CN107908198B - 一种植物盆景光照塑形引导***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种植物盆景光照塑形引导***及方法，该***包括花盆位姿调整机构；环形光强检测阵列；图像采集装置，设于花盆位姿调整机构的上方，用于采集盆景的俯视图；盆景姿态评估软件模块，运行于控制微机上，用于通过对图像采集装置采集的俯视图进行分析，得到盆景当前状态与用户设定状态间的差异；视觉校正决策软件模块，运行于控制微机上，用于利用环形光强检测阵列得到的光照强度信息，结合盆景姿态评估软件模块得到差异信息，计算得到花盆位姿调整机构的水平旋转角度、仰起角度及停留时间。与现有技术相比，本发明通过花盆姿态调整使盆景的各部分受光不均，从而生成富有观赏效果的虬枝，特别在光线不足的室内也有助于盆中植物的生长。
Description
技术领域
本发明涉及自适应控制领域，尤其是涉及一种植物盆景光照塑形引导***及方法。
背景技术
植物盆景是以植物和山石为基本材料在盆内表现自然景观的中国传统艺术品。制作盆景时，常通过施加定向光照或是牵拉等方式使植株产生偏向一侧或多侧的突出枝叶，以形成别具特色的景观艺术。而牵拉方式由于植株受力情况随生长不断发生变化难以准确估量，存在不确定因素，难以实施利用，因此，有必要提供一种植物盆景光照塑形引导***，采用不断调整定向光照的方式诱导植株发生单侧或多侧倾斜，以致最终生成盆景景观。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种植物盆景光照塑形引导***及方法，通过花盆姿态调整使盆景的各部分受光不均，从而生成富有观赏效果的虬枝，特别在光线不足的室内也有助于盆中植物的生长。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种植物盆景光照塑形引导***包括：
花盆位姿调整机构，用于固定盆景的位置，并带动盆景绕中心作360度旋转以及相对水平面作90度的仰起操作；
环形光强检测阵列，呈环状，套设在花盆位姿调整机构上，用于采集以盆景为中心的水平面上360度空间内每个方向角的光照强度；
图像采集装置，设于花盆位姿调整机构的上方，用于采集盆景的俯视图；
盆景姿态评估软件模块，运行于控制微机上，用于通过对图像采集装置采集的俯视图进行分析，得到盆景当前状态与用户设定状态间的差异；
视觉校正决策软件模块，运行于控制微机上，用于利用环形光强检测阵列得到的光照强度信息，结合盆景姿态评估软件模块得到差异信息，计算得到花盆位姿调整机构的水平旋转角度、仰起角度及停留时间。
所述花盆位姿调整机构包括花盆夹具、上托盘、托盘连杆、第一伸缩连杆组件、第二伸缩连杆组件、下托盘、旋转电机和电机控制器，所述花盆夹具设于上托盘上，所述托盘连杆竖直设置，托盘连杆的顶端通过万向节连接上托盘的圆心，托盘连杆的底端连接下托盘的圆心，所述第一伸缩连杆组件和第二伸缩连杆组件分别设于下托盘上，并均连接上托盘，所述旋转电机设于下托盘上，所述电机控制器分别连接第一伸缩连杆组件、第二伸缩连杆组件、旋转电机和控制微机，电机控制器根据控制微机中的视觉校正决策软件模块的命令通过旋转电机调整下托盘的水平旋转角度，以及通过第一伸缩连杆组件、第二伸缩连杆组件调整上托盘的仰起角度。
所述第一伸缩连杆组件和第二伸缩连杆组件均包括上连杆、下连杆、转盘和舵机，所述上连杆的一端与上托盘连接，上连杆的另一端与下连杆的一端转动连接，所述下连杆的另一端与转盘连接，所述转盘竖直设置，所述舵机的转动端连接转盘的圆心，舵机设于下托盘上。
所述第一伸缩连杆组件顶端与上托盘圆心的连线跟第二伸缩连杆组件顶端与上托盘圆心的连线互成90度夹角。
