田間作物表型檢測平臺設(shè)計與試驗

盧少志，楊蒙，楊萬能，葉軍立，李為坤，宋鵬

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點實驗室，武漢 430070； 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070

隨著基因技術(shù)的迅猛發(fā)展，表型檢測技術(shù)已成為制約作物育種的主要瓶頸之一[1]。傳統(tǒng)的表型檢測方法標準難以統(tǒng)一且費時費力，迫切需要實現(xiàn)作物表型信息的高效率、高質(zhì)量獲取[2]。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外已研發(fā)出懸索式、車載式、導(dǎo)軌式和移動式等多種田間作物表型檢測平臺。如Kirchgessner等[3]和Bai等[4]開發(fā)了一種懸索式田間作物表型檢測平臺，該平臺由多根柱子和電纜組成，掛載的傳感器可沿電纜移動，采集該區(qū)域內(nèi)的植物表型參數(shù)，但移動較為困難，只能針對固定地塊進行信息采集。Barker等[5]、Meacham-hensold等[6]以及Andrade-sanchez等[7]開發(fā)了一種基于車載平臺的表型檢測裝備，多種光學(xué)檢測傳感器隨車載平臺移動，采集植株多角度圖像，但此類平臺在信息采集過程中受外界環(huán)境影響較大，例如外界風(fēng)或太陽光較強烈時，信息采集效果較差。Shafiekhani等[8]研發(fā)了一種雙機器人協(xié)作的表型分析平臺，該系統(tǒng)通過移動觀察塔監(jiān)視整個田野并為地面移動車輛提供植物精準坐標，使移動車輛更精準前往待檢測作物以便節(jié)省時間，該系統(tǒng)適用于不同地塊檢測，但信息采集效果仍受外界環(huán)境影響。Busemeyer等[9]采用拖拉機牽引表型采集傳感器進行田間移動，并采用黑色帆布遮蔽以降低外界光照對數(shù)據(jù)采集效果的影響，但該系統(tǒng)需要拖拉機提供牽引力，無法實現(xiàn)自主行走。Virlet等[10]設(shè)計了一種田間導(dǎo)軌式表型檢測平臺，進行導(dǎo)軌區(qū)域內(nèi)作物表型性狀提取，該系統(tǒng)可在較為惡劣環(huán)境下進行信息采集，但其成本較高且無法實現(xiàn)不同地塊采集。王康等[11]開發(fā)了一種移動式田間信息自動采集裝置，其可根據(jù)磁條鋪設(shè)軌跡自動行走并完成RGB圖像的實時采集與保存，但其無法實現(xiàn)紅外圖像和高光譜圖像的采集，并且表型信息采集效果易受外界環(huán)境影響。

總體而言，現(xiàn)有田間表型檢測平臺或者移動不便，或者信息采集效果易受外界環(huán)境條件影響。針對以上情況，本研究設(shè)計了一種可靈活、高效、穩(wěn)定地采集田間作物表型信息的檢測平臺，旨在進一步提高田間作物表型信息檢測效率和質(zhì)量，為優(yōu)良作物品種的快速培育提高技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 檢測平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

1)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。大量作物表型性狀可通過冠層信息解析獲得，故本移動平臺設(shè)計為跨行式檢測，主要由行走系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和表型信息采集系統(tǒng)組成。行走系統(tǒng)包括驅(qū)動部分、轉(zhuǎn)向部分、車架等；控制系統(tǒng)由主控制器、工控機、觸摸屏、遙控接收等部件組成；表型信息采集平臺則包括采集傳感器、移動導(dǎo)軌、LED光源、可升降遮光布(可根據(jù)作物高度調(diào)節(jié)遮光布高度)等。采用Creo軟件對檢測平臺進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，檢測平臺整體結(jié)構(gòu)如圖1A所示，暗室狀態(tài)實物圖如圖1B所示。

A:檢測平臺結(jié)構(gòu)圖 Platform structure diagram; B:暗室狀態(tài)實物圖 Physical diagram of darkroom state.

