專利名稱：一種溫室草莓冠層三維重構(gòu)與測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫室草莓冠層測量裝置及方法，特別是關(guān)于一種用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與計算機測控領(lǐng)域中的溫室草莓冠層三維重構(gòu)與測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
溫室草莓反季上市早、果實單果大、經(jīng)濟效益高，已成為現(xiàn)代化草莓種植的主導(dǎo)方式。同時，溫室草莓種植的快速發(fā)展極大地增強了對相應(yīng)設(shè)施農(nóng)業(yè)新技術(shù)的需求，而草莓冠層三維重構(gòu)和測量在溫室自動化施藥、肥料精準(zhǔn)施用和果產(chǎn)預(yù)估等溫室草莓精細管理中具有重要的研究意義，但是由于溫室草莓冠層形狀的不規(guī)則性和復(fù)雜性，常規(guī)方法無法有效地進行植株的冠層測量。目前采用的測量方法為手工測量或目測估算，其測量值與實際值偏差較大，其測量精度達不到溫室自動化施藥、肥料精準(zhǔn)施用和果產(chǎn)預(yù)估的訴求，同時耗費大量人力物力。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種測量精度較高、能夠滿足溫室自動化施藥、肥料精準(zhǔn)施用和果產(chǎn)預(yù)估訴求的溫室草莓冠層三維重構(gòu)與測量裝置及方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種溫室草莓冠層三維重構(gòu)與測量裝置，其特征在于它包括一設(shè)置在溫室桁架上的行走機構(gòu)、電控箱、超聲波傳感器組和上位機；所述行走機構(gòu)的控制端連接所述電控箱的一輸出端，所述電控箱的輸入端連接所述超聲波傳感器組；所述電控箱的另一輸出端連接所述上位機，所述超聲波傳感器組將采集到的溫室草莓植株的冠層輪廓點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)所述電控箱傳輸至所述上位機內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理；所述電控箱由電機控制模塊和MCU主控板構(gòu)成，所述MCU主控板輸出端分別連接所述電機控制模塊、超聲波傳感器組和上位機，所述MCU主控板與所述超聲波傳感器組和上位機進行信息交互，由所述MCU主控板向各部件發(fā)送工作命令，并將所述超聲波傳感器組采集到的數(shù)據(jù)傳輸至所述上位機。所述行走機構(gòu)由導(dǎo)軌、滑輪和步進電機構(gòu)成，所述導(dǎo)軌沿壟方向設(shè)置在溫室桁架上，所述步進電機驅(qū)動所述滑輪在所述導(dǎo)軌上沿壟方向運動。所述超聲波傳感器組由五個超聲波傳感器和桅桿構(gòu)成，所述五個超聲波傳感器并聯(lián)在所述桅桿上，經(jīng)所述桅桿與所述電控箱連接。如上述裝置的溫室草莓冠層三維重構(gòu)與測量方法，其包括以下步驟1)MCU主控板向電機控制模塊、超聲波傳感器組和上位機發(fā)送工作命令，由超聲波傳感器組采集溫室草莓植株的冠層輪廓點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；2)超聲波傳感器組中各個超聲波傳感器同時測量其與作物冠層間的最短距離，得到垂直于壟向的草莓植株的冠層不規(guī)則截面邊界點信息，經(jīng)電控箱傳輸至上位機；3)上位機采用MATLAB平臺，將接收到的邊界點信息數(shù)據(jù)通過interplO函數(shù)一維插值進行擬合，得到冠層不規(guī)則邊界的擬合曲線、4次多項式擬合表達式及截面面積；4)超聲波傳感器組在行走機構(gòu)上沿壟向移動測量，由上位機得出冠層各截面的輪廓擬合曲線及面積，再通過SUrf函數(shù)中的三次樣條二維插值法進行插值，生成溫室草莓冠層曲面函數(shù)，得出溫室草莓冠層三維重構(gòu)與體積值。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于采用電控箱、行走機構(gòu)、超聲波傳感器組和上位機構(gòu)成，可實現(xiàn)測量的自動控制，行走機構(gòu)可以沿導(dǎo)軌行走，由電控箱控制其實現(xiàn)前進、后退和返回功能，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過上位機處理后可得到溫室草莓冠層輪廓點三維坐標(biāo)。2、本發(fā)明由于采用5個超聲波傳感器進行測量可達到最優(yōu)測量效果，并采用三次樣條插值法產(chǎn)生最光滑的擬合曲線結(jié)果，其輪廓曲線4次多項式擬合的最大殘差模及截面面積估算的誤差也最小，測量精度較高。3、本發(fā)明由于在上位機內(nèi)采用interplO函數(shù)、surf函數(shù)進行溫室草莓冠層曲面擬合并計算溫室草莓冠層體積，采用該系統(tǒng)試驗與實際測量結(jié)果對比，結(jié)果表明該方法具有較好的重復(fù)性，測量結(jié)果相一致，能夠用于溫室草莓冠層三維重構(gòu)和體積測量，滿足溫室自動化施藥、肥料精準(zhǔn)施用和果產(chǎn)預(yù)估訴求。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于代農(nóng)業(yè)裝備與計算機測控領(lǐng)域中。