所述环形光强检测阵列包括光照分布数据处理器、模数转换器和多个沿圆周均布设置的光敏电阻线阵，每个光敏电阻线阵均包括多个沿径向依次排列的光敏电阻单元，多个光敏电阻线阵沿圆周均布设置，每个光敏电阻单元均通过模数转换器连接光照分布数据处理器，所述光照分布数据处理器连接控制微机，并将采集到的光照强度信息传输给控制微机中的视觉校正决策软件模块。
一种植物盆景光照塑形引导方法，基于上述植物盆景光照塑形引导***实现，该方法包括以下步骤：
S1：初始设置需要塑形而成的目标植株俯视形状；
S2：采集初始盆景的俯视图，根据初始盆景的俯视图得到当前植株俯视形状，并分析得到当前植株俯视形状与目标植株俯视形状的差异；
S3：通过环形光强检测阵列获取盆景所处环境中的光照强度分布情况；
S4：根据当前植株俯视形状与目标植株俯视形状的差异和光照强度分布情况，生成动作列表，并根据动作列表调整花盆位姿调整机构的水平旋转角度、仰起角度及停留时间；
S5：实时采集当前盆景的俯视图，根据当前盆景的俯视图得到当前植株俯视形状，并分析得到当前植株俯视形状与目标植株俯视形状的差异，判断该差异是否小于预设的阈值，若是，则塑形结束，若否，则跳转至步骤S3。
所述步骤S4中根据动作列表调整花盆位姿调整机构的水平旋转角度、仰起角度及停留时间，使得将当前植株俯视形状与目标植株俯视形状的差异对应区域移动到光照强度分布情况中最强光照区域内。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明采用不断调整定向光照的方式诱导植株发生单侧或多侧倾斜，设置花盆位姿调整机构、环形光强检测阵列、图像采集装置、盆景姿态评估软件模块和视觉校正决策软件模块，通过花盆姿态调整使盆景的各部分受光不均，从而生成富有观赏效果的虬枝，特别在光线不足的室内也有助于盆中植物的生长。
2、花盆位姿调整机构不仅可以带动盆景绕中心作360度旋转，还可以带动盆景相对水平面作90度的仰起操作，通过改变盆景平面与水平面的倾角来调整入射光与植物叶面的夹角，当夹角为90度时受光效果最好，为植物塑形的实现提供保障。
3、环形光强检测阵列可探测360度空间内每个方向角来光的强度，以反应盆景所处环境中的光照强度分布情况，为后续动作列表的决策提供数据支持。
4、在植株塑形过程中，通过盆景姿态评估软件模块与视觉校正决策软件模块的闭环反馈，即通过盆景植株俯视图与用户设定形状之间的对比来对控制过程进行实时闭环反馈，以监督协助***达到效果最佳的塑形目的。
附图说明
图1是本发明植物盆景光照塑形引导***的结构示意图；
图2是本发明下托盘上的舵机安装位置示意图；
图3是本发明第一伸缩连杆组件、第二伸缩连杆组件的结构示意图；
图4是本发明在单侧光照情况下的***动作示意图；
图5是本发明环形光强检测阵列的结构示意图；
图6是本发明环形光强检测阵列获取的均匀光照强度示意图；
图7是本发明环形光强检测阵列获取的单侧光照强度示意图；
图8 是本发明植物盆景光照塑形引导方法中盆景姿态评估示意图；
图9是本发明植物盆景光照塑形引导方法的塑形引导流程示意图；
图10为本发明植物盆景光照塑形引导***的内部数据流向示意图。
图中，1、盆景，2、环形光强检测阵列，3、图像采集装置，4、花盆夹具，5、上托盘，6、托盘连杆，7、第一伸缩连杆组件，8、第二伸缩连杆组件，9、下托盘，10、旋转电机，11、电机控制器，12、万向节，13、上连杆，14、下连杆，15、转盘，16、舵机，17、光敏电阻单元，18、控制微机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图10所示，一种植物盆景光照塑形引导***由花盆位姿调整机构、环形光强检测阵列2、图像采集装置3、盆景姿态评估软件模块和视觉校正决策软件模块五个部分构成，其中，盆景姿态评估软件模块和视觉校正决策软件模块由控制微机18实现，是运行于控制微机（18）上的软件。
