專利名稱：作物自動測高裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種農(nóng)業(yè)氣象觀測領(lǐng)域的測量裝置，具體是一種作物自動測高裝置。
背景技術(shù)：
在農(nóng)業(yè)氣象觀測領(lǐng)域，植株生長高度是衡量作物生長速度的標志之一。目前，在作物整個生長期間，對作物進行高度的測量都采用的是人工方式。這種方式不僅操作繁瑣，給觀測人員增加沉重的負擔，而且測量結(jié)果還會引入人為的誤差。專利文獻200810059040. 8公開了一種農(nóng)作物植株高度的檢測方法，利用光電掃描系統(tǒng)連續(xù)掃描農(nóng)作物，采用自上而下地掃描光接收器的狀態(tài)，從而提取當前位置植株的邊緣高度數(shù)據(jù)。該方法較適用于農(nóng)作物機械化作業(yè)，例如，摘頂?shù)龋驗樗枰栏接谶\動裝置，因此該方法不適合于對作物生長高度進行長時間自動觀測，同時該專利所使用的傳感器較多，成本較高。另外，2004年7月在期刊《農(nóng)機化研究》上發(fā)表的文章“作物高度自動測量裝置的研制”中也介紹了一種使用非接觸式測量方法-超聲測距法對作物高度進行測量的裝置。 該測量裝置將超聲波測距傳感器安置在作物上方，通過垂直向下發(fā)射超聲波獲取作物冠層與傳感器之間的距離，來推算作物的高度。因此該裝置僅適用于對傳感器正下方的作物進行高度測量，而且由于超聲波測距傳感器本身存在一些缺點，比如，反射問題、噪音、交叉問題等，會對作物冠層頂端的確定帶入較大的誤差，進而影響高度測量的結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺陷，本發(fā)明設計了一種作物自動測高裝置，利用微處理器控制伺服電機轉(zhuǎn)動，使其帶動傳感器對作物進行自動掃描，完成作物冠層頂端確定和高度測量的工作。本發(fā)明在能夠保證硬件成本不高的同時能準確地確定作物冠層頂端， 完成作物高度的自動測量。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種作物自動測高裝置，包括五個部分基座部分、傳動部分、感知部分、控制部分、顯示部分。其中，基座部分包括底座、支柱、索軌，支柱固定在底座上，支柱垂直內(nèi)側(cè)設有凹槽，索軌設置固定在凹槽內(nèi)。傳動部分包括滑動支架、繞線、定滑輪、伺服電機；滑動支架套在索軌上，并且可以沿著索軌上下滑動，定滑輪固定在支柱的頂端，360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機(第一伺服電機) 固定在支柱底部的底座上?；瑒咏M件上端與繞線一端相連，繞線另一端通過定滑輪與另一側(cè)的360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機相連。360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機轉(zhuǎn)動可帶動滑動組件垂直上下移動。所述滑動支架，由面板、擋塊與滾輪焊接而成，面板主要用來固定180度旋轉(zhuǎn)伺服電機(第二伺服電機)和紅外、超聲波測距傳感器，擋塊主要用于使滑動支架能夠套在索軌上，滾輪能使滑動支架貼著支柱上下滾動。感知部分包括紅外測距傳感器與超聲波測距傳感器；支柱頂端和底端分別固定有方向朝下和朝上的紅外測距傳感器。其中紅外測距傳感器與180度旋轉(zhuǎn)伺服電機的轉(zhuǎn)軸相連，其射線發(fā)射方向為水平方向，超聲波測距傳感器聲波發(fā)射方向為垂直向下。所述固定在支柱頂端和底端的兩個紅外測距傳感器，用來獲取滑動支架當前是否到達支柱頂端和底端的信息，供微處理器自動判斷時使用?？刂撇糠譃槲⑻幚砥?；所述微處理器，包括數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊。具體功能說明如下a.數(shù)據(jù)輸入模塊用于接收微處理器獲得的紅外測距傳感器與超聲波測距傳感器數(shù)據(jù)；b.數(shù)據(jù)處理模塊是根據(jù)所接收的數(shù)據(jù)自動判斷是否找到作物頂點或者是否達到支柱最高與最低點，如果找到作物頂端，則使伺服電機停止轉(zhuǎn)動，并且保存當前傳感器數(shù)據(jù)，計算高度值，將該高度值輸出給數(shù)據(jù)輸出模塊。