[發(fā)明專利]一種移動式溫室作物信息測量與診斷系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2017-10-31
• 公開（公告）號: CN107860366B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫國祥;汪小旵;丁永前;李永博;張保華;李玉花;章永年;王瑋;趙進
• 申請（專利權(quán)）人: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01C11/00
• 分類號: G01C11/00;G01N21/25
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11732
• 代理人: 周新楣

1.一種基于多光譜空間雕刻技術(shù)的移動式溫室作物信息測量與診斷系統(tǒng)，其特征在于，包括磁導(dǎo)航移動平臺，所述磁導(dǎo)航移動平臺安裝有磁導(dǎo)航傳感器、多光譜相機、CCD相機、RGB LED可調(diào)光源、精密旋臺、滑軌、激光測距傳感器、成像系統(tǒng)控制柜、車載服務(wù)器以及作物信息測量與診斷軟件；

磁導(dǎo)航傳感器分別安裝于移動平臺底部兩側(cè)輪中間，并且在溫室地面布置磁條和工作位磁條；多光譜相機安裝于移動平臺頂部中間位置，視角垂直向下，6個CCD相機安裝于移動平臺頂部圓盤支架上，呈現(xiàn)圓形等間距分布，即相互間隔60℃；RGB LED可調(diào)光源安裝于移動平臺頂部和兩側(cè)，頂部LED光源呈圓形狀，多光譜相機固定在頂部LED光源圓中心位置，6個CCD相機安裝于頂部LED光源圓邊，相互間隔60℃；精度旋臺用于驅(qū)動頂部LED光源和相機旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角由步進電機精確控制；移動平臺頂部RGB LED光源、多光譜相機、CCD相機、旋臺驅(qū)動步進電機以及激光測距傳感器集成于一體的成像系統(tǒng)，安裝于移動平臺兩側(cè)的滑軌上，滑軌通過步進電機驅(qū)動，實現(xiàn)頂部成像系統(tǒng)的上下測量高度調(diào)節(jié)；2個激光測距傳感器分別安裝于移動平臺的前端和后端，用于測量移動平臺的地面坐標(biāo)信息；成像系統(tǒng)控制柜安裝于移動平臺側(cè)面，控制柜中包括：蓄電池、控制器、繼電器、步進電機驅(qū)動器、信號中繼器；車載服務(wù)器安裝于移動平臺側(cè)面，成像系統(tǒng)控制柜上方，包括車載工控機和顯示器；作物信息測量與診斷軟件安裝于車載服務(wù)器上，多路CCD傳感器通過USB線連接至服務(wù)器上，成像室控制器通過RS232線連接至服務(wù)器上；

所述磁導(dǎo)航移動平臺，采用磁導(dǎo)航原理，實現(xiàn)移動式溫室作物信息測量與診斷，通過多個工作位的獨立測量，實現(xiàn)溫室作物信息全景測量；

所述磁導(dǎo)航移動平臺，采用激光測距傳感器，實現(xiàn)移動測量平臺的X、Y和Z軸向精準(zhǔn)定位，通過測量系統(tǒng)位置信息，實現(xiàn)溫室作物信息全景視場圖生成；

所述磁導(dǎo)航移動平臺，集成多光譜相機和多個CCD相機，通過多光譜相機采集溫室作物冠層圖像，實現(xiàn)作物生理信息診斷，通過頂部多個呈圓環(huán)分布的CCD相機，實現(xiàn)多個角度對作物成像；采用空間雕刻原理，雕刻出作物三維點云模型，提取其三維形態(tài)信息參數(shù)；

所述磁導(dǎo)航傳感器，采用多點磁導(dǎo)航傳感器，能夠識別溫室地面磁條狀態(tài)，并且采用2個磁導(dǎo)航傳感器，實現(xiàn)直行、工作位、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、起點/終點狀態(tài)識別；

所述CCD傳感器，采用多傳感器同步觸發(fā)方式，實現(xiàn)作物多視角同步成像，減少了多視角成像時間，并且旋臺能夠精確控制CCD傳感器旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)任意數(shù)量視角下作物圖像捕獲，適用于復(fù)雜三維形態(tài)的作物三維高速重建與信息測量；

