本實(shí)用新型涉及作物生物量測(cè)定技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種旋轉(zhuǎn)式生物量測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

農(nóng)田作物的生長(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)狀況的指標(biāo)，作物生物量是農(nóng)藝性狀檢測(cè)的重要指標(biāo)。一般情況下，生物量越大，作物生長(zhǎng)環(huán)境越適宜，常用來(lái)評(píng)估作物的生長(zhǎng)狀態(tài)、產(chǎn)量和產(chǎn)值，同時(shí)對(duì)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(cè)量多以人工破壞性取樣測(cè)量為主，采用收割法將測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確，但測(cè)量周期長(zhǎng)，具有破壞性，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)相同樣本不同生育期的動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量。非破壞性無(wú)損測(cè)量已成為作物生物量測(cè)量的趨勢(shì)，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(cè)量。農(nóng)作物的生物量與其種植密度、生長(zhǎng)時(shí)期、株高、莖粗和莖稈強(qiáng)度等農(nóng)藝形狀相關(guān)，可通過(guò)測(cè)量作物在旋轉(zhuǎn)力作用下的形變進(jìn)行作物生物量的測(cè)量。

申請(qǐng)?zhí)枮?0101020584.7的中國(guó)專利文件中公布了基于力矩的生物量活體檢測(cè)設(shè)備及方法的實(shí)用新型專利，用于活體生物量測(cè)量。該實(shí)用新型專利采用導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，通過(guò)扭力傳感器測(cè)量裝置與支桿，將觸桿固定于導(dǎo)軌上。觸桿在導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，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(guò)扭矩傳感器測(cè)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(cè)量裝置測(cè)量過(guò)程中需要至少兩人協(xié)助才能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌的搬運(yùn)，觸桿高度的調(diào)節(jié)采用手動(dòng)方式，測(cè)量作物不同高度生物量調(diào)節(jié)復(fù)雜。

申請(qǐng)?zhí)枮?01210078528.1的實(shí)用新型專利申請(qǐng)，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(guò)采集作物回彈力電壓信號(hào)對(duì)生物量進(jìn)行測(cè)量。該裝置操作過(guò)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(cè)量過(guò)程消耗人力。

申請(qǐng)?zhí)枮?01410626908.3的實(shí)用新型專利申請(qǐng)公開了一種基于機(jī)器視覺(jué)與生物量荷重探測(cè)方法結(jié)合的生物量測(cè)量裝置，該實(shí)用新型主要適用于設(shè)施作物的個(gè)體生物量檢測(cè)，無(wú)法進(jìn)行田間作物生物量的檢測(cè)。

上述現(xiàn)有的田間作物生物量檢測(cè)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(cè)量高度需要人工調(diào)節(jié)，費(fèi)事費(fèi)力，不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精確測(cè)量的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供一種克服上述問(wèn)題或者至少部分地解決上述問(wèn)題的旋轉(zhuǎn)式生物量測(cè)量裝置，該裝置可對(duì)不同高度下作物的生物量信息勻速測(cè)量，提高測(cè)量的精準(zhǔn)性，實(shí)現(xiàn)作物生物量的準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)測(cè)量。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供一種旋轉(zhuǎn)式生物量測(cè)量裝置，該裝置包括支撐架、旋轉(zhuǎn)臂和控制機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)置在所述支撐架內(nèi)部且驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)臂作上下及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所述旋轉(zhuǎn)臂上設(shè)有用于測(cè)量其離地高度的測(cè)距模塊。

