一种用于测量作物抗倒伏性的装置及方法与流程

本发明涉及农作物性能测试技术领域，更具体地，涉及一种用于测量作物抗倒伏性的装置及方法。

背景技术：

作物抗倒伏性是育种行业进行优良品种筛选的一项重要指标，一般情况下，抗倒伏性越好，作物产量越高，说明品种越好，因此作物抗倒伏性测量对于作物育种和种质资源的筛选具有重要意义。近年来，出现了一些作物性能测试装置及方法，能够对作物的性能进行测试。

如申请号为201610133636.2的中国发明专利文件中公布了一种评价玉米茎秆抗倒伏能力的方法，对茎秆穗位以下节间的茎皮穿刺强度进行测定，对穗位节以上节间的倾斜角度进行测定，结合茎皮穿硬度和柔韧性两方面对茎秆抗倒伏能力进行客观的综合评价。

申请号为201610104074.9的中国发明专利文件中公布了一种玉米抗倒伏性鉴定的微观测试方法。该发明从成熟后每组合的第2行从第3株开始连续取3株茎秆，量取各节间长度和节间直径，用塑料薄膜包裹好保鲜样品，以备测茎秆硬度；确定了取样的时间和茎秆部位，测试茎杆穿刺和折断力的茎秆强度测定仪的机装内径长度和穿刺用针进行了改造，以适应于对玉米茎杆的性能测量。

申请号为201410392267.X的中国发明专利文件中公布了一种基于应力应变传感器的茎秆抗倒伏性测试系统发明专利。该发明采用风场模拟装置模拟不同强度自然风吹动作物，通过应力应变传感器测量被测作物的应力应变参数，并将温度湿度传感器设置在所述被测作物所在的土壤上，用于测量所述土壤的温度和湿度。处理器接收传感器采集的数据，并对数据进行处理，获得作物茎秆抗倒伏性情况。

申请号为201010237712.7的中国专利公布了一种手持式作物抗倒伏强度测量装置。应用悬臂梁传感器，与夹持单元固定，实时测量由夹持单元传递的对待测茎秆施加的推力的值，并将该值转化为电信号发送，再通过倾角传感器实时测量壳体相对于水平面的倾斜角度值并转化为电信号发送，得到作物的抗倒伏性参数。

上述现有的田间作物抗倒伏性检测装置和方法，能够对作物的抗倒伏性能进行较有效的测量，但需要损伤植株本身，不能实现无损测量；或者需要人的直接参与方能完成，易受测量人员主观影响，测量一致性差，不能满足现代农业大规模作业生产的需求。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的能够用于无损检测、并且能够测量不同高度、不同生长期的作物抗倒伏性的装置及方法。

根据本发明的一个方面，提供一种用于测量作物抗倒伏性的装置，其包括支撑架，所述支撑架的上端设有由电机驱动的沿竖直方向升降的丝杆，所述丝杆的上端旋接连接有扭矩传感器、由伺服电机驱动在水平方向作旋转运动的旋转机械臂。

该测量装置通过旋转的旋转机械臂在旋转过程中与作物接触而产生的作用力的大小，分析作物特定高度位置的抗倒伏性能，不会对作物造成损伤，也不会影响作物的正常生长。

同时，通过丝杆调节旋转机械臂的高度，使测量装置能够测量不同高度的作物的抗倒伏性能。丝杆调节旋转机械臂高度的调节方式简单，使测量装置能够对同一株/批作物不同高度位置或不同生长期的抗倒伏性能进行准确的测量，进而更准确分析作物的抗倒伏性能。

根据本发明的一个方面，提供一种用于测量作物抗倒伏性的方法，其包括如下步骤：

S1、将测量作物抗倒伏性的装置固定在待测作物的旁边；

S2、调整旋转机械臂距离地面的高度，激光测距传感器获取高度数据信息并向微控制器输出该高度数据信息；

S3、伺服电机带动旋转机械臂匀速旋转；

S4、扭矩传感器将旋转机械臂旋转过程中与作物的作用力数据输出至微控制器。

该测量方法测量过程简单，不会对作物造成损伤，不会影响作物的正常生长。测量现场无需人工操作，测量过程全自动进行，提高了检测效率。此外，测量过程中，旋转机械臂由伺服电机驱动匀速旋转，有效的提高了测量的准确度，避免人工操作或变速过程对测量造成的不良影响。

