本发明属于智能农业机械领域，涉及一种悬轨式温室综合信息自动巡航监测装置。
背景技术：
目前我国的温室种植面积和产量位于全世界前列，但大多仍采用传统的大水大肥的种植灌溉模式，因其具有盲目性，无法满足作物需求，导致作物的产量和品质不高，资源浪费严重，经济效益较差等问题，主要原因之一是缺乏对设施生产的科学管理，难以实时在线获取温室作物和环境的综合信息，实现基于作物真实需求的水肥和环境优化调控以及病虫害预警。以往对农作物的营养长势和病虫害侵害的识别检测多采用人工以及化学方法，不仅检测的效率低下，而且会发生误判，并会对作物造成不可逆的损坏。由于温室种植和生产的非机构化的环境，目前满足实际生产需求的，先进适用的温室环境和作物综合信息自动化监测装备和方法缺乏。本发明采用悬轨式检测平台进行作物生长和环境信息的自动监测，能够通过自主巡航的方式，采用多传感器探测系统能够进行温室作物营养、长势、病虫害和环境综合信息的采集，相较于传统方法和分布式的检测方法，大幅提高了检测和识别精度，降低了成本，提高了作业效率。
申请号201010519848.7的发明专利申请，公开了一种悬挂式自走对靶喷雾系统，包括导轨、自走式移动平台、霍尔传感器、喷雾机械臂装置、双目视觉系统、plc逻辑控制器等，由于该发明在温室顶棚设置有导轨，喷雾机械臂装置设置在自走式移动平台上，可以在温室环境下自动喷洒农药，避免喷洒农药过程中对操作人员造成身体伤害，提高了效率。但其装置缺乏温室环境信息的检测，对温室的环境因素考虑不够。
北京农业智能装备技术中心的马伟等人开发了一套温室轨道式省力作业装置。该装置能够通过在温室自身结构上连接安装轨道，利用移动装置可用手推灵活性走，悬挂平台上可以搭载所有施药加压装置。该装置解决了温室作物大面积施药以及搬运不方便的问题，减轻了劳动强度。但其仍需要一定的手动作业，自动化水平还不够高。
申请号201310192634.7的发明专利申请，公开了一种履带式机器人移动平台，通过控制模块根据监测模块的数据信号控制主动轮系与从动轮系带动车体运行。该履带式机器人由于其履带、轮系和车体均采用刚性连接，无法过滤不平路面的颠簸，对搭载在移动平台上的检测设备造成损伤以及对检测的稳定性有影响。
申请号201010519848.7的发明专利申请，公开了一种悬挂式自走对靶喷雾系统，包括导轨、自走式移动平台、霍尔传感器、喷雾机械臂装置、双目视觉系统、plc逻辑控制器等，由于该发明在温室顶棚设置有导轨，喷雾机械臂装置设置在自走式移动平台上，可以在温室环境下自动喷洒农药，避免喷洒农药过程中对操作人员造成身体伤害，提高了效率。但其装置缺乏温室环境信息的检测，对温室的环境因素考虑不够。
申请号201310408112.6的发明专利申请，公开了一种用于探测的多地形智能移动平台，包括自主前进四轮小车系统和四轴旋翼飞行系统，两者通过锁紧系统相连，并通过zigbee无线传输网络与pc终端机进行通信。自主前进四轮小车系统利用arduino对车载多参数传感器模块、驱动模块等进行控制：四轴旋翼飞行系统利用arduino对机载多参数传感器模块、高速驱动模块等进行控制。当遇到无法逾越的障碍物时，锁紧系统可自动解锁，从而触发四轴旋翼飞行系统运行。多地形复合式智能移动平台不论是四轮模式还是飞行模式，其整体的平稳性没有带独立悬架的移动平台。在启动飞行模式时，对其搭载的检测设备要进行均匀分配质量，对搭载的检测设备的有重量限制，相对于单一模式的移动平台，多地形复合式智能移动平台结构复杂，价格较高。
综上所述，现有的智能移动平台由于任务目标不同，其装置和方法无法满足温室非结构化环境下，温室作物生长和环境信息检测设备对平台检测精度及平稳性的要求，难以实现对不同生长期、不同种类和大中小不同株型作物的营养、长势和病虫害信息的自动巡航探测。
技术实现要素：
