基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置及其使用方法

1.本发明涉及土壤检测技术领域，具体涉及一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置及其使用方法。


背景技术：

2.土壤孔隙是土壤颗粒之间存在的间隙。它与土壤肥力密切相关，是土壤中的水分、空气重要通道和贮存场所，为植物根系发育和微生物繁殖提供了空间和养分。然而，由于土壤内部结构的复杂性和“黑箱”性，土壤孔隙结构的定量研究在方法和理论上一直是一个难题。
3.目前获取土壤孔隙的形态大小和分布一般采取间接分析法或直接观察法，常用的检测方法包括容重法、水分特征曲线法、压汞法、气体吸附法、土壤切片法、计算机断层扫描技术和核磁共振技术等。但上述检测方法不仅费时费力，而且对于需要大样本的科学研究和进行大规模的土壤普查而言，往往成本高昂。此外，受设备、成本和土壤自身复杂性的限制，田间土壤孔隙度的原位检测存在影响因素多、精度低等问题，无法满足精准农业的需要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置，该检测装置结构小巧紧凑，可以快速准确地对土壤孔隙度进行检测，从而快速掌握土壤孔隙度的空间变异性，省时省力，且检测装置检测精度高，可以提高土地管理者对潜在生产限制的认识，并有助于耕作制度和施肥方式的科学决策，以改善土壤松紧结构状况，为作物生长创造一个丰产的土壤条件，满足精准农业的需要。
5.本发明的另一个目的在于提供一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置的使用方法。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置，包括光箱、土样推切机构、控制系统以及图像采集系统，其中，
8.所述光箱用于提供密闭的光照环境；
9.所述土样推切机构设置在所述光箱内，该土样推切机构包括固定在所述光箱底部的机架、设置在所述机架上的推土机构以及切土机构；所述推土机构用于将环刀中的土样按照设定高度精准推出，所述切土机构用于将推出的土样进行切除；所述控制系统与所述推土机构以及切土机构连接，用于控制推土机构以及切土机构运动；
10.所述图像采集系统包括设置在光箱顶部正中间的工业相机以及设置在控制箱内的工控机；所述工业相机与所述工控机连接；所述工业相机用于采集土样内部水平切面的分层图像，所述工控机用于接收工业相机所采集的分层图像，结合计算机视觉和机器学习分析土样的土壤孔隙结构，从而获得土壤孔隙度的检测值。
11.上述基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置的工作原理是：
12.检测时，光箱为检测装置提供了密闭的光照环境，控制系统设定了推土的高度，控制系统控制推土机构向上将环刀中的土样按照设定高度精准推出，然后控制系统控制切土机构将推出的土样进行切除，露出土样内部水平切面；工业相机采集土样内部水平切面，获得分层图像，工业相机将分层图像发送至工控机中，工控机接收工业相机所采集的分层图像，并结合计算机视觉和机器学习分析土样的土壤孔隙结构，获得土壤孔隙度的大小(即土壤孔隙度的检测值)，重复上述操作，将多个分层图像获得的土壤孔隙度的平均值作为该环刀土样的孔隙度值，以减小土壤杂质(石头、根系、微生物等)对检测结果造成的随机误差。
13.本发明的一个优选方案，其中，所述推土机构包括活塞以及推土电动推杆，所述推土电动推杆包括推杆以及步进电机，其中，所述步进电机设置在机架上，所述推杆的上端与所述活塞连接，所述推杆的下端与所述步进电机的动力端连接；所述活塞与所述环刀的内壁滑动配合。检测装置开始工作时，所述活塞的下表面与所述环刀的底部表面齐平，可以根据步进电机脉冲数控制推杆的行程，所述步进电机与所述控制系统连接，控制系统用于控制步进电机运动。