由于不同作物生長高度不同，如玉米成熟期植株較棉花、油菜、小麥等更高，一般為1.8 m[12]。為兼顧不同作物表型檢測需求，結(jié)合其種植方式，設(shè)計檢測平臺長寬高分別為1 700、1 750、2 650 mm，其中表型檢測傳感器末端距離地面高度為2 200 mm。由于農(nóng)田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，檢測平臺需具備良好的驅(qū)動能力來適應(yīng)田間土壤狀況。檢測平臺主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 檢測平臺主要結(jié)構(gòu)參數(shù) Table 1 Main structural parameters of the platform

2)行走系統(tǒng)設(shè)計。為保證田間作物表型信息靈活穩(wěn)定地檢測，需在滿足檢測平臺靈活移動的同時減小移動過程的晃動[13]。為此，在滿足車輪承重能力的前提下，選用直徑560 mm、寬180 mm的人字紋橡膠輪胎，采用四輪獨立驅(qū)動、獨立轉(zhuǎn)向的移動方式[14]，主控制器通過驅(qū)動器分別控制驅(qū)動電機和轉(zhuǎn)向電機運動。行走系統(tǒng)單個輪組結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中驅(qū)動方式采用鏈傳動，轉(zhuǎn)向方式采用法蘭盤連接傳動。

1.輪胎 Tire; 2.傳動鏈條 Transmission chain; 3.旋轉(zhuǎn)主軸 Rotating main shaft; 4.轉(zhuǎn)向電機減速器 Steering motor reducer; 5.轉(zhuǎn)向電機 Steering motor; 6.驅(qū)動電機 Drive motor.

① 驅(qū)動電機選擇。平臺移動時主要受到滾動阻力、空氣阻力、加速阻力以及坡道阻力。因其使用場景為田間，且移動速度較慢，忽略空氣阻力和加速阻力，本研究只考慮滾動阻力和坡道阻力[15]。平臺受力：

Ft=∑F=Ff+Fi

(1)

Ff=mgf1

(2)

式(2)中：f1為田間滾動摩擦系數(shù)，取0.2[16]。其中：爬坡時，其坡道阻力為其沿坡道的分力，計算公式為：

Fi=mgsinα+mgf1cosα

(3)

其中：a為最大坡度，取30°。

驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩為：

(4)

其中：R為車輪直徑，m,取值為0.56；N為驅(qū)動電機個數(shù)，為常量4；η為驅(qū)動單元整體效率，取0.8[17]；i1為驅(qū)動電機減速比，為常量50。

驅(qū)動電機功率為：

(5)

其中，n為驅(qū)動電機實際最大轉(zhuǎn)速，取1 700 r/min。

根據(jù)以上公式得出驅(qū)動電機所需最大轉(zhuǎn)矩和最大功率分別為T=7.64 N·m，P=1 360 W。

② 轉(zhuǎn)向電機選擇。車輪在轉(zhuǎn)動時主要受到地面摩擦阻力，故轉(zhuǎn)向電機的轉(zhuǎn)矩和功率應(yīng)滿足動力大于等于地面摩擦力[18]。轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)矩：

(6)

其中：f2為車輪與地面靜摩擦力，取0.5；r為車輪半徑，取0.28 m；i2為轉(zhuǎn)向電機減速比，為常量50。

轉(zhuǎn)向電機功率為：

(7)

其中，n為轉(zhuǎn)型電機實際最大轉(zhuǎn)速，取2 500 r/min。根據(jù)以上公式得出轉(zhuǎn)向電機所需最大轉(zhuǎn)矩和最大功率分別為Mp=7.64 N·m，P=610 W。根據(jù)以上測算，選擇的行走系統(tǒng)驅(qū)動電機和轉(zhuǎn)向電機主要參數(shù)如表2所示。

表2 電機參數(shù) Table 2 Motor parameters

3)機架有限元分析。為提高仿真效果，忽略焊接對材料的影響[19]。設(shè)置材料屬性為不銹鋼，材料密度7 720 kg/m3，楊氏模量為2×105MPa，泊松比為0.28，設(shè)置最大元素控制尺寸為5 mm，應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)榫€性響應(yīng)；根據(jù)機架的總載荷與實際受力，以滿載極限工況下設(shè)置移動速度為3.6 km/h，分別對滿載四輪著地運動狀態(tài)(圖3)、滿載三輪著地運動狀態(tài)(圖4)進行分析。圖3顯示，在滿載四輪著地狀態(tài)下，機架的最大變形發(fā)生在機架與車輪連接桿的中心位置，最大變形量為4.500 mm，機架的最大等效彈性形變和最大等效應(yīng)力顯示不明顯；從結(jié)果可以看出，滿載四輪著地時，機架能夠滿足田間行駛要求。田間環(huán)境地面情況復(fù)雜，在田間作業(yè)時，4個輪組的受力無法絕對均衡。因本檢測平臺設(shè)計時整體對稱，在此以滿載左前輪懸空，另外三輪著地且受力均衡的情況進行分析(圖4)。由圖4可知，滿載左前輪懸空三輪著地狀態(tài)下，機架最大變形發(fā)生在右側(cè)機架與車輪連接桿的中心位置，最大變形量為6.932 mm，機架的最大等效彈性形變和最大等效應(yīng)力顯示不明顯；滿載三輪著地極限工況下，右側(cè)機架側(cè)梁位移較四輪著地時略有增大，從機架實際尺寸和材料屬性來看，機架不會失效，可滿足使用需求[20]。

