基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，該裝置包括裝設(shè)有行走輪的移動(dòng)平臺(tái)以及設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)上的控制箱，還包括設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)上的采土裝置和存土裝置、設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)底部的破土裝置和光學(xué)系統(tǒng)、設(shè)置在控制箱頂部的GPS以及設(shè)置在控制箱內(nèi)的光譜儀、工控機(jī)和控制器。本發(fā)明操作簡便，整個(gè)光譜采集、記錄、聚類分析、代表性土壤樣品采集等多個(gè)過程可控并連續(xù)化，整個(gè)測試過程綠色無污染，不破壞測試體系，適用于大片田地的連續(xù)監(jiān)測；本發(fā)明不僅能夠降低檢測成本，還能夠提高模型的預(yù)測精度。
【專利說明】基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)先進(jìn)土壤傳感系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置。
[0003]

【背景技術(shù)】
[0004]精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命對農(nóng)業(yè)產(chǎn)生巨大影響下逐步形成的新型農(nóng)業(yè)形態(tài)，是科技含量很高、集成綜合性很強(qiáng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理技術(shù)。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)耕作方式主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行粗放管理，化肥、農(nóng)藥的使用雖然大幅提高了糧食產(chǎn)量，但盲目施肥不僅造成了大量的浪費(fèi)，而且?guī)砹藝?yán)重的土壤、環(huán)境污染。因此，必須重視土壤養(yǎng)分測量技術(shù)，實(shí)施區(qū)域化精準(zhǔn)施肥，充分挖掘農(nóng)田生產(chǎn)潛力，合理利用水肥資源，減少環(huán)境污染，同時(shí)大幅提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)。
[0005]目前，市面上的土壤養(yǎng)分速測儀以比色法原理為主，其精度基本可以滿足定量檢測的要求。但由于土壤成分復(fù)雜，有效養(yǎng)分的聯(lián)合浸提較困難，針對不同類型的土壤，浸提方法也有所區(qū)別。且由于浸提時(shí)間的要求，很難做到對農(nóng)田土壤養(yǎng)分的實(shí)時(shí)檢測。相對于比色法，離子選擇性電極檢測土壤養(yǎng)分不需要標(biāo)準(zhǔn)試劑、試紙等，但該方法一般只能檢測水溶性速效養(yǎng)分。
[0006]近年來，可見光/近紅外光譜法作為一種綠色的分析技術(shù)，由于其測量精度高、分析速度快、多種成分同時(shí)可測等優(yōu)點(diǎn)在很多相關(guān)領(lǐng)域得以迅速發(fā)展。根據(jù)土壤漫反射光譜特性與組分性質(zhì)之間的相應(yīng)函數(shù)關(guān)系，基于可見光/近紅外漫反射光譜的分析儀器在幾秒內(nèi)就可以完成數(shù)據(jù)采集和分析，給出多個(gè)組分的同步測量。中國專利CN101975764B公開了一種基于近紅外光譜技術(shù)的多波段土壤氮素檢測裝置和方法，采用七個(gè)單波段近紅外LED作為主動(dòng)光源，通過控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了 7個(gè)波段反射率數(shù)據(jù)的自動(dòng)或手動(dòng)獲取，適用于田間土壤氮素的實(shí)時(shí)測量。中國專利申請103091276A公開了一種土壤養(yǎng)分傳感器，利用MEMS技術(shù)將近紅外光譜儀微型化、精密化、集成化，開發(fā)一套高精度、便攜且能耗較低的土壤養(yǎng)分傳感器。中國專利申請CN101609042A公開了一種基于近紅外光譜的手持式土壤養(yǎng)分無損測量系統(tǒng)，整個(gè)裝置重量不足lkg，可以滿足田間土壤養(yǎng)分快速測量需要。
[0007]綜上，目前國內(nèi)外已有不少基于可見光/近紅外光譜的便攜式、微型化土壤傳感器，但均需先人工或機(jī)械取樣后測量，采樣與測量過程不連續(xù)，這在田地尤其是在大面積應(yīng)用時(shí)有一定的局限性。
