CN103075982B - 一种温室草莓冠层三维重构与测量装置及方法 - Google Patents

一种温室草莓冠层三维重构与测量装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103075982B
CN103075982B CN201210535141.4A CN201210535141A CN103075982B CN 103075982 B CN103075982 B CN 103075982B CN 201210535141 A CN201210535141 A CN 201210535141A CN 103075982 B CN103075982 B CN 103075982B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ultrasonic sensor
sensor group
greenhouse
canopy
strawberry
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201210535141.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103075982A (zh
Inventor
祁力钧
梁霞
李慧
冀荣华
王沛
王俊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Agricultural University
Original Assignee
China Agricultural University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Agricultural University filed Critical China Agricultural University
Priority to CN201210535141.4A priority Critical patent/CN103075982B/zh
Publication of CN103075982A publication Critical patent/CN103075982A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103075982B publication Critical patent/CN103075982B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明涉及一种温室草莓冠层三维重构与测量装置及方法，它包括一设置在温室桁架上的行走机构，行走机构的控制端连接电控箱的一输出端，电控箱的输入端连接超声波传感器组；电控箱的另一输出端连接上位机，超声波传感器组将采集到的温室草莓植株的冠层轮廓点三维坐标数据经电控箱传输至上位机内进行数据处理；电控箱由电机控制模块和MCU主控板构成，MCU主控板输出端分别连接电机控制模块、超声波传感器组和上位机，MCU主控板与超声波传感器组和上位机进行信息交互，由MCU主控板向各部件发送工作命令，并将超声波传感器组采集到的数据传输至上位机。本发明测量精度较高、能够满足温室自动化施药、肥料精准施用和果产预估诉求，可以广泛应用于代农业装备与计算机测控领域中。

