摘要

     全球人口不斷增長，為了在可持續的前提下保障糧食供應，現代智慧農業正積極擁抱技術革新和自動化。慣性傳感器在多種應用場景中發揮著重要作用。精密慣性測量單元為農業領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，提供導航和穩定控制。此外，寬帶慣性傳感器可用于所有此類復雜機械設備的預測性維護。而且，慣性傳感器支持實現各種邊緣感知模式，如動物追蹤、奶牛發情檢測和生命體征監測等。

引言

     預計到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，全球糧食生產必須比現在增加70%1。然而，農業市場正面臨前所未有的挑戰。在許多發達國家和發展中國家，農業勞動力持續減少。年輕一代正逐漸遠離傳統農耕，導致勞動力成本持續上升。氣候變化加劇了挑戰，不可預測的天氣模式、土壤退化和水資源短缺嚴重威脅著全球農業耕作者。農業企業必須提升產量、減少浪費并優化成本，以滿足需求并保持競爭力。科技的進步為此提供了重要支持。人工智能(AI)、機器學習(ML)、機器人技術和物聯網(IoT)的興起，使得智慧農業的自動化更加可行且更具成本效益。如今，農業耕作者可以借助數據驅動分析來改善決策。

     隨著機器人收割和無人機輔助監測等自動化系統的引入，農耕作業變得更加快捷高效，減少了對人工的依賴。精準農業技術改善了土壤狀況和播種精度，促進了作物生長，提高了畝產量。智能灌溉和施肥系統有效減少了水和肥料的浪費，實現了成本節約和資源保護。

     在智慧農業領域，慣性傳感器發揮著多重關鍵作用。首先，慣性傳感器能夠提供有關加速度、方向和位置的實時數據，從而提升自動和半自動農用車輛的駕駛效率。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航與操控及姿態和其他慣性狀態的監測，使這些載具能夠精準地沿預定路徑完成播種、耕作和噴灑，有效降低成本，促進農業的可持續發展。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，使養殖戶能夠監測畜群的健康狀況，并檢測活動模式中的異常情況。最后，慣性傳感器與AI的融合進一步增強了農業設備的預測性維護能力，有效減少了停機時間和維護成本。

圖1.ADIS16576慣性參考系

     微機電系統(MEMS)技術的進步帶來了性能的增強，使得MEMS IMU成為可擴展自動駕駛汽車(AV)平臺的關鍵器件。MEMS IMU通常用作運動控制系統中的反饋檢測元件，典型應用包括自動駕駛汽車中的導航控制(GNC)，以及智能農具（如噴霧器、播種機、鏟斗、刀片）的指向控制。當用作反饋檢測元件時，MEMS IMU性能會直接影響系統的精度。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）角度估計，而積分陀螺儀測量提供實時角位移。系統處理器將這兩個角度估計源融合起來，為GNC或指向控制系統產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平臺可以保持優于0.1°的姿態角，而無需任何其他檢測功能的協助。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會導致偏置發生快速且持續的變化，從而產生錯誤的運動校正行為，在最壞情況下甚至會造成平臺不穩定。上一代器件在8g rms下的VRE響應可能超過300°/h，而ADIS16576的響應為12°/h，因此其他系統檢測模式的估計/校正負擔得以大大減輕。這款MEMS IMU最重要的功能改進之一是可變的外部同步。通過引入用戶可編程的時鐘功能，系統開發者現在可以使用較慢的系統級參考（例如GPS或視頻同步）來驅動4000 Hz IMU數據采樣。這既實現了與每秒脈沖數(PPS)或感知檢測參考的緊密耦合，又保留了更高數據采樣所提供的各種數字處理選項。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×比例因子來產生4000 Hz的內部采樣速率。此外，該系統還展示了如何使用片上抽取濾波器將輸出數據速率降為原來的1/20 (200 Hz)。在更富于動態變化的場景中，例如作物巡檢無人機在有風條件下作業時，系統處理器可能需要以最大采樣速率讀取和處理數據，以確保穩定性和操控性。