[0008]同時(shí)，土壤養(yǎng)分含量的測量首先需要建立校正模型，即收集具有代表性的土壤樣品作為校正樣本集，測量校正樣本集的近紅外光譜，并采用國際法測量養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)含量，利用多元校正算法建立定量關(guān)系，即校正模型。對于未知土壤樣品，只需掃描其可見光/近紅外光譜圖，代入相應(yīng)校正模型，即可得到相應(yīng)各成分含量。隨機(jī)選擇出的樣品往往無法很好地反映所有樣品的信息，而選擇具有代表性的校正樣本集對所建校正模型的通用性和準(zhǔn)確性有較大影響，同時(shí)還可減小化學(xué)分析的工作量，是近紅外分析技術(shù)中提高效率、減少成本的重要方法。
[0009]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，該裝置能夠克服現(xiàn)有土壤成分測試不能連續(xù)、大面積測量等限制，利用可見光/近紅外光譜技術(shù)在田間連續(xù)檢測，并能實(shí)現(xiàn)校正樣本集中樣品的自動(dòng)采集。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，該裝置包括裝設(shè)有行走輪的移動(dòng)平臺(tái)以及設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)上的控制箱，該裝置還包括設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)上的采土裝置和存土裝置、設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)底部的破土裝置和光學(xué)系統(tǒng)、設(shè)置在控制箱頂部的GPS以及設(shè)置在控制箱內(nèi)的光譜儀、工控機(jī)和控制器；
所述破土裝置，用于翻土，帶動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)直接壓在翻過的土壤表面；
所述光學(xué)系統(tǒng)，用于形成土壤樣品漫反射光譜，并將土壤樣品漫反射光譜信息傳送至光譜儀；
所述光譜儀，用于收集土壤樣品漫反射可見光光譜和近紅外光譜數(shù)據(jù)，并傳送至工控機(jī)；
所述GPS，用于記錄土壤樣品的位置信息，并傳送至工控機(jī)；
所述工控機(jī)，用于對土壤樣品光譜信息進(jìn)行主成分提取和聚類分析，選擇出具有代表性的土壤樣品，并根據(jù)其位置信息進(jìn)行路徑規(guī)劃；
所述采土裝置，用于根據(jù)規(guī)劃的路徑，在移動(dòng)平臺(tái)到達(dá)指定土壤樣品的位置后，對土壤樣品進(jìn)行米集；
所述存土裝置，用于將采集的土壤樣品有序存放在移動(dòng)平臺(tái)上的特定區(qū)域內(nèi)；
所述控制器，用于對破土裝置、光學(xué)系統(tǒng)、采土裝置和存土裝置的啟動(dòng)和停止進(jìn)行控制。
[0012]所述的基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，所述破土裝置包括長桿、豎桿和斗齒，所述長桿的前端通過銷釘與移動(dòng)平臺(tái)連接，長桿的后端通過伸縮汽缸臂與移動(dòng)平臺(tái)連接；所述豎桿固定在長桿上，所述斗齒裝設(shè)在豎桿的下端前部，所述光學(xué)系統(tǒng)裝設(shè)在豎桿的下端后部；
所述光學(xué)系統(tǒng)包括光源系統(tǒng)和光譜采集系統(tǒng)，所述光源系統(tǒng)包括光源模塊和聚焦透鏡組，所述光譜采集系統(tǒng)包括收集透鏡和收集光纖端頭；所述光源模塊發(fā)出的光經(jīng)聚焦透鏡組準(zhǔn)直和聚焦后作用到待測土壤樣品表面形成漫反射光譜，所述漫反射光譜經(jīng)收集透鏡會(huì)聚后再通過收集光纖端頭耦合進(jìn)收集光纖并傳輸至光譜儀。
[0013]所述的基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，所述采土裝置包括液壓伸縮桿、用于抓取土壤樣品的第一機(jī)械手指和轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，所述存土裝置包括橫向?qū)к墶⒖v向?qū)к?、用于抓取土樣存?chǔ)罐的第二機(jī)械手指和若干土樣儲(chǔ)存罐；所述液壓伸縮桿通過支架固定在移動(dòng)平臺(tái)上，所述第一機(jī)械手指裝設(shè)在液壓伸縮桿的下端，所述轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤裝設(shè)在第一機(jī)械手指下方的移動(dòng)平臺(tái)上；所述轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤和移動(dòng)平臺(tái)上均開設(shè)有用于第一機(jī)械手指穿過的取土孔；所述轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤底部和第一機(jī)械手指內(nèi)部均設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)；