Description

一种温室草莓冠层三维重构与测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种温室草莓冠层测量装置及方法，特别是关于一种用于现代农业装备与计算机测控领域中的温室草莓冠层三维重构与测量装置及方法。
背景技术
温室草莓反季上市早、果实单果大、经济效益高，已成为现代化草莓种植的主导方式。同时，温室草莓种植的快速发展极大地增强了对相应设施农业新技术的需求，而草莓冠层三维重构和测量在温室自动化施药、肥料精准施用和果产预估等温室草莓精细管理中具有重要的研究意义，但是由于温室草莓冠层形状的不规则性和复杂性，常规方法无法有效地进行植株的冠层测量。目前采用的测量方法为手工测量或目测估算，其测量值与实际值偏差较大，其测量精度达不到温室自动化施药、肥料精准施用和果产预估的诉求，同时耗费大量人力物力。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种测量精度较高、能够满足温室自动化施药、肥料精准施用和果产预估诉求的温室草莓冠层三维重构与测量装置及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种温室草莓冠层三维重构与测量装置，其特征在于：它包括一设置在温室桁架上的行走机构、电控箱、超声波传感器组和上位机；所述行走机构的控制端连接所述电控箱的一输出端，所述电控箱的输入端连接所述超声波传感器组；所述电控箱的另一输出端连接所述上位机，所述超声波传感器组将采集到的温室草莓植株的冠层轮廓点三维坐标数据经所述电控箱传输至所述上位机内进行数据处理；所述电控箱由电机控制模块和MCU主控板构成，所述MCU主控板输出端分别连接所述电机控制模块、超声波传感器组和上位机，所述MCU主控板与所述超声波传感器组和上位机进行信息交互，由所述MCU主控板向各部件发送工作命令，并将所述超声波传感器组采集到的数据传输至所述上位机。
所述行走机构由导轨、滑轮和步进电机构成，所述导轨沿垄方向设置在温室桁架上，所述步进电机驱动所述滑轮在所述导轨上沿垄方向运动。
所述超声波传感器组由五个超声波传感器和桅杆构成，所述五个超声波传感器并联在所述桅杆上，经所述桅杆与所述电控箱连接。
如上述装置的温室草莓冠层三维重构与测量方法，其包括以下步骤：1)MCU主控板向电机控制模块、超声波传感器组和上位机发送工作命令，由超声波传感器组采集温室草莓植株的冠层轮廓点三维坐标数据；2)超声波传感器组中各个超声波传感器同时测量其与作物冠层间的最短距离，得到垂直于垄向的草莓植株的冠层不规则截面边界点信息，经电控箱传输至上位机；3)上位机采用MATLAB平台，将接收到的边界点信息数据通过interp1()函数一维插值进行拟合，得到冠层不规则边界的拟合曲线、4次多项式拟合表达式及截面面积；4)超声波传感器组在行走机构上沿垄向移动测量，由上位机得出冠层各截面的轮廓拟合曲线及面积，再通过surf函数中的三次样条二维插值法进行插值，生成温室草莓冠层曲面函数，得出温室草莓冠层三维重构与体积值。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用电控箱、行走机构、超声波传感器组和上位机构成，可实现测量的自动控制，行走机构可以沿导轨行走，由电控箱控制其实现前进、后退和返回功能，采集的数据经过上位机处理后可得到温室草莓冠层轮廓点三维坐标。2、本发明由于采用5个超声波传感器进行测量可达到最优测量效果，并采用三次样条插值法产生最光滑的拟合曲线结果，其轮廓曲线4次多项式拟合的最大残差模及截面面积估算的误差也最小，测量精度较高。3、本发明由于在上位机内采用interp1()函数、surf函数进行温室草莓冠层曲面拟合并计算温室草莓冠层体积，采用该***试验与实际测量结果对比，结果表明该方法具有较好的重复性，测量结果相一致，能够用于温室草莓冠层三维重构和体积测量，满足温室自动化施药、肥料精准施用和果产预估诉求。本发明可以广泛应用于代农业装备与计算机测控领域中。
附图说明
图1是本发明测量装置垂直于垄向时的整体结构示意图；
图2是本发明测量装置平行于垄向时的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1、图2所示，本发明的温室草莓冠层三维重构与测量装置包括一设置在温室1桁架上的行走机构2、电控箱3、超声波传感器组4和上位机。行走机构2的控制端连接电控箱3的输入输出端，电控箱3的输入输出端连接超声波传感器组4；电控箱3的输入输出端连接上位机(图中未示出)，超声波传感器组4将采集到的温室草莓植株的冠层轮廓点三维坐标数据经电控箱3传输至上位机内进行数据处理，得到草莓冠层三维轮廓图像及草莓冠层体积数据。
行走机构2由导轨5、滑轮和步进电机构成，导轨5沿垄方向设置在温室桁架上，步进电机驱动滑轮在导轨5上沿垄方向运动。
电控箱3由电机控制模块和MCU主控板构成，MCU主控板输出端分别连接电机控制模块、超声波传感器组4和上位机，MCU主控板与超声波传感器组4和上位机进行信息交互，由MCU主控板向各部件发送工作命令，并将超声波传感器组4采集到的数据传输至上位机。
超声波传感器组4由五个超声波传感器6和桅杆7构成，五个超声波传感器6并联在桅杆7上，经桅杆7与电控箱3连接。
本发明的温室草莓冠层三维重构与测量方法包括以下步骤：
1)MCU主控板向电机控制模块、超声波传感器组4和上位机发送工作命令，由超声波传感器组4采集温室草莓植株的冠层轮廓点三维坐标数据；
