履带式小车田间信息自动采集装置与方法与流程

本发明为一种适用于旱田作物的履带小车装置，可以自动获取田间作物的数字化图像。该装置由履带式底盘、挂载支架、自动循迹导引单元、作物图像采集单元、太阳能供电、计算机系统等6个功能模块组成，利用磁导引传感技术引导小车沿农作物行自动行走，利用可见光相机全自动采集农作物的图像，利用太阳能电池板24小时为小车提供电能，利用图像处理技术提取农作物的表型信息的无损测量装置和方法。

背景技术：

改良作物的遗传特性，以培育高产优质品种的技术，是提高农作物生产率的一种方法。而在作物遗传改良方面的研究中经常需要大规模实验，需要在短时间内为大量植株测量性状(高度，叶片面积，植株形状，叶片卷曲程度等)。为了摆脱繁杂细微的人工直接测量(使用直尺，量角器测量高度与角度等)，需要各种高通量数字化测量技术。近年来国内外在数字化测量方面已经有了一定的尝试以及成熟的方案，包括车载平台、轨道龙门吊平台、无人机平台等，为作物遗传改良提供了很大便利。

目前是采用人工手持相机采集田间作物图像，需要2-4人协同工作，采集效率低耗时长，采集图像一致性差；轨道龙门吊平台也可以用于采集作物图像，但其成本昂贵、维修费用高，只能在固定的轨道上运行；无人机平台需要前沿的科学技术、研发耗时长，只能在作物上空数十米拍摄致使其采集图像精度低，还容易受天气影响因此。为此，本发明构建了一种履带式小车田间信息自动采集系统，它能够在田间按照设定路径行走并方便快捷无干预无损伤地采集农作物的生长图像。

技术实现要素：

本发明提供一种可用于旱田农作物图像获取，能够克服复杂地形、室外光照影响，能最大限度减少对作物的损伤又能够满足高通量大规模实验的成像装置。该装置一共由履带式底盘、挂载支架、自动循迹导引单元、作物图像采集单元、太阳能供电、计算机系统等6个功能模块组成。

1)履带式底盘：由于旱田田间地形复杂，地面常有很多坑洼、凸起，甚至泥土还没有完全干涸伴有湿土，考虑到这些问题，该装置配备的是履带式底盘，很好的克服了这些问题，并且履带式底盘和地面接触面积大，增加了小车在旱田里的稳定性。在底盘上左右两侧各安装有两个直流电机，每个电机功率为80w，总的负载能力在100-150kg。

2)挂载支架：支架底部通过螺栓固定在履带式底盘上，上端和中部焊接固定数码相机的型材，可将成像设备安装于此。支架顶端用来安装太阳能电池板，以便太阳能电池板接受更多的太阳光。此支架由不锈钢管铸造而成，因而重量达20kg，很好的保证了小车的整体平衡。

3)自动循迹导引单元：该单元包括自动循迹、地标识别两部分组成，分别用于实现小车在磁导引传感器的导引下完成小车沿预定铺设导引磁条的循迹运动和地标传感器感应磁带的磁性实现小车的自动启停和转向，小车循迹导引单元主要由欧姆龙plc、磁导引传感器、地标传感器、信号隔离器、直流电机调速器等元器件组成。

4)作物图像采集单元：当小车在作物行间自动行走时，挂载在支架上的俯视相机和侧视相机会同时采集作物的图像。数码相机通过型材和螺栓固定，通过调节相机位于竖直型材上的位置以达到相机调焦的目的。与常规工业相机相比，使用数码相机不仅可以降低成本，而且能获得分辨率更高的图像。

5)太阳能供电单元：小车整个系统正常运行需要12～24v的直流电供应，一般的32ma蓄电池只能正常供电3h，就需要充电。因此，在小车上安装功率为100w的太阳能电池板，在阳光充足情况下，一天可以发电0.5～0.8度电，可以供应小车正常应用3h。使用太阳能电池板，即可以节约电能又可以节约充电时间，环保无污染。

6)计算机系统：分别连接plc和相机。利用计算机可以编程、下载控制程序到下位机plc，也可以在labview8.6中编程履带式小车田间信息自动采集程序，并通过串口实现数码相机和plc的间接通讯功能。