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網系統中發揮著關鍵作用，此類系統可用于持續監測動物的位置和生理狀況。典型安裝形式包括釘在耳朵、尾巴或身體上的標簽，或是戴在脖子上的智能項圈。此類標簽不僅可以幫助管理畜群位置，更重要的是，還能持續提供動物的健康數據，例如活躍度、進食時間和呼吸頻率。此外，新型標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情、反芻、跛行和其他狀況的重要工具。此類物聯網系統的核心要求之一是低功耗，因為維護大規模畜群的電池（包括可充電電池或一次性電池）是一項繁瑣且困難的任務。ADXL366擁有出色的低功耗優勢。這款三軸加速度計采用內部穩壓設計，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的頻率提供運動數據，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行調整，提供的最小信號介于3 mg到8 mg rms，足以區分咀嚼、反芻和呼吸頻率(RR)。ADXL380具備增強的生命體征監測能力，在4 kHz帶寬內的工作噪聲水平幾乎降低了兩個數量級。在200 Hz帶寬下進行同等帶寬比較，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的各種噪聲。表1列出了這兩款加速度計的比較結果。超低功耗慣性傳感器的另一項核心能力是支持物聯網節點的系統級電源管理。ADXL366提供專用喚醒模式，能夠根據檢測到的運動曲線發出中斷，進而管理電子系統電源的通斷周期。典型配置可參見圖4。加速度計提供了豐富的可編程參數，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。利用這一優勢，高功耗傳感器、無線電及其他元件可以在無需工作時關斷，從而延長傳感器節點的使用壽命。

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，為了實現預測性維護，加速度計需要滿足三個重要性能指標：低噪聲（早期預測）、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ADXL382三軸數字加速度計可滿足所有三項要求。這款產品具有高達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配置為物聯網系統中的運動開關

     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業領域實現預測性維護。現代農場規模不斷擴大，因而不得不依賴高資本支出的機械進行生產。此類設備不僅要精準無誤地運行，還必須經受住季節性農耕任務的惡劣環境和高強度作業的考驗。在短暫的種植或收獲季節中，如果設備發生故障，可能會造成嚴重的經濟損失。例如，播種機或收割機等精密設備，常常需要在風雨、塵土、泥濘、碎石等惡劣環境下作業。在這些環境中，關鍵振動特征的變化可用于提前預測設備問題，然后在盡量不影響高峰期生產的時間內進行維護來解決問題。機械振動分析（類似于牲畜的生命體征監測）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、不平衡、松動、齒輪故障和其他問題。假設軸承存在缺陷，如表面剝落或形狀偏離理想球體。每當這類缺陷與機器表面接觸時，都會在平臺上產生一個沖擊，從而引發復雜的振動響應，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雜的振動曲線。

圖5.常見機器故障的寬帶寬頻譜表示

結語

     農業領域的自動化與技術進步，是應對全球糧食安全、勞動力短缺和環境可持續性等嚴峻挑戰的關鍵力量。通過采用AI、機器人和精準農業等創新手段，農業生產能夠提升效率、降低成本，確保糧食生產擁有一個更具可持續性的未來。在農業技術生態中，慣性傳感器提供核心感知能力，發揮著關鍵作用。然而，選擇傳感器時必須謹慎，確保傳感器的性能和功能契合具體應用。

參考文獻

1 “Global Agriculture Towards 2050”，聯合國糧食及農業組織，2009年10月。

作者：Tzeno Galchev，產品營銷與應用總監

作者簡介

     Tzeno Galchev是ADI公司慣性檢測解決方案的營銷與應用工程總監。他全面負責ADI公司在慣性檢測領域的業務，包括戰略營銷、產品定義和應用工程。他畢業于密歇根大學安娜堡分校，于2004年獲得電氣和計算機工程學士學位，并于2006年和2010年分別獲得電氣工程碩士和博士學位。他在MEMS領域發表了30多篇文章，并獲得多項專利。他還經常受邀就MEMS、能量收集和傳感器等話題發表演講和授課。