摘要

全球人口不斷增長(zhǎng)，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(dòng)化。慣性傳感器在多種應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用。精密慣性測(cè)量單元為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域日益增多的機(jī)器人，包括自動(dòng)駕駛拖拉機(jī)、采摘機(jī)器人、無(wú)人機(jī)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(jī)械設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)。而且，慣性傳感器支持實(shí)現(xiàn)各種邊緣感知模式，如動(dòng)物追蹤、奶牛發(fā)情檢測(cè)和生命體征監(jiān)測(cè)等。

引言

預(yù)計(jì)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(chǎng)正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。在許多發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)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(dòng)力成本持續(xù)上升。氣候變化加劇了挑戰(zhàn)，不可預(yù)測(cè)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(fèi)并優(yōu)化成本，以滿足需求并保持競(jìng)爭(zhēng)力?？萍嫉倪M(jìn)步為此提供了重要支持。人工智能(AI)、機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)、機(jī)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(dòng)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(dòng)分析來(lái)改善決策。

隨著機(jī)器人收割和無(wú)人機(jī)輔助監(jiān)測(cè)等自動(dòng)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(duì)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(zhǎng)，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(fèi)，實(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而提升自動(dòng)和半自動(dòng)農(nóng)用車輛的駕駛效率。慣性測(cè)量單元(IMU)在GPS的輔助下，廣泛用于拖拉機(jī)、機(jī)器人和無(wú)人機(jī)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(cè)，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(dòng)物的運(yùn)動(dòng)和行為，使養(yǎng)殖戶能夠監(jiān)測(cè)畜群的健康狀況，并檢測(cè)活動(dòng)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(qiáng)了農(nóng)業(yè)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)能力，有效減少了停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本。

圖1.ADIS16576慣性參考系

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)了性能的增強(qiáng)，使得MEMS IMU成為可擴(kuò)展自動(dòng)駕駛汽車(AV)平臺(tái)的關(guān)鍵器件。MEMS IMU通常用作運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的反饋檢測(cè)元件，典型應(yīng)用包括自動(dòng)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(jī)、鏟斗、刀片）的指向控制。當(dāng)用作反饋檢測(cè)元件時(shí)，MEMS IMU性能會(huì)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(shí)現(xiàn)了重大突破（圖1），尤其以振動(dòng)校正誤差(VRE)的改善最為顯著，陀螺儀VRE和加速度計(jì)VRE分別改善了10倍和50倍。MEMS IMU的基本功能是繞三個(gè)相互正交軸（滾動(dòng)、俯仰、偏航）提供三軸角速率檢測(cè)，并沿三個(gè)正交軸提供三軸線性加速度檢測(cè)。加速度計(jì)提供平均（或靜態(tài)）角度估計(jì)，而積分陀螺儀測(cè)量提供實(shí)時(shí)角位移。系統(tǒng)處理器將這兩個(gè)角度估計(jì)源融合起來(lái)，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(shí)，在4g rms的振動(dòng)下，1.3 mg的加速度計(jì)VRE意味著GNC平臺(tái)可以保持優(yōu)于0.1°的姿態(tài)角，而無(wú)需任何其他檢測(cè)功能的協(xié)助。這對(duì)于無(wú)人機(jī)而言非常有用，特別是那些振動(dòng)水平會(huì)隨推力顯著變化的無(wú)人機(jī)。在陀螺儀中，VRE會(huì)導(dǎo)致偏置發(fā)生快速且持續(xù)的變化，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)校正行為，在最壞情況下甚至?xí)斐善脚_(tái)不穩(wěn)定。上一代器件在8g rms下的VRE響應(yīng)可能超過(guò)300°/h，而ADIS16576的響應(yīng)為12°/h，因此其他系統(tǒng)檢測(cè)模式的估計(jì)/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(guò)引入用戶可編程的時(shí)鐘功能，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者現(xiàn)在可以使用較慢的系統(tǒng)級(jí)參考（例如GPS或視頻同步）來(lái)驅(qū)動(dòng)4000 Hz IMU數(shù)據(jù)采樣。這既實(shí)現(xiàn)了與每秒脈沖數(shù)(PPS)或感知檢測(cè)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(xiàng)。圖2和圖3顯示了一個(gè)例子，其中自動(dòng)駕駛汽車平臺(tái)使用20 Hz GPS參考和200×比例因子來(lái)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(lái)的1/20 (200 Hz)。在更富于動(dòng)態(tài)變化的場(chǎng)景中，例如作物巡檢無(wú)人機(jī)在有風(fēng)條件下作業(yè)時(shí)，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(hào)鏈和外部同步輸入