所述橫向?qū)к壟c縱向?qū)к壪嗷ゴ怪痹O(shè)置，所述橫向?qū)к壣显O(shè)有橫向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述縱向?qū)к壣显O(shè)有縱向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述橫向?qū)к壨ㄟ^立板固定在移動(dòng)平臺(tái)上，所述縱向?qū)к壯b設(shè)在橫向?qū)к壣喜⒃跈M向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下沿著橫向?qū)к墮M向移動(dòng)，所述第二機(jī)械手指裝設(shè)在縱向?qū)к壣喜⒃诳v向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下沿著縱向?qū)к壙v向移動(dòng)；所述若干土樣存儲(chǔ)罐有序放置在移動(dòng)平臺(tái)上且在第二機(jī)械手指能夠自由移動(dòng)的相應(yīng)區(qū)域內(nèi)；所述第二機(jī)械手指內(nèi)部設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0014]所述的基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，所述光學(xué)系統(tǒng)與豎桿通過平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)連接。
[0015]所述的基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，所述光源系統(tǒng)還包括一個(gè)圓柱形大套筒和一個(gè)圓柱形小套筒，所述光源模塊設(shè)置在圓柱形大套筒的頂端，所述圓柱形小套筒設(shè)置在圓柱形大套筒的下端，所述光源模塊采用鹵素?zé)襞?，所述聚焦透鏡組由兩片平凸透鏡組成，所述兩片平凸透鏡分別裝設(shè)在圓柱形小套筒的兩端，其平面相對放置。
[0016]所述的基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，所述光譜采集系統(tǒng)還包括一個(gè)圓柱形套筒，所述收集透鏡設(shè)置在圓柱形套筒的底端，所述收集光纖端頭設(shè)置在圓柱形套筒的頂端。
[0017]所述的基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，所述光譜儀包括可見光光譜儀和近紅外光譜儀。
[0018]所述的基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，所述橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均包括相互嚙合的條形齒輪和轉(zhuǎn)子齒輪以及用于帶動(dòng)轉(zhuǎn)子齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0019]由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明操作簡便，可由拖拉機(jī)等牽引在田間自由移動(dòng)，整個(gè)光譜采集、記錄、聚類分析、代表性土壤樣品采集等多個(gè)過程可控并連續(xù)化，整個(gè)測試過程綠色無污染，不破壞測試體系，適用于大片田地的連續(xù)監(jiān)測；本發(fā)明將整個(gè)田地采集后的可見光/近紅外光譜進(jìn)行聚類分析，根據(jù)聚類結(jié)果選擇采集具有代表性的樣品進(jìn)行建模，不僅能夠降低檢測成本，還能夠提高模型的預(yù)測精度。
[0020]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明裝置的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明裝置的后視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明裝置的采土流程示意圖；
其中:1_移動(dòng)平臺(tái)、2-行走輪、3-控制箱、4-GPS、5-光學(xué)系統(tǒng)、6-長桿、7-豎桿、8-斗齒、9-伸縮汽缸臂、10-平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)、11-支架、12-液壓伸縮桿、13-第一機(jī)械手指、14-轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤、15-立板、16-橫向?qū)к墶?7-縱向?qū)к墶?8-第二機(jī)械手指、19- 土樣存儲(chǔ)罐。

[0022]

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0024]如圖1?圖5所示，一種基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，包括一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)1，移動(dòng)平臺(tái)I的底部兩端均安裝有行走輪2，移動(dòng)平臺(tái)I可通過拖拉機(jī)等機(jī)動(dòng)車輛牽引實(shí)現(xiàn)在大田內(nèi)的自由移動(dòng)、信息采集和取樣。移動(dòng)平臺(tái)I上設(shè)有控制箱3、采土裝置和存土裝置，移動(dòng)平臺(tái)I底部中心安裝有光學(xué)系統(tǒng)5和破土裝置?？刂葡?內(nèi)設(shè)有光譜儀、工控機(jī)、顯示器、控制器等，控制箱3頂部設(shè)有GPS4。