2)超声波传感器组4中各个超声波传感器6同时测量其与作物冠层间的最短距离，得到垂直于垄向的草莓植株的冠层不规则截面边界点信息，经电控箱3传输至上位机；
3)上位机采用MATLAB平台，将接收到的边界点信息数据通过interp1()函数一维插值进行拟合，便可得到冠层不规则边界的拟合曲线、4次多项式拟合表达式及截面面积；
4)超声波传感器组4在行走机构2上沿垄向移动测量，进而由上位机得出冠层各截面的轮廓拟合曲线及面积，再通过surf函数中的三次样条二维插值法进行插值，生成温室草莓冠层曲面函数，得出温室草莓冠层三维重构与体积值。
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。实施例：在北京市昌平区草莓种植基地随机选取的日光温室中进行，草莓温室大棚长80m，宽8m，顶高3.2m，占地640m2，试验地为沙质壤土，pH值6.5，土质优良，肥力中等，灌溉时用地下水。采用高垄栽培，垄宽76cm，垄高18cm，垄沟宽30cm，南北走向，覆盖地膜，每垄种植2行，行距45cm，株距12cm，每640m2定植10 000左右株。供试品种为“全明星”草莓，该品种早熟、高产、抗病性强且品质好。测量试验在5月进行，草莓处于加速生长期，根系生长缓慢，部分根枯死，同时开始抽生少量匍匐茎。日光温室中，风速0m/s，温度25.8℃，相对湿度75％，大气压力101.3kPa。
在该试验中采用本发明的温室草莓冠层三维重构与测量方法对“全明星”草莓冠层进行验证试验，结果表明该方法具有较好的重复性，并与实际测量结果相一致，能够用于温室草莓冠层三维重构和体积测量。
综上所述，本发明在使用时，行走机构2的速度由电控箱3中的电机控制模块和MCU主控板控制，主要搭载超声波传感器组7进行可移动连续测量，其速度在0～21m/min可调，行走方向可设定为前进、后退和自动返回三种模式。超声波传感器组4采集到的温室草莓冠层数据传输至上位机后，在上位机内得到温室草莓轮廓数据，重构草莓冠层三维轮廓图像，拟合轮廓曲线并给出曲线的4次多项式拟合表达式，最后得出面积和体积计算值。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种温室草莓冠层三维重构与测量装置，其特征在于：它包括一设置在温室桁架上的行走机构、电控箱、超声波传感器组和上位机；所述行走机构的控制端连接所述电控箱的一输出端，所述电控箱的输入端连接所述超声波传感器组；所述电控箱的另一输出端连接所述上位机，所述超声波传感器组将采集到的温室草莓植株的冠层轮廓点三维坐标数据经所述电控箱传输至所述上位机内进行数据处理；
所述电控箱由电机控制模块和MCU主控板构成，所述MCU主控板输出端分别连接所述电机控制模块、超声波传感器组和上位机，所述MCU主控板与所述超声波传感器组和上位机进行信息交互，由所述MCU主控板向各部件发送工作命令，并将所述超声波传感器组采集到的数据传输至所述上位机；
所述行走机构由导轨、滑轮和步进电机构成，所述导轨沿垄方向设置在温室桁架上，所述步进电机驱动所述滑轮在所述导轨上沿垄方向运动；所述行走机构的速度由所述电控箱中的电机控制模块和MCU主控板控制，主要搭载所述超声波传感器组进行可移动连续测量，其速度在0～21m/min可调。
2.如权利要求1所述的一种温室草莓冠层三维重构与测量装置，其特征在于：所述超声波传感器组由五个超声波传感器和桅杆构成，所述五个超声波传感器并联在所述桅杆上，经所述桅杆与所述电控箱连接。
3.如权利要求1～2任一项所述装置的温室草莓冠层三维重构与测量方法，其包括以下步骤：
1)MCU主控板向电机控制模块、超声波传感器组和上位机发送工作命令，由超声波传感器组采集温室草莓植株的冠层轮廓点三维坐标数据；
2)超声波传感器组中各个超声波传感器同时测量其与作物冠层间的最短距离，得到垂直于垄向的草莓植株的冠层不规则截面边界点信息，经电控箱传输至上位机；
3)上位机采用MATLAB平台，将接收到的边界点信息数据通过interp1()函数一维插值进行拟合，得到冠层不规则边界的拟合曲线、4次多项式拟合表达式及截面面积；
4)超声波传感器组在行走机构上沿垄向移动测量，由上位机得出冠层各截面的轮廓拟合曲线及面积，再通过surf函数中的三次样条二维插值法进行插值，生成温室草莓冠层曲面函数，得出温室草莓冠层三维重构与体积值。
CN201210535141.4A 2012-12-13 2012-12-13 一种温室草莓冠层三维重构与测量装置及方法 Expired - Fee Related CN103075982B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210535141.4A CN103075982B (zh) 2012-12-13 2012-12-13 一种温室草莓冠层三维重构与测量装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210535141.4A CN103075982B (zh) 2012-12-13 2012-12-13 一种温室草莓冠层三维重构与测量装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103075982A CN103075982A (zh) 2013-05-01
CN103075982B true CN103075982B (zh) 2015-05-13

