本發(fā)明涉及作物生物量測定技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置及測量方法。

背景技術(shù)：

農(nóng)田作物的生長過程中，株高、葉面積指數(shù)、覆蓋度、生物量等農(nóng)藝性狀是反應(yīng)植物生長狀況的指標(biāo)，作物生物量是農(nóng)藝性狀檢測的重要指標(biāo)。一般情況下，生物量越大，作物生長環(huán)境越適宜，常用來評估作物的生長狀態(tài)、產(chǎn)量和產(chǎn)值，同時對于作物育種和種質(zhì)資源的篩選具有重要意義。

傳統(tǒng)生物量的測量多以人工破壞性取樣測量為主，采用收割法將測量范圍內(nèi)作物和植被移除稱重，這種一次性的取樣方式雖然測量準(zhǔn)確，但測量周期長，具有破壞性，且無法實現(xiàn)相同樣本不同生育期的動態(tài)連續(xù)測量。非破壞性無損測量已成為作物生物量測量的趨勢，主要依據(jù)作物的生物力學(xué)和圖像特性進(jìn)行作物生物量的測量。農(nóng)作物的生物量與其種植密度、生長時期、株高、莖粗和莖稈強度等農(nóng)藝形狀相關(guān)，可通過測量作物在旋轉(zhuǎn)力作用下的形變進(jìn)行作物生物量的測量。

申請?zhí)枮?0101020584.7的中國專利文件中公布了基于力矩的生物量活體檢測設(shè)備及方法的發(fā)明專利，用于活體生物量測量。該發(fā)明專利采用導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，通過扭力傳感器測量裝置與支桿，將觸桿固定于導(dǎo)軌上。觸桿在導(dǎo)軌運動，使作物莖稈受力，將作物莖稈的產(chǎn)生的回彈力作用于觸桿，通過扭矩傳感器測量回彈力的大小，并建立力矩與作物生物量的之間的數(shù)學(xué)模型。該測量裝置測量過程中需要至少兩人協(xié)助才能實現(xiàn)導(dǎo)軌的搬運，觸桿高度的調(diào)節(jié)采用手動方式，測量作物不同高度生物量調(diào)節(jié)復(fù)雜。

申請?zhí)枮?01210078528.1的發(fā)明專利申請，將壓力傳感器置于水平推桿與豎直連接桿直接，將兩根懸掛背帶分別系在脖頸和腰間，通過采集作物回彈力電壓信號對生物量進(jìn)行測量。該裝置操作過程中需要人的參與，且水平推桿的速度不可控，生物量活體測量過程消耗人力。

申請?zhí)枮?01410626908.3的發(fā)明專利申請公開了一種基于機器視覺與生物量荷重探測方法結(jié)合的生物量測量裝置，該發(fā)明主要適用于設(shè)施作物的個體生物量檢測，無法進(jìn)行田間作物生物量的檢測。

上述現(xiàn)有的田間作物生物量檢測裝置和方法，多數(shù)需要人的直接協(xié)助或參與方能完成，測量高度需要人工調(diào)節(jié)，費事費力，不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精確測量的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置及測量方法，該裝置可對不同高度下作物的生物量信息勻速測量，提高測量的精準(zhǔn)性，實現(xiàn)作物生物量的準(zhǔn)確動態(tài)測量。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置，該裝置包括支撐架、旋轉(zhuǎn)臂和控制機構(gòu)，所述支撐架的下端固定在地面上，所述旋轉(zhuǎn)臂設(shè)置在所述支撐架的上方，所述控制機構(gòu)設(shè)置在所述支撐架內(nèi)部且驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)臂作上下及旋轉(zhuǎn)運動，所述旋轉(zhuǎn)臂上設(shè)有用于測量其離地高度的測距模塊。