圖1是本發(fā)明測量裝置垂直于壟向時的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明測量裝置平行于壟向時的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖1、圖2所示，本發(fā)明的溫室草莓冠層三維重構(gòu)與測量裝置包括一設(shè)置在溫室I桁架上的行走機構(gòu)2、電控箱3、超聲波傳感器組4和上位機。行走機構(gòu)2的控制端連接電控箱3的輸入輸出端，電控箱3的輸入輸出端連接超聲波傳感器組4 ;電控箱3的輸入輸出端連接上位機(圖中未示出)，超聲波傳感器組4將采集到的溫室草莓植株的冠層輪廓點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)電控箱3傳輸至上位機內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理，得到草莓冠層三維輪廓圖像及草莓冠層體積數(shù)據(jù)。行走機構(gòu)2由導(dǎo)軌5、滑輪和步進電機構(gòu)成，導(dǎo)軌5沿壟方向設(shè)置在溫室桁架上，步進電機驅(qū)動滑輪在導(dǎo)軌5上沿壟方向運動。電控箱3由電機控制模塊和MCU主控板構(gòu)成，MCU主控板輸出端分別連接電機控制模塊、超聲波傳感器組4和上位機，M⑶主控板與超聲波傳感器組4和上位機進行信息交互，由MCU主控板向各部件發(fā)送工作命令，并將超聲波傳感器組4采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機。超聲波傳感器組4由五個超聲波傳感器6和桅桿7構(gòu)成，五個超聲波傳感器6并聯(lián)在桅桿7上，經(jīng)桅桿7與電控箱3連接。本發(fā)明的溫室草莓冠層三維重構(gòu)與測量方法包括以下步驟DMCU主控板向電機控制模塊、超聲波傳感器組4和上位機發(fā)送工作命令，由超聲波傳感器組4采集溫室草莓植株的冠層輪廓點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；2)超聲波傳感器組4中各個超聲波傳感器6同時測量其與作物冠層間的最短距離，得到垂直于壟向的草莓植株的冠層不規(guī)則截面邊界點信息，經(jīng)電控箱3傳輸至上位機；3)上位機采用MATLAB平臺，將接收到的邊界點信息數(shù)據(jù)通過interpl O函數(shù)一維插值進行擬合，便可得到冠層不規(guī)則邊界的擬合曲線、4次多項式擬合表達式及截面面積；4)超聲波傳感器組4在行走機構(gòu)2上沿壟向移動測量，進而由上位機得出冠層各截面的輪廓擬合曲線及面積，再通過surf函數(shù)中的三次樣條二維插值法進行插值，生成溫室草莓冠層曲面函數(shù)，得出溫室草莓冠層三維重構(gòu)與體積值。下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。實施例在北京市昌平區(qū)草莓種植基地隨機選取的日光溫室中進行，草莓溫室大棚長80m，寬8m，頂高3. 2m,占地640m2，試驗地為沙質(zhì)壤土, pH值6. 5，土質(zhì)優(yōu)良，肥力中等，灌溉時用地下水。采用高壟栽培，壟寬76cm，壟高18cm，壟溝寬30cm，南北走向，覆蓋地膜，每壟種植2行，行距45cm，株距12cm，每640m2定植10 000左右株。供試品種為“全明星”草莓，該品種早熟、高產(chǎn)、抗病性強且品質(zhì)好。測量試驗在5月進行，草莓處于加速生長期，根系生長緩慢，部分根枯死，同時開始抽生少量匍匐莖。日光溫室中，風(fēng)速Om/s，溫度25. 8°C，相對濕度75%，大氣壓力101. 3kPa。在該試驗中采用本發(fā)明的溫室草莓冠層三維重構(gòu)與測量方法對“全明星”草莓冠層進行驗證試驗，結(jié)果表明該方法具有較好的重復(fù)性，并與實際測量結(jié)果相一致，能夠用于溫室草莓冠層三維重構(gòu)和體積測量。綜上所述，本發(fā)明在使用時，行走機構(gòu)2的速度由電控箱3中的電機控制模塊和MCU主控板控制，主要搭載超聲波傳感器組7進行可移動連續(xù)測量，其速度在O 21m/min可調(diào)，行走方向可設(shè)定為前進、后退和自動返回三種模式。超聲波傳感器組4采集到的溫室草莓冠層數(shù)據(jù)傳輸至上位機后，在上位機內(nèi)得到溫室草莓輪廓數(shù)據(jù)，重構(gòu)草莓冠層三維輪廓圖像，擬合輪廓曲線并給出曲線的4次多項式擬合表達式，最后得出面積和體積計算值。