本申请提出的一种用于测量作物抗倒伏性的装置及方法，其有益效果主要如下：

(1)用于与作物接触的发生作用的旋转机械臂既能够匀速旋转，又能够实现竖直方向上的升降，实现作物不同高度、不同生长期的抗倒伏性测量，有效的提高了测量范围和测量准确性；

(2)通过扭矩传感器获取旋转机械臂与作物接触产生的作用力信息，分析作物抗倒伏性能，不会对作物造成损伤，不会影响作物正常生长；

(3)由激光测距传感器精确测量旋转机械臂与地面的距离，从而准确获取作物特定高度的抗倒伏性能；

(4)丝杆上方至少设置一条旋转机械臂，提高测量的效率；

(5)设置微控制器，实现测量过程的自动化运行；

(6)远程控制系统的设置，实现测量数据的远程、实时传输，抗倒伏性能测量方法简单，控制方式简便。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种用于测量作物抗倒伏性的装置的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的一种用于测量作物抗倒伏性的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明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发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1所示，一种用于测量作物抗倒伏性的装置，包括支撑架2，支撑架2的上端设有丝杆5，丝杆5由电机7驱动在竖直方向上升降。低杆5的上端连接有旋转机械臂1，旋转机械臂1沿水平方向设置，并且，由伺服电机4驱动能够相对于丝杆5在水平方向旋转。

由于丝杆5和伺服电机4的设置，使旋转机械臂1能够在竖直方向上升降而调整高度位置，也能够在水平方向上作旋转运动。由于旋转机械臂1能够调节不同的高度位置，使旋转机械臂1能够测量同一株/批作物不同高度位置的抗倒伏性，也能够用于测量不同高度的作物或不同生长期的作物的抗倒伏性，极大的扩展了测量范围，增强了适用性。

旋转机械臂1连接有扭矩传感器3。当测量作物的抗倒伏性时，伺服电机4驱动旋转机械臂1在水平方向旋转，旋转过程中，旋转机械臂1与待测作物接触并产生作用力，扭矩传感器3感应到旋转机械臂1旋转过程中与作物之间发生的作用力，并将该作用力数据输出，以用于后期的数据分析，从而分析作物的抗倒伏性能。

通过旋转机械臂1旋转过程中与作物之间的作用力分析作物的抗倒伏性能，测量过程中，不会对作物造成损伤，不会影响作物的正常生长，实现作物抗倒伏性能的无损检测。

丝杆5下端的外侧与支撑架2上端的内侧设有相匹配的螺纹配合结构，丝杆5上端旋接一竖杆11，竖杆11的上端旋接旋转机械臂1。

支撑架2具有中空结构，丝杆5的下端伸入到支撑架2的内部，驱动丝杆5在竖直方向升降的电机7安装于支撑架2的内部。

电机7驱动丝杆5旋转，丝杆5通过螺纹配合结构相对于支撑架2在竖直方向上作直线运动，从而带动连接于丝杆5上端的旋转机械臂1在竖直方向上升降而改变距离地面的高度，测量不同高度、不同生长期的作物抗倒伏性能。

扭矩传感器3设置在竖杆11的上端，并且靠近旋转机械臂1。当丝杆5在竖直方向上升降时，扭矩传感器3随旋转机械臂1一起在竖直方向上升降而不会发生相对位移，保证扭矩传感器3的正常、稳定运作。

伺服电机4安装于竖杆11上，伺服电机4设置于扭矩传感器3的下方。

在旋转机械臂1上设置有激光测距传感器9，激光测距传感器9安装于旋转机械臂1的下端面上。激光测距传感器9检测旋转机械臂1与地面的距离，当测量一定高度的作物的抗倒伏性能时，激光测距传感器9记录该高度数据并输出，以用于分析该作物在特定高度位置的抗倒伏性能。