综上所述，本发明所述的履带式小车田间信息自动采集装置与方法的技术点包括：

1)便捷、全自动

在小车行走轨迹上铺设好导航磁条，然后在计算机上履带式小车田间信息自动采集程序窗口点击运行按钮，即可以开启磁导航传感器、地标传感器、相机和调速控制系统，小车开始做循迹运动并向上位机发送采集作物指令，相机开始间断的采集作物图像，并传输至计算机系统进行处理和分析，获取作物的表型特征。

2)高效率、低成本

本发明实际成本在12000元以下，笔记本、数码相机还可以重复利用，实际成本预算还有下降的空间。当启动小车后，小车开始沿作物行以0.5m/s速度自动行走，每隔8s采集一次作物的俯视图和侧视图，所以一个小时可以采集400张图像，相对与传统的测量方法，极大的提高了采集效率，满足一天内需采集成百上千株作物的大批量实验需求。

3)通用性强、稳定性高

该履带式小车田间信息自动采集装置通过磁导引传感器感应磁带的磁场信号实现小车的自动导引功能。在田间使用时，磁条导引小车定位精度高、采用履带式结构使小车灵活性好、磁条的铺设工作简单因而容易对路径进行修改，磁导航器采用的是16位开关量输出和欧姆龙plc的通信稳定便捷，不容易受外界光照温度影响。

4)自给自足、节能环保

太阳能电池板是利用光电转换原理将太阳辐射光通过半导体转变为电能的一种器件，具有很高的光电转换效率、弱光型较强，只需要室外有阳光直接照射到的地方即可使用。通过在小车上安装太阳能电池板，解决了小车的日常供电问题，还可以将剩余电量储存在蓄电瓶中，以便于再次利用。太阳能电池板安装容易、维护费用低，工作温度在-30℃～95℃，可以在24h无人看护的环境下正常工作。

附图说明

图1是履带式小车田间信息自动采集装置的前视图

图2是履带式小车田间信息自动采集装置的后视图

图3是履带式小车田间信息自动采集装置的侧视图

图4是履带式小车田间信息自动采集装置的组装示意图

图5是履带式小车田间信息自动采集程序界面

图中，1-履带、2-底盘、3-计算机载物台、4-计算机系统、5-可移动相机支架、6-太阳能电池板、7-俯视相机、8-控制面板、9-挂载支架、10-控制箱、11-磁导航传感器、12-侧视相机、13-地标传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

图4是履带式小车田间信息自动采集装置的组装示意图，从图中可以看到数码相机和计算机系统都是可以拆卸的，因此在使用之前应提前安装好二者，具体操作步骤可分为以下几步：

(1)在作物行铺设磁条：分为直线铺设和弯道铺设，直线铺设用来小车做直线运动使用；弯道铺设用来小车分叉、转弯、掉头行驶使用。

(2)确定起始位置：铺设的轨道固定后，小车行驶之前需要回到初始位置，通过使用遥控器控制可将小车行驶到导航磁条正上方。

(3)启动按钮：按下启动按钮，小车开始自动调整底盘和磁条的空间位置，直至下方导航磁条刚好在底盘正中央，再按下停止按钮。

(4)启动计算机系统：将两个相机控制线、plc串口线分别接入计算机，启动履带式小车田间信息自动采集labview程序，选好相片和实验数据储存位置，点击labview程序框中运行按钮，小车开始循迹运动。

(5)循迹运动：磁导引传感器感应磁带的磁场信号以此引导小车前进。小车的循迹运动分为直线行驶、转弯掉头行驶、分叉路口行驶。当无地标传感器检测信号时，小车可以根据轨道自动做直线行驶和转弯掉头行驶；当地标传感器检测到s极信号时，小车在分叉路口自动选择右分叉路；当地标传感器检测到n极信号时，小车在分叉路口自动选择左分叉路。

(6)采集图像：根据小车行驶时间或者路程，数码相机开始采集农作物图像，并将采集到的图像上传至计算机系统。

(7)图像分析：计算机开始对采集的图像进行分析处理，提取特征参数并保存到excel文件中。

(8)停止运行：按下停止按钮，小车停止运行，同时数码相机停止采集图像。