花盆位姿调整机构，用于固定盆景1的位置，并带动盆景1绕中心作360度旋转以及相对水平面作90度的仰起操作；花盆位姿调整机构包括花盆夹具4、上托盘5、托盘连杆6、第一伸缩连杆组件7、第二伸缩连杆组件8、下托盘9、旋转电机10和电机控制器11，花盆夹具4设于上托盘5上，托盘连杆6竖直设置，托盘连杆6的顶端通过万向节12连接上托盘5的圆心，托盘连杆6的底端连接下托盘9的圆心，第一伸缩连杆组件7和第二伸缩连杆组件8分别设于下托盘9上，并均连接上托盘5，旋转电机10设于下托盘9上，电机控制器11分别连接第一伸缩连杆组件7、第二伸缩连杆组件8和旋转电机10，电机控制器11通过控制盒通讯线路连接控制微机18，电机控制器11根据控制微机18中的视觉校正决策软件模块的命令通过旋转电机10调整下托盘9的水平旋转角度，以及通过第一伸缩连杆组件7、第二伸缩连杆组件8调整上托盘5的仰起角度。
使用时，花盆夹具4用于将盆景1固定在上托盘5上，使其与上托盘5保持静止，可随上托盘5一起进行360度的旋转。旋转运动通过旋转电机10与电机控制器11实现，旋转电机10采用步进电机，电机控制器11由微控制器（MCU）及其附属电路组成，能发送相应的脉冲时序传送至步进电机，促使步进电机旋转。步进电机旋转时候带动托盘连杆6旋转，在旋转的时候托盘连杆6、上托盘5和下托盘9的位置保持相对静止，而整体以托盘连杆6为轴做圆周运动。这样盆景1就可以围绕托盘连杆6做圆周运动，以使得植物的同一位置可以在水平面上指向东、南、西、北任一方向角度。而盆景平面与水平面的倾角则由第一伸缩连杆组件7和第二伸缩连杆组件8构成的机构控制。
如图3所示，第一伸缩连杆组件7和第二伸缩连杆组件8均包括上连杆13、下连杆14、转盘15和舵机16，上连杆13的一端与上托盘5连接，上连杆13的另一端通过转动轴与下连杆14的一端转动连接，下连杆14的另一端与转盘15连接，转盘15竖直设置，舵机16的转动端连接转盘15的圆心，舵机16设于下托盘9上，舵机16旋转时候带动转盘15运动，从而拉动上连杆13与下连杆14，带动上托盘5与水平面形成不同夹角，由于盆景1通过花盆夹具4与上托盘5保持静止，因此盆景1可与水平面形成不同夹角，第一伸缩连杆组件7和第二伸缩连杆组件8的舵机16分别对应控制平面上X方向和Y方向的倾角。本实施例中上连杆13和下连杆14采用金属硬质连杆。
第一伸缩连杆组件7顶端与上托盘5圆心的连线跟第二伸缩连杆组件8顶端与上托盘5圆心的连线互成90度夹角。同理，如图2所示，第一伸缩连杆组件7的舵机16和第二伸缩连杆组件8的舵机16分部与下托盘9的安装位置，二者与圆心的连线互成90度夹角，实现简单、快速调节平面上X方向和Y方向的倾角的目的。
如图4所示，在受光不均匀或是单侧受光的情况下，***可以通过改变盆景平面与水平面的倾角来调整入射光与植物叶面的夹角，当夹角为90度时受光效果最好。综上所述，通过步进电机所带动的旋转机构（包括步进电机、托盘连杆6、下托盘9、上托盘5、花盆夹具4）以及舵机16所带动的角度机构（包括上连杆13、下连杆14、转盘15、舵机16），盆景1可围绕托盘连杆6在空间中作360度旋转以及相对水平面作90度的仰起操作，从而可使盆景1植物的任一部位朝向不同光强的入射空间。
附图5所示为本发明的环形光强检测阵列2排布示意图。环形光强检测阵列2为圆环结构，中心一段区域镂空，使该结构能够套在盆景控制区***使用，如附图1所示。环形光强检测阵列2内部，由光敏电阻单元17按圆的半径方向直线排列形成光敏电阻线阵，相邻光敏电阻线阵之间的夹角为α，用于探测360度空间内每个方向角来光的强度，以反应盆景1所处环境中的光照强度分布情况，α角角度越小则使用的光敏电阻单元17越多，检测的分辨率也越高。光敏电阻单元17由光敏电阻及其附属***电路构成，可连接至光照分布数据处理器通过模数转换器（A/D）获得其中的光强值，光照分布数据处理器连接控制微机18，将得到的光强信息传输给控制微机18中的视觉校正决策软件模块进行分析处理，从而形成如附图6、7所示的光照强度示意图。在光照强度示意图中，颜色越深的部分说明光照强度越大，附图6为四周点光源均匀入射光照强度示意图，附图7为单侧点光源入射光照强度示意图。
