一种植物表型组学信息获取系统的制作方法

本实用新型涉及农业研究技术领域，尤其涉及一种植物表型组学信息获取系统。

背景技术：

植物表型是指能够反映植物结构和组成的，或能反映植物生长发育过程和结果的，由一个基因型与一类环境互作产生的部分或全部可辨识的作物物理、生理和生化特征及性状。植物品种表型鉴定或表型测试，是新品种选育和推广、基因与表型组学研究的基础。当今农业工程学科中，农作物育种是热点研究领域之一，而研究农作物的育种离不开对农作物全生育期各种表型参数的测量和分析。在对表型分析的同时，联系植物的生长发育、遗传变异、环境等各方面情况，可以对农作物的育种提供有价值的信息，同时为促进改良株型和改善管理提供强大的工具。

目前植物表型测量的主要方法仍是人工测量，这种测量方法效率低，但不受仪器设备等条件的限制，所以仍然被大多数人采用。随着植物功能基因组学和作物分子育种研究的深入，传统的表型观测已经成为制约其发展的主要瓶颈，而高通量的作物表型分析技术研究是解决这一困境的有效途径。目前国内外有研究所或者大型企业提出在田间行走的植物表型信息获取系统，但是对于植物遮挡部位一直不能采取到合适的图像进行分析，而且获取植物图像的角度也不能很好地进行控制，从而导致不能充分地获取植物表型信息。

技术实现要素：

鉴于上述问题，提出了本实用新型以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的技术方案。因此，本实用新型的一个方面，提供了一种植物表型组学信息获取系统，该系统包括：箱体、传输装置、控制装置，所述传输装置包括轨道、在轨道的预定位置设置的多个传感器，箱体内外的轨道对接，所述箱体内设有雷达装置、多个机械臂、光学成像装置、荧光成像装置，所述机械臂的一端固定在箱体底面或者侧面上，另一端装设所述光学成像装置、荧光成像装置；所述控制装置基于第一传感器的探测信号控制启动雷达装置，所述雷达装置对由轨道传送来的植物目标进行植物结构信息获取，所述控制装置基于所述植物结构信息控制机械臂的动作以调整所述光学成像装置、荧光成像装置的拍摄位置、拍摄角度，所述光学成像装置获取植物的光学图像，所述荧光成像装置获取植物的荧光图像。

可选的，所述雷达装置设置在箱体的顶部。

可选的，所述光学成像装置包括多个摄像头，多个机械手臂，摄像头设置在机械手臂的端部，机械手臂的另一端固定在箱体侧壁上。

可选的，箱体设置3个机械臂，其中两个机械臂设置在箱体底面轨道的两侧，一个设置在箱体的侧壁上。

所述雷达装置通过计算发射和返回脉冲之间的时间差测算植物目标的位置。

可选的，所述机械手臂包括多个关节、多节手臂，所述关节连接所述多节手臂，其中末节手臂可伸缩，末节手臂的端部装设rgbd摄像头、荧光摄像头，所述控制装置根据雷达成像装置的成像结果控制所述多个关节的旋转以及末节手臂的伸缩长度。

可选的，所述传输装置包括多段皮带，每段相邻的皮带之间设置有一传感器开关，不同方向的相邻段皮带之间设置有一转向部件、气缸，所述皮带带动待测植物盆栽沿轨道移动，所述传感器开关检测到待测植物盆栽时，启动气缸，以带动相应的皮带运动。

可选的，所述传输装置在所述箱体内的部分包括一段皮带a、在检测位置处设置的气缸b以及传感器开关c，该气缸b根据传感器开关c的信号控制皮带a运转或者停止。

本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：通过本实用新型提供的技术方案，能够为植物自动进行多角度成像，能够获取植物有关株型、作物高度、叶片数目、叶片长度、叶片宽度、叶片夹角、叶片温度、叶片病斑数量和叶片病斑面积、穗粒数、分蘖数以及根系分布等全年的作物数据，有利于对于植物的生长状态进行分析、研究。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述技术方案和其目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本申请提出的植物表型组学信息获取系统的整体设计；

图2示出了具体一种实施方式的植物表型组学信息获取系统的具体构成设计。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施例。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本实用新型提供一种本实用新型的一个方面，提供了一种植物表型组学信息获取系统，如图1所示，该系统包括：箱体1、传输装置2、控制装置(图中未示出)，所述传输装置2包括传送皮带21、在轨道的预定位置设置的多个传感器22、转向部件23，箱体内外的传送皮带通过轨道对接，所述箱体内设有雷达装置11、至少一个机械臂12、光学成像装置、荧光成像装置，所述机械臂12的一端固定在箱体底面或者侧面上，另一端装设所述光学成像装置、荧光成像装置；所述控制装置基于第一传感器的探测信号控制启动雷达装置，所述雷达装置对由轨道传送来的植物目标进行植物结构信息获取，所述控制装置基于所述植物结构信息控制机械臂的动作以调整所述光学成像装置、荧光成像装置的拍摄位置、拍摄角度，所述光学成像装置获取植物的光学图像，所述荧光成像装置获取植物的荧光图像。