優(yōu)選地，所述控制機構(gòu)包括絲桿、電機、伺服電機、扭矩傳感器和微控制器，所述伺服電機驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，所述扭矩傳感器與所述旋轉(zhuǎn)臂連接，所述伺服電機設(shè)置在所述絲桿上端，所述電機驅(qū)動所述絲桿轉(zhuǎn)動，并帶動所述絲桿上的所述伺服電機和旋轉(zhuǎn)臂上下運動。通過所述電機和絲桿運動可調(diào)整所述旋轉(zhuǎn)臂的離地高度，通過所述伺服電機可調(diào)整所述旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)速度。

優(yōu)選地，所述微控制器包括無線收發(fā)模塊，所述微控制器發(fā)送控制信號以控制所述電機和伺服電機的轉(zhuǎn)速，用于分別調(diào)節(jié)絲桿的垂直位移和旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)速，并接收遠(yuǎn)程控制器發(fā)送的所述旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速和高度的參數(shù)信息；所述扭矩傳感器的測量數(shù)據(jù)通過所述微控制器的無線收發(fā)模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程控制器，并通過顯示器顯示。所述無線收發(fā)模塊設(shè)有一對，一個直接與所述微控芯片相連，另一個與遠(yuǎn)程控制器相連，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制器與微控芯片的通信。

優(yōu)選地，所述伺服電機控制所述旋轉(zhuǎn)臂勻速轉(zhuǎn)動，可避免由于所述旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速不均勻而產(chǎn)生的扭矩變化，進(jìn)而影響生物量信息測量的準(zhǔn)確性。

優(yōu)選地，所述扭矩傳感器固定于所述伺服電機的上端，所述扭矩傳感器上端與旋轉(zhuǎn)臂相連，用于獲取作物的回彈特性數(shù)據(jù)，并將獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送至微控制器，以無線方式發(fā)送至遠(yuǎn)程控制器。所述旋轉(zhuǎn)臂作勻速轉(zhuǎn)動時，迫使作物受力變形，其變形產(chǎn)生的回彈力通過扭力傳感器測量，作物對旋轉(zhuǎn)臂的回彈力信息換算成作物生物量信息，并以無線方式發(fā)送至遠(yuǎn)程控制器并顯示。

優(yōu)選地，所述測距模塊包括激光測距傳感器，并固定在所述旋轉(zhuǎn)臂的下側(cè)，通過測量旋轉(zhuǎn)臂距離地面的高度，可獲取不同高度處扭矩大小與作物生物量的關(guān)系，從而對不同生長階段的生物量信息進(jìn)行量化。

優(yōu)選地，所述支撐架內(nèi)部設(shè)有電池模塊。所述電池模塊為整個測量裝置提供所需的動力和電力能量，同時增加支撐架的重量，增大與地面的摩擦力，增強該裝置整體的穩(wěn)定性。

優(yōu)選地，所述支撐架的底端設(shè)有插入地面內(nèi)的支撐腳，所述支撐腳呈三角狀，可直接插入測量田間土地，防止在旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置的使用過程中，所述支撐架發(fā)生圓周轉(zhuǎn)動。

優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)臂設(shè)有多個，且均水平地設(shè)置在所述扭矩傳感器的上端。

優(yōu)選地，所述電池模塊包括太陽能供電電池，通過太陽能對所述電池模塊進(jìn)行充電，可延長旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置的使用壽命。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種旋轉(zhuǎn)式生物量測量方法，該方法包括：步驟1，將所述旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置放入田間；步驟2，通過遠(yuǎn)程控制器發(fā)送控制指令，以設(shè)置測量高度與電機轉(zhuǎn)速；步驟3，通過扭矩傳感器獲取旋轉(zhuǎn)臂作用于作物時的扭力參數(shù)信息；步驟4，根據(jù)建立的扭力與作物生物量的數(shù)學(xué)模型，通過獲取的扭力參數(shù)來測得作物的生物量信息，并通過所述遠(yuǎn)程控制器顯示。