针对现有技术中存在不足，本发明的目的在于提供一种悬轨式温室综合信息自动巡航监测装置，以实现对温室作物营养、水分、长势和病虫害信息，以及温室环境光照、温湿度信息的同步自动巡航监测。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种悬轨式温室综合信息自动巡航监测装置，其特征在于：包括轨道总成、行走机构、滑动平台、多传感器系统、控制柜总成，
轨道总成主要包括分别固定在温室的横跨结构梁上的滑移轨道、齿条；
行走机构包括齿轮架a、齿轮架b、减速电机、齿轮轴、齿轮、轴承、光电编码器，减速电机与齿轮轴的一端通过花键相连；齿轮固定在齿轮轴上、且与齿条啮合，齿轮轴的另一端装在轴承上，轴承通过螺栓与齿轮架a连接；齿轮架a与齿轮架a通过螺栓连接；光电编码器的轴上的顶丝与齿轮轴相连，以实现行走距离和位置的计算和检测；
滑动平台主要由升降机构和电控旋转云台组成，由4组滑轮、终端限位开关、悬架、升降机构、电控旋转云台、升降机构电源、dsp运动控制器组成，所述滑轮固定在悬架上，并装配在滑移轨道的滑槽中，悬架固定在升降机构的顶部，终端限位开关固定在悬架的顶部沿前后行进方向的两个末端位置，升降机构的底部固定在电控旋转云台上，dsp运动控制器用于实现对滑动平台前后移动和升降机构的升降的控制；升降机构电源为滑动平台提供电源；
多传感器系统包括光照强度传感器、激光测距传感器、红外测温传感器、温湿度传感器、双目多功能成像系统，传感器支架a、传感器支架b分别安装在电控旋转云台下端的两侧；双目多功能成像系统包括可见光多功能成像系统和近红外多功能成像系统，固定在传感器支架a上，视场方向向下；可见光多功能成像系统前端装有前置可见光滤光片组，可实现作物营养特征图像信息的采集；近红外多功能成像系统前端装有前置近红外滤光片组，可实现作物水分胁迫的特征图像信息的采集；同时可见光多功能成像系统与近红外多功能成像系统作为复用相机，可进行双目视觉匹配，实现立体成像，实现对作物株高和冠幅面积的测量；红外测温传感器、温湿度传感器、激光测距传感器、光照强度传感器固定在传感器支架b的两侧，采用俯视位，探测方向垂直向下；
控制柜部分包括工控机、工控机电源，工控机与光电编码器、dsp运动控制器、多传感器系统相连。
进一步地，所述滑移轨道固定在悬挂主梁下方，齿条固定在悬挂辅梁下方。
进一步地，悬挂主梁和悬挂辅梁之间设置横撑。
进一步地，悬挂主梁和悬挂辅梁的相邻两段型材的接缝处，采用连接板紧固连接。
进一步地，轨道总成由左中右三部分组成。
进一步地，所述升降机构为剪刀叉伸缩机构。
进一步地，可见光滤光片组为556nm、472nm、680nm滤光片。
进一步地，近红外滤光片组为930nm、1420nm滤光片。
进一步地，控制柜部分还包括触摸显示屏、显示屏电源，触摸显示屏与工控机相连。
本发明具有有益效果
(1)本发明所采用的自动巡航监测装置，将多传感检测系统悬挂安装在位于温室上方的滑移轨道上，能够有效克服在温室密植条件下的，地面自走式自动巡航检测平台，受路面和栽植环境条件影响较大的问题。
(2)本发明所采用的自动巡航监测装置，其滑动平台采用升降机构结合电控旋转云台的方式。不仅能实现沿检测行进方向的精准定位，也能够实现不同探测距离、不同俯视视场、不同检测角度的多传感器的巡航探测，因此既能够对番茄、黄瓜等大棵型植株进行多传感监测，也能够通过调整探测距离和云台方位角，满足对生菜等小棵型作物，以及作物苗期等不同作物生长期温室作物的探测需求。
(3)本发明所采用的多传感器系统，采用双目视觉多功能相机，结合激光测距传感器和红外温度探测器，能够通过多传感信息融合可实现对植株的营养、水分、病虫害的图像和红外温度特征，植株冠幅、株高、果实长势特征等温室作物综合信息的在线巡航监测。
(4)本发明所采用的悬挂式的自动巡航检测平台能够在线定时巡航监测整个温室的作物和环境综合信息，为温室水肥和环境的调控和管理提供科学依据，相较于传统的人工经验和分布式监测系统，能够大幅降低检测设备和人员的投入，有效避免人员的操作误差，提高了温室环境和作物生长信息的检测精度和作业效率。
