专利名称：作物自动测高装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种农业气象观测领域的测量装置，具体是一种作物自动测高装置。
背景技术：
在农业气象观测领域，植株生长高度是衡量作物生长速度的标志之一。目前，在作物整个生长期间，对作物进行高度的测量都采用的是人工方式。这种方式不仅操作繁琐，给观测人员增加沉重的负担，而且测量结果还会引入人为的误差。专利文献200810059040. 8公开了一种农作物植株高度的检测方法，利用光电扫描系统连续扫描农作物，采用自上而下地扫描光接收器的状态，从而提取当前位置植株的边缘高度数据。该方法较适用于农作物机械化作业，例如，摘顶等，因为它需要依附于运动装置，因此该方法不适合于对作物生长高度进行长时间自动观测，同时该专利所使用的传感器较多，成本较高。另外，2004年7月在期刊《农机化研究》上发表的文章“作物高度自动测量装置的研制”中也介绍了一种使用非接触式测量方法-超声测距法对作物高度进行测量的装置。 该测量装置将超声波测距传感器安置在作物上方，通过垂直向下发射超声波获取作物冠层与传感器之间的距离，来推算作物的高度。因此该装置仅适用于对传感器正下方的作物进行高度测量，而且由于超声波测距传感器本身存在一些缺点，比如，反射问题、噪音、交叉问题等，会对作物冠层顶端的确定带入较大的误差，进而影响高度测量的结果。
发明内容
针对以上现有技术的不足与缺陷，本发明设计了一种作物自动测高装置，利用微处理器控制伺服电机转动，使其带动传感器对作物进行自动扫描，完成作物冠层顶端确定和高度测量的工作。本发明在能够保证硬件成本不高的同时能准确地确定作物冠层顶端， 完成作物高度的自动测量。本发明是通过以下技术方案实现的一种作物自动测高装置，包括五个部分基座部分、传动部分、感知部分、控制部分、显示部分。其中，基座部分包括底座、支柱、索轨，支柱固定在底座上，支柱垂直内侧设有凹槽，索轨设置固定在凹槽内。传动部分包括滑动支架、绕线、定滑轮、伺服电机；滑动支架套在索轨上，并且可以沿着索轨上下滑动，定滑轮固定在支柱的顶端，360度连续旋转伺服电机(第一伺服电机) 固定在支柱底部的底座上。滑动组件上端与绕线一端相连，绕线另一端通过定滑轮与另一侧的360度连续旋转伺服电机相连。360度连续旋转伺服电机转动可带动滑动组件垂直上下移动。所述滑动支架，由面板、挡块与滚轮焊接而成，面板主要用来固定180度旋转伺服电机(第二伺服电机)和红外、超声波测距传感器，挡块主要用于使滑动支架能够套在索轨上，滚轮能使滑动支架贴着支柱上下滚动。感知部分包括红外测距传感器与超声波测距传感器；支柱顶端和底端分别固定有方向朝下和朝上的红外测距传感器。其中红外测距传感器与180度旋转伺服电机的转轴相连，其射线发射方向为水平方向，超声波测距传感器声波发射方向为垂直向下。所述固定在支柱顶端和底端的两个红外测距传感器，用来获取滑动支架当前是否到达支柱顶端和底端的信息，供微处理器自动判断时使用。控制部分为微处理器；所述微处理器，包括数据输入模块、数据处理模块、数据输出模块。具体功能说明如下a.数据输入模块用于接收微处理器获得的红外测距传感器与超声波测距传感器数据；b.数据处理模块是根据所接收的数据自动判断是否找到作物顶点或者是否达到支柱最高与最低点，如果找到作物顶端，则使伺服电机停止转动，并且保存当前传感器数据，计算高度值，将该高度值输出给数据输出模块。如果没有找到作物顶点，则使伺服电机继续转动；c.数据输出模块用于显示所获取得各传感器数据，其中包括最终测量的高度值。显示部分为IXD显示器。IXD显示器与微处理器分别被固定在支柱侧面与底座上。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果1，本发明采用红外测距传感器确定作物冠层顶端，相比超声波测距传感器更加准确，而且结合伺服电机运动扫描的方式完成测距，相比使用传感器阵列来说，大大降低了设备的成本；2，本发明除了能够对单株作物的高度进行测量以外，还可以对测量装置前方固定区域内的作物整体高度进行测量，因此适用范围更广；3，本发明能够自动完成作物高度的测量，不需要人工干预，因此减轻了农气观测人员的负担，省时省力；4，本发明适合长时间定点观测，与人工观测数据相比，本发明获取的作物高度数据更加的准确完全，能更好地为农作物生长状况观测服务。