基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提出的生物量測量裝置，無需操作人員直接參與，避免測量過程中因人的主觀因素對測量結(jié)果的影響，同時可解放勞動力；以無線方式將需要的轉(zhuǎn)速與測量高度參數(shù)發(fā)送至微控制器，通過絲桿電機和伺服電機調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臂測量高度和轉(zhuǎn)速，可測定不同高度、不同轉(zhuǎn)速下作物扭矩變化與生物量的關(guān)系，適合不同高度作物生物量的檢測；同時本發(fā)明長期放置于田間作物生長環(huán)境中，實現(xiàn)不同生長時期作物生物量信息連續(xù)動態(tài)測量，提高生物量測量的精準(zhǔn)性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的生物量測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的生物量測量裝置的絲桿提升后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置的原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

在根據(jù)本申請的一個實施例中，參考圖1，提供一種旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置，該裝置包括支撐架2、旋轉(zhuǎn)臂1和控制機構(gòu)，所述支撐架2的下端固定在地面上，所述旋轉(zhuǎn)臂1設(shè)置在所述支撐架2的上方，所述支撐架2呈內(nèi)部中空的圓柱體型，所述控制機構(gòu)設(shè)置在所述支撐架2內(nèi)部且驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)臂1作上下及旋轉(zhuǎn)運動，所述旋轉(zhuǎn)臂1上設(shè)有用于測量其離地高度的測距模塊9。

所述控制機構(gòu)包括絲桿5、電機7、伺服電機4、扭矩傳感器3和微控制器6，所述伺服電機4驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)臂1旋轉(zhuǎn)，所述扭矩傳感器3與所述旋轉(zhuǎn)臂1連接，所述伺服電機4設(shè)置在所述絲桿5上端，所述電機7驅(qū)動所述絲桿5轉(zhuǎn)動，并帶動所述絲桿5上的所述伺服電機4和旋轉(zhuǎn)臂1上下運動。通過所述電機7和絲桿5運動可調(diào)整所述旋轉(zhuǎn)臂1的離地高度，通過所述伺服電機4可調(diào)整所述旋轉(zhuǎn)臂1的旋轉(zhuǎn)速度。

所述微控制器6包括無線收發(fā)模塊，所述微控制器6發(fā)送控制信號至所述電機7和伺服電機4以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，用于分別調(diào)節(jié)絲桿5的垂直位移和旋轉(zhuǎn)臂1的轉(zhuǎn)速，并接收遠(yuǎn)程控制器發(fā)送的所述旋轉(zhuǎn)臂1轉(zhuǎn)速和高度的參數(shù)信息；所述扭矩傳感器3的測量數(shù)據(jù)通過所述微控制器6的無線收發(fā)模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程控制器并顯示，并通過顯示器顯示。所述無線收發(fā)模塊設(shè)有一對，一個直接與所述微控芯片相連，另一個與遠(yuǎn)程控制器相連，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制器與微控芯片的通信。

所述伺服電機4控制所述旋轉(zhuǎn)臂1勻速轉(zhuǎn)動，可避免由于所述旋轉(zhuǎn)臂1轉(zhuǎn)速不均勻而產(chǎn)生的扭矩變化，進(jìn)而影響生物量信息測量的準(zhǔn)確性。

所述扭矩傳感器3固定于所述伺服電機4的上端，所述扭矩傳感器3上端與旋轉(zhuǎn)臂1相連，用于獲取作物的回彈特性數(shù)據(jù)，并將獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送至微控制器6，以無線方式發(fā)送至遠(yuǎn)程控制器。所述旋轉(zhuǎn)臂1作勻速轉(zhuǎn)動時，迫使作物受力變形，其變形產(chǎn)生的回彈力通過扭力傳感器測量。

所述測距模塊9包括激光測距傳感器，并固定在所述旋轉(zhuǎn)臂1的下側(cè)，通過測量旋轉(zhuǎn)臂1距離地面的高度，可獲取不同高度處扭矩大小與作物生物量的關(guān)系，從而對不同生長階段的生物量信息進(jìn)行量化。