(5)本发明所采用的通用平台作为控制系统，具有较好的可移植性，平台易于进行二次开发和功能扩展，对于搭载的检测设备具有较好的兼容性。
附图说明
图1为本发明所述悬轨式温室综合信息自动巡航监测装置的轨道总成结构示意图。
图2一种悬轨式温室综合信息自动巡航监测装置的行走机构示意图。
图3一种悬轨式温室综合信息自动巡航监测装置的滑动平台结构示意图。
图4一种悬轨式温室综合信息自动巡航监测装置的多传感器系统示意图。
图5一种悬轨式温室综合信息自动巡航监测装置的控制柜结构示意图。
图6一种悬轨式温室综合信息自动巡航监测装置的整体结构示意图。
图7一种基于悬挂式滑轨平台的温室信息自动监测多传感探测方法流程图。
图8一种基于悬挂式滑轨平台的温室信息自动监测方法传感器网格扫描示意图。
图9一种基于悬挂式滑轨平台的温室信息自动监测方法双目立体视觉匹配流程。
图中：
1、滑移轨道；2、悬挂主梁；3、悬挂辅梁；4、齿条；5、横撑；6、轨道连接板；7、齿轮架a；8、齿轮架b；9、减速电机；10、齿轮轴；11、齿轮；12、轴承；13、光电编码器；14、滑轮；15、dsp运动控制器；16、升降机构电源；17、终端限位开关；18、悬架；19、升降机构；20、升降卷带；21、电控旋转云台；22-1、可见光多功能成像系统；22-2、近红外多功能成像系统；23-1、传感器支架a；23-2、传感器支架b；24、云台架；25、红外测温传感器；26、温湿度传感器；27、激光测距传感器；28、光照强度传感器；29、控制柜主体；30、触摸显示屏；31、显示屏电源；32、工控机；33、工控机电源；34、电源插座；35.栽培槽；36.地标传感器；37.植株；38.多传感器系统网格化扫描轨迹。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明所述的悬轨式温室综合信息自动巡航监测装置，包括轨道总成、行走机构、滑动平台、多传感器系统、控制柜总成。
如图1所示，轨道总成主要包括分别固定在温室的横跨结构梁上的滑移轨道1、齿条4。具体的，所述轨道总成左中右三部分组成；所述滑移轨道1固定在悬挂主梁2下方，为滑动平台和行走机构的滑动轨道。左右两部分的滑移轨道1固定在左右两根悬挂主梁2上，左右两根悬挂主梁2为平行结构，间距700mm，左右主梁长度均为18米，分别由3根6米长的30×60铝型材组成；左右滑移轨道1同样长度为18米，分别由长6米的3根不锈钢轨道组成，滑移轨道1长度方向每隔500mm通过t型螺栓螺母与悬挂主梁2紧固连接。在与悬挂主梁2的平行中线上，安装有悬挂辅梁3，悬挂辅梁3由长6米的3根30×30铝型材构成，其下方通过t型螺钉固定有齿条4，齿条4长18米，由6根3米长的齿条固定连接组合而成。
悬挂主梁2和悬挂辅梁3之间，为了保持直线度和结构的刚度，在轨道长度方向上，每隔500mm使用横撑5通过t型螺栓螺母对主梁2和悬挂辅梁3进行紧固连接，使悬挂主梁2和悬挂辅梁3成为一体，保证其结构刚度。在悬挂主梁2和悬挂辅梁3所使用的6米型材连接的接缝处，采用连接板6通过t型螺栓螺母对悬挂主梁2和悬挂辅梁3进行紧固连接，以保证滑动平台沿滑移轨道1在运行时，在接缝处能够平滑过渡。
行走机构如图2所示，所述行走机构包括齿轮架a7、齿轮架b8、减速电机9、齿轮轴10、齿轮11、轴承12、光电编码器13，减速电机9与齿轮轴10的一端通过花键相连；齿轮11固定在齿轮轴10上、且与齿条4啮合，齿轮轴10的另一端装在轴承12上，轴承12通过螺栓与齿轮架a7连接；齿轮架a7与齿轮架a8通过螺栓连接；光电编码器13的轴上的顶丝与齿轮轴10相连，以实现行走距离和位置的计算和检测。行走机构与轨道总成的滑移轨道1和齿条4连接，形成一套齿轮齿条机构和一套滑轮滑轨机构。