14.优选地，所述机架上设有用于夹持所述环刀的夹持机构，所述夹持机构包括设置在机架上的三爪卡盘以及设置在所述三爪卡盘上的定位套筒，所述定位套筒的内孔为阶梯孔，所述阶梯孔包括位于上端的上阶梯孔以及位于下端的下阶梯孔，所述上阶梯孔与所述环刀的外壁相互配合，所述下阶梯孔的直径与所述环刀内径相同。上述结构中，通过设置三爪卡盘，三爪卡盘具有自定心和装夹快速稳定的优点，用于夹紧环刀，防止向上推土的过程中，环刀被一起推出；上阶梯孔与环刀外壁配合，下阶梯孔直径与环刀内径一致，从而实现环刀的定位，活塞通过定位套筒然后与环刀中的土样底部接触。
15.优选地，所述切土机构包括切土刀以及设置在机架上用于驱动所述切土刀进行移动的切土电动推杆。通过切土电动推杆驱动切土刀进行移动，切土刀可以对伸出环刀的土样进行切除。
16.优选地，所述机架上设有用于收集废土样的土样收集机构，所述土样收集机构包括设置在机架上的收集板以及设置在机架旁的收集箱，所述收集板上设有收集槽；所述环刀穿过所述收集板。上述机构中，切土刀所切除的土样会掉落至收集板的收集槽上，经过收集槽的引导，会掉入收集箱中，从而将切除的废土样进行收集。
17.优选地，所述切土刀包括竖直部以及位于竖直部下端倾斜切割部。所述倾斜切割部朝着靠近收集箱的方向倾斜向下延伸。其目的在于，便于更好地将环刀中推出的土样进行切除，并将切除的土样刮到收集板上；所述倾斜切割部的刀刃与所述环刀的上表面平齐连接，提高了切土的精确度。
18.进一步地，所述竖直部与下端倾斜切割部之间的夹角为100
°
。通过将切土刀折弯成100
°
，能够更好地使得下端倾斜切割部的刀刃与环刀贴合，不会出现拖刀的现象。
19.进一步地，所述收集槽包括水平段、连接在水平段的第一倾斜段以及连接在第一倾斜段上的第二倾斜段，其中，所述第一倾斜段的宽度朝着第二倾斜段的方向逐渐减小，所述第二倾斜段的出口位于收集箱的上方，所述第一倾斜段以及第二倾斜段均朝着向下的方向倾斜。通过设置上述结构，便于切除的土样在第一倾斜段中汇聚，然后经过第二倾斜段输送至收集箱，方便了废土样的收集。
20.优选地，所述切土刀与所述机架之间设有用于引导所述切土刀进行来回运动的导向机构，所述导向机构包括两条平行设置在机架上的导轨以及设置在所述导轨上且与所述导轨滑动配合的滑块，所述滑块与所述切土刀连接。通过设置导向机构，可以保证切土刀运动的稳定性，保证切土的质量，从而实现了精确切土。
21.优选地，所述切土电动推杆的伸缩杆与所述切土刀之间通过力传感器连接。其目的在于，力传感器用于收集土样(原状土柱)在剪切过程中土壤阻力的变化，以便分析土壤孔隙度信息。
22.优选地，所述控制系统包括主控板、驱动器、按键模块、oled显示屏、接触开关以及led光源数字控制器；其中，所述主控板分别与所述驱动器、按键模块、oled显示屏以及接触开关连接，所述驱动器与所述步进电机以及切土电动推杆连接，所述主控板、驱动器、按键模块、oled显示屏、接触开关以及led光源数字控制器均安装在光箱侧面的控制箱上；其中，
23.所述主控板用于接收按键模块的按键信号，设置和调节推土高度，并输出步进电机的驱动信号，以及输出控制系统的状态；
24.所述驱动器用于接收主控板的信号从而驱动步进电机以及切土电动推杆工作；
25.所述按键模块用于触发控制信号，所述控制信号包括设置推土电动推杆的推出深度、触发步进电机进行推土和触发切土电动推杆进行切土、推土电动推杆的复位、切土电动推杆的复位；
26.所述oled显示屏用于接收主控板的信号并显示控制系统的状态和当前推土高度；
27.所述led光源数字控制器用于控制调整光箱中的led光源的亮度。
28.优选地，所述工控机包括数据采集模块、数据处理模块以及结果显示模块；所述数据处理模块分别与数据采集模块、结果显示模块连接；其中，所述数据采集模块分别与工业相机、力传感器连接，该数据采集模块用于接收工业相机拍摄的分层图像以及力传感器采集的数据；所述数据处理模块用于通过计算机视觉和机器学习处理采集的分层图像以及用于处理力传感器采集的数据；结果显示模块用于显示土壤孔隙度的检测值和切土过程中土样阻力的变化曲线。