微控制器6设置于支撑架2的中空结构内部。微控制器6分别与扭矩传感器3和激光测距传感器9相连，以接收并处理扭矩传感器3和激光测距传感器9输出的信息；微控制器6分别与伺服电机4和电机7相连，以控制测量高度和旋转机械臂1转速的调节。

微控制器6控制电机7运转，电机7驱动丝杆5在竖直方向上作升降运动，从而带动丝杆5上方的旋转机械臂1调整高度位置，测量不同高度位置的作物的抗倒伏性能；微控制器6控制伺服电机4运转，伺服电机4驱动旋转机械臂1在水平方向旋转，通过旋转过程中与作物之间产生的作用力，测量作物的抗倒伏性能。

丝杆5带动旋转机械臂1调整至合适的高度进行测量时，设置在旋转机械臂1上的激光测距传感器9获取旋转机械臂1与地面的距离，从而得到待测作物的特定高度位置数据，并将该高度数据输出至微控制器6，以用于分析作物抗倒伏性能。

伺服电机4带动旋转机械臂1在水平方向上作旋转运动，旋转机械臂1在旋转过程中与作物接触而发生作用力，与旋转机械臂1连接的扭矩传感器3感应到该作用力，并将该作用力数据输出至微控制器6，用于分析作物抗倒伏性能。

在一个具体的实施例中，微控制器6通过无线通讯方式与远程控制系统联通。

远程控制系统包括远程采集控制器、无线传输模块和无线采集模块。远程采集控制器将动作指令通过无线传输模块和无线采集模块输出至微控制器6，微控制器6根据远程控制系统的指令控制电机7和伺服电机4动作，以控制旋转机械臂1的升降和旋转，以测量作物的抗倒伏性能；微控制器6获取的数据信息通过无线采集模块和无线传输模块输送至远程采集控制器，分析作物的抗倒伏性能。

远程控制系统将动作信号输送至微控制器6，微控制器6根据远程控制系统输送的信号，控制电机7和伺服电机4相应的动作。

微控制器6接收激光测距传感器9输送的高度数据和扭矩传感器3输送的作用力数据，并将该高度数据和作用力数据输出至远程控制系统，用于系统分析作物抗倒伏性能。

在支撑架2的内侧还安装有供电装置8。在一个具体的实施例中，供电装置8采用太阳能供电模块。使用太阳能对供电装置充电，有效延迟了测量装置的续航时间和使用寿命，同时，节约能源，优化效能利用。

供电装置8、电机7、伺服电机4均直接或间接安装在支撑架2上，不仅使测量装置的结构紧凑，而且，增强了支撑架2的重量，增大了其与地面的摩擦力，提高支撑架2的平稳性，以利于测量装置的稳定运行。

支撑架2的下端设有支撑脚10，支撑脚10至少有一个，并且，能够插入到泥土中。在支撑架2的下端设置多个能够插入泥土中的支撑脚10，充分保证支撑架2的平稳性，从而保证测量装置的测量稳定和安全。

在丝杆5的上方设置的旋转机械臂1至少有一条。为了增强测量装置的测量效率，设置一条以上的旋转臂，能够同时测量更大范围、不同高度位置的作物抗倒伏性能。

参见图2所示，一种用于测量作物抗倒伏性的方法，包括以下步骤：

S1、将测量作物抗倒伏性的装置固定在待测作物的旁边；

S2、调整旋转机械臂1距离地面的高度，激光测距传感器9获取高度数据信息并向微控制器6输出该高度数据信息；

S3、伺服电机4带动旋转机械臂1匀速旋转；

S4、扭矩传感器3将旋转机械臂1旋转过程中与作物的作用力数据输出至微控制器6。

上述步骤S2中，当需要测量作物一定高度位置的抗倒伏性能时，由电机7驱动丝杆5在竖直方向上升降至合适的位置，以调整旋转机械臂1至与作物待测高度齐平的位置。待高度位置确定后，激光测距传感器9获取该高度数据信息，并将该高度数据信息输出至微控制器6，以用于分析作物在该高度位置的抗倒伏性能。