如果沒有找到作物頂點，則使伺服電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動；c.數(shù)據(jù)輸出模塊用于顯示所獲取得各傳感器數(shù)據(jù)，其中包括最終測量的高度值。顯示部分為IXD顯示器。IXD顯示器與微處理器分別被固定在支柱側(cè)面與底座上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果1，本發(fā)明采用紅外測距傳感器確定作物冠層頂端，相比超聲波測距傳感器更加準確，而且結(jié)合伺服電機運動掃描的方式完成測距，相比使用傳感器陣列來說，大大降低了設備的成本；2，本發(fā)明除了能夠?qū)沃曜魑锏母叨冗M行測量以外，還可以對測量裝置前方固定區(qū)域內(nèi)的作物整體高度進行測量，因此適用范圍更廣；3，本發(fā)明能夠自動完成作物高度的測量，不需要人工干預，因此減輕了農(nóng)氣觀測人員的負擔，省時省力；4，本發(fā)明適合長時間定點觀測，與人工觀測數(shù)據(jù)相比，本發(fā)明獲取的作物高度數(shù)據(jù)更加的準確完全，能更好地為農(nóng)作物生長狀況觀測服務。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)前視圖。圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)下視圖。圖4是本發(fā)明中滑動支架的結(jié)構(gòu)下視圖。圖5是本發(fā)明中滑動支架的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖6是本發(fā)明中滑動支架的結(jié)構(gòu)后視圖。圖7是本發(fā)明中微處理器結(jié)構(gòu)框圖。圖8是本發(fā)明的作物高度測量示意圖。圖9是本發(fā)明中微處理器處理流程圖。圖1、2、3中11底座，12支柱，13索軌，21滑動支架，22繞線，23定滑輪，24180度旋轉(zhuǎn)伺服電機，25360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機，31紅外測距傳感器，32紅外測距傳感器，33紅外測距傳感器，34超聲波測距傳感器，41微處理器，51IXD顯示器。圖4、5、6中211面板，212擋塊，213滾輪。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明。本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1、2、3所示，本發(fā)明的作物自動測高裝置包括基座部分、傳動部分、感知部分、控制部分和顯示部分。所述基座部分為基本支撐結(jié)構(gòu)，所述傳動部分、感知部分、控制部分和顯示部分設置在該基座部分1上。所述控制部分通過發(fā)出指令控制傳動部分運動，帶動感知部分對作物進行掃描測量，獲得測量數(shù)據(jù)并返回給所述控制部分4，所述控制部分對返回的測量數(shù)據(jù)進行自動計算，將計算處理結(jié)果輸出給顯示部分5顯示。所述的基座部分包括底座11、支柱12和索軌13，所述支柱12鉛直固定在底座11 上，該支柱12 —外側(cè)面上設有軸向上的凹槽，索軌13置于該凹槽內(nèi)，形成可沿支柱12上下移動的軌道。所述傳動部分包括滑動支架21、繞線22、定滑輪23、伺服電機M和25。滑動支架 21套在索軌13上，可以沿著索軌13在支柱12上上下滑動。定滑輪23固定在支柱12的頂端，伺服電機25固定在靠近支柱12底部的底座11上。繞線22繞在定滑輪23上，滑動支架21上端與繞線22 —端相連，繞線22另一端繞過定滑輪23后與所述伺服電機25相連， 伺服電機25轉(zhuǎn)動可帶動滑動支架21沿支柱12上的索軌13垂直上下移動。所述伺服電機 24固定在滑動支架21，隨滑動支架21 —起運動。伺服電機M為180度旋轉(zhuǎn)伺服電機，優(yōu)選型號為TowerPro SG5010的輝盛伺服電機。