图1是本发明的结构侧视图。图2是本发明的结构前视图。图3是本发明的结构下视图。图4是本发明中滑动支架的结构下视图。图5是本发明中滑动支架的结构侧视图。图6是本发明中滑动支架的结构后视图。图7是本发明中微处理器结构框图。图8是本发明的作物高度测量示意图。图9是本发明中微处理器处理流程图。图1、2、3中11底座，12支柱，13索轨，21滑动支架，22绕线，23定滑轮，24180度旋转伺服电机，25360度连续旋转伺服电机，31红外测距传感器，32红外测距传感器，33红外测距传感器，34超声波测距传感器，41微处理器，51IXD显示器。图4、5、6中211面板，212挡块，213滚轮。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1、2、3所示，本发明的作物自动测高装置包括基座部分、传动部分、感知部分、控制部分和显示部分。所述基座部分为基本支撑结构，所述传动部分、感知部分、控制部分和显示部分设置在该基座部分1上。所述控制部分通过发出指令控制传动部分运动，带动感知部分对作物进行扫描测量，获得测量数据并返回给所述控制部分4，所述控制部分对返回的测量数据进行自动计算，将计算处理结果输出给显示部分5显示。所述的基座部分包括底座11、支柱12和索轨13，所述支柱12铅直固定在底座11 上，该支柱12 —外侧面上设有轴向上的凹槽，索轨13置于该凹槽内，形成可沿支柱12上下移动的轨道。所述传动部分包括滑动支架21、绕线22、定滑轮23、伺服电机M和25。滑动支架 21套在索轨13上，可以沿着索轨13在支柱12上上下滑动。定滑轮23固定在支柱12的顶端，伺服电机25固定在靠近支柱12底部的底座11上。绕线22绕在定滑轮23上，滑动支架21上端与绕线22 —端相连，绕线22另一端绕过定滑轮23后与所述伺服电机25相连， 伺服电机25转动可带动滑动支架21沿支柱12上的索轨13垂直上下移动。所述伺服电机 24固定在滑动支架21，随滑动支架21 —起运动。伺服电机M为180度旋转伺服电机，优选型号为TowerPro SG5010的辉盛伺服电机。伺服电机25为360度连续旋转伺服电机，优选型号为TowerPro MG945的辉盛伺服电机；如图4、5、6所示，所述滑动支架21由面板211、挡块212与滚轮213焊接而成；也可以通过其他方式连接，如螺纹连接、铆接或粘接等。所述滚轮213可以有多对，均连接在面板211上，挡块212设置在滚轮对的两滚轮之间，索轨13套在挡块213和面板211之间的空隙处，在伺服电机25的带动下，通过该空隙套在索轨13上的滑动支架21通过滚轮213 在支柱12上上下运动。感知部分3包括红外测距传感器31、32、33与超声波测距传感器34 ；红外测距传感器31和33分别固定在支柱12的顶端和底端，方向分别朝下和朝上，用来获取滑动支架 21与支柱12顶端和底端的距离信息，供所述控制部分自动判断时使用。所述红外测距传感器32与伺服电机M的转轴相连，其射线发射方向为水平方向，用来测量前方待测作物离传感器32之间的距离；超声波测距传感器34设置在滑动支架21上，其声波发射方向为垂直向下，用以获得传感器；34与底座11之间的距离。伺服电机M、红外测距传感器32和超声波测距传感器34固定在所述面板211上。本实施例中，红外测距传感器31和33优选夏普红外测距传感器(型号GP2D12)； 红外测距传感器32优选夏普红外测距传感器(型号GP2Y0A02TO)F)；超声波测距传感器 34优选美国Parallax超声波测距传感器(型号=RB URF vl. 1)。
