转速下作物扭矩变化与生物量的关系，适合不同高度作物生物量的检测；同时本实用新型长期放置于田间作物生长环境中，实现不同生长时期作物生物量信息连续动态测量，提高生物量测量的精准性。

附图说明

图1为本实用新型实施例的生物量测量装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的生物量测量装置的丝杆提升后的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的旋转式生物量测量装置的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在根据本申请的一个实施例中，参考图1，提供一种旋转式生物量测量装置，该装置包括支撑架2、旋转臂1和控制机构，所述支撑架2 的下端固定在地面上，所述旋转臂1设置在所述支撑架2的上方，所述支撑架2呈内部中空的圆柱体型，所述控制机构设置在所述支撑架2 内部且驱动所述旋转臂1作上下及旋转运动，所述旋转臂1上设有用于测量其离地高度的测距模块9。

所述控制机构包括丝杆5、电机7、伺服电机4、扭矩传感器3和微控制器6，所述伺服电机4驱动所述旋转臂1旋转，所述扭矩传感器 3与所述旋转臂1连接，所述伺服电机4设置在所述丝杆5上端，所述电机7驱动所述丝杆5转动，并带动所述丝杆5上的所述伺服电机4 和旋转臂1上下运动。通过所述电机7和丝杆5运动可调整所述旋转臂1的离地高度，通过所述伺服电机4可调整所述旋转臂1的旋转速度。

所述微控制器6包括无线收发模块，所述微控制器6发送控制信号至所述电机7和伺服电机4以调节转速，用于分别调节丝杆5的垂直位移和旋转臂1的转速，并接收远程控制器发送的所述旋转臂1转速和高度的参数信息；所述扭矩传感器3的测量数据通过所述微控制器6 的无线收发模块发送至远程控制器并显示，并通过显示器显示。所述无线收发模块设有一对，一个直接与所述微控芯片相连，另一个与远程控制器相连，实现远程控制器与微控芯片的通信。

所述伺服电机4控制所述旋转臂1匀速转动，可避免由于所述旋转臂1转速不均匀而产生的扭矩变化，进而影响生物量信息测量的准确性。

所述扭矩传感器3固定于所述伺服电机4的上端，所述扭矩传感器3上端与旋转臂1相连，用于获取作物的回弹特性数据，并将获得的数据发送至微控制器6，以无线方式发送至远程控制器。所述旋转臂1 作匀速转动时，迫使作物受力变形，其变形产生的回弹力通过扭力传感器测量。

所述测距模块9包括激光测距传感器，并固定在所述旋转臂1的下侧，通过测量旋转臂1距离地面的高度，可获取不同高度处扭矩大小与作物生物量的关系，从而对不同生长阶段的生物量信息进行量化。

所述支撑架2内部设有电池模块8。所述电池模块8为整个测量装置提供所需的动力和电力能量，同时增加支撑架2的重量，增大与地面的摩擦力，增强该装置整体的稳定性。

所述支撑架2的底端设有插入地面内的支撑脚10，所述支撑脚10 呈三角状，可直接插入测量田间土地，防止在旋转式生物量测量装置的使用过程中，所述支撑架2发生圆周转动。

所述旋转臂1设有多个，且均水平地设置在所述扭矩传感器3的上端。

所述电池模块8包括太阳能供电电池，通过太阳能对所述电池模块 8进行充电，可延长旋转式生物量测量装置的使用寿命。

图2为本实用新型实施例的生物量测量装置的丝杆提升后的结构示意图；图3为本实用新型实施例的旋转式生物量测量装置的原理图。

该旋转式生物量测量装置使用过程：

将支撑架2插入种植作物的地面，同时将底部的支撑脚10插入地面。通过远程控制器将设定的测量高度和转速信息通过无线收发模块发送至微控制器6，微控制器6接收到指令后，通过激光测距模块9 测量旋转臂1距离地面的高度，并发送指令信号至电机7，通过电机7 和丝杆5的转动将电机4、扭矩传感器3和旋转臂1提升或下降，调整到设定的测量高度。之后微控制器6将转速指令发送至伺服电机4，伺服电机4带动旋转臂1匀速转动，旋转臂1匀速转动作用于作物茎秆后产生的回弹力信号通过扭矩传感器3传送至微控制器6，微控制器6 将获取的扭矩信号通过无线传感器模块发送至远程控制器。

在本实用新型的实施例中，旋转式生物量测量装置可长期固定于作物种植田间，用于获取不同生育期，不同生长高度下作物生物量信息。

上述旋转式生物量测量装置的测量方法包括：步骤1，将所述旋转式生物量测量装置放入田间；步骤2，通过远程控制器发送控制指令，以设置测量高度与电机转速；步骤3，通过扭矩传感器获取旋转臂作用于作物时的扭力参数信息；步骤4，根据建立的扭力与作物生物量的数学模型，通过获取的扭力参数来测得作物的生物量信息，并通过所述远程控制器显示。

所述步骤4进一步包括：

步骤41，选择多种有代表性的作物样品，包括不同地块、不同品种和不同生育期的多种作物样品；

步骤42，将所述生物量测量装置放入田间监测点，设置测量高度与电机转速，通过扭矩传感器获取旋转臂作用于作物茎秆时的扭力参数信息；

步骤43，测量完成后，贴地面割下测量区域内的作物样本，采用称重装置对作物鲜重进行准确测量，获得该样本的生物量值；

步骤44，根据获取的扭力参数与作物鲜重数据，基于线性回归等分析方法建立扭力参数与作物生物量的数学模型；

步骤45，对作物品种、测量高度、生育期和土壤紧实度等参数信息进行融合分析，对所述数学模型进行校正；

步骤46，将校正后的所述数学模型储存至微控制器，所述微控制器将获取的扭力参数直接转换为作物生物量信息，并发送至远程控制器显示。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。