图像采集装置3，设于花盆位姿调整机构的上方，用于采集盆景1的俯视图，本实施例中图像采集装置3采用摄像头，通过图像通讯线路与控制微机18连接。
盆景姿态评估软件模块，运行于控制微机18上，用于根据图像采集装置3采集的盆景1的俯视图分析得到盆景当前状态与用户设定状态间的位姿差异信息。获得俯视图后盆景姿态评估软件模块将其转化为如附图8所示的极坐标图，从而在360度的各方向上评估盆景植株的生长状况，假设图中虚线为用户希望生长出的盆景形状，而实线部分为当前盆景植株的实际状况，则视觉校正决策软件模块通过两者间的相互对比，可得出下一步盆景1那些部分需要受光更长的时间。
视觉校正决策软件模块，运行于控制微机18上，用于利用环形光强检测阵列2采集的光照强度，结合盆景姿态评估软件模块得到的盆景当前状态与用户设定状态间的位姿差异，计算得到花盆位姿调整机构的水平旋转角度、仰起角度及停留时间，并控制花盆位姿调整机构实现塑形。通过驱动花盆位姿调整机构来调整植株的受光部位与时间，若要某部分生长得更多些，则可将该部分面对最强光照的停留时间延长。通过调整盆景植株面光的角度和停留时间，可以逐渐将盆景1塑造成用户所设定的形状。而在植株塑形过程中，通过盆景姿态评估软件模块与视觉校正决策软件模块的闭环反馈，即通过盆景植株俯视图与用户设定形状之间的对比来对控制过程进行实时闭环反馈，以监督协助***达到最终的塑形目的。
如图9所示，基于上述***的植物盆景光照塑形引导方法包括以下步骤：
S1：初始化阶段，用户通过控制微机18输入想要达成的目标植株形态，目标植株形态以目标植株俯视形状表征；
S2：图像采集装置3采集初始盆景1的俯视图，盆景姿态评估软件模块根据初始盆景1的俯视图得到反应盆景当前状态的当前植株俯视形状，并分析得到当前植株俯视形状与目标植株俯视形状的差异，该差异是指当前植株俯视形状轮廓未达到目标植株俯视形状轮廓的面积差异；
S3：接着***进入实时调整阶段，***通过环形光强检测阵列2获取盆景1所处环境中的光照强度分布情况；
S4：视觉校正决策软件模块根据当前植株俯视形状与目标植株俯视形状的差异和光照强度分布情况，生成动作列表，并根据动作列表调整花盆位姿调整机构的水平旋转角度、仰起角度及停留时间，使得将当前植株俯视形状与目标植株俯视形状的差异对应区域移动到光照强度分布情况中最强光照区域内，从而最终指导调整机构运动以进行植株塑形过程；
S5：在植株塑形过程中，实时采集当前盆景1的俯视图，盆景姿态评估软件模块根据当前盆景1的俯视图得到当前植株俯视形状，并分析得到当前植株俯视形状与目标植株俯视形状的差异，判断该差异是否小于预设的阈值，若是，则塑形结束，若否，则跳转至步骤S3，不断循环上述步骤S3-S5过程直至盆景1形态满足设定要求。
Claims (7)
1.一种植物盆景光照塑形引导***，其特征在于，包括：
花盆位姿调整机构，用于固定盆景（1）的位置，并带动盆景（1）绕中心作360度旋转以及相对水平面作90度的仰起操作；
环形光强检测阵列（2），呈环状，套设在花盆位姿调整机构上，用于采集以盆景（1）为中心的水平面上360度空间内每个方向角的光照强度；
图像采集装置（3），设于花盆位姿调整机构的上方，用于采集盆景（1）的俯视图；
盆景姿态评估软件模块，运行于控制微机（18）上，用于通过对图像采集装置（3）采集的俯视图进行分析，得到盆景当前状态与用户设定状态间的差异；