[0025]破土裝置包括長桿6、豎桿7和斗齒8，長桿6的前端通過銷釘與移動(dòng)平臺(tái)I連接，長桿6的后端通過伸縮汽缸臂9與移動(dòng)平臺(tái)I連接。豎桿7通過螺釘固定在長桿6上，斗齒8安裝在豎桿7的下端前部，光學(xué)系統(tǒng)5通過平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)10安裝在豎桿7的下端后部。采用平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)10的作用在于:斗齒8破土?xí)r，光學(xué)系統(tǒng)5在重力作用下直接壓在土壤表面，隨著土壤表面的高度起伏，光學(xué)系統(tǒng)5可以自由調(diào)節(jié)。
[0026]光學(xué)系統(tǒng)5包括光源系統(tǒng)和光譜采集系統(tǒng)，光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)圓柱形套筒結(jié)構(gòu)，頂端放置一個(gè)小型鹵素?zé)襞荩露藶橐粋€(gè)小套筒，該小套筒兩端分別放置一個(gè)平凸透鏡，兩個(gè)平凸透鏡的半徑及焦距相同，平面相對放置，用于對發(fā)射光進(jìn)行準(zhǔn)直與聚焦。光譜采集系統(tǒng)同樣設(shè)計(jì)為一個(gè)圓柱形套筒結(jié)構(gòu)，在其底端放置一個(gè)平凸鏡，用于對反射光進(jìn)行聚焦，其頂端采用螺紋結(jié)構(gòu)用于固定光纖。
[0027]在采集土壤樣品光譜信息時(shí)，控制器控制伸縮汽缸臂9伸長直至豎桿7進(jìn)入土壤表層5?1cm內(nèi)，隨著移動(dòng)平臺(tái)I的移動(dòng)，斗齒8實(shí)現(xiàn)翻土，光學(xué)系統(tǒng)5直接壓在翻過的土壤表面，光源系統(tǒng)發(fā)出的光直接照射土壤表面，利用光譜采集系統(tǒng)直接采集土壤漫反射光譜信息；在土壤樣品光譜信息采集結(jié)束后，控制器控制伸縮汽缸臂9收縮，使得斗齒8和光學(xué)系統(tǒng)5脫離土壤表面。
[0028]光譜儀采用普通可見光光譜儀和近紅外光譜儀，通過光纖與光譜采集系統(tǒng)連接，收集土壤漫反射數(shù)據(jù)；GPS4用于記錄土樣的位置信息；光譜儀和GPS4分別通過USB數(shù)據(jù)線將轉(zhuǎn)換好的光譜數(shù)據(jù)和位置信息傳送至工控機(jī)和顯示器用于存儲(chǔ)、顯示及后續(xù)處理。通過對采集的土壤樣品光譜信息進(jìn)行主成分提取和聚類分析，可選擇出具有代表性的土壤樣品，根據(jù)同時(shí)記錄的GPS位置信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，便于后期采樣。
[0029]采土裝置包括液壓伸縮桿12、第一機(jī)械手指13和轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14，存土裝置包括橫向?qū)к?6、縱向?qū)к?7、第二機(jī)械手指18和若干土樣存儲(chǔ)罐19。液壓伸縮桿12通過支架11固定在移動(dòng)平臺(tái)I上，第一機(jī)械手指13安裝在液壓伸縮桿12的下端，轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14安裝在第一機(jī)械手指13下方的移動(dòng)平臺(tái)I上。轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14為一不完整圓盤結(jié)構(gòu)，其上開設(shè)有用于第一機(jī)械手指13穿過的取土孔(移動(dòng)平臺(tái)I上也開設(shè)有相應(yīng)的取土孔)，其底部安裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可控制其自由旋轉(zhuǎn)。第一機(jī)械手指13的每個(gè)指關(guān)節(jié)內(nèi)部均放置小型驅(qū)動(dòng)電機(jī)，指關(guān)節(jié)下端連接有采集片，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制指關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)以用于抓取土壤樣品。