滑动平台主体主要由行走机构带动行走，如图3所示，所述滑动平台由4组滑轮14、终端限位开关17、悬架18、升降机构19、电控旋转云台21、升降机构电源16、dsp运动控制器15组成。其中滑轮14与悬架18通过螺栓连接成一体，并悬挂在滑轨1的滑槽中，能够跟随滑轮14整体沿滑轨1长度方向滑动；升降机构19与悬架18利用螺栓螺母将其底座与悬架18紧固连接在一起；升降机构为剪刀叉伸缩机构，通过控制升降卷带20的伸缩，实现滑动平台的升降操作，以便于多传感器系统进行最佳高度检测位的上下调整。前后两个运动方向的终端限位开关17通过t型螺钉固定在悬架18的顶部沿前后行进方向的两个末端位置，当设备运行至末端时，限位块前端触碰终端限位开关17使整个系统断电并刹车制动。
电控旋转云台21与升降机构19的底部通过螺栓螺母连接；升降机构电源16、dsp运动控制器15和信号连接等通讯装置固定在滑动平台上，通过螺栓螺母固定在升降机构19行进方向端面上，dsp运动控制器15可实现对滑动平台运动前后移动和升降的控制。多传感器系统装在电控旋转云台21的下方，通过电控旋转云台21带动多传感系统实现水平方向的360°旋转和垂直方向的左右180°旋转，配合升降机构，在dsp运动控制器15的驱动控制下，可满足不同探测距离、不同俯视视场、不同检测角度的多传感器探测需求。
如图4所示，所述多传感器系统包括光照强度传感器28、激光测距传感器27、红外测温传感器25、温湿度传感器26、双目多功能成像系统。传感器支架a23-1、传感器支架b23-2分别安装在电控旋转云台21下端的云台架24两侧。双目多功能成像系统包括可见光多功能成像系统22-1和近红外多功能成像系统22-2，固定在传感器支架a23-1上，视场方向向下。可见光多功能成像系统22-1前端装有包括556nm、472nm、680nm滤光片的前置可见光滤光片组，可实现作物营养特征图像信息的采集；近红外多功能成像系统22-2前端装有包括930nm、1420nm滤光片的前置近红外滤光片组，可实现作物水分胁迫的特征图像信息的采集；同时可见光多功能成像系统22-1与近红外多功能成像系统22-2作为复用相机，可进行双目视觉匹配，实现立体成像，实现对作物株高和冠幅面积的测量；红外测温传感器25、温湿度传感器26、激光测距传感器27、光照强度传感器28固定在传感器支架b23-2的两侧，采用俯视位，探测方向垂直向下。
控制柜部分独立固定于温室前端。控制柜通过1394数据线分别和行走机构、滑动平台以及多传感器系统相连，进行信息交互。控制柜通过电源线为行走机构、滑动平台、多传感器系统提供电源。所述控制柜总成包括触摸显示屏30、显示屏电源31、工控机32、工控机电源33、电源插座34、控制柜主体29组成。工控机32与光电编码器13、dsp运动控制器15、多传感器系统相连。触摸显示屏30通过底座固定在控制柜29箱底，触摸显示屏30与工控机32相连工控机32、工控机电源33、电源插座34通过螺栓螺母固定在控制柜主体29底部。
所述悬轨式温室综合信息自动巡航监测装置用于温室综合信息自动巡航监测时，按照以下步骤操作：
步骤一，系统初始化：
启动控制柜中的电源按钮，一种悬轨式温室综合信息监测系统进行自检，工控机32开启，触摸显示屏30开启，dsp运动控制器15启动，滑动平台无论当前停靠在任何位置，启动后回归零位；
步骤二，系统设置
1)样本设定和采样间距设置
由于本系统可应用于不同类型的设施作物，因此首先要利用触摸显示屏30设置作物的种类、定植时间和生长期。由于本系统采用逐株检测的工作模式，因此首先需要利用触摸显示屏30设定在栽培槽35中的待测植株37的栽植株距，并据此设置地标传感器36、滑动平台的运动间距和多传感器系统的采样间距，获得多传感器系统网格化扫描轨迹38。
2)检测参数设置
利用触摸显示屏30设置检测模式和检测参数，检测模式包括作物营养胁迫检测、病虫害检测、水分胁迫检测和长势检测四种模式，其中参数设定包括营养胁迫模式下的氮磷钾检测、病虫害检测模式下的种类识别、长势检测模式下的株高、冠幅、果实等参数的选取，参数选取和设定的依据为目前温室运行的检测需求和工作效率；