Family

ID=48152596

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210535141.4A Expired - Fee Related CN103075982B (zh) 2012-12-13 2012-12-13 一种温室草莓冠层三维重构与测量装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103075982B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106197545B (zh) * 2016-07-22 2018-09-11 北京农业信息技术研究中心 植物群体结构分析装置与方法
CN107861461A (zh) * 2017-12-12 2018-03-30 南宁职业技术学院 一种基于plc的仓库智能计数在线检测***
CN108592832B (zh) * 2018-05-11 2020-05-22 朱芃嘉 一种基于物理超声波探测的农业育苗实验装置
CN111307150B (zh) * 2020-02-27 2021-07-23 华南农业大学 柔性植株气流表征物理参数提取装置及方法
CN112686987A (zh) * 2020-12-30 2021-04-20 淮北幻境智能科技有限公司 一种人体虚拟模型的构建方法和装置
CN113064174B (zh) * 2021-03-22 2024-05-17 塔里木大学 一种棉株顶尖器官精准定位设备

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020087248A (ko) * 2001-05-15 2002-11-22 현대중공업 주식회사 자동 컨테이너 운송차의 센서를 이용한 거리 검출 장치
CN101449065A (zh) * 2006-04-14 2009-06-03 株式会社Jms 直压板夹具
CN102135418A (zh) * 2010-12-30 2011-07-27 陕西科技大学 一种大型散堆料的体积测量装置
CN102564593A (zh) * 2011-12-30 2012-07-11 河海大学常州校区 基于计算机视觉及物联网的植物生长状况监测***

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020087248A (ko) * 2001-05-15 2002-11-22 현대중공업 주식회사 자동 컨테이너 운송차의 센서를 이용한 거리 검출 장치
CN101449065A (zh) * 2006-04-14 2009-06-03 株式会社Jms 直压板夹具
CN102135418A (zh) * 2010-12-30 2011-07-27 陕西科技大学 一种大型散堆料的体积测量装置
CN102564593A (zh) * 2011-12-30 2012-07-11 河海大学常州校区 基于计算机视觉及物联网的植物生长状况监测***

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
sonar and digital imagery for estimating crop biomass;Carol L.Jones etal;《2004 ASAE/CSAE annual international meeting》;20040804;文章第4-5页、以及附图2 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN103075982A (zh) 2013-05-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103075982B (zh) 一种温室草莓冠层三维重构与测量装置及方法
CN102726273A (zh) 一种作物根区土壤水分监测与智能灌溉决策方法
CN105353620B (zh) 一种基于地表水深信息的地面灌溉控制方法
CN105353689B (zh) 基于物联网的农药喷洒机械管理控制***
CN106892009A (zh) 一种北斗导航无人驾驶全液压多功能拖拉机及其控制方法
CN102613161A (zh) 喷杆喷雾机控制***及喷雾补偿控制方法
CN201957524U (zh) 自动化茶园精细化生长发育测量及病虫害检测装置
CN104007677B (zh) 一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器
CN101716567A (zh) 基于处方图控制的智能变量喷药机
CN106211894A (zh) 快速测量智能配方施肥机
CN107168421A (zh) 一种自动化深松牵引耕地***及方法
CN111122777B (zh) 一种植株冠层生物量测量***及方法
CN106982563A (zh) 一种牵引式耕整地机具耕深检测***及方法
CN203519353U (zh) 一种隧道式喷雾的空间雾滴沉积量测试装置
Cai et al. Design and performance evaluation of a variable-rate orchard sprayer based on a laser-scanning sensor
CN106940551A (zh) 一种基于物联网的牧场环境采集***
CN104285763A (zh) 基于物联网的太阳能精准灌溉***
CN201565393U (zh) 基于处方图控制的智能变量喷药机
CN109813865A (zh) 一种设施土壤盐分监测方法与***
CN211129521U (zh) 自动对靶变量喷雾控制***及喷雾机
CN206734437U (zh) 一种北斗导航无人驾驶全液压多功能拖拉机
CN115329638A (zh) 滴灌土壤湿润体尺寸的估算方法
Xin et al. Development of vegetable intelligent farming device based on mobile APP
CN107491724B (zh) 一种冬小麦穗分化期识别方法及装置
CN111288934B (zh) 一种基于移动激光扫描的靶标叶面积在线计算方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150513

Termination date: 20161213

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee