現(xiàn)代智慧農業(yè)正積極擁抱技術革新和自動化，慣性感測器在多種應用場景中發(fā)揮著重要作用，可助力機器人導航、預測維護與動物監(jiān)測。
隨著全球人囗不斷成長，為了在永續(xù)的前提下保障糧食供應，現(xiàn)代智慧農業(yè)正積極擁抱技術革新和自動化。慣性感測器在多種應用場景中發(fā)揮著重要作用，而精密慣性測量單元則為農業(yè)領域中包括自動駕駛拖拉機、采摘機器人、無人機等日益增加的機器人應用提供導航和穩(wěn)定控制。
此外，寬頻慣性感測器可用於所有此類復雜機械設備的預測性維護，同時，慣性感測器可支援實現(xiàn)各種邊緣感知模式，如動物追蹤、乳牛生理檢測和生命體徵監(jiān)測等。
2050年的世界人囗預計將接近100億，而要滿足人們生活水準不斷提升的需求，全球糧食生產必須比現(xiàn)在增加70%。然而，農業(yè)市場正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。在許多發(fā)達國家和發(fā)展中國家，農業(yè)勞動力持續(xù)減少。年輕一代正逐漸遠離傳統(tǒng)農耕，導致勞動力成本持續(xù)上升。
氣候變化加劇了挑戰(zhàn)，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(yè)耕作者。農業(yè)企業(yè)必須提升產量、減少浪費并優(yōu)化成本，以滿足需求并保持競爭力。科技的進步為此提供了重要支援。人工智能（AI）、機器學習（ML）、機器人技術和物聯(lián)網（IoT）的興起，使得智慧農業(yè)的自動化更加可行且更具成本效益。如今，農業(yè)耕作者可以借助資料驅動分析來改善決策。
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，農耕作業(yè)變得更加快捷高效，減少了對人工的依賴。精準農業(yè)技術改善了土壤狀況和播種精度，促進作物生長，提高畝產量。智慧灌溉和施肥系統(tǒng)則可有效減少水和肥料的浪費，并實現(xiàn)成本節(jié)約和資源保護。
在智慧農業(yè)領域，慣性感測器發(fā)揮著多重關鍵作用。首先，慣性感測器能夠提供有關加速度、方向和位置的即時資料，進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，廣泛用於拖拉機、機器人和無人機等陸地和空中載具的導航與操控，以及姿態(tài)和其他慣性狀態(tài)的監(jiān)測，使這些載具能夠精準地沿著預定路徑完成播種、耕作和噴灑，有效降低成本，促進農業(yè)的永續(xù)發(fā)展。
其次，在牲畜管理中，慣性感測器可用於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。最後，慣性感測器與AI的融合進一步增強了農業(yè)設備的預測性維護能力，有效減少了停機時間和維護成本。
微機電系統(tǒng)（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）平臺的關鍵元件。MEMS IMU通常用於運動控制系統(tǒng)中的回??感測元件，典型應用包括自動駕駛汽車中的導航控制（GNC），以及智慧農具（如噴霧器、播種機、鏟斗、刀片）的指向控制。當用於回??感測元件時，MEMS IMU性能會直接影響系統(tǒng)的精度。
ADIS16576是一款MEMS IMU，在功能整合和核心感測器性能方面均實現(xiàn)重大突破（圖一），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）提供三軸角速率感測，并沿著三個正交軸提供三軸線性加速度感測。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即時角位移。
系統(tǒng)處理器將這兩個角度估計源融合，為GNC或指向控制系統(tǒng)產生可靠的回??控制資訊。以此種方式工作時，在4g rms的振動下，1.3 mg的加速度計VRE表示GNC平臺可以保持優(yōu)於0.1。的姿態(tài)角，而無需任何其他感測功能的協(xié)助。這對於無人機而言非常有用，特別是那些振動水準會隨推力顯著變化的無人機。
在陀螺儀中，VRE會導致偏置發(fā)生快速且持續(xù)的變化，進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(wěn)定。上一代元件在8g rms下的VRE回應可能超過300。/h，而ADIS16576的回應為12。/h，因此其他系統(tǒng)感測模式的估計/校正負擔得以大幅減輕。
此款MEMS IMU最重要的功能改進之一是可變的外部同步。透過導入使用者可編程的時脈功能，系統(tǒng)開發(fā)者現(xiàn)在可以使用較慢的系統(tǒng)級叁考（例如GPS或影像同步）來驅動4000 Hz IMU資料采樣。這既實現(xiàn)了與每秒脈沖數(shù)（PPS）或感知感測叁考的緊密耦合，又保留更高資料采樣所提供的各種數(shù)文書處理選項。
在圖二和圖三的示例中，自動駕駛汽車平臺使用20 Hz GPS叁考和200×比例因數(shù)來產生4000 Hz的內部采樣速率。此外，該系統(tǒng)展示如何使用晶片抽取濾波器將輸出資料速率降為原來的1/20（200 Hz）。在更富於動態(tài)變化的場景中，例如作物巡檢無人機在有風條件下作業(yè)時，系統(tǒng)處理器可能需要以最大采樣速率讀取和處理資料，以確保穩(wěn)定性和操控性。
| 圖三 : 比例同步模式下ADIS16576的時序圖 |
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慣性感測器還在物聯(lián)網系統(tǒng)中發(fā)揮著關鍵作用，此類系統(tǒng)可用於持續(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、尾巴或身體上的標簽，或是戴在脖子上的智慧項圈。此類標簽不僅可以協(xié)助管理畜群位置，更重要的是，還能持續(xù)提供動物的健康資料，例如活躍度、進食時間和呼吸頻率。
此外，新型標簽具備追蹤心率及其他生命體徵的能力。頸戴項圈已成為檢測牛只反芻、跛行和其他狀況的重要工具。此類物聯(lián)網系統(tǒng)的核心要求之一是低功耗，因為維護大規(guī)模畜群的電池（包括可充電電池或一次性電池）任務繁瑣且困難。
ADXL366此款三軸加速度計采用內部穩(wěn)壓設計，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的頻率提供運動資料，能耗僅為約1 μW。此一能耗水準低於鈕扣型電池的自放電水準。
