摘要

全球人口不斷增長，為了在可持續(xù)的前提下保障糧食供應(yīng)，現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)正積極擁抱技術(shù)革新和自動化。慣性傳感器在多種應(yīng)用場景中發(fā)揮著重要作用。精密慣性測量單元為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域日益增多的機器人，包括自動駕駛拖拉機、采摘機器人、無人機等，提供導(dǎo)航和穩(wěn)定控制。此外，寬帶慣性傳感器可用于所有此類復(fù)雜機械設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)。而且，慣性傳感器支持實現(xiàn)各種邊緣感知模式，如動物追蹤、奶牛發(fā)情檢測和生命體征監(jiān)測等。

引言

預(yù)計到2050年，世界人口將接近100億，要滿足人們生活水平不斷提升的需求，全球糧食生產(chǎn)必須比現(xiàn)在增加70%1。然而，農(nóng)業(yè)市場正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。在許多發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家，農(nóng)業(yè)勞動力持續(xù)減少。年輕一代正逐漸遠(yuǎn)離傳統(tǒng)農(nóng)耕，導(dǎo)致勞動力成本持續(xù)上升。氣候變化加劇了挑戰(zhàn)，不可預(yù)測的天氣模式、土壤退化和水資源短缺嚴(yán)重威脅著全球農(nóng)業(yè)耕作者。農(nóng)業(yè)企業(yè)必須提升產(chǎn)量、減少浪費并優(yōu)化成本，以滿足需求并保持競爭力。科技的進(jìn)步為此提供了重要支持。人工智能(AI)、機器學(xué)習(xí)(ML)、機器人技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的興起，使得智慧農(nóng)業(yè)的自動化更加可行且更具成本效益。如今，農(nóng)業(yè)耕作者可以借助數(shù)據(jù)驅(qū)動分析來改善決策。

隨著機器人收割和無人機輔助監(jiān)測等自動化系統(tǒng)的引入，農(nóng)耕作業(yè)變得更加快捷高效，減少了對人工的依賴。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)改善了土壤狀況和播種精度，促進(jìn)了作物生長，提高了畝產(chǎn)量。智能灌溉和施肥系統(tǒng)有效減少了水和肥料的浪費，實現(xiàn)了成本節(jié)約和資源保護(hù)。

在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，慣性傳感器發(fā)揮著多重關(guān)鍵作用。首先，慣性傳感器能夠提供有關(guān)加速度、方向和位置的實時數(shù)據(jù)，從而提升自動和半自動農(nóng)用車輛的駕駛效率。慣性測量單元(IMU)在GPS的輔助下，廣泛用于拖拉機、機器人和無人機等陸地和空中載具的導(dǎo)航與操控及姿態(tài)和其他慣性狀態(tài)的監(jiān)測，使這些載具能夠精準(zhǔn)地沿預(yù)定路徑完成播種、耕作和噴灑，有效降低成本，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。其次，在牲畜管理中，慣性傳感器可用于追蹤動物的運動和行為，使養(yǎng)殖戶能夠監(jiān)測畜群的健康狀況，并檢測活動模式中的異常情況。最后，慣性傳感器與AI的融合進(jìn)一步增強了農(nóng)業(yè)設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)能力，有效減少了停機時間和維護(hù)成本。