圖3.比例同步模式下ADIS16576的時(shí)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(cè)動(dòng)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(xiàng)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(dòng)物的健康數(shù)據(jù)，例如活躍度、進(jìn)食時(shí)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(xiàng)圈已成為檢測(cè)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?yàn)榫S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(xiàng)繁瑣且困難的任務(wù)。ADXL366擁有出色的低功耗優(yōu)勢(shì)。這款三軸加速度計(jì)采用內(nèi)部穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，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(yùn)動(dòng)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(xiàng)圈時(shí)，這款加速度計(jì)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(hào)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(qiáng)的生命體征監(jiān)測(cè)能力，在4 kHz帶寬內(nèi)的工作噪聲水平幾乎降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在200 Hz帶寬下進(jìn)行同等帶寬比較，這款加速度計(jì)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(jì)可以化身為“聽(tīng)診器”，通過(guò)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(jì)的比較結(jié)果。超低功耗慣性傳感器的另一項(xiàng)核心能力是支持物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)級(jí)電源管理。ADXL366提供專用喚醒模式，能夠根據(jù)檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)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(jiàn)圖4。加速度計(jì)提供了豐富的可編程參數(shù)，不僅能配置所需的運(yùn)動(dòng)曲線，最重要的是，還能在全帶寬下喚醒和采樣。此功能對(duì)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(shì)，高功耗傳感器、無(wú)線電及其他元件可以在無(wú)需工作時(shí)關(guān)斷，從而延長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

表1.超低功耗加速度計(jì)與超低噪聲加速度計(jì)的并排比較

因此，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，加速度計(jì)需要滿足三個(gè)重要性能指標(biāo)：低噪聲（早期預(yù)測(cè)）、高帶寬（檢測(cè)所有頻譜成分并支持故障分類）和足夠高的測(cè)量范圍。然而，最后一項(xiàng)要求經(jīng)常被忽視，因?yàn)榧铀俣鹊拇笮∨c頻率ω2成比例；如果不予考慮，高頻頻譜成分可能會(huì)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(jì)可滿足所有三項(xiàng)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(yùn)動(dòng)開(kāi)關(guān)

最后要談的是慣性檢測(cè)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(cè)性維護(hù)?，F(xiàn)代農(nóng)場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，因而不得不依賴高資本支出的機(jī)械進(jìn)行生產(chǎn)。此類設(shè)備不僅要精準(zhǔn)無(wú)誤地運(yùn)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(qiáng)度作業(yè)的考驗(yàn)。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(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。例如，播種機(jī)或收割機(jī)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(dòng)特征的變化可用于提前預(yù)測(cè)設(shè)備問(wèn)題，然后在盡量不影響高峰期生產(chǎn)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行維護(hù)來(lái)解決問(wèn)題。機(jī)械振動(dòng)分析（類似于牲畜的生命體征監(jiān)測(cè)）可用于精確定位機(jī)械元件中不同問(wèn)題的故障模式和時(shí)間，例如軸承故障、軸未對(duì)準(zhǔn)、不平衡、松動(dòng)、齒輪故障和其他問(wèn)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(jī)器表面接觸時(shí)，都會(huì)在平臺(tái)上產(chǎn)生一個(gè)沖擊，從而引發(fā)復(fù)雜的振動(dòng)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(gè)復(fù)雜的振動(dòng)曲線。

圖5.常見(jiàn)機(jī)器故障的寬帶寬頻譜表示

結(jié)語(yǔ)

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化與技術(shù)進(jìn)步，是應(yīng)對(duì)全球糧食安全、勞動(dòng)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(guò)采用AI、機(jī)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(gè)更具可持續(xù)性的未來(lái)。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(shí)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(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織，2009年10月。