伺服電機25為360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機，優(yōu)選型號為TowerPro MG945的輝盛伺服電機；如圖4、5、6所示，所述滑動支架21由面板211、擋塊212與滾輪213焊接而成；也可以通過其他方式連接，如螺紋連接、鉚接或粘接等。所述滾輪213可以有多對，均連接在面板211上，擋塊212設置在滾輪對的兩滾輪之間，索軌13套在擋塊213和面板211之間的空隙處，在伺服電機25的帶動下，通過該空隙套在索軌13上的滑動支架21通過滾輪213 在支柱12上上下運動。感知部分3包括紅外測距傳感器31、32、33與超聲波測距傳感器34 ；紅外測距傳感器31和33分別固定在支柱12的頂端和底端，方向分別朝下和朝上，用來獲取滑動支架 21與支柱12頂端和底端的距離信息，供所述控制部分自動判斷時使用。所述紅外測距傳感器32與伺服電機M的轉(zhuǎn)軸相連，其射線發(fā)射方向為水平方向，用來測量前方待測作物離傳感器32之間的距離；超聲波測距傳感器34設置在滑動支架21上，其聲波發(fā)射方向為垂直向下，用以獲得傳感器；34與底座11之間的距離。伺服電機M、紅外測距傳感器32和超聲波測距傳感器34固定在所述面板211上。本實施例中，紅外測距傳感器31和33優(yōu)選夏普紅外測距傳感器(型號GP2D12)； 紅外測距傳感器32優(yōu)選夏普紅外測距傳感器(型號GP2Y0A02TO)F)；超聲波測距傳感器 34優(yōu)選美國Parallax超聲波測距傳感器(型號=RB URF vl. 1)。
所述控制部分4包括數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊。如圖7所示， 具體功能說明如下數(shù)據(jù)輸入模塊用于接收紅外測距傳感器31、32、33與超聲波測距傳感器34的數(shù)據(jù)，并同時將接收的數(shù)據(jù)傳輸給所述輸出模塊；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)所接收的傳感器數(shù)據(jù)判斷出作物頂端，同時判斷是否達到支柱 12的最高與最低點，如果找到作物頂端，則使伺服電機停止轉(zhuǎn)動，并且保存當前傳感器數(shù)據(jù)，計算高度值，并將該高度值輸出給數(shù)據(jù)輸出模塊；如果沒有找到作物頂端，則使伺服電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動；如果達到支柱最高點，表示作物頂端高度超過測量范圍，此時使第一伺服電機M 停止轉(zhuǎn)動，使第二伺服電機25轉(zhuǎn)動帶動滑動支架21下降到起始位置，不進行測量；如果達到支柱12最低點，則使第二伺服電機25停止轉(zhuǎn)動，測量結(jié)束。數(shù)據(jù)輸出模塊用于將各傳感器數(shù)據(jù)以及所述計算的高度值輸出到所述顯示部分， 或者遠程傳輸?shù)狡渌幚碓O備。所述控制部分4優(yōu)選為微處理器41，如Arduino互動控制器(型號=Duemilanove 2009ATmega328P-PU)。所述顯示部分5為顯示器51，用于顯示傳感器測量的數(shù)據(jù)，以及通過控制部分計算得到的作物高度值。顯示器51優(yōu)選為Arduino IXD1602字符液晶擴展板v2. O。IXD顯示器51與微處理器41分別被固定在支柱12側(cè)面與底座11上。如圖8所示，本發(fā)明的工作原理如下a.首先將本發(fā)明裝置置于待測量作物前方，裝置與作物之間水平距離根據(jù)紅外測距傳感器32的測量有效范圍L來確定，距離小于L即可；b.微處理器41發(fā)出指令控制360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機25轉(zhuǎn)動，使滑動組件由下往上垂直移動一個單位高度，再控制滑動組件中的180度旋轉(zhuǎn)伺服電機M帶動紅外測距傳感器32水平左右來回擺動一次，擺動同時獲取前方障礙物與紅外測距傳感器32的距離采樣數(shù)據(jù)集；c.將紅外測距傳感器32獲取的水平采樣距離數(shù)據(jù)集和超聲波測距傳感器34獲取的距離數(shù)據(jù)輸入到微處理器41，微處理器41自動判斷是否找到作物頂端；d.