圖1.ADIS16576慣性參考系

微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的進(jìn)步帶來了性能的增強，使得MEMS IMU成為可擴(kuò)展自動駕駛汽車(AV)平臺的關(guān)鍵器件。MEMS IMU通常用作運動控制系統(tǒng)中的反饋檢測元件，典型應(yīng)用包括自動駕駛汽車中的導(dǎo)航控制(GNC)，以及智能農(nóng)具（如噴霧器、播種機、鏟斗、刀片）的指向控制。當(dāng)用作反饋檢測元件時，MEMS IMU性能會直接影響系統(tǒng)的精度。ADIS16576是新近推出的一款MEMS IMU，在功能集成和核心傳感器性能方面均實現(xiàn)了重大突破（圖1），尤其以振動校正誤差(VRE)的改善最為顯著，陀螺儀VRE和加速度計VRE分別改善了10倍和50倍。MEMS IMU的基本功能是繞三個相互正交軸（滾動、俯仰、偏航）提供三軸角速率檢測，并沿三個正交軸提供三軸線性加速度檢測。加速度計提供平均（或靜態(tài)）角度估計，而積分陀螺儀測量提供實時角位移。系統(tǒng)處理器將這兩個角度估計源融合起來，為GNC或指向控制系統(tǒng)產(chǎn)生可靠的反饋控制信息。以這種方式工作時，在4g rms的振動下，1.3 mg的加速度計VRE意味著GNC平臺可以保持優(yōu)于0.1°的姿態(tài)角，而無需任何其他檢測功能的協(xié)助。這對于無人機而言非常有用，特別是那些振動水平會隨推力顯著變化的無人機。在陀螺儀中，VRE會導(dǎo)致偏置發(fā)生快速且持續(xù)的變化，從而產(chǎn)生錯誤的運動校正行為，在最壞情況下甚至?xí)斐善脚_不穩(wěn)定。上一代器件在8g rms下的VRE響應(yīng)可能超過300°/h，而ADIS16576的響應(yīng)為12°/h，因此其他系統(tǒng)檢測模式的估計/校正負(fù)擔(dān)得以大大減輕。這款MEMS IMU最重要的功能改進(jìn)之一是可變的外部同步。通過引入用戶可編程的時鐘功能，系統(tǒng)開發(fā)者現(xiàn)在可以使用較慢的系統(tǒng)級參考（例如GPS或視頻同步）來驅(qū)動4000 Hz IMU數(shù)據(jù)采樣。這既實現(xiàn)了與每秒脈沖數(shù)(PPS)或感知檢測參考的緊密耦合，又保留了更高數(shù)據(jù)采樣所提供的各種數(shù)字處理選項。圖2和圖3顯示了一個例子，其中自動駕駛汽車平臺使用20 Hz GPS參考和200×比例因子來產(chǎn)生4000 Hz的內(nèi)部采樣速率。此外，該系統(tǒng)還展示了如何使用片上抽取濾波器將輸出數(shù)據(jù)速率降為原來的1/20 (200 Hz)。在更富于動態(tài)變化的場景中，例如作物巡檢無人機在有風(fēng)條件下作業(yè)時，系統(tǒng)處理器可能需要以最大采樣速率讀取和處理數(shù)據(jù)，以確保穩(wěn)定性和操控性。

圖2.ADIS16576信號鏈和外部同步輸入

圖3.比例同步模式下ADIS16576的時序圖

慣性傳感器還在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，此類系統(tǒng)可用于持續(xù)監(jiān)測動物的位置和生理狀況。典型安裝形式包括釘在耳朵、尾巴或身體上的標(biāo)簽，或是戴在脖子上的智能項圈。此類標(biāo)簽不僅可以幫助管理畜群位置，更重要的是，還能持續(xù)提供動物的健康數(shù)據(jù)，例如活躍度、進(jìn)食時間和呼吸頻率。此外，新型標(biāo)簽還具備追蹤心率及其他生命體征的能力。頸戴項圈已成為檢測牛只發(fā)情、反芻、跛行和其他狀況的重要工具。此類物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心要求之一是低功耗，因為維護(hù)大規(guī)模畜群的電池（包括可充電電池或一次性電池）是一項繁瑣且困難的任務(wù)。ADXL366擁有出色的低功耗優(yōu)勢。這款三軸加速度計采用內(nèi)部穩(wěn)壓設(shè)計，因此可以直接連接到電池。其最低工作電壓為1.1 V，能夠以100 Hz的頻率提供運動數(shù)據(jù)，能耗僅為約1 μW。這一能耗水平低于紐扣電池的自放電水平。當(dāng)用于頸戴項圈時，這款加速度計可以在低功耗和低噪聲模式之間進(jìn)行調(diào)整，提供的最小信號介于3 mg到8 mg rms，足以區(qū)分咀嚼、反芻和呼吸頻率(RR)。ADXL380具備增強的生命體征監(jiān)測能力，在4 kHz帶寬內(nèi)的工作噪聲水平幾乎降低了兩個數(shù)量級。在200 Hz帶寬下進(jìn)行同等帶寬比較，這款加速度計的等效噪聲為0.4 mg rms。高信噪比(SNR)加上寬帶寬，使得這款三軸加速度計可以化身為“聽診器”，通過心沖擊描記圖收集心率信息，或捕捉與呼吸、消化和其他生理功能相關(guān)的各種噪聲。表1列出了這兩款加速度計的比較結(jié)果。超低功耗慣性傳感器的另一項核心能力是支持物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的系統(tǒng)級電源管理。ADXL366提供專用喚醒模式，能夠根據(jù)檢測到的運動曲線發(fā)出中斷，進(jìn)而管理電子系統(tǒng)電源的通斷周期。典型配置可參見圖4。加速度計提供了豐富的可編程參數(shù)，不僅能配置所需的運動曲線，最重要的是，還能在全帶寬下喚醒和采樣。此功能對于避免混疊和誤檢非常重要。在喚醒模式下，ADXL366的功耗低至驚人的180 nA。利用這一優(yōu)勢，高功耗傳感器、無線電及其他元件可以在無需工作時關(guān)斷，從而延長傳感器節(jié)點的使用壽命。