上述步骤S3中，由微控制器6向伺服电机4发出指令，伺服电机4运转，带动旋转机械臂1在水平方向上匀速旋转，旋转机械臂1旋转过程中与作物接触，产生作用力。测量过程中，伺服电机4带动旋转机械臂1匀速旋转，避免旋转机械臂1旋转过程中旋转速度变化造成测量数据不准确的问题。

上述步骤S4中，旋转机械臂1旋转过程中，扭矩传感器3感应到旋转机械臂1与作物接触产生的作用力数据，并将该作用力数据输出至微控制器6，以用于分析作物的抗倒伏性能。

采用上述步骤，能够有效的收集作物特定高度位置的抗倒伏性能，无需损坏作物，也不会影响作物的生长，同时，该方法操作简单，测量准确。

在上述实施过程的基础上，进行步骤S5：微控制器6将获取的数据信息传送至远程控制系统。

微控制器6将获取的高度位置信息和作用力数据信息通过无线通信方式输出至远程控制系统，以便对作物的抗倒伏性能进行分析。

采用微控制器6和远程控制系统的无线通信联通，能够实现作物抗倒伏性能测试的全自动实施，节省人力、物力，简化测量过程、缩短了测量、数据分析的时间。

在上述实施过程的基础上，还包括步骤S6：微控制器6接收远程控制系统的指令控制旋转机械臂1的升降至另一高度，重复步骤S2-S5，测量同一株/批作物不同位置高度的抗倒伏性或具有不同高度的另一株/批作物的抗倒伏性能。

采用远程控制系统向微控制器发送指令，使作物抗倒伏性能测试能够远程操作、控制，无需现场操作，极大的便利了测试的控制和操作。

当对一株/批作物的某一高度位置的抗倒伏性能测试完成后，远程控制系统向微控制器6发出指令，微控制器6根据该指令，控制电机7运转，带动丝杆5升降至另一高度位置，重复步骤S2-S5，测量同一株/批作物另一高度位置的抗倒伏性能。

对一株/批作物的不同高度位置的抗倒伏性能进行准确的测量，能够更准确的分析作物的抗倒伏性能。

同时，由于在测量抗倒伏性能的过程中，并不会对作物造成损伤，也不会影响其正常生长，因此，将装置长期放置于同一位置，能够实现对同一株/批作物不同生长时期的抗倒伏性能的自动测量。

本发明的一种用于测量作物抗倒伏性的装置，包括支撑架2，丝杆5设置于支撑架2的上端，驱动丝杆5在竖直方向升降的电机7设置于支撑架2的内侧；丝杆5的上端连接用于驱动旋转机械臂1旋转的伺服电机4，伺服电机4的上端依次连接用于测量旋转机械臂1旋转过程中与作物之间作用力的扭矩传感器3和旋转机械臂1；旋转机械臂1的下端面安装有测量旋转机械臂1与地面距离高度的激光测距传感器9；用于控制电机7、伺服电机4的微控制器6设置于支撑架2的内侧，微控制器6也同时用于接收激光测距传感器9和扭矩传感器3输出的数据信息，并将该信息输出至远程控制系统，以用于分析作物抗倒伏性能。

本发明的一种用于测量作物抗倒伏性的方法，将测量装置架设于作物旁；远程控制系统通过无线通信方式向设置于支架架2内侧的微控制器6发送指令，微控制器6根据指令控制电机7或伺服电机4动作；支撑架2的上端安装由电机7驱动而在竖直方向上升降的丝杆5，带动设置于丝杆5上方的旋转机械臂1在竖直方向上升降，旋转机械臂1距离地面的高度信息由设置于旋转机械臂1上的激光测距传感器9测量；丝杆5的上端连接伺服电机4，伺服电机4控制旋转机械臂1在水平方向上旋转，旋转机械臂1旋转过程中与作物接触而产生作用力，该作用力信息由与旋转机械臂1连接的扭矩传感器3获取；激光测距传感器9测量的高度信息和扭矩传感器3获取的作用力信息均输出至设置于支撑架2内侧的微控制器6，微控制器6将数据信息通过无线通信方式输出至远程控制系统。

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