優(yōu)選地，所述控制機(jī)構(gòu)包括絲桿、電機(jī)、伺服電機(jī)、扭矩傳感器和微控制器，所述伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)設(shè)置在所述絲桿上端，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)所述絲桿上的所述伺服電機(jī)和旋轉(zhuǎn)臂上下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)所述電機(jī)和絲桿運(yùn)動(dòng)可調(diào)整所述旋轉(zhuǎn)臂的離地高度，通過(guò)所述伺服電機(jī)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(wú)線收發(fā)模塊，所述微控制器發(fā)送控制信號(hào)以控制所述電機(jī)和伺服電機(jī)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(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)所述微控制器的無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程控制器，并通過(guò)顯示器顯示。所述無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)有一對(duì)，一個(gè)直接與所述微控芯片相連，另一個(gè)與遠(yuǎn)程控制器相連，實(shí)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(jī)控制所述旋轉(zhuǎn)臂勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，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(cè)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(jī)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(wú)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(dòng)時(shí)，迫使作物受力變形，其變形產(chǎn)生的回彈力通過(guò)扭力傳感器測(cè)量，作物對(duì)旋轉(zhuǎn)臂的回彈力信息換算成作物生物量信息，并以無(wú)線方式發(fā)送至遠(yuǎn)程控制器并顯示。

優(yōu)選地，所述測(cè)距模塊包括激光測(cè)距傳感器，并固定在所述旋轉(zhuǎn)臂的下側(cè)，通過(guò)測(cè)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(duì)不同生長(zhǎng)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(gè)測(cè)量裝置提供所需的動(dòng)力和電力能量，同時(shí)增加支撐架的重量，增大與地面的摩擦力，增強(qiáng)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(cè)量田間土地，防止在旋轉(zhuǎn)式生物量測(cè)量裝置的使用過(guò)程中，所述支撐架發(fā)生圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。

優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)臂設(shè)有多個(gè)，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(yáng)能供電電池，通過(guò)太陽(yáng)能對(duì)所述電池模塊進(jìn)行充電，可延長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)式生物量測(cè)量裝置的使用壽命。

基于上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型具有以下有益效果：本實(shí)用新型提出的生物量測(cè)量裝置，無(wú)需操作人員直接參與，避免測(cè)量過(guò)程中因人的主觀因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，同時(shí)可解放勞動(dòng)力；以無(wú)線方式將需要的轉(zhuǎn)速與測(cè)量高度參數(shù)發(fā)送至微控制器，通過(guò)絲桿電機(jī)和伺服電機(jī)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臂測(cè)量高度和轉(zhuǎn)速，可測(cè)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(cè)；同時(shí)本實(shí)用新型長(zhǎng)期放置于田間作物生長(zhǎng)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)不同生長(zhǎng)時(shí)期作物生物量信息連續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)量，提高生物量測(cè)量的精準(zhǔn)性。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的生物量測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的生物量測(cè)量裝置的絲桿提升后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)式生物量測(cè)量裝置的原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本實(shí)用新型，但不用來(lái)限制本實(shí)用新型的范圍。

在根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，參考圖1，提供一種旋轉(zhuǎn)式生物量測(cè)量裝置，該裝置包括支撐架2、旋轉(zhuǎn)臂1和控制機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)置在所述支撐架2 內(nèi)部且驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)臂1作上下及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所述旋轉(zhuǎn)臂1上設(shè)有用于測(cè)量其離地高度的測(cè)距模塊9。

所述控制機(jī)構(gòu)包括絲桿5、電機(jī)7、伺服電機(jī)4、扭矩傳感器3和微控制器6，所述伺服電機(jī)4驅(qū)動(dòng)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(jī)4設(shè)置在所述絲桿5上端，所述電機(jī)7驅(qū)動(dòng)所述絲桿5轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)所述絲桿5上的所述伺服電機(jī)4 和旋轉(zhuǎn)臂1上下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)所述電機(jī)7和絲桿5運(yùn)動(dòng)可調(diào)整所述旋轉(zhuǎn)臂1的離地高度，通過(guò)所述伺服電機(jī)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(wú)線收發(fā)模塊，所述微控制器6發(fā)送控制信號(hào)至所述電機(jī)7和伺服電機(jī)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(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)所述微控制器6 的無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程控制器并顯示，并通過(guò)顯示器顯示。所述無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)有一對(duì)，一個(gè)直接與所述微控芯片相連，另一個(gè)與遠(yuǎn)程控制器相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制器與微控芯片的通信。