1.2 平臺控制系統(tǒng)設(shè)計

1)控制原理。控制系統(tǒng)由平臺運動控制和表型信息采集控制兩部分組成，平臺主控制器選用西門子1212C (DC/DC/DC)PLC，其中運動控制部分還包括伺服驅(qū)動器、位置傳感器等。表型信息采集控制部分還包括采集傳感器、移動導(dǎo)軌、LED光源、可升降遮光布等。

控制系統(tǒng)原理如圖5所示，由于不同表型檢測傳感器的采集方式不同，為保證表型數(shù)據(jù)獲取的穩(wěn)定性，平臺采用遙控控制。為提高平臺運動靈活性，設(shè)計了原地轉(zhuǎn)向、橫向移動、阿克曼轉(zhuǎn)向3種運動模式。具體過程為：遙控器通過2.4 GHz頻道將指令傳送給SBUS接收機，根據(jù)SBUS協(xié)議將指令傳送給主控制器，主控PLC解析指令后實現(xiàn)對行走系統(tǒng)和表型信息采集系統(tǒng)的控制，行走系統(tǒng)由伺服電機驅(qū)動器通過485通訊進行控制，實現(xiàn)搭載表型檢測傳感器的移動導(dǎo)軌左右移動控制(采集高光譜圖像時需要用到)及表型數(shù)據(jù)獲取觸發(fā)控制。

2)控制方法。由于本平臺應(yīng)用場景為田間環(huán)境，田間環(huán)境較為復(fù)雜，車輪所受外部阻力也各不相同，傳統(tǒng)的控制方法難以滿足穩(wěn)定性要求，設(shè)計采用基于模糊PID的四輪協(xié)同控制算法來保證平臺行走穩(wěn)定性。

①模糊PID控制結(jié)構(gòu)。主控制器每秒接收1次編碼器反饋的電機實際轉(zhuǎn)速值，并與目標轉(zhuǎn)速值進行對比，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差值(偏差值的絕對值)在目標轉(zhuǎn)速值的1%以內(nèi)(即偏差率小于等于1%)，則不計誤差，其中偏差率界限設(shè)定為1%是經(jīng)過多次試驗得到的；當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差值超過目標轉(zhuǎn)速的1%，則采用模糊控制算法調(diào)節(jié)PID控制器的比例、積分和微分系數(shù)，以控制電機轉(zhuǎn)速誤差變小，實現(xiàn)平臺的穩(wěn)定行走。模糊PID控制算法原理如圖6所示。

A:總變形量 Total deformation; B:等效彈性應(yīng)變 Equivalent elastic strain; C:等效應(yīng)力 Equivalent stress.

A:總變形量 Total deformation; B:等效彈性應(yīng)變 Equivalent elastic strain; C:等效應(yīng)力 Equivalent stress.

圖5 控制系統(tǒng)原理圖

②模糊PID控制步驟。控制系統(tǒng)通過對比實際輸出轉(zhuǎn)速和目標轉(zhuǎn)速，得到目標轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速間的偏差值e和偏差值變化率ec。e和ec的基本論域設(shè)定為e∈[-0.3,0.3]，ec∈[-0.2，0.2]，經(jīng)過量化因子Ke=10，Kec=15將所有輸入變量轉(zhuǎn)換到模糊論域[-3,3]。通過分析PID控制的3個參數(shù)對輸出轉(zhuǎn)速的影響，制定合理的模糊控制規(guī)則，經(jīng)過模糊推理后輸出的仍然是模糊變量，因此采用面積重心法[21]進行解模糊輸出，轉(zhuǎn)化成確定的ΔKp、ΔKi、ΔKd，再經(jīng)由式(8)計算后發(fā)送給給PID控制器，從而實現(xiàn)參數(shù)的實時調(diào)整。

(8)

圖6 模糊PID控制算法原理圖

式(8)中，Kp0、Ki0、Kd0為PID控制參數(shù)的初始設(shè)定值。

3)運動模式。由于田間地形復(fù)雜多變，為使平臺進行田間作物表型檢測作業(yè)時靈活移動、節(jié)省轉(zhuǎn)彎空間，設(shè)計了多種運動模式，包括原地轉(zhuǎn)向、橫向移動和阿克曼轉(zhuǎn)向[22]，如圖7所示。

A:原地轉(zhuǎn)向 Turn on the spot; B:橫向移動 Move laterally; C:阿克曼轉(zhuǎn)向 Turn by Ackerman.