當用於頸戴項圈時，此款加速度計可以在低功耗和低雜訊模式之間進行調整，提供的最小訊號介於3 mg到8 mg rms，足以區(qū)分咀嚼、反芻和呼吸頻率（RR）。
ADXL380具備增強的生命體徵監(jiān)測能力，在4 kHz頻寬內的工作雜訊水準幾??降低了兩個數(shù)量級。在200 Hz頻寬下進行同等頻寬比較，此款加速度計的等效雜訊為0.4 mg rms。高訊號雜訊比（SNR）加上寬頻寬，使得此款三軸加速度計可以化身為「聽診器」，透過心沖擊描記圖收集心率資訊，或擷取與呼吸、消化和其他生理功能相關的各種雜訊。表一列出上述兩款加速度計的比較結果。
表一：超低功耗加速度計與超低雜訊加速度計的并排比較
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產品
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滿量程
范圍（g）
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解析度
（位元）
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電流（µA）
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工作電流（μA）
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雜訊（200 Hz）頻寬
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頻寬（Hz）
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ADXL366
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2至8
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14
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0.18
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0.89
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8
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200
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ADXL380
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4至16
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16
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33
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340
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0.4
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4000
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超低功耗慣性感測器的另一項核心能力是支援物聯(lián)網節(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，進而管理電子系統(tǒng)電源的通斷周期。典型配置可叁見圖四。
加速度計提供豐富的可編程叁數(shù)，不僅能配置所需的運動曲線，最重要的是能在全頻寬下喚醒和采樣，此功能對於避免混疊和誤檢非常重要。在喚醒模式下，ADXL366的功耗低至180 nA。利用此一優(yōu)勢，高功耗感測器、無線電及其他元件可以在無需工作時關斷，進而延長感測器節(jié)點的使用壽命。
因此，為了實現(xiàn)預測性維護，加速度計需要滿足三個重要性能指標：低雜訊（早期預測）、高頻寬（檢測所有頻譜成分并支援故障分類）和夠高的測量范圍。然而最後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感測器飽和。全新ADXL382三軸數(shù)位加速度計具有高達60g的滿量程范圍、8 kHz頻寬和低於55 μg/??Hz的超低雜訊，可滿足所有三項要求。
| 圖四 : ADXL366配置為物聯(lián)網系統(tǒng)中的運動開關 |
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最後要談的是慣性感測與AI分析的整合方案，整合的目的是在智慧農業(yè)領域實現(xiàn)預測性維護。現(xiàn)代農場規(guī)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(jié)性農耕任務的惡劣環(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，如果設備發(fā)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(huán)境下作業(yè)。在這些環(huán)境中，關鍵振動特徵的變化可用於提前預測設備問題，然後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（類似於牲畜的生命體徵監(jiān)測）可用於精準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，進而引發(fā)復雜的振動回應，其中既包含基頻成分，也包含寬頻成分。圖五以頻譜形式展示一個復雜的振動曲線。
結語
農業(yè)領域的自動化與技術進步，是因應全球糧食安全、勞動力短缺和環(huán)境永續(xù)性等嚴峻挑戰(zhàn)的關鍵力量。透過采用AI、機器人和精準農業(yè)等創(chuàng)新手段，農業(yè)生產將能夠提升效率、降低成本，確保糧食生產擁有一個更具永續(xù)的未來。
在農業(yè)技術生態(tài)中，慣性感測器提供核心感知能力，并發(fā)揮著關鍵作用。然而選擇感測器時必須謹慎，以確保感測器的性能和功能契合具體應用。
（本文作者Tzeno Galchev為ADI產品行銷與應用總監(jiān)）