表1.超低功耗加速度計與超低噪聲加速度計的并排比較

因此，為了實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)，加速度計需要滿足三個重要性能指標(biāo)：低噪聲（早期預(yù)測）、高帶寬（檢測所有頻譜成分并支持故障分類）和足夠高的測量范圍。然而，最后一項要求經(jīng)常被忽視，因為加速度的大小與頻率ω2成比例；如果不予考慮，高頻頻譜成分可能會使傳感器飽和。采用緊湊封裝的全新ADXL382三軸數(shù)字加速度計可滿足所有三項要求。這款產(chǎn)品具有高達(dá)60g的滿量程范圍、8 kHz帶寬和低于55 μg/√Hz的超低噪聲。

圖4.ADXL366配置為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的運動開關(guān)

最后要談的是慣性檢測與AI分析的集成方案，集成的目的是在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)預(yù)測性維護(hù)?，F(xiàn)代農(nóng)場規(guī)模不斷擴(kuò)大，因而不得不依賴高資本支出的機械進(jìn)行生產(chǎn)。此類設(shè)備不僅要精準(zhǔn)無誤地運行，還必須經(jīng)受住季節(jié)性農(nóng)耕任務(wù)的惡劣環(huán)境和高強度作業(yè)的考驗。在短暫的種植或收獲季節(jié)中，如果設(shè)備發(fā)生故障，可能會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。例如，播種機或收割機等精密設(shè)備，常常需要在風(fēng)雨、塵土、泥濘、碎石等惡劣環(huán)境下作業(yè)。在這些環(huán)境中，關(guān)鍵振動特征的變化可用于提前預(yù)測設(shè)備問題，然后在盡量不影響高峰期生產(chǎn)的時間內(nèi)進(jìn)行維護(hù)來解決問題。機械振動分析（類似于牲畜的生命體征監(jiān)測）可用于精確定位機械元件中不同問題的故障模式和時間，例如軸承故障、軸未對準(zhǔn)、不平衡、松動、齒輪故障和其他問題。假設(shè)軸承存在缺陷，如表面剝落或形狀偏離理想球體。每當(dāng)這類缺陷與機器表面接觸時，都會在平臺上產(chǎn)生一個沖擊，從而引發(fā)復(fù)雜的振動響應(yīng)，其中既包含基頻成分，也包含寬帶成分。圖5以頻譜形式展示了一個復(fù)雜的振動曲線。

圖5.常見機器故障的寬帶寬頻譜表示

結(jié)語

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的自動化與技術(shù)進(jìn)步，是應(yīng)對全球糧食安全、勞動力短缺和環(huán)境可持續(xù)性等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的關(guān)鍵力量。通過采用AI、機器人和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等創(chuàng)新手段，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠提升效率、降低成本，確保糧食生產(chǎn)擁有一個更具可持續(xù)性的未來。在農(nóng)業(yè)技術(shù)生態(tài)中，慣性傳感器提供核心感知能力，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，選擇傳感器時必須謹(jǐn)慎，確保傳感器的性能和功能契合具體應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

1 “Global Agriculture Towards 2050”，聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織，2009年10月。