①原地轉(zhuǎn)向模式。當(dāng)左前輪和右后輪順時針旋轉(zhuǎn)角度α，右前輪和左后輪逆時針旋轉(zhuǎn)角度α，裝備處于原地轉(zhuǎn)向模式，此時轉(zhuǎn)彎半徑達到最小，田間地頭轉(zhuǎn)向時可節(jié)省轉(zhuǎn)彎空間。圖7A中，L表示軸距，為1 407 mm，K表示四輪間距，為1 461 mm，4個車輪在原地轉(zhuǎn)向模式下，要轉(zhuǎn)動的角度為α。4個車輪轉(zhuǎn)動的角度α即為：

(9)

經(jīng)計算得α=46°，故原地轉(zhuǎn)向模式下左前和右后2個輪子順時針轉(zhuǎn)動46°，右前和左后2個輪子逆時針轉(zhuǎn)動46°。本平臺長寬分別為1.70、1.75 m，故本平臺原地轉(zhuǎn)彎半徑小于2.5 m。

②橫向移動模式。4個車輪均逆時針轉(zhuǎn)動90°，裝備處于橫向移動模式(圖7B)。在作物表型信息采集時，可進行橫向運動，實現(xiàn)不同檢測行之間的快速切換，確保裝備在進行田間作物表型信息采集時移動更加靈活。

③阿克曼轉(zhuǎn)向模式。在進行田間檢測作業(yè)時，由于路面不平、土地松軟等因素，裝備行進方向會偏離作物行，阿克曼轉(zhuǎn)向可實現(xiàn)車輪無側(cè)滑轉(zhuǎn)向以保證車輛轉(zhuǎn)彎行駛時各車輪在地面上做純滾動，減少行駛阻力和輪胎磨損，以實時調(diào)整裝備的移動方向與作物行保持一致。如圖7C所示，阿克曼轉(zhuǎn)向要求在轉(zhuǎn)向時，4個輪子繞著同1個瞬時圓心O做純滾動[23]。得到以下關(guān)系式：

(10)

滿足式(10)，平臺即可實現(xiàn)阿克曼轉(zhuǎn)向。

2 結(jié)果與分析

2.1 續(xù)航時間

移動平臺實際消耗總功率P、負載總電壓U、負載總電流I滿足關(guān)系式：P=UI。

經(jīng)實際測得，平臺以1 m/s速度移動時，負載總電壓U=48 V，負載總電流I=30.5 A，平臺總功率P為1 464 W，要求選擇的電源能滿足小車工作6 h，所需電池組容量為8 784 W·h，因伺服電機額定電壓為48 V，故選用4塊單體額定電壓12 V、額定容量為200 A·h的蓄電池串中，電量每下降10%記錄對應(yīng)續(xù)航時間，當(dāng)顯示電量剩余10%時試驗停止，記錄總續(xù)航時間。試驗結(jié)果表明，表型檢測平臺在試驗過程中運動平穩(wěn)，電池和電機均無過熱現(xiàn)象，且電池電量下降均勻。當(dāng)平臺以3.6 km/h速度行駛時，總續(xù)航時間可達到6 h；當(dāng)平臺以1.8 km/h速度行駛時，平臺續(xù)航時間可達6.3 h(圖8)。

圖8 續(xù)航時間試驗

2.2 四輪協(xié)同運動

本檢測平臺主要通過基于模糊PID的四輪協(xié)同運動來實現(xiàn)平臺穩(wěn)定行走，為了驗證四輪協(xié)同運動算法的有效性，分別在有模糊PID算法和無模糊PID算法的情況下，控制移動平臺在田間以3.6 km/h的速度進行直線行走，實時讀取并記錄編碼器測量得到的車輪轉(zhuǎn)速值(圖9)。試驗結(jié)果表明，在無模糊PID控制下，4個車輪的轉(zhuǎn)速偏差較大，最大偏差率為7.4%，在模糊PID控制算法下，4個車輪的轉(zhuǎn)速偏差較小，最大偏差率為1%。

A:無模糊PID控制 No fuzzy PID control; B:模糊PID控制 Fuzzy PID control.