29.优选地，所述接触开关的数量为三个，其中两个接触开关安装在机架上，且两个接触开关的安装位置分别与切土电动推杆伸出极限位置以及缩回极限位置对应；剩余一个接触开关的安装位置与所述推土电动推杆缩回极限位置对应。其目的在于，保证了切土电动推杆、推土电动推杆的复位精度以及切土电动推杆伸出精度。
30.一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置的使用方法，包括以下步骤：
31.(1)打开电源，为检测装置供电，然后系统自检；
32.(2)打开光箱门，将环刀土样放入定位套筒中，然后锁紧三爪卡盘，将环刀固定好，关闭光箱门；
33.(3)设置光箱中的led光源的亮度和推土机构的单次推土高度，推土高度以毫米为单位，显示在oled显示屏上；
34.(4)按下按键模块中的切土按键，将切土电动推杆伸出，带动切土刀往右移动，当右侧的接触开关触发时，切土电动推杆停止伸出，进入切土预备状态；
35.(5)按下按键模块中的推土按键，主控板根据设置的推土高度计算出步进电机所需脉冲数，然后发送给步进电机的驱动器，驱动步进电机转动相应的圈数，推杆带动活塞将
环刀内的土样推出设定高度，并将状态显示在oled显示屏上，主控板根据推出次数计算总推出高度并显示在oled显示屏上；
36.(6)按下切土按键，切土电动推杆收回，带动切土刀往左移动，切土刀将推出部分的土样水平切除，露出土样内部水平切面；当左侧的接触开关触发时，切土电动推杆停止运动；在切土过程中，力传感器的数据被传输到工控机进行显示并保存；
37.(7)工业相机采集土样内部水平切面的分层图像，并存储在工控机中；
38.(8)结合计算机视觉技术对分层图像进行预处理，通过部署在工控机中训练好的机器学习模型，分析土样的土壤孔隙结构，由分层图像获得土壤孔隙度的大小，并由工控机进行显示并保存；
39.(9)重复步骤(4)-(8)，将多个分层图像的土壤孔隙度检测结果的平均值作为该环刀土样的孔隙度值；
40.(10)按下推土复位按键，推土电动推杆缩回，当触碰到位于底部的接触开关时停止缩回，完成推土电动推杆的复位；
41.(11)更换环刀土样，重复步骤(2)-(10)。
42.优选地，步骤(1)中，系统自检包括对推土电动推杆的位置检测以及对切土电动推杆的伸缩杆的位置检测；当推土电动推杆的推杆处于伸出状态时，底部的接触开关没有触发时，会自动将推杆复位至底部使接触开关触发，当切土电动推杆的伸缩杆处于右侧且与右侧的接触开关触发的位置或者伸缩杆处于与左右侧的接触开关均无触发的位置时，会自动将切土电动推杆的伸缩杆缩回至左侧，使得左侧的接触开关触发，完成系统自检。
43.进一步地，步骤(5)中，当按下推土按键时，会先检测切土电动推杆的伸缩杆的位置，如果切土电动推杆的伸缩杆未处于伸出状态且未使右侧的触发开关进行触发时，oled显示屏会显示报错，并且不会执行切土操作。
44.优选地，通过调节led光源的亮度，多次记录不同光照条件下的土样的分层图像，便于后续对土样的土壤孔隙度信息进行分析。
45.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
46.1、本发明中的基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置，通过控制系统自动控制推土机构将环刀中的土样按照设定高度精准推出，自动控制切土机构将推出的土样进行切除，露出土样内部水平切面；图像采集系统中的工业相机采集土样内部水平切面，获得分层图像，工控机接收工业相机所采集的分层图像，并结合计算机视觉和机器学习分析土样的土壤孔隙结构，获得土壤孔隙度的大小，检测装置结构小巧紧凑，可以快速准确地对土壤孔隙度进行检测，从而快速掌握土壤孔隙度的空间变异性，省时省力。