在本申请中，雷达安装在箱体的固定位置，由其获取盆栽植物的伸展空间、高度信息等植物结构信息，根据雷达装置获取的上述信息调整光学成像装置、荧光成像装置的拍摄角度和拍摄位置，从而能够避免光学成像装置、荧光成像装置的拍摄位置、角度固定导致的成像结果不理想。

在该系统中，只要将待测植物放置在进口位置，该系统即可自动将植物先后传送到箱体的检测位置，由雷达装置获取植物的图像结构信息，并由控制装置根据所述雷达装置的成像结果对机械臂的运动动作进行控制，以调整光学成像装置、荧光成像装置的拍摄位置和拍摄角度，以在合适位置、角度获取光学图像、荧光图像。通过雷达装置、光学成像装置、荧光成像装置，系统能够获取到植物的全面图像信息。在获取到图像信息后，自动将待测植物传送到植株出口。根据本实用新型获取的图像信息进行后序分析，包括对雷达图像进行分析，可获得作物株型、作物高度，叶片数目、叶片长度、叶片宽度、叶片夹角、叶片温度；通过对光学图像的分析可获取到叶片病斑数量以及叶片病斑面积、穗粒数、分蘖数等数据，通过对荧光图像分析可获取到植物的叶绿体等信息。

所述雷达装置设置在箱体的顶部。在待检测盆栽到达所述雷达装置通过计算发射和返回脉冲之间的时间差测算植物目标的位置。在第一箱体附近的传感器检测到有待测植物传送过来时，向控制装置发送相关信息，控制装置根据该信息控制雷达装置启动成像。雷达装置向传送来的植物发送激光并测量激光发射方位的距离和反射强度信息，以获取植物的空间点云数据。通过激光点云数据，可完整地保留作物表型在空间上的伸展形态,获得垂直维度结构参数(叶倾角、叶片卷曲度、植株挺立度)。控制装置根据该垂直维度结构参数信息，向光学成像装置发送控制信号，以调节光学成像装置的拍摄位置和角度。基于雷达装置获取的点云数据还可实现图像重构及性状定量分析，具体的图像重构以及形状定量分析过程属于数据处理方法，在此不做过多说明。下面简要说明下如何根据雷达成像装置提供的植物结构数据进行拍摄位置、拍摄角度的调整。

通过雷达成像装置得到植株基本的结构信息后，会根据植株高度植株叶范围等结构信息来计算一个能够恰好包围植物的视点采样球，光学成像装置、荧光成像装置的拍摄位置在球上进行采样、规划，具体包括：

第一步：根据雷达成像装置提供的植物结构信息计算视点采样球。

第二步，对于每个机械臂，在球上通过反向动力学随机采样大量视点。

第三步，从各机械臂的home位置尝试用采样为基础的运动规划算法规划到这些采样的视点，将无法规划到的视点删除。

第四步，根据最佳视点算法在这些能够达到的球面视点中选取合适的位置以及合适的顺序。

第五步，按照设置的位置和顺序进行拍摄并返回拍摄图片。

作为最优的方式，这些球以及视点规划都是提前先做好的，即二三四步是提前计算好存起来的，然后根据第一步中的植物结构信息来选球面。这样有利于实时快速完成任务，即根据雷达装置提供的植物结构信息能够快速确定机械臂的动作，从而调整好光学成像装置的拍摄位置和角度。

所述光学成像装置包括多个摄像头，多个机械手臂，摄像头设置在机械手臂的端部，机械手臂的另一端固定在箱体侧壁上。在一种优选实施例中，多个机械手臂的所述另一端固定在箱体的不同侧壁或者底面上，通过光学成像装置的摄像头可在不同的角度、高度获取植物图像。机械臂上设置3个以上关节，优选3-5个关节，不同的机械臂根据其所固定在箱体内的位置，可具有不同数量的关节。每个关节实现在一个方向上的旋转，从而通过对多个关节的控制，可实现光学成像头、荧光成像头在多维方向上的移动，而且机械臂关节之间具有臂，根据待测植物的外形尺寸可设计其中的那一段臂或者几段臂可伸缩，作为最优选的方式，最顶端的一段臂可伸缩，这种结构伸缩驱动力最小，便于精确控制。