上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的連接和結(jié)構(gòu)都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件的連接和結(jié)構(gòu)進行的改進和等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種溫室草莓冠層三維重構(gòu)與測量裝置，其特征在于:它包括一設(shè)置在溫室桁架上的行走機構(gòu)、電控箱、超聲波傳感器組和上位機；所述行走機構(gòu)的控制端連接所述電控箱的一輸出端，所述電控箱的輸入端連接所述超聲波傳感器組；所述電控箱的另一輸出端連接所述上位機，所述超聲波傳感器組將采集到的溫室草莓植株的冠層輪廓點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)所述電控箱傳輸至所述上位機內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理； 所述電控箱由電機控制模塊和MCU主控板構(gòu)成，所述MCU主控板輸出端分別連接所述電機控制模塊、超聲波傳感器組和上位機，所述MCU主控板與所述超聲波傳感器組和上位機進行信息交互，由所述MCU主控板向各部件發(fā)送工作命令，并將所述超聲波傳感器組采集到的數(shù)據(jù)傳輸至所述上位機。
2.如權(quán)利要求1所述的一種溫室草莓冠層三維重構(gòu)與測量裝置，其特征在于:所述行走機構(gòu)由導(dǎo)軌、滑輪和步進電機構(gòu)成，所述導(dǎo)軌沿壟方向設(shè)置在溫室桁架上，所述步進電機驅(qū)動所述滑輪在所述導(dǎo)軌上沿壟方向運動。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種溫室草莓冠層三維重構(gòu)與測量裝置，其特征在于:所述超聲波傳感器組由五個超聲波傳感器和桅桿構(gòu)成，所述五個超聲波傳感器并聯(lián)在所述桅桿上，經(jīng)所述桅桿與所述電控箱連接。
4.如權(quán)利要求1 3任一項所述裝置的溫室草莓冠層三維重構(gòu)與測量方法，其包括以下步驟: Dmcu主控板向電機控制模塊、超聲波傳感器組和上位機發(fā)送工作命令，由超聲波傳感器組采集溫室草莓植株的冠層輪廓點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)； 2)超聲波傳感器組中各個超聲波傳感器同時測量其與作物冠層間的最短距離，得到垂直于壟向的草莓植株的冠層不規(guī)則截面邊界點信息，經(jīng)電控箱傳輸至上位機； 3)上位機采用MATL AB平臺，將接收到的邊界點信息數(shù)據(jù)通過interplO函數(shù)一維插值進行擬合，得到冠層不規(guī)則邊界的擬合曲線、4次多項式擬合表達式及截面面積； 4)超聲波傳感器組在行走機構(gòu)上沿壟向移動測量，由上位機得出冠層各截面的輪廓擬合曲線及面積，再通過surf函數(shù)中的三次樣條二維插值法進行插值，生成溫室草莓冠層曲面函數(shù)，得出溫室草莓冠層三維重構(gòu)與體積值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種溫室草莓冠層三維重構(gòu)與測量裝置及方法，它包括一設(shè)置在溫室桁架上的行走機構(gòu)，行走機構(gòu)的控制端連接電控箱的一輸出端，電控箱的輸入端連接超聲波傳感器組；電控箱的另一輸出端連接上位機，超聲波傳感器組將采集到的溫室草莓植株的冠層輪廓點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)電控箱傳輸至上位機內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理；電控箱由電機控制模塊和MCU主控板構(gòu)成，MCU主控板輸出端分別連接電機控制模塊、超聲波傳感器組和上位機，MCU主控板與超聲波傳感器組和上位機進行信息交互，由MCU主控板向各部件發(fā)送工作命令，并將超聲波傳感器組采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機。本發(fā)明測量精度較高、能夠滿足溫室自動化施藥、肥料精準(zhǔn)施用和果產(chǎn)預(yù)估訴求，可以廣泛應(yīng)用于代農(nóng)業(yè)裝備與計算機測控領(lǐng)域中。
文檔編號G01B17/00GK103075982SQ20121053514
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者祁力鈞, 梁霞, 李慧, 冀榮華, 王沛, 王俊 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)