47.2、本发明中的基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置，由于土壤内部孔隙结构具有“黑箱”性，利用基于原状土柱的分层图像和机器学习的土壤孔隙度检测方法研究破坏后的图像特征与土壤孔隙度间的映射关系，从而可以精准的检测出土壤孔隙度的大小，检测装置的检测精度高，可以提高土地管理者对潜在生产限制的认识，并有助于耕作制度和施肥方式的科学决策，以改善土壤松紧结构状况，为作物生长创造一个丰产的土壤条件，满足精准农业的需要。
48.3、本发明中的基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置，通过多源数据融合，将力传感器和图像采集装置进行信息互补，从而提高检测装置对土壤孔隙结构的感知能力。
附图说明
49.图1-图为本发明中的一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置的一种具体实施方式的结构示意图，其中，图1为光箱门处于关闭状态的立体图，图2为光箱门处于打开状态的立体图。
50.图3-图5为本发明中的土样推切机构的结构示意图，其中，图3为主视图，图4-图5为不同视角方向的立体图。
51.图6-图7为本发明中的推土机构的结构示意图，其中，图6为立体图1，图7为内部结构示意图。
52.图8为本发明中的定位套筒的立体结构示意图。
53.图9为本发明中的切土机构的立体结构示意图。
54.图10为本发明中的切土刀的立体结构示意图。
55.图11为本发明中的收集板的立体结构示意图。
56.图12为本发明中的控制系统的示意图。
具体实施方式
57.为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
58.实施例1
59.参见图1-图7，本实施例公开了一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置，包括光箱1、土样推切机构、控制系统以及图像采集系统2，其中，所述土样推切机构设置在所述光箱1内，该土样推切机构包括固定在所述光箱1底部的机架3、设置在所述机架3上的推土机构4以及切土机构5；所述推土机构4用于将环刀15中的土样16按照设定高度精准推出，所述切土机构5用于将推出的土样16进行切除；所述控制系统与所述推土机构4以及切土机构5连接，用于控制推土机构4以及切土机构5运动；所述图像采集系统2用于采集土样16的分层图像，结合计算机视觉和机器学习分析土样16的土壤孔隙结构；所述光箱1用于提供密闭的光照环境。
60.参见图1-图7，所述推土机构4包括活塞4-1以及推土电动推杆，所述推土电动推杆包括推杆4-2以及步进电机4-3，其中，所述步进电机4-3设置在机架3上，所述推杆4-2的上端与所述活塞4-1连接，所述推杆4-2的下端与所述步进电机4-3的动力端连接；所述活塞4-1与所述环刀15的内壁滑动配合。检测装置开始工作时，所述活塞4-1的下表面与所述环刀15的底部表面齐平，可以根据步进电机4-3脉冲数控制推杆4-2的行程，所述步进电机4-3与所述控制系统连接，控制系统用于控制步进电机4-3运动。
61.参见图1-图8，所述机架3上设有用于夹持所述环刀15的夹持机构6，所述夹持机构6包括设置在机架3上的三爪卡盘6-1以及设置在所述三爪卡盘6-1上的定位套筒6-2，所述定位套筒6-2的内孔为阶梯孔6-21，所述阶梯孔6-21包括位于上端的上阶梯孔6-211以及位于下端的下阶梯孔6-212，所述上阶梯孔6-211与所述环刀15的外壁相互配合，所述下阶梯孔6-212的直径与所述环刀15内径相同。上述结构中，通过设置三爪卡盘6-1，三爪卡盘6-1具有自定心和装夹快速稳定的优点，用于夹紧环刀15，防止向上推土的过程中，环刀15被一起推出；上阶梯孔6-211与环刀15外壁配合，下阶梯孔6-212直径与环刀15内径一致，从而实
1进行来回运动的导向机构，所述导向机构包括两条平行设置在机架3上的导轨10以及设置在所述导轨10上且与所述导轨10滑动配合的滑块12，所述滑块12与所述切土刀5-1连接。通过设置导向机构，可以保证切土刀5-1运动的稳定性，保证切土的质量，从而实现了精确切土。