所述控制部分4包括数据输入模块、数据处理模块、数据输出模块。如图7所示， 具体功能说明如下数据输入模块用于接收红外测距传感器31、32、33与超声波测距传感器34的数据，并同时将接收的数据传输给所述输出模块；数据处理模块根据所接收的传感器数据判断出作物顶端，同时判断是否达到支柱 12的最高与最低点，如果找到作物顶端，则使伺服电机停止转动，并且保存当前传感器数据，计算高度值，并将该高度值输出给数据输出模块；如果没有找到作物顶端，则使伺服电机继续转动；如果达到支柱最高点，表示作物顶端高度超过测量范围，此时使第一伺服电机M 停止转动，使第二伺服电机25转动带动滑动支架21下降到起始位置，不进行测量；如果达到支柱12最低点，则使第二伺服电机25停止转动，测量结束。数据输出模块用于将各传感器数据以及所述计算的高度值输出到所述显示部分， 或者远程传输到其他处理设备。所述控制部分4优选为微处理器41，如Arduino互动控制器(型号=Duemilanove 2009ATmega328P-PU)。所述显示部分5为显示器51，用于显示传感器测量的数据，以及通过控制部分计算得到的作物高度值。显示器51优选为Arduino IXD1602字符液晶扩展板v2. O。IXD显示器51与微处理器41分别被固定在支柱12侧面与底座11上。如图8所示，本发明的工作原理如下a.首先将本发明装置置于待测量作物前方，装置与作物之间水平距离根据红外测距传感器32的测量有效范围L来确定，距离小于L即可；b.微处理器41发出指令控制360度连续旋转伺服电机25转动，使滑动组件由下往上垂直移动一个单位高度，再控制滑动组件中的180度旋转伺服电机M带动红外测距传感器32水平左右来回摆动一次，摆动同时获取前方障碍物与红外测距传感器32的距离采样数据集；c.将红外测距传感器32获取的水平采样距离数据集和超声波测距传感器34获取的距离数据输入到微处理器41，微处理器41自动判断是否找到作物顶端；d.如果找到作物顶端，则停止180度旋转伺服电机M和360度连续旋转伺服电机25转动，并且根据公式H = h1+h2+h3求出作物高度值，并且将高度值输出到IXD显示器 51中显示。其中，H为作物高度，Ii1为超声波测距传感器34与红外测据传感器32之间的高度，h2为超声波测据传感器34与底座11之间的距离值，h3为底座11的厚度。e.如果没有找到作物顶端，则微处理器41继续发出指令控制滑动组件向上移动一个单位高度，如此循环，直到找到作物顶端为止。f.如果达到支柱最高点，还没有找到作物顶端，则说明作物高度超过测量范围，此时停止180度旋转伺服电机M转动，发出指令控制360度连续旋转伺服电机25转动使滑动组件下降回到初始位置，结束测量。如图9所示，本发明中微处理器41的处理流程如下a.开始时微处理器发出指令控制360度连续旋转伺服电机25转动使滑动组件上升一个单位高度；
b.获取红外测距传感器31的距离值；c.判断距离值是否小于阈值，该阈值为滑动组件离支柱12顶端的最小值；d.如果距离小于阈值则使伺服电机停止25转动，并转到步骤k ；e.如果距离大于阈值，则转到步骤f ；f.控制180度旋转伺服电机M带动红外测据传感器32左右摆动一个来回，与此同时获取该传感器的距离数据集；g.判断该数据集中的数据是否都大于红外测距传感器32的有效测距范围L ；h.如果不是则转到步骤a ；i.如果数据集的值都大于红外测距传感器32的有效测距范围L，则表示已找到作物顶端，此时计算高度值并且使伺服电机25停止转动；j.将高度值在IXD显示器51中显示；k.控制360度连续旋转伺服电机25带动滑动组件下降，同时检测红外测距传感器 33的距离值；1.判断距离值是否小于阈值，该阈值为滑动组件初始位置与红外测距传感器33 之间的距离值；m.如果大于阈值则转到步骤k ；η.如果小于阈值则使360度连续旋转伺服电机25停止转动，处理流程结束。
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权利要求
1.一种作物自动测高装置，用于作物高度的自动测量，该装置包括基座、传动部分、感知部分、控制部分和显示部分，所述传动部分、感知部分、控制部分和显示部分设置在该基座上，所述控制部分发出指令控制所述传动部分动作，带动感知部分对作物进行扫描测量， 进而获得测量数据并返回给所述控制部分，该控制部分对返回的测量数据进行计算处理， 获得作物高度，并输出到显示部分进行显示。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基座包括底座(11)、支柱(12)和索轨 (13)，该支柱(12)铅直地立在底座(11)上，该支柱(12)外侧面上设有轴向凹槽，所述索轨 (13)设置在该凹槽内，该凹槽和索轨(13) —起构成能用于沿支柱(12)上下移动的通道。