视觉校正决策软件模块，运行于控制微机（18）上，用于利用环形光强检测阵列（2）得到的光照强度信息，结合盆景姿态评估软件模块得到差异信息，计算得到花盆位姿调整机构的水平旋转角度、仰起角度及停留时间。
2.根据权利要求1所述的一种植物盆景光照塑形引导***，其特征在于，所述花盆位姿调整机构包括花盆夹具（4）、上托盘（5）、托盘连杆（6）、第一伸缩连杆组件（7）、第二伸缩连杆组件（8）、下托盘（9）、旋转电机（10）和电机控制器（11），所述花盆夹具（4）设于上托盘（5）上，所述托盘连杆（6）竖直设置，托盘连杆（6）的顶端通过万向节（12）连接上托盘（5）的圆心，托盘连杆（6）的底端连接下托盘（9）的圆心，所述第一伸缩连杆组件（7）和第二伸缩连杆组件（8）分别设于下托盘（9）上，并均连接上托盘（5），所述旋转电机（10）设于下托盘（9）上，所述电机控制器（11）分别连接第一伸缩连杆组件（7）、第二伸缩连杆组件（8）、旋转电机（10）和控制微机（18），电机控制器（11）根据控制微机（18）中的视觉校正决策软件模块的命令通过旋转电机（10）调整下托盘（9）的水平旋转角度，以及通过第一伸缩连杆组件（7）、第二伸缩连杆组件（8）调整上托盘（5）的仰起角度。
3.根据权利要求2所述的一种植物盆景光照塑形引导***，其特征在于，所述第一伸缩连杆组件（7）和第二伸缩连杆组件（8）均包括上连杆（13）、下连杆（14）、转盘（15）和舵机（16），所述上连杆（13）的一端与上托盘（5）连接，上连杆（13）的另一端与下连杆（14）的一端转动连接，所述下连杆（14）的另一端与转盘（15）连接，所述转盘（15）竖直设置，所述舵机（16）的转动端连接转盘（15）的圆心，舵机（16）设于下托盘（9）上。
4.根据权利要求2所述的一种植物盆景光照塑形引导***，其特征在于，所述第一伸缩连杆组件（7）顶端与上托盘（5）圆心的连线跟第二伸缩连杆组件（8）顶端与上托盘（5）圆心的连线互成90度夹角。
5.根据权利要求1所述的一种植物盆景光照塑形引导***，其特征在于，所述环形光强检测阵列（2）包括光照分布数据处理器、模数转换器和多个沿圆周均布设置的光敏电阻线阵，每个光敏电阻线阵均包括多个沿径向依次排列的光敏电阻单元（17），多个光敏电阻线阵沿圆周均布设置，每个光敏电阻单元（17）均通过模数转换器连接光照分布数据处理器，所述光照分布数据处理器连接控制微机（18），并将采集到的光照强度信息传输给控制微机（18）中的视觉校正决策软件模块。
6.一种植物盆景光照塑形引导方法，其特征在于，基于如权利要求1所述植物盆景光照塑形引导***实现，该方法包括以下步骤：
S1：初始设置需要塑形而成的目标植株俯视形状；
S2：采集初始盆景（1）的俯视图，根据初始盆景（1）的俯视图得到当前植株俯视形状，并分析得到当前植株俯视形状与目标植株俯视形状的差异；
S3：通过环形光强检测阵列（2）获取盆景（1）所处环境中的光照强度分布情况；
S4：根据当前植株俯视形状与目标植株俯视形状的差异和光照强度分布情况，生成动作列表，并根据动作列表调整花盆位姿调整机构的水平旋转角度、仰起角度及停留时间；
S5：实时采集当前盆景（1）的俯视图，根据当前盆景（1）的俯视图得到当前植株俯视形状，并分析得到当前植株俯视形状与目标植株俯视形状的差异，判断该差异是否小于预设的阈值，若是，则塑形结束，若否，则跳转至步骤S3。
7.根据权利要求6所述的一种植物盆景光照塑形引导方法，其特征在于，所述步骤S4中根据动作列表调整花盆位姿调整机构的水平旋转角度、仰起角度及停留时间，使得将当前植株俯视形状与目标植株俯视形状的差异对应区域移动到光照强度分布情况中最强光照区域内。
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