控制装置通过调整机械手臂的关节旋转来实现对摄像头的定位以及摄像头拍摄角度的调整。机械臂是一种能模仿人手和臂的某些功能，按照固定程序实现某种操作的自动装置。由于其灵活、稳定、拓展性高等特征，已被广泛应用于机械制造、冶金、医疗等部门，在其上加载不同的外设可以实现多种操作要求。在本申请中，所述机械手臂包括多个关节、多节手臂，所述关节连接所述多节手臂，其中末节手臂可伸缩，末节手臂的端部装设摄像头，所述控制装置根据雷达成像装置的成像结果控制所述多个关节的旋转以及末节手臂的伸缩长度。通过对机械臂本身运动的控制(motion)和外设的控制(arduino)，已实现机械臂的程序化运动及外设的联动控制，本申请中，将机械臂用于植物表型信息获取系统中，能够解决并实现rgbd相机的定位和拍摄角度的控制问题，多机械臂联动的表型数据采集。

在利用光学植物图像时，需要建立二维空间中图像中的像素点与客观世界中物体各点之间的对应关系，分析确定物体的大小和各部位之间的位置关系，以实现三维特征的获取。在一种具体实施方式中，摄像头为rgbd相机(rgb深度相机)，对于拍摄的图像后续进行聚类算法以提取图像中的病斑信息。

经过暗适应的植物经光照条件后，叶绿素荧光先迅速上升到一个最大值，然后逐渐下降，最后达到一个稳定值的过程，我们称这种现象为叶绿素荧光现象。作物光合作用的多数变化都可以通过叶绿素荧光反应出来，叶绿素荧光作为光合作用研究的探针，具有特异性、高灵敏度的特点，能快速反映植物生理生态状况，并且能够实现无损检测，在突变株筛选、病虫害检测、表型分析方面具有很大的应用价值，在本实用新型中，在机械臂的端部设置荧光成像装置，通过机械臂根据雷达装置提供的信息进行合适的成像位置、角度调整，可获取到最佳的荧光成像图像，便于后续进行在突变株筛选、病虫害检测、表型分析等工作。

如图2所示，所述传输装置包括支架、支架上设置的多段皮带，每段相邻的皮带之间设置有一传感器开关，不同方向的相邻段皮带之间设置有一转向部件、气缸，所述皮带带动待测植物盆栽沿轨道移动，所述传感器开关检测到待测植物盆栽时，启动气缸，以带动相应的皮带运动。所述传输装置构成一个长方形闭环，在两个短边方向上分别设置一段皮带，并在该段皮带的两端处设置转向部件2-5，转向部件2-5分别由气缸5、7、10、12驱动，短边方向上的皮带0、皮带5分别由气缸11、6驱动；在其中一条长边方向上设置皮带9，皮带9的一端设置有气缸13，皮带9由气缸13驱动。另一条长边上设置有三段皮带，分别为皮带6-8，其中皮带7在皮带6、8之间，设置在箱体内。在每条皮带的两端均设置有接近开关。由于植物将要进入箱体时需要打开箱体门，在箱体内后还需要传送带7将植物传送至拍摄位置，在拍摄完成后还需要将植物从检测位置传送到箱体门，启动箱体门，因此在箱体内皮带7的两端设置有接近开关15、17，在检测位置设置有接近开关16，在箱体门的外侧还设置有接近开关14、18，在皮带7上的拍摄位置上设置有接近开关16，而且由于皮带7不仅需要根据接近开关15的检测信号启动，而且还需要根据接近开关16的检测信号进行停止以使植物停留在拍摄位置，并在拍摄完成后启动，以将植物传送走，因此皮带7上设置有两个气缸，即气缸8、9。本实用新型提供的传输装置能够实现植物的自动传送，并且通过传送装置上各气缸、接近开关的设置能够自动实现植物的自动拍摄。

在本实用新型中，雷达、机械臂、光学成像装置、传输装置通过控制装置有机地联系起来。通过控制装置，用户通过一键启动的方式，不需要单独去控制传输装置、雷达、机械臂、光学成像装置，就可实现对植物的表型信息获取。在本实用新型中，通过将各个装置集成，能够统一获取到雷达装置、光学成像装置、荧光成像装置获取到的原始图像，也可获取到对各个图像进行预定分析后的图像分析结果，比如统计分布图，植物生长状态信息等。各装置集成的虚拟画面可通过统一界面展现，在界面上通过点击雷达装置、光学成像装置，可分别获取到各装置分别获取到的原始图像，并显示这些图像。

本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：通过本实用新型提供的技术方案，能够为植物自动进行多角度成像，能够获取植物有关株型、作物高度、叶片数目、叶片长度、叶片宽度、叶片夹角、叶片温度、叶片病斑数量和叶片病斑面积、穗粒数、分蘖数等全面的作物数据，有利于对于植物的生长状态进行分析、研究。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本实用新型并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，实用新型方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。

应该注意的是上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。