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現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)正積極擁抱技術(shù)革新和自動(dòng)化，慣性感測(cè)器在多種應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用，可助力機(jī)器人導(dǎo)航、預(yù)測(cè)維護(hù)與動(dòng)物監(jiān)測(cè)。

隨著全球人口不斷成長(zhǎng)，為了在永續(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。慣性感測(cè)器在多種應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用，而精密慣性測(cè)量單元?jiǎng)t為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中包括自動(dòng)駕駛拖拉機(jī)、採(cǎi)摘機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等日益增加的機(jī)器人應(yīng)用提供導(dǎo)航和穩(wěn)定控制。

此外，寬頻慣性感測(cè)器可用於所有此類複雜機(jī)械設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)，同時(shí)，慣性感測(cè)器可支援實(shí)現(xiàn)各種邊緣感知模式，如動(dòng)物追蹤、乳牛生理檢測(cè)和生命體徵監(jiān)測(cè)等。

2050年的世界人口預(yù)計(jì)將接近100億，而要滿足人們生活水準(zhǔn)不斷提升的需求，全球糧食生產(chǎn)必須比現(xiàn)在增加70%。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)並優(yōu)化成本，以滿足需求並保持競(jìng)爭(zhēng)力。科技的進(jìn)步為此提供了重要支援。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)耕作者可以借助資料驅(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)作物生長(zhǎng)，提高畝產(chǎn)量。智慧灌溉和施肥系統(tǒng)則可有效減少水和肥料的浪費(fèi)，並實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約和資源保護(hù)。

在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，慣性感測(cè)器發(fā)揮著多重關(guān)鍵作用。首先，慣性感測(cè)器能夠提供有關(guān)加速度、方向和位置的即時(shí)資料，進(jìn)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，廣泛用於拖拉機(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，以及姿態(tài)和其他慣性狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，使這些載具能夠精準(zhǔn)地沿著預(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)的永續(xù)發(fā)展。

其次，在牲畜管理中，慣性感測(cè)器可用於追蹤動(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，並檢測(cè)活動(dòng)模式中的異常情況。最後，慣性感測(cè)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。

圖一 : 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)鍵元件。MEMS IMU通常用於運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的回饋感測(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），以及智慧農(nóng)具（如噴霧器、播種機(jī)、鏟鬥、刀片）的指向控制。當(dāng)用於回饋感測(cè)元件時(shí)，MEMS IMU性能會(huì)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(cè)器性能方面均實(shí)現(xiàn)重大突破（圖一），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）提供三軸角速率感測(cè)，並沿著三個(gè)正交軸提供三軸線性加速度感測(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)量提供即時(shí)角位移。

系統(tǒng)處理器將這兩個(gè)角度估計(jì)源融合，為GNC或指向控制系統(tǒng)產(chǎn)生可靠的回饋控制資訊。以此種方式工作時(shí)，在4g rms的振動(dòng)下，1.3 mg的加速度計(jì)VRE表示GNC平臺(tái)可以保持優(yōu)於0.1°的姿態(tài)角，而無(wú)需任何其他感測(cè)功能的協(xié)助。這對(duì)於無(wú)人機(jī)而言非常有用，特別是那些振動(dòng)水準(zhǔn)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，進(jìn)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。上一代元件在8g rms下的VRE回應(yīng)可能超過(guò)300°/h，而ADIS16576的回應(yīng)為12°/h，因此其他系統(tǒng)感測(cè)模式的估計(jì)/校正負(fù)擔(dān)得以大幅減輕。

此款MEMS IMU最重要的功能改進(jìn)之一是可變的外部同步。透過(guò)導(dǎo)入使用者可編程的時(shí)脈功能，系統(tǒng)開發(fā)者現(xiàn)在可以使用較慢的系統(tǒng)級(jí)參考（例如GPS或影像同步）來(lái)驅(qū)動(dòng)4000 Hz IMU資料採(cǎi)樣。這既實(shí)現(xiàn)了與每秒脈衝數(shù)（PPS）或感知感測(cè)參考的緊密耦合，又保留更高資料採(cǎi)樣所提供的各種數(shù)文書處理選項(xiàng)。

在圖二和圖三的示例中，自動(dòng)駕駛汽車平臺(tái)使用20 Hz GPS參考和200×比例因數(shù)來(lái)產(chǎn)生4000 Hz的內(nèi)部採(cǎi)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(lái)的1/20（200 Hz）。在更富於動(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採(cǎi)樣速率讀取和處理資料，以確保穩(wěn)定性和操控性。