3)滑动平台运动设置
设置检测模式和参数后，需要利用触摸显示屏30根据检测对象和检测参数，对滑动平台的运动行程进行设定。根据检测参数、作物生长期和种类选取不同的运动行程，在作物苗期或者生菜等小株型作物，可选取较低的检测位，对于番茄和黄瓜等大株型作物，采用较高的检测位，选取的依据是单株检测时，初始检测位所探测的冠层区域所占视场区域的面积应大于70％，同时株顶距离传感器距离在500mm至1000mm之间，如不满足则需要更换成像镜头以满足上述参数要求。
步骤三，检测流程
设置过程结束后，本系统通过工控机32发指令给dsp运动控制器15和多传感器系统，按照设定的检测程序进行运动控制和作物营养、水分、长势和病虫害信息的探测流程，dsp运动控制器15根据工控机32发来的位置指令，首先发送信号给减速电机9，减速电机9带动齿轮轴10和齿轮11一起转动，齿轮11和齿条4啮合，带动整个滑动平台通过滑轮14在滑轨1上移动顺序到达作物的上方，并根据预设的地标传感器36位置和序号，采用逐点探测的方式进行作物多传感信息的探测，具体流程如下：
1)滑动平台目标定位
按照步骤二1中设置的检测间距，在每个检测位的植株最前端，预先敷设地标传感器36，当滑动平台按照行程移动并检测到该地标后，沿行进方向的运动停止，工控机32给dsp运动控制器15发送指令，驱动升降机构19，将滑动平台升降机构下降到预设的高度，完成滑动平台的目标定位，开始执行该目标点的多传感信息探测；
2)多传感信息探测
顺序到达检测位后，工控机32给dsp运动控制器15发送信号，驱动电控旋转云台21按照预设参数调整仰俯角度，保证初始检测位的多传感器系统的检测视场和探测角符合成像和探测要求；
顺序到达检测位后，检测系统采用矩阵网格化扫描的方式进行作物营养、水分、长势和病虫害信息的获取。
其中所述矩阵扫描的方式具体如下：
①工控机32给dsp运动控制器15发送指令，驱动电控旋转云台21，以与行进方向垂直的方向为x坐标，以电控旋转云台21的几何中心为原点，从0-180°圆弧方向自左至右进行驻点扫描，每个检测位沿行进方向的检测起点，为检测到该地标传感器36，滑动平台停止后的初始点；
②完成该序列检测后，步进扫描下一圆弧网格，步进间距可以根据检测需求和作业效率需求进行设定，步距设定值在10mm至植株冠幅直径的最大值之间，覆盖整个植株冠层；在此区间内沿行进方向进行圆弧网格化扫描，利用激光测距传感器27通过点扫描的方式，获取植株区域的高度点阵坐标信息用于分析作物株高和冠幅等长势信息；
③在每次扫描至90°角的检测中线即与行进方向的几何中线重合的检测中线时，利用双目多功能成像系统22获取植株的可见光-近红外双目俯视图像信息；
④当每个检测位扫描至植株的几何中心时，利用红外测温传感器25获取作物的冠层温度信息，利用光照强度传感器28获取检测位的环境光照强度信息，利用环境温湿度传感器26获取检测位的环境温湿度信息。
步骤四，温室作物综合信息处理
利用步骤三获取的温室作物综合信息，通过信息采集模块上传给工控机32处理。其中双目多功能成像系统22获取的双目视觉图像和营养、水分的特征波段下的作物冠层图像，激光测距传感器所获取的激光扫描距离点阵信息，以及红外冠层温度、环境温湿度和光照强度信息，由信息采集模块作为输入参数，导入工控机32的处理程序，并实时显示在触摸屏30上。
步骤五，该植株信息采集完成后，按照设定行程，工控机32给dsp运动控制器15发送指令，驱动电控旋转云台21旋转至初始位置，升降机构19收起至初始状态；滑动平台按照预设行程行进至下一个检测位，重复步骤一至步骤五直至整个检测行程结束，返回初始位置。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。