[0030]橫向?qū)к?6與縱向?qū)к?7相互垂直設(shè)置，兩條導(dǎo)軌下均安裝有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括條形齒輪、轉(zhuǎn)子齒輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其中，條形齒輪與轉(zhuǎn)子齒輪緊密咬合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。橫向?qū)к?6通過立板15固定在移動(dòng)平臺(tái)I上；縱向?qū)к?7的一端安裝在橫向?qū)к?6上，并且在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下能夠沿著橫向?qū)к?6橫向移動(dòng)；第二機(jī)械手指18安裝在縱向?qū)к?7上，并且在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下能夠沿著縱向?qū)к?7縱向移動(dòng)。若干土樣儲(chǔ)存罐19有序放置在移動(dòng)平臺(tái)I上，并且在第二機(jī)械手指18能夠自由移動(dòng)的相應(yīng)區(qū)域內(nèi)。第二機(jī)械手指18的每個(gè)指關(guān)節(jié)內(nèi)部均放置小型驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制指關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)以用于抓取土樣存儲(chǔ)罐19。
[0031]根據(jù)具有代表性信息的土壤樣品規(guī)劃路徑，在到達(dá)指定土壤樣品的位置后，移動(dòng)平臺(tái)I停止移動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14位于圖5 (a)所示位置，控制器控制液壓伸縮桿12伸長至土壤表面后，再通過控制第一機(jī)械手指13關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來打開和閉合手指，進(jìn)行取土 ；取土結(jié)束后，控制器控制液壓伸縮桿12收縮，直至第一機(jī)械手指13到達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14上方一定位置，如圖5 (b)所示；控制轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14旋轉(zhuǎn)180度，直至轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14上的土樣存儲(chǔ)罐19位于第一機(jī)械手指13下方，如圖5 (c)所示；打開第一機(jī)械手指13，將抓取的土壤樣品放置在土樣存儲(chǔ)罐19中，如圖5 (d)所示；完成一個(gè)土壤樣品采集過程。由控制箱3內(nèi)的控制器控制液壓伸縮桿12內(nèi)的液壓泵、第一機(jī)械手指13關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14底部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成整個(gè)流程操作。
[0032]當(dāng)完成一個(gè)采樣過程，即土壤樣品放置于土樣存儲(chǔ)罐19中且位于轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14上的指定位置時(shí)，移動(dòng)第二機(jī)械手指18抓取該土樣存儲(chǔ)罐19，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而條形齒輪與轉(zhuǎn)子齒輪緊密咬合，實(shí)現(xiàn)第二機(jī)械手指18在二維空間的自由移動(dòng)；第二機(jī)械手指18移動(dòng)到相應(yīng)位置后放下該土樣存儲(chǔ)罐19，再移動(dòng)到相鄰的土樣存儲(chǔ)罐19位置，抓取下一個(gè)空的土樣存儲(chǔ)罐19至轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14處，開啟下一個(gè)采樣過程。由控制箱3內(nèi)的控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子齒輪的旋轉(zhuǎn)，根據(jù)預(yù)設(shè)程序控制每次轉(zhuǎn)子齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，實(shí)現(xiàn)對土壤樣品的有序安放。
[0033]控制器采用DSP (微處理芯片)或者FPGA (可編程邏輯器件)等高速通用控制芯片中任意一種，用于控制光譜采集模塊、聚類分析模塊、采土模塊(驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和液壓伸縮桿12的伸縮)、分格存儲(chǔ)模塊(驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng))的啟動(dòng)和停止。
[0034]整個(gè)裝置通過拖拉機(jī)車載電源逆變器供電。
[0035]本發(fā)明的工作原理如下:
(O首先將移動(dòng)平臺(tái)I連接于拖拉機(jī)等機(jī)動(dòng)車輛之后，接通電路，啟動(dòng)控制器；
(2)將伸縮汽缸臂9伸長直至豎桿7進(jìn)入土壤表層5?1cm內(nèi)，隨著移動(dòng)平臺(tái)I的移動(dòng)，斗齒8進(jìn)行翻土，將光學(xué)系統(tǒng)5直接壓在翻過的土壤表面，按預(yù)設(shè)的采樣頻率隨著移動(dòng)平臺(tái)I的移動(dòng)采集大片土壤光譜信息；在土壤光譜信息采集結(jié)束之后，將伸縮汽缸臂9收縮，使得斗齒8和光學(xué)系統(tǒng)5離開土壤表面；