73.参见图1-图5和图9，所述切土电动推杆5-2的伸缩杆与所述切土刀5-1之间通过力传感器13连接。其目的在于，力传感器13用于收集土样16(原状土柱)在剪切过程中土壤阻力的变化，以便分析土壤孔隙度信息。
74.参见图1-图5和图9，所述切土电动推杆5-2的伸缩杆通过一个u形件与所述力传感器13连接，力传感器13的另一端与切土刀5-1的中间连接。
75.参见图1-图5，所述光箱1包括箱体1-1、光箱门1-2以及led光源；所述光箱门1-2采用前开门设计，可以快速更换环刀土样；所述led光源位于箱体1-1的顶部和底部。
76.进一步地，所述环刀土样为装有土样16的环刀15。
77.参见图1-图5、图9和图12，所述控制系统包括主控板、驱动器、按键模块17、oled显示屏18、接触开关19以及led光源数字控制器；其中，所述主控板分别与所述驱动器、按键模块17、oled显示屏18以及接触开关19连接，所述驱动器与所述步进电机4-3以及切土电动推杆5-2连接，所述主控板、驱动器、按键模块17、oled显示屏18、接触开关19以及led光源数字控制器均安装在光箱1侧面的控制箱20中。
78.参见图1-图5、图9和图12，所述主控板用于接收按键模块17的按键信号，设置和调节推土高度，并输出步进电机4-3的驱动信号、输出切土电动推杆5-2的驱动信号，以及输出控制系统的状态；
79.所述驱动器用于接收主控板的信号从而驱动步进电机4-3以及切土电动推杆5-2工作；所述按键模块17用于触发控制信号，所述控制信号包括设置推土电动推杆的推出深度、触发步进电机4-3进行推土和触发切土电动推杆5-2进行切土、推土电动推杆的复位、切土电动推杆5-2的复位；所述oled显示屏18用于接收主控板的信号并显示控制系统的状态和当前推土高度；所述led光源数字控制器用于控制调整光箱1中的led光源的亮度。
80.所述主控板为esp32芯片。图12中的执行器包括上述推土电动推杆以及切土电动推杆5-2。
81.参见图1-图2，所述图像采集系统2包括设置在光箱1顶部正中间的工业相机2-1以及设置在控制箱20内的工控机，所述工业相机与所述工控机连接；其中，所述工控机用于接收工业相机2-1所采集的分层图像以及力传感器13所采集的数据，通过结合计算机视觉和机器学习处理采集的分层图像，分析土样的土壤孔隙结构，从而获得土壤孔隙度的检测值，所述工控机还用于处理力传感器采集的数据；并用于显示土壤孔隙度的检测值和切土过程中土样阻力的变化曲线。
82.具体地，所述工控机包括数据采集模块、数据处理模块以及结果显示模块；所述数据处理模块分别与数据采集模块、结果显示模块连接；其中，所述数据采集模块用于接收工业相机2-1拍摄的分层图像以及力传感器采集的数据；所述数据处理模块用于通过计算机视觉和机器学习处理采集的分层图像以及用于处理力传感器采集的数据；结果显示模块用于显示土壤孔隙度的检测值和切土过程中土样16阻力的变化曲线。
83.所述控制箱20上设有工控机显示器21，所述工控机显示器21构成上述结果显示模
块；所述工控机显示器21用于显示工业相机2-1采集的分层图像、孔隙度检测值和切土过程中土样16阻力的变化曲线。通过设置力传感器13，可以采集切土过程中的阻力变化，结合分层图像，提高检测装置对土壤孔隙结构的感知能力。
84.参见图1-图5和图9，所述接触开关19的数量为三个，其中两个接触开关19安装在机架3上，且两个接触开关19的安装位置分别与切土电动推杆5-2伸出极限位置以及缩回极限位置对应；剩余一个接触开关19的安装位置与所述推土电动推杆缩回极限位置对应。当切土电动推杆5-2的伸缩杆处于伸出极限位置位置，与之对应的接触开关19触发，当切土电动推杆5-2的伸缩杆处于缩回极限位置，与之对应的接触开关19触发，当推土电动推杆的推杆4-2处于缩回极限位置，与之对应的接触开关19触发。上述结构的目的在于，保证了切土电动推杆5-2、推土电动推杆的复位精度以及切土电动推杆5-2伸出精度。
85.参见图1-图5和图9，三个接触开关19分别为位于左侧的接触开关19、位于右侧的接触开关19，位于底部的接触开关19，左侧的接触开关19与右侧的接触开关19分别与切土电动推杆5-2伸出极限位置以及缩回极限位置对应；底部的接触开关19与所述推土电动推杆缩回极限位置对应。
86.参见图1-图5，上述基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置的工作原理是：
87.检测时，光箱1为检测装置提供了密闭的光照环境，控制系统设定了推土的高度，控制系统控制推土机构4向上将环刀15中的土样16按照设定高度精准推出，然后控制系统控制切土机构5将推出的土样16进行切除，露出土样16内部水平切面；图像采集系统2中的工业相机2-1采集土样16内部水平切面，获得分层图像，工业相机2-1将分层图像发送至工控机中，工控机接收工业相机2-1所采集的分层图像，并结合计算机视觉和机器学习分析土样16的土壤孔隙结构，获得土壤孔隙度的大小(即土壤孔隙度的检测值)，重复上述操作，将多个分层图像获得的土壤孔隙度的平均值作为该环刀土样的孔隙度值，以减小土壤杂质(石头、根系、微生物等)对检测结果造成的随机误差。
88.实施例2
89.参见图1-图12，本实施例公开了一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置的使用方法，包括以下步骤：
90.(1)打开电源，为检测装置供电，然后系统自检；
91.(2)打开光箱门1-2，将环刀土样放入定位套筒6-2中，然后锁紧三爪卡盘6-1，将环刀15固定好，关闭光箱门1-2；
92.(3)设置光箱1中的led光源的亮度和推土机构4的单次推土高度，推土高度以毫米为单位，显示在oled显示屏18上；
93.(4)按下按键模块17中的切土按键，将切土电动推杆5-2伸出，带动切土刀5-1往右移动，当右侧的接触开关19触发时，切土电动推杆5-2停止伸出，进入切土预备状态；
94.(5)按下按键模块17中的推土按键，主控板根据设置的推土高度计算出步进电机4-3所需脉冲数，然后发送给步进电机4-3的驱动器，驱动步进电机4-3转动相应的圈数，推杆4-2带动活塞4-1将环刀15内的土样16推出设定高度，并将状态显示在oled显示屏18上，主控板根据推出次数计算总推出高度并显示在oled显示屏18上；
95.(6)按下切土按键，切土电动推杆5-2收回，带动切土刀5-1往左移动，切土刀5-1将推出部分的土样16水平切除，露出土样16内部水平切面；当左侧的接触开关19触发时，切土
电动推杆5-2停止运动；在切土过程中，力传感器13的数据被传输到工控机进行显示并保存；
96.(7)工业相机2-1采集土样16内部水平切面的分层图像，并存储在工控机中；
97.(8)结合计算机视觉技术对分层图像进行预处理，通过部署在工控机中训练好的机器学习模型，分析土样16的土壤孔隙结构，由分层图像获得土壤孔隙度的大小，并由工控机进行显示并保存；
98.(9)重复步骤(4)-(8)，将多个分层图像的土壤孔隙度检测结果的平均值作为该环刀土样的孔隙度值，以减小土壤杂质(石头、根系、微生物等)对检测结果造成的随机误差；
99.(10)按下推土复位按键，推土电动推杆缩回，当触碰到位于底部的接触开关19时停止缩回，完成推土电动推杆的复位；
100.(11)更换环刀土样，重复步骤(2)-(10)。
101.步骤(2)中，系统自检包括对推土电动推杆的推杆4-2的位置检测以及对切土电动推杆5-2的伸缩杆的位置检测；当推土电动推杆的推杆4-2处于伸出状态时，底部的接触开关19没有触发时，会自动将推杆4-2复位至底部使接触开关19触发，触发后，活塞的顶部刚好与环刀的底部齐平，当切土电动推杆5-2的伸缩杆处于右侧且与右侧的接触开关19触发的位置或者伸缩杆处于与左右侧的接触开关19均无触发的位置(中间位置)时，会自动将切土电动推杆5-2的伸缩杆缩回至左侧，使得左侧的接触开关19触发，完成系统自检。
102.步骤(5)中，当按下推土按键时，会先检测切土电动推杆5-2的伸缩杆的位置，如果切土电动推杆5-2的伸缩杆未处于伸出状态且未使右侧的触发开关进行触发时，oled显示屏18会显示报错，并且不会执行切土操作。
103.通过调节led光源的亮度，多次记录不同光照条件下的土样16的分层图像，便于后续对土样16的土壤孔隙度信息进行分析。
104.上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置，其特征在于，包括光箱、土样推切机构、控制系统以及图像采集系统，其中，所述光箱用于提供密闭的光照环境；所述土样推切机构设置在所述光箱内，该土样推切机构包括固定在所述光箱底部的机架、设置在所述机架上的推土机构以及切土机构；所述推土机构用于将环刀中的土样按照设定高度精准推出，所述切土机构用于将推出的土样进行切除；所述控制系统与所述推土机构以及切土机构连接，用于控制推土机构以及切土机构运动；所述图像采集系统包括设置在光箱顶部正中间的工业相机以及设置在控制箱内的工控机；所述工业相机与所述工控机连接；所述工业相机用于采集土样内部水平切面的分层图像，所述工控机用于接收工业相机所采集的分层图像，结合计算机视觉和机器学习分析土样的土壤孔隙结构，从而获得土壤孔隙度的检测值。2.根据权利要求1所述的一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置，其特征在于，所述推土机构包括活塞以及推土电动推杆，所述推土电动推杆包括推杆以及步进电机，其中，所述步进电机设置在机架上，所述推杆的上端与所述活塞连接，所述推杆的下端与所述步进电机的动力端连接；所述活塞与所述环刀的内壁滑动配合。3.根据权利要求2所述的一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置，其特征在于，所述机架上设有用于夹持所述环刀的夹持机构，所述夹持机构包括设置在机架上的三爪卡盘以及设置在所述三爪卡盘上的定位套筒，所述定位套筒的内孔为阶梯孔，所述阶梯孔包括位于上端的上阶梯孔以及位于下端的下阶梯孔，所述上阶梯孔与所述环刀的外壁相互配合，所述下阶梯孔的直径与所述环刀内径相同。4.根据权利要求3所述的一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置，其特征在于，所述切土机构包括切土刀以及设置在机架上用于驱动所述切土刀进行移动的切土电动推杆。5.根据权利要求4所述的一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置，其特征在于，所述机架上设有用于收集废土样的土样收集机构，所述土样收集机构包括设置在机架上的收集板以及设置在机架旁的收集箱，所述收集板上设有收集槽；所述环刀穿过所述收集板。6.根据权利要求4所述的一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置，其特征在于，所述切土电动推杆的伸缩杆与所述切土刀之间通过力传感器连接。7.根据权利要求6所述的一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置，其特征在于，所述控制系统包括主控板、驱动器、按键模块、oled显示屏、接触开关以及led光源数字控制器；其中，所述主控板分别与所述驱动器、按键模块、oled显示屏以及接触开关连接，所述驱动器与所述步进电机以及切土电动推杆连接，所述主控板、驱动器、按键模块、oled显示屏、接触开关以及led光源数字控制器均安装在光箱侧面的控制箱上；其中，所述主控板用于接收按键模块的按键信号，设置和调节推土高度，并输出步进电机的驱动信号，以及输出控制系统的状态；所述驱动器用于接收主控板的信号从而驱动步进电机以及切土电动推杆工作；所述按键模块用于触发控制信号，所述控制信号包括设置推土电动推杆的推出深度、触发步进电机进行推土和触发切土电动推杆进行切土、推土电动推杆的复位、切土电动推杆的复位；