所述支撐架2內(nèi)部設(shè)有電池模塊8。所述電池模塊8為整個測量裝置提供所需的動力和電力能量，同時增加支撐架2的重量，增大與地面的摩擦力，增強該裝置整體的穩(wěn)定性。

所述支撐架2的底端設(shè)有插入地面內(nèi)的支撐腳10，所述支撐腳10呈三角狀，可直接插入測量田間土地，防止在旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置的使用過程中，所述支撐架2發(fā)生圓周轉(zhuǎn)動。

所述旋轉(zhuǎn)臂1設(shè)有多個，且均水平地設(shè)置在所述扭矩傳感器3的上端。

所述電池模塊8包括太陽能供電電池，通過太陽能對所述電池模塊8進(jìn)行充電，可延長旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置的使用壽命。

圖2為本發(fā)明實施例的生物量測量裝置的絲桿提升后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例的旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置的原理圖。

該旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置使用過程：

將支撐架2插入種植作物的地面，同時將底部的支撐腳10插入地面。通過遠(yuǎn)程控制器將設(shè)定的測量高度和轉(zhuǎn)速信息通過無線收發(fā)模塊發(fā)送至微控制器6，微控制器6接收到指令后，通過激光測距模塊9測量旋轉(zhuǎn)臂1距離地面的高度，并發(fā)送指令信號至電機7，通過電機7和絲桿5的轉(zhuǎn)動將電機4、扭矩傳感器3和旋轉(zhuǎn)臂1提升或下降，調(diào)整到設(shè)定的測量高度。之后微控制器6將轉(zhuǎn)速指令發(fā)送至伺服電機4，伺服電機4帶動旋轉(zhuǎn)臂1勻速轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)臂1勻速轉(zhuǎn)動作用于作物莖稈后產(chǎn)生的回彈力信號通過扭矩傳感器3傳送至微控制器6，微控制器6將獲取的扭矩信號通過無線傳感器模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程控制器。

在本發(fā)明的實施例中，旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置可長期固定于作物種植田間，用于獲取不同生育期，不同生長高度下作物生物量信息。

上述旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置的測量方法包括：步驟1，將所述旋轉(zhuǎn)式生物量測量裝置放入田間；步驟2，通過遠(yuǎn)程控制器發(fā)送控制指令，以設(shè)置測量高度與電機轉(zhuǎn)速；步驟3，通過扭矩傳感器獲取旋轉(zhuǎn)臂作用于作物時的扭力參數(shù)信息；步驟4，根據(jù)建立的扭力與作物生物量的數(shù)學(xué)模型，通過獲取的扭力參數(shù)來測得作物的生物量信息，并通過所述遠(yuǎn)程控制器顯示。

所述步驟4進(jìn)一步包括：

步驟41，選擇多種有代表性的作物樣品，包括不同地塊、不同品種和不同生育期的多種作物樣品；

步驟42，將所述生物量測量裝置放入田間監(jiān)測點，設(shè)置測量高度與電機轉(zhuǎn)速，通過扭矩傳感器獲取旋轉(zhuǎn)臂作用于作物莖稈時的扭力參數(shù)信息；

步驟43，測量完成后，貼地面割下測量區(qū)域內(nèi)的作物樣本，采用稱重裝置對作物鮮重進(jìn)行準(zhǔn)確測量，獲得該樣本的生物量值；

步驟44，根據(jù)獲取的扭力參數(shù)與作物鮮重數(shù)據(jù)，基于線性回歸等分析方法建立扭力參數(shù)與作物生物量的數(shù)學(xué)模型；

步驟45，對作物品種、測量高度、生育期和土壤緊實度等參數(shù)信息進(jìn)行融合分析，對所述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行校正；

步驟46，將校正后的所述數(shù)學(xué)模型儲存至微控制器，所述微控制器將獲取的扭力參數(shù)直接轉(zhuǎn)換為作物生物量信息，并發(fā)送至遠(yuǎn)程控制器顯示。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。