(3)將采集到的土壤光譜信息和采樣點(diǎn)對應(yīng)的GPS位置信息傳輸至控制箱3內(nèi)的工控機(jī)中，對光譜進(jìn)行預(yù)處理和主成分分析，使用提取后的主成分進(jìn)行聚類分析，選出具有代表性的土壤樣品，即訓(xùn)練集(120?150個(gè))；
(4)根據(jù)訓(xùn)練集土壤樣品的位置信息，進(jìn)行路徑規(guī)劃；
(5)根據(jù)所規(guī)劃的路徑，移動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)1，同時(shí)進(jìn)行采土，在到達(dá)指定土壤樣品的位置后，轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14位于初始位置(如圖5所示)，伸長液壓伸縮桿12至土壤表面后，通過控制第一機(jī)械手指13關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來打開和閉合手指，進(jìn)行取土操作，取土結(jié)束后收縮液壓伸縮桿12直至第一機(jī)械手指13到達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14上方一定位置，使轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14轉(zhuǎn)動(dòng)180度，直至其上的土樣存儲(chǔ)罐19位于第一機(jī)械手指13下方，打開第一機(jī)械手指13將土壤樣品放置在土樣存儲(chǔ)罐19中，即完成一個(gè)土樣采集過程；
(6)完成一個(gè)采樣過程后，移動(dòng)第二機(jī)械手指18抓取轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14上的土樣存儲(chǔ)罐19，通過控制器操作第二機(jī)械手指18在橫向?qū)к?6和縱向?qū)к?7上的移動(dòng)，第二機(jī)械手指18移動(dòng)至移動(dòng)平臺(tái)I上的相應(yīng)位置后放下土樣存儲(chǔ)罐19，即完成一個(gè)土樣存儲(chǔ)過程；
(7)再移動(dòng)第二機(jī)械手指18至相鄰?fù)翗哟鎯?chǔ)罐19位置，抓取下一個(gè)土樣存儲(chǔ)罐19放至轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14處，使轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤14轉(zhuǎn)動(dòng)180度，重復(fù)(5)，開啟下一個(gè)土樣的采集和存儲(chǔ)，直至完成所有訓(xùn)練集土壤樣品的采集和存儲(chǔ)。
[0036]以上所述實(shí)施方式僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，該裝置包括裝設(shè)有行走輪的移動(dòng)平臺(tái)以及設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)上的控制箱，其特征在于:該裝置還包括設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)上的采土裝置和存土裝置、設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)底部的破土裝置和光學(xué)系統(tǒng)、設(shè)置在控制箱頂部的GPS以及設(shè)置在控制箱內(nèi)的光譜儀、工控機(jī)和控制器； 所述破土裝置，用于翻土，帶動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)直接壓在翻過的土壤表面； 所述光學(xué)系統(tǒng)，用于形成土壤樣品漫反射光譜，并將土壤樣品漫反射光譜信息傳送至光譜儀； 所述光譜儀，用于收集土壤樣品漫反射可見光光譜和近紅外光譜數(shù)據(jù)，并傳送至工控機(jī)； 所述GPS，用于記錄土壤樣品的位置信息，并傳送至工控機(jī)； 所述工控機(jī)，用于對土壤樣品光譜信息進(jìn)行主成分提取和聚類分析，選擇出具有代表性的土壤樣品，并根據(jù)其位置信息進(jìn)行路徑規(guī)劃； 所述采土裝置，用于根據(jù)規(guī)劃的路徑，在移動(dòng)平臺(tái)到達(dá)指定土壤樣品的位置后，對土壤樣品進(jìn)行米集； 所述存土裝置，用于將采集的土壤樣品有序存放在移動(dòng)平臺(tái)上的特定區(qū)域內(nèi)； 所述控制器，用于對破土裝置、光學(xué)系統(tǒng)、采土裝置和存土裝置的啟動(dòng)和停止進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，其特征在于:所述破土裝置包括長桿、豎桿和斗齒，所述長桿的前端通過銷釘與移動(dòng)平臺(tái)連接，長桿的后端通過伸縮汽缸臂與移動(dòng)平臺(tái)連接；所述豎桿固定在長桿上，所述斗齒裝設(shè)在豎桿的下端前部，所述光學(xué)系統(tǒng)裝設(shè)在豎桿的下端后部； 