所述伺服電機(jī)4控制所述旋轉(zhuǎn)臂1勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，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(cè)量的準(zhǔn)確性。

所述扭矩傳感器3固定于所述伺服電機(jī)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(wú)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(dòng)時(shí)，迫使作物受力變形，其變形產(chǎn)生的回彈力通過(guò)扭力傳感器測(cè)量。

所述測(cè)距模塊9包括激光測(cè)距傳感器，并固定在所述旋轉(zhuǎn)臂1的下側(cè)，通過(guò)測(cè)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(duì)不同生長(zhǎng)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(gè)測(cè)量裝置提供所需的動(dòng)力和電力能量，同時(shí)增加支撐架2的重量，增大與地面的摩擦力，增強(qiáng)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(cè)量田間土地，防止在旋轉(zhuǎn)式生物量測(cè)量裝置的使用過(guò)程中，所述支撐架2發(fā)生圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。

所述旋轉(zhuǎn)臂1設(shè)有多個(gè)，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(yáng)能供電電池，通過(guò)太陽(yáng)能對(duì)所述電池模塊 8進(jìn)行充電，可延長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)式生物量測(cè)量裝置的使用壽命。

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的生物量測(cè)量裝置的絲桿提升后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)式生物量測(cè)量裝置的原理圖。

該旋轉(zhuǎn)式生物量測(cè)量裝置使用過(guò)程：

將支撐架2插入種植作物的地面，同時(shí)將底部的支撐腳10插入地面。通過(guò)遠(yuǎn)程控制器將設(shè)定的測(cè)量高度和轉(zhuǎn)速信息通過(guò)無(wú)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(guò)激光測(cè)距模塊9 測(cè)量旋轉(zhuǎn)臂1距離地面的高度，并發(fā)送指令信號(hào)至電機(jī)7，通過(guò)電機(jī)7 和絲桿5的轉(zhuǎn)動(dòng)將電機(jī)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(cè)量高度。之后微控制器6將轉(zhuǎn)速指令發(fā)送至伺服電機(jī)4，伺服電機(jī)4帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂1勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)臂1勻速轉(zhuǎn)動(dòng)作用于作物莖稈后產(chǎn)生的回彈力信號(hào)通過(guò)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(hào)通過(guò)無(wú)線傳感器模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程控制器。

在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)式生物量測(cè)量裝置可長(zhǎng)期固定于作物種植田間，用于獲取不同生育期，不同生長(zhǎng)高度下作物生物量信息。

上述旋轉(zhuǎn)式生物量測(cè)量裝置的測(cè)量方法包括：步驟1，將所述旋轉(zhuǎn)式生物量測(cè)量裝置放入田間；步驟2，通過(guò)遠(yuǎn)程控制器發(fā)送控制指令，以設(shè)置測(cè)量高度與電機(jī)轉(zhuǎn)速；步驟3，通過(guò)扭矩傳感器獲取旋轉(zhuǎn)臂作用于作物時(shí)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(guò)獲取的扭力參數(shù)來(lái)測(cè)得作物的生物量信息，并通過(guò)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(cè)量裝置放入田間監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)置測(cè)量高度與電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)扭矩傳感器獲取旋轉(zhuǎn)臂作用于作物莖稈時(shí)的扭力參數(shù)信息；

步驟43，測(cè)量完成后，貼地面割下測(cè)量區(qū)域內(nèi)的作物樣本，采用稱重裝置對(duì)作物鮮重進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)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?cái)?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(duì)作物品種、測(cè)量高度、生育期和土壤緊實(shí)度等參數(shù)信息進(jìn)行融合分析，對(duì)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(chǔ)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(qǐng)的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。