所述oled显示屏用于接收主控板的信号并显示控制系统的状态和当前推土高度；所述led光源数字控制器用于控制调整光箱中的led光源的亮度。8.根据权利要求7所述的一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置，其特征在于，所述工控机包括数据采集模块、数据处理模块以及结果显示模块；所述数据处理模块分别与数据采集模块、结果显示模块连接；其中，所述数据采集模块分别与工业相机、力传感器连接，该数据采集模块用于接收工业相机拍摄的分层图像以及力传感器采集的数据；所述数据处理模块用于通过计算机视觉和机器学习处理采集的分层图像以及用于处理力传感器采集的数据；结果显示模块用于显示土壤孔隙度的检测值和切土过程中土样阻力的变化曲线。9.一种如权利要求8所述的基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)打开电源，为检测装置供电，然后系统自检；(2)打开光箱门，将环刀土样放入定位套筒中，然后锁紧三爪卡盘，将环刀固定好，关闭光箱门；(3)设置光箱中的led光源的亮度和推土机构的单次推土高度，推土高度以毫米为单位，显示在oled显示屏上；(4)按下按键模块中的切土按键，将切土电动推杆伸出，带动切土刀往右移动，当右侧的接触开关触发时，切土电动推杆停止伸出，进入切土预备状态；(5)按下按键模块中的推土按键，主控板根据设置的推土高度计算出步进电机所需脉冲数，然后发送给步进电机的驱动器，驱动步进电机转动相应的圈数，推杆带动活塞将环刀内的土样推出设定高度，并将状态显示在oled显示屏上，主控板根据推出次数计算总推出高度并显示在oled显示屏上；(6)按下切土按键，切土电动推杆收回，带动切土刀往左移动，切土刀将推出部分的土样水平切除，露出土样内部水平切面；当左侧的接触开关触发时，切土电动推杆停止运动；在切土过程中，力传感器的数据被传输到工控机进行显示并保存；(7)工业相机采集土样内部水平切面的分层图像，并存储在工控机中；(8)结合计算机视觉技术对分层图像进行预处理，通过部署在工控机中训练好的机器学习模型，分析土样的土壤孔隙结构，由分层图像获得土壤孔隙度的大小，并由工控机进行显示并保存；(9)重复步骤(4)-(8)，将多个分层图像的土壤孔隙度检测结果的平均值作为该环刀土样的孔隙度值；(10)按下推土复位按键，推土电动推杆缩回，当触碰到位于底部的接触开关时停止缩回，完成推土电动推杆的复位；(11)更换环刀土样，重复步骤(2)-(10)。10.根据权利要求9所述的一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置的使用方法，其特征在于，步骤(1)中，系统自检包括对推土电动推杆的位置检测以及对切土电动推杆的伸缩杆的位置检测；当推土电动推杆的推杆处于伸出状态时，底部的接触开关没有触发时，会自动将推杆复位至底部使接触开关触发，当切土电动推杆的伸缩杆处于右侧且与右侧的接触开关触发的位置或者伸缩杆处于与左右侧的接触开关均无触发的位置时，会自动将切
土电动推杆的伸缩杆缩回至左侧，使得左侧的接触开关触发，完成系统自检。

技术总结
本发明公开一种基于工业相机的土壤孔隙度原位检测装置及其使用方法，该检测装置包括光箱、土样推切机构、控制系统以及图像采集系统，该土样推切机构包括机架、推土机构以及切土机构；所述推土机构用于将环刀中的土样按照设定高度精准推出，所述切土机构用于将推出的土样进行切除；所述控制系统用于控制推土机构以及切土机构运动；所述图像采集系统用于采集土样的分层图像，结合计算机视觉和机器学习分析土样的土壤孔隙结构，获得土壤孔隙度的大小。该检测装置结构小巧紧凑，基于工业相机分层采集图像，消除单层随机误差，结合计算机视觉和机器学习可以快速准确地对土壤孔隙度进行检测，从而快速掌握土壤孔隙度的空间变异性，省时省力，且检测装置检测精度高。且检测装置检测精度高。且检测装置检测精度高。


技术研发人员：王海林 刘怡颖 侯俊伟 傅灯斌 江俊 杨沄瑾 卢煜强 欧阳霖 吴双龙 齐龙
受保护的技术使用者：华南农业大学
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/20