所述光學(xué)系統(tǒng)包括光源系統(tǒng)和光譜采集系統(tǒng)，所述光源系統(tǒng)包括光源模塊和聚焦透鏡組，所述光譜采集系統(tǒng)包括收集透鏡和收集光纖端頭；所述光源模塊發(fā)出的光經(jīng)聚焦透鏡組準(zhǔn)直和聚焦后作用到待測土壤樣品表面形成漫反射光譜，所述漫反射光譜經(jīng)收集透鏡會(huì)聚后再通過收集光纖端頭耦合進(jìn)收集光纖并傳輸至光譜儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，其特征在于:所述采土裝置包括液壓伸縮桿、用于抓取土壤樣品的第一機(jī)械手指和轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，所述存土裝置包括橫向?qū)к?、縱向?qū)к?、用于抓取土樣存?chǔ)罐的第二機(jī)械手指和若干土樣儲(chǔ)存罐；所述液壓伸縮桿通過支架固定在移動(dòng)平臺(tái)上，所述第一機(jī)械手指裝設(shè)在液壓伸縮桿的下端，所述轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤裝設(shè)在第一機(jī)械手指下方的移動(dòng)平臺(tái)上；所述轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤和移動(dòng)平臺(tái)上均開設(shè)有用于第一機(jī)械手指穿過的取土孔；所述轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤底部和第一機(jī)械手指內(nèi)部均設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)； 所述橫向?qū)к壟c縱向?qū)к壪嗷ゴ怪痹O(shè)置，所述橫向?qū)к壣显O(shè)有橫向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述縱向?qū)к壣显O(shè)有縱向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述橫向?qū)к壨ㄟ^立板固定在移動(dòng)平臺(tái)上，所述縱向?qū)к壯b設(shè)在橫向?qū)к壣喜⒃跈M向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下沿著橫向?qū)к墮M向移動(dòng)，所述第二機(jī)械手指裝設(shè)在縱向?qū)к壣喜⒃诳v向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下沿著縱向?qū)к壙v向移動(dòng)；所述若干土樣存儲(chǔ)罐有序放置在移動(dòng)平臺(tái)上且在第二機(jī)械手指能夠自由移動(dòng)的相應(yīng)區(qū)域內(nèi)；所述第二機(jī)械手指內(nèi)部設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，其特征在于:所述光學(xué)系統(tǒng)與豎桿通過平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，其特征在于:所述光源系統(tǒng)還包括一個(gè)圓柱形大套筒和一個(gè)圓柱形小套筒，所述光源模塊設(shè)置在圓柱形大套筒的頂端，所述圓柱形小套筒設(shè)置在圓柱形大套筒的下端，所述光源模塊采用鹵素?zé)襞?，所述聚焦透鏡組由兩片平凸透鏡組成，所述兩片平凸透鏡分別裝設(shè)在圓柱形小套筒的兩端，其平面相對放置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，其特征在于:所述光譜采集系統(tǒng)還包括一個(gè)圓柱形套筒，所述收集透鏡設(shè)置在圓柱形套筒的底端，所述收集光纖端頭設(shè)置在圓柱形套筒的頂端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，其特征在于:所述光譜儀包括可見光光譜儀和近紅外光譜儀。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于近紅外光譜技術(shù)的車載土壤養(yǎng)分檢測及自動(dòng)采樣裝置，其特征在于:所述橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均包括相互嚙合的條形齒輪和轉(zhuǎn)子齒輪以及用于帶動(dòng)轉(zhuǎn)子齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
【文檔編號(hào)】G01N21/3563GK104483285SQ201410741370
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】汪玉冰, 王儒敬, 常禮, 宋良圖, 曹平國, 林志丹, 劉晶, 魯翠萍, 汪六三, 張正勇, 李平, 何大偉, 賈鐵振 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院