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述传动部分包括滑动支架(21)、绕线 (22)、定滑轮(23)和第一伺服电机(25)，该滑动支架(21)套在所述索轨(13)上，可沿着该索轨(13)在所述通道内上下滑动，所述定滑轮(23)固定在所述支柱(12)的顶端，所述第一伺服电机(25 )固定在所述底座(11)上，所述绕线(22 )绕在所述定滑轮(23 )上，该绕线 (22) —端与所述滑动支架(21)相连，另一端绕过定滑轮(23)后与所述第一伺服电机(25) 连接，该第一伺服电机(25 )工作时通过该绕线(22 )带动所述滑动支架(21)沿支柱(12 )上下移动。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述滑动支架(21)包括面板(211)、挡块 (212)与滚轮(213)，所述滚轮(213)至少为一对，设置在面板(211)上，所述挡块(212)设置在滚轮对的两滚轮(213)之间，所述索轨(13)穿过该挡块(213)和面板(211)之间的空隙后固定在所述滑动支架(21)上，在伺服电机(25)的带动下，带动所述滑动支架(21)通过滚轮(213 )在所述通道内的滚动实现上下移动。
5.根据权利要求2-4之一所述的装置，其特征在于，所述感知部分包括三个红外测距传感器(31，32，33)和一个超声波测距传感器(34)，它们均设置在所述滑动支架(21)上，其中两个红外测距传感器(31，33)分别固定在支柱(12)的顶端和底端，分别用于获取滑动支架(21)与支柱(12)顶端和底端的距离，另一个红外测距传感器(32)与第二伺服电机(24) 的转轴相连，用于测量前方待测作物与所述红外测距传感器(32)之间的距离；所述超声波测距传感器(34)设置在滑动支架(21)上，用以测量该超声波测距传感器(34)与底座(11) 之间的距离。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制部分包括数据输入模块，用于接收所述三个红外测距传感器(31，32，33 )和所述超声波测距传感器(34)的数据，并同时将接收的数据传输给所述输出模块；数据处理模块，其根据所接收的传感器数据判断出作物顶端，使第一伺服电机(25)停止转动，并且保存当前传感器数据，计算出高度值，并将该高度值输出给数据输出模块；数据输出模块，用于将各传感器数据以及所述计算的高度值输出到所述显示部分，或者传输到远程的处理设备。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述高度值通过如下公式计算得到H= h1+h2+h3其中，H为作物高度，Ill为超声波测距传感器(34)与所述另一个红外测据传感器(32) 之间的高度，Ii2为所述超声波测据传感器(34)的测量值，Ii3为设置在地面的底座(11)的厚度。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块根据所述另一个红外测据传感器(32)的测量值判断是否到达作物顶端。
9.根据权利要求6-8之一所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块能够根据所述两个红外测距传感器(31，33)所接收的数据判断滑动支架(21)是否达到支柱(12)的最高点或最低点。
全文摘要
本发明公开了一种作物自动测高装置，用于作物高度的自动测量，该装置包括基座、传动部分、感知部分、控制部分和显示部分，所述传动部分、感知部分、控制部分和显示部分设置在该基座上，所述控制部分发出指令控制所述传动部分动作，带动感知部分对作物进行扫描测量，进而获得测量数据并返回给所述控制部分，该控制部分对返回的测量数据进行计算处理，获得作物高度，并输出到显示部分进行显示。本发明在能够保证硬件成本不高的同时能准确地确定作物冠层顶端，完成作物高度的自动测量。
文档编号G01B17/00GK102175156SQ201110020638
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月18日 优先权日2011年1月18日
发明者余正泓, 张雪芬, 曹治国, 朱磊, 李翠娜, 薛红喜, 鄢睿丞 申请人:华中科技大学