如果找到作物頂端，則停止180度旋轉(zhuǎn)伺服電機M和360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機25轉(zhuǎn)動，并且根據(jù)公式H = h1+h2+h3求出作物高度值，并且將高度值輸出到IXD顯示器 51中顯示。其中，H為作物高度，Ii1為超聲波測距傳感器34與紅外測據(jù)傳感器32之間的高度，h2為超聲波測據(jù)傳感器34與底座11之間的距離值，h3為底座11的厚度。e.如果沒有找到作物頂端，則微處理器41繼續(xù)發(fā)出指令控制滑動組件向上移動一個單位高度，如此循環(huán)，直到找到作物頂端為止。f.如果達到支柱最高點，還沒有找到作物頂端，則說明作物高度超過測量范圍，此時停止180度旋轉(zhuǎn)伺服電機M轉(zhuǎn)動，發(fā)出指令控制360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機25轉(zhuǎn)動使滑動組件下降回到初始位置，結(jié)束測量。如圖9所示，本發(fā)明中微處理器41的處理流程如下a.開始時微處理器發(fā)出指令控制360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機25轉(zhuǎn)動使滑動組件上升一個單位高度；
b.獲取紅外測距傳感器31的距離值；c.判斷距離值是否小于閾值，該閾值為滑動組件離支柱12頂端的最小值；d.如果距離小于閾值則使伺服電機停止25轉(zhuǎn)動，并轉(zhuǎn)到步驟k ；e.如果距離大于閾值，則轉(zhuǎn)到步驟f ；f.控制180度旋轉(zhuǎn)伺服電機M帶動紅外測據(jù)傳感器32左右擺動一個來回，與此同時獲取該傳感器的距離數(shù)據(jù)集；g.判斷該數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)是否都大于紅外測距傳感器32的有效測距范圍L ；h.如果不是則轉(zhuǎn)到步驟a ；i.如果數(shù)據(jù)集的值都大于紅外測距傳感器32的有效測距范圍L，則表示已找到作物頂端，此時計算高度值并且使伺服電機25停止轉(zhuǎn)動；j.將高度值在IXD顯示器51中顯示；k.控制360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機25帶動滑動組件下降，同時檢測紅外測距傳感器 33的距離值；1.判斷距離值是否小于閾值，該閾值為滑動組件初始位置與紅外測距傳感器33 之間的距離值；m.如果大于閾值則轉(zhuǎn)到步驟k ；η.如果小于閾值則使360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機25停止轉(zhuǎn)動，處理流程結(jié)束。
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權(quán)利要求
1.一種作物自動測高裝置，用于作物高度的自動測量，該裝置包括基座、傳動部分、感知部分、控制部分和顯示部分，所述傳動部分、感知部分、控制部分和顯示部分設置在該基座上，所述控制部分發(fā)出指令控制所述傳動部分動作，帶動感知部分對作物進行掃描測量， 進而獲得測量數(shù)據(jù)并返回給所述控制部分，該控制部分對返回的測量數(shù)據(jù)進行計算處理， 獲得作物高度，并輸出到顯示部分進行顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述基座包括底座(11)、支柱(12)和索軌 (13)，該支柱(12)鉛直地立在底座(11)上，該支柱(12)外側(cè)面上設有軸向凹槽，所述索軌 (13)設置在該凹槽內(nèi)，該凹槽和索軌(13) —起構(gòu)成能用于沿支柱(12)上下移動的通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述傳動部分包括滑動支架(21)、繞線 (22)、定滑輪(23)和第一伺服電機(25)，該滑動支架(21)套在所述索軌(13)上，可沿著該索軌(13)在所述通道內(nèi)上下滑動，所述定滑輪(23)固定在所述支柱(12)的頂端，所述第一伺服電機(25 )固定在所述底座(11)上，所述繞線(22 )繞在所述定滑輪(23 )上，該繞線 (22) —端與所述滑動支架(21)相連，另一端繞過定滑輪(23)后與所述第一伺服電機(25) 連接，該第一伺服電機(25 )工作時通過該繞線(22 )帶動所述滑動支架(21)沿支柱(12 )上下移動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述滑動支架(21)包括面板(211)、擋塊 (212)與滾輪(213)，所述滾輪(213)至少為一對，設置在面板(211)上，所述擋塊(212)設置在滾輪對的兩滾輪(213)之間，所述索軌(13)穿過該擋塊(213)和面板(211)之間的空隙后固定在所述滑動支架(21)上，在伺服電機(25)的帶動下，帶動所述滑動支架(21)通過滾輪(213 )在所述通道內(nèi)的滾動實現(xiàn)上下移動。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4之一所述的裝置，其特征在于，所述感知部分包括三個紅外測距傳感器(31，32，33)和一個超聲波測距傳感器(34)，它們均設置在所述滑動支架(21)上，其中兩個紅外測距傳感器(31，33)分別固定在支柱(12)的頂端和底端，分別用于獲取滑動支架(21)與支柱(12)頂端和底端的距離，另一個紅外測距傳感器(32)與第二伺服電機(24) 的轉(zhuǎn)軸相連，用于測量前方待測作物與所述紅外測距傳感器(32)之間的距離；所述超聲波測距傳感器(34)設置在滑動支架(21)上，用以測量該超聲波測距傳感器(34)與底座(11) 之間的距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述控制部分包括數(shù)據(jù)輸入模塊，用于接收所述三個紅外測距傳感器(31，32，33 )和所述超聲波測距傳感器(34)的數(shù)據(jù)，并同時將接收的數(shù)據(jù)傳輸給所述輸出模塊；數(shù)據(jù)處理模塊，其根據(jù)所接收的傳感器數(shù)據(jù)判斷出作物頂端，使第一伺服電機(25)停止轉(zhuǎn)動，并且保存當前傳感器數(shù)據(jù)，計算出高度值，并將該高度值輸出給數(shù)據(jù)輸出模塊；數(shù)據(jù)輸出模塊，用于將各傳感器數(shù)據(jù)以及所述計算的高度值輸出到所述顯示部分，或者傳輸?shù)竭h程的處理設備。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述高度值通過如下公式計算得到H= h1+h2+h3其中，H為作物高度，Ill為超聲波測距傳感器(34)與所述另一個紅外測據(jù)傳感器(32) 之間的高度，Ii2為所述超聲波測據(jù)傳感器(34)的測量值，Ii3為設置在地面的底座(11)的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)所述另一個紅外測據(jù)傳感器(32)的測量值判斷是否到達作物頂端。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8之一所述的裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊能夠根據(jù)所述兩個紅外測距傳感器(31，33)所接收的數(shù)據(jù)判斷滑動支架(21)是否達到支柱(12)的最高點或最低點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種作物自動測高裝置，用于作物高度的自動測量，該裝置包括基座、傳動部分、感知部分、控制部分和顯示部分，所述傳動部分、感知部分、控制部分和顯示部分設置在該基座上，所述控制部分發(fā)出指令控制所述傳動部分動作，帶動感知部分對作物進行掃描測量，進而獲得測量數(shù)據(jù)并返回給所述控制部分，該控制部分對返回的測量數(shù)據(jù)進行計算處理，獲得作物高度，并輸出到顯示部分進行顯示。本發(fā)明在能夠保證硬件成本不高的同時能準確地確定作物冠層頂端，完成作物高度的自動測量。
文檔編號G01B17/00GK102175156SQ201110020638
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者余正泓, 張雪芬, 曹治國, 朱磊, 李翠娜, 薛紅喜, 鄢睿丞 申請人:華中科技大學