圖二 : ADIS16576訊號(hào)鏈和外部同步輸入

圖三 : 比例同步模式下ADIS16576的時(shí)序圖

慣性感測(cè)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)可用於持續(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)籤，或是戴在脖子上的智慧項(xiàng)圈。此類標(biāo)籤不僅可以協(xié)助管理畜群位置，更重要的是，還能持續(xù)提供動(dòng)物的健康資料，例如活躍度、進(jìn)食時(shí)間和呼吸頻率。

此外，新型標(biāo)籤具備追蹤心率及其他生命體徵的能力。頸戴項(xiàng)圈已成為檢測(cè)牛隻反芻、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）任務(wù)繁瑣且困難。

ADXL366此款三軸加速度計(jì)採(cǎi)用內(nèi)部穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，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)資料，能耗僅為約1 μW。此一能耗水準(zhǔn)低於鈕扣型電池的自放電水準(zhǔn)。

當(dāng)用於頸戴項(xiàng)圈時(shí)，此款加速度計(jì)可以在低功耗和低雜訊模式之間進(jìn)行調(diào)整，提供的最小訊號(hào)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(qiáng)的生命體徵監(jiān)測(cè)能力，在4 kHz頻寬內(nèi)的工作雜訊水準(zhǔn)幾乎降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在200 Hz頻寬下進(jìn)行同等頻寬比較，此款加速度計(jì)的等效雜訊為0.4 mg rms。高訊號(hào)雜訊比（SNR）加上寬頻寬，使得此款三軸加速度計(jì)可以化身為「聽(tīng)診器」，透過(guò)心衝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(guān)的各種雜訊。表一列出上述兩款加速度計(jì)的比較結(jié)果。

超低功耗慣性感測(cè)器的另一項(xiàng)核心能力是支援物聯(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)電源的通斷週期。典型配置可參見(jiàn)圖四。

加速度計(jì)提供豐富的可編程參數(shù)，不僅能配置所需的運(yùn)動(dòng)曲線，最重要的是能在全頻寬下喚醒和採(cǎi)樣，此功能對(duì)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(shì)，高功耗感測(cè)器、無(wú)線電及其他元件可以在無(wú)需工作時(shí)關(guān)斷，進(jìn)而延長(zhǎng)感測(cè)器節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

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)：低雜訊（早期預(yù)測(cè)）、高頻寬（檢測(cè)所有頻譜成分並支援故障分類）和夠高的測(cè)量範(fàn)圍。然而最後一項(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)使感測(cè)器飽和。全新ADXL382三軸數(shù)位加速度計(jì)具有高達(dá)60g的滿量程範(fàn)圍、8 kHz頻寬和低於55 μg/√Hz的超低雜訊，可滿足所有三項(xiàng)要求。

圖四 : ADXL366配置為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)開關(guān)

最後要談的是慣性感測(cè)與AI分析的整合方案，整合的目的是在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。現(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)。

在短暫的種植或收穫季節(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)特徵的變化可用於提前預(yù)測(cè)設(shè)備問(wèn)題，然後在儘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（類似於牲畜的生命體徵監(jiān)測(cè)）可用於精準(zhǔn)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、鬆動(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)衝擊，進(jìn)而引發(fā)複雜的振動(dòng)回應(yīng)，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(gè)複雜的振動(dòng)曲線。

圖五 : 常見(jiàn)機(jī)器故障的寬頻寬頻譜表示

結(jié)語(yǔ)

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化與技術(shù)進(jìn)步，是因應(yīng)全球糧食安全、勞動(dòng)力短缺和環(huán)境永續(xù)性等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的關(guān)鍵力量。透過(guò)採(cǎi)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)將能夠提升效率、降低成本，確保糧食生產(chǎn)擁有一個(gè)更具永續(xù)的未來(lái)。

在農(nóng)業(yè)技術(shù)生態(tài)中，慣性感測(cè)器提供核心感知能力，並發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而選擇感測(cè)器時(shí)必須謹(jǐn)慎，以確保感測(cè)器的性能和功能契合具體應(yīng)用。

（本文作者Tzeno Galchev為ADI產(chǎn)品行銷與應(yīng)用總監(jiān)）