所述RGB LED可調(diào)光源，采用RGB LED光帶安裝于長方形無邊框鋁合金燈箱中，面板采用白色勻光板，光源采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過R、G、B三通道的占空比調(diào)節(jié)，實現(xiàn)LED光源色彩調(diào)節(jié)，通過電位器，實現(xiàn)LED光源強度0～100％調(diào)節(jié)，頂部LED光源和兩側(cè)LED光源為CCD相機和多光譜相機提供均勻的、合適的成像光源；

采用空間雕刻技術(shù)，實現(xiàn)溫室作物三維重建，在測量系統(tǒng)工作前需要對不同視角下工業(yè)相機進行標(biāo)定，獲得相機矩陣，溫室作物信息與診斷測量系統(tǒng)工作流程：首先初始化各項參數(shù)，包括光源參數(shù)，角度參數(shù)和相機參數(shù)，其中光源參數(shù)通過PWM調(diào)控方式，RGB三通道根據(jù)不同的占空比脈沖，形成不同的波段的光源，為成像系統(tǒng)提供光源；角度參數(shù)為人為設(shè)置參數(shù)，即采集圖像的視角數(shù)量，當(dāng)采集視角間隔為30°，共計12個視角，即每個相機采集2個視角圖像，那么旋臺在零位處采集圖像后，還要旋轉(zhuǎn)1次，旋轉(zhuǎn)30°，采集各個視角下作物圖像，成像系統(tǒng)通過旋臺實現(xiàn)0～60°調(diào)節(jié)，6個CCD相機實現(xiàn)0～360°全圓周任意視角圖像采集；相機參數(shù)為標(biāo)定的相機矩陣，由相機內(nèi)部參數(shù)和外部參參數(shù)構(gòu)成，標(biāo)定不同高度情況下，形成相機矩陣庫，實現(xiàn)任意測量高度調(diào)用；初始化參數(shù)后，啟動LED光源，包括頂部LED光源和兩個側(cè)面光源，調(diào)節(jié)滑軌步進電機，在滑軌支架上安裝有激光測距傳感器，高度測量通過激光測距傳感器信號實現(xiàn)，使得多光譜相機和CCD相機達(dá)到預(yù)先設(shè)置的成像高度；頂部成像系統(tǒng)通過精密旋臺初始化至零位，等待測量信號；測量系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢后，啟動移動式測量系統(tǒng)，執(zhí)行直行信號，檢測是否到達(dá)工作位，如到達(dá)工作位，則判斷是否為停止工作位，若是停止工作位，則溫室作物信息采集流程完成；若不是停止工作位，則啟動多視角成像流程；多視角成像流程，首先同步觸發(fā)多光譜相機C0和CCD相機C1～C6，然后通過頂部旋臺調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)角度，調(diào)節(jié)后同步觸發(fā)C1～C6，根據(jù)角度數(shù)量，調(diào)節(jié)C1～C6的成像視角數(shù)量，完成圖像采集后，判斷是否為轉(zhuǎn)彎工位，若是，則執(zhí)行左轉(zhuǎn)彎或有轉(zhuǎn)彎信號，轉(zhuǎn)彎完成后，啟動多視角成像流程；若不是，則跳轉(zhuǎn)至直行信號；信息采集流程完成后，啟動作物信息計算流程，依次讀取各個工作位的圖像，車載服務(wù)器根據(jù)采集的多視角作物圖像，進行二元掩膜識別，然后創(chuàng)建3D立方體網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)各個視角下的二元掩膜對立方體進行空間雕刻，將不屬于作物區(qū)域雕刻掉；當(dāng)空間雕刻完成后，進行表面顏色恢復(fù)處理，實現(xiàn)作物三維點云模型重建；根據(jù)作物三維點云模型，計算作物體積、高度、幅寬三維形態(tài)參數(shù)；根據(jù)各個測量工位的多光譜圖像和生理信息診斷模型，實現(xiàn)生理信息診斷；信息計算完成后，顯示、存儲與發(fā)布作物三維形態(tài)信息和生理信息參數(shù)，當(dāng)各個測量工作作物信息計算完成后，生成溫室作物全景視場圖和作物信息表，完成整個測量流程。