2.3 直線行駛偏移率試驗

在空曠的作物種植場地上標出平臺行駛的15 m長的邊界線和起始終止線，調(diào)整平臺前進方向與起始線平行，起始線與邊界線重合點記為點1，控制平臺以1 m/s的速度行駛，直至平臺任一位置到達終止線，平臺與終止線的重合點記為點2，測量點1和點2 的偏距c。記錄每次試驗的偏距，重復(fù)3次試驗(表3)。偏移率p：

(11)

式(11)中，c為偏距，mm；l為測試區(qū)長度，為15 m。由表3可知，該平臺在水泥地面和田間直線行駛時平均偏移率分別為2.14%和2.57%，可知該平臺直線行駛性能穩(wěn)定，可滿足使用需求[24]。

表3 平臺直線行駛偏移率試驗結(jié)果 Table 3 Straight driving deviation rate test results

2.4 田間表型信息采集效率

為驗證本平臺的田間表型信息采集效率,掛載成像速度快的RGB相機和熱紅外相機進行試驗。控制平臺以3.6 km/h的速度移動至待測育種小區(qū)上方后，停止，并控制相機進行圖像采集，采集結(jié)束后，繼續(xù)以相同速度沿作物行移動至下一育種小區(qū)，移動至本行盡頭時，換行進行下一行檢測。每個小區(qū)分別采集1張圖片。試驗結(jié)果表明，本平臺在1 h可采集120個小區(qū)的表型信息(圖10)。在此條件下，其檢測效率為120小區(qū)/h。

圖10 移動平臺田間采集效率試驗

2.5 表型信息采集效果

田間作物表型信息采集與處理試驗于2020年9月在湖北省武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花試驗田進行，該試驗田中育種材料以1 m×1 m種植，行間距為0.5 m，行內(nèi)每個育種小區(qū)間距0.2 m。采用本研究所述表型檢測平臺掛載大恒RGB相機、IRAY at600熱紅外相機和SPECIM fx10工業(yè)高光譜相機采用定點采集方式進行信息采集，并對所采集圖像進行預(yù)處理。

1)圖像采集穩(wěn)定性試驗。本試驗分別對非暗室環(huán)境與暗室環(huán)境下08:00、12:00、18:00 3個時間點進行田間棉花RGB圖像采集，如圖11A-C所示為非暗室環(huán)境平臺采集棉花RGB圖像，圖11D-F所示為暗室環(huán)境平臺采集棉花RGB圖像，可看出非暗室環(huán)境下不同時間點所采集圖像有明顯差異，暗室環(huán)境下不同時間點所采集圖像較為一致，更有利于后續(xù)處理。

圖11 棉花RGB圖像

2)表型數(shù)據(jù)獲取。通過對暗室環(huán)境下所采集RGB圖像、紅外圖像和高光譜圖像進行圖像處理，可獲取大量表型信息。通過圖12A所示RGB圖像處理流程圖[25]，可獲取棉花葉面積、葉長和葉寬等信息；通過圖12B所示紅外圖像處理流程圖[26]，獲取棉花葉片最高溫度、最低溫度和平均溫度等信息；通過圖12C所示高光譜圖像處理流程圖[27]，得到初級和高級光譜指數(shù)，再經(jīng)后續(xù)處理，可獲取氮磷鉀等含量信息。

3 討 論

由于田間地形復(fù)雜，且常規(guī)作物種植方式下行距較為密集，普通車輛無法在田間正常行走，本研究設(shè)計了一種田間作物表型檢測平臺，試驗結(jié)果顯示：一是設(shè)計的檢測平臺靈活性高、穩(wěn)定性強。設(shè)計的檢測平臺采用四輪獨立驅(qū)動、獨立轉(zhuǎn)向的行走模式，可切換多種運動模式以適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境；檢測平臺采用模糊PID控制算法，在田間行駛時車輪轉(zhuǎn)速最大偏差率為1%，在水泥地面和田間直線行駛時平均偏移率分別為2.14%和2.57%。二是采集環(huán)境穩(wěn)定，采集效果良好。該平臺作業(yè)過程中可形成一個移動暗室，并且內(nèi)置光源，可有效減小外界環(huán)境對采集效果的影響，表型信息采集質(zhì)量更加穩(wěn)定。三是通用性強。該平臺結(jié)構(gòu)采用跨行式且高度較高，可用于不同地塊的不同高度作物表型檢測作業(yè)；可搭載多種不同傳感器，獲取廣泛的作物表型信息。該平臺使用跨行式結(jié)構(gòu)可滿足行距密集(行距為0.5 m)情況下的表型信息采集工作，由于配備四輪獨立驅(qū)動、獨立轉(zhuǎn)向行走系統(tǒng)，可保證在田間靈活移動并不損傷作物。同時，由于平臺可懸掛RGB相機、熱紅外相機、高光譜相機對作物進行表型信息采集，這對后續(xù)通過圖像處理提取相關(guān)表型數(shù)據(jù)和培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)作物具有極為重要的意義。