現(xiàn)代農(nóng)業(yè)越來越多地采用傳感和定位技術(shù)，通過跟蹤局部生長狀況并按需施用適當(dāng)?shù)乃⑥r(nóng)藥和肥料等資源，來提高田間作業(yè)的效率并最大限度地提高作物產(chǎn)量。這種應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計人員明白，衛(wèi)星定位在精度方面有其局限性。但是，采用慣性測量裝置 （IMU） 可以彌補差距。

IMU 將三軸加速計與三軸陀螺儀集成在一起，測量系統(tǒng)運動并通過航位推算確定系統(tǒng)定位。通過將這些數(shù)據(jù)與全球定位系統(tǒng) （GPS） 信息相結(jié)合，設(shè)計人員可以開發(fā)出農(nóng)機控制系統(tǒng)，能夠精確、持續(xù)了解設(shè)備相對于農(nóng)田和作物的位置，同時針對地形傾斜、設(shè)備臂移動及其他因素進(jìn)行修正。

本文探討了 IMU 在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的重要性和作用，并討論了使用 IMU 執(zhí)行航位推算時的潛在誤差源、如何減少這些誤差，以及開發(fā)人員應(yīng)考慮的環(huán)境和安全因素。最后，本文將介紹來自 Honeywell Sensing and Productivity Solutions 和 Analog Devices 的精密 IMU，說明如何利用這些 IMU 來幫助將精度提高至衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)單獨無法達(dá)到的水平。

為什么位置跟蹤對農(nóng)業(yè)至關(guān)重要

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)走的是粗線條。盡管農(nóng)田內(nèi)的土壤成分、蒸發(fā)量等不可避免地存在著差異，但耕地、播種、灌溉、施肥、收割都是在整塊農(nóng)田里（面積通常是幾英畝）或多或少地統(tǒng)一進(jìn)行。在這些活動中，人工操縱機械可能會導(dǎo)致遺漏或重疊的區(qū)域，從而降低農(nóng)田利用率，或因多余的作業(yè)而浪費資源。雖然兩次農(nóng)機經(jīng)過之間一兩英尺的操縱誤差看起來并不多，但在大面積農(nóng)田上縱橫交錯作業(yè)時，損失會大量累積，增加了所需的時間和燃料（圖 1）。

準(zhǔn)確了解位置有很多好處。不僅可以收集大面積農(nóng)田中特定地點的土壤狀況信息，還可以針對特定地點相應(yīng)地施用水、肥料、農(nóng)藥，以最大限度地提高產(chǎn)量。定位精度越高——最好精確到單棵植物——收益越大。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)改變了農(nóng)民耕作土地的方式。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的出現(xiàn)，讓農(nóng)民能夠準(zhǔn)確地繪制出田間生長條件的變化圖，并可為農(nóng)業(yè)機械提供該空間內(nèi)相關(guān)位置的實時信息。這種詳細(xì)測圖與精確的位置信息相結(jié)合，讓農(nóng)民能夠因地制宜地灌溉、施肥和噴灑農(nóng)藥，以提高產(chǎn)量、盡量減少浪費，并降低環(huán)境影響。

實時位置信息還可以讓農(nóng)民避免播種和收割作業(yè)遺漏或重疊，從而最大程度地利用田地，同時通過優(yōu)化農(nóng)機行進(jìn)路線將時間和燃料消耗降至最低。此外，這種系統(tǒng)還可以支持農(nóng)業(yè)機械半自動駕駛，以減少駕駛員的疲勞，即使在灰塵、大霧、雨天和光線暗等低能見度條件下，也能實現(xiàn)高效操作。目前，50% 以上大大小小的農(nóng)田都采用了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方法，并且采用率正在不斷提高。

超越 GPS

理想的農(nóng)業(yè)定位系統(tǒng)應(yīng)該足夠精確，能夠在可能延伸數(shù)百英畝的田地中可靠地定位一株植物或一排作物——也就是說，提供幾英寸的精度。但僅靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的定位精度有限。美國 GPS 的基礎(chǔ)接收器只能提供幾米的精度。從固定站轉(zhuǎn)播 GPS 信號的雙通道 GPS 接收器或?qū)崟r動態(tài)定位 （RTK） 系統(tǒng)，可以達(dá)到遠(yuǎn)低于 1 m 的精度。然而，即便如此，它們也依賴于衛(wèi)星廣播信息的精度，通常情況下，產(chǎn)生的平均精度在 0.7 m 左右。GPS 定位的其他復(fù)雜因素包括附近物體和地形反射或阻擋信號造成的影響、衛(wèi)星星座幾何形狀，以及一天中的時間。

此外，衛(wèi)星導(dǎo)航還存在其他局限性。該系統(tǒng)提供的位置只是一個點——接收器天線的相位中心。GPS 不提供方向信息；例如，只能通過確定連續(xù)點位之間的方向矢量來推斷面對的方向。類似地，GPS 對純旋轉(zhuǎn)不敏感，因此不能確定相對垂直 GPS 的任何傾斜。

這種以天線為中心的定位和對旋轉(zhuǎn)的不敏感會在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中產(chǎn)生位置誤差。例如，一輛配備 GPS 功能的拖拉機，天線可能會安裝在駕駛室的頂部，可能離地面有 10 英尺，而這是 GPS 定位的中心位置。我們可以合理地認(rèn)為，通過簡單的幾何運算能夠從天線位置可靠地確定拖拉機或任何附屬設(shè)備在地面上的位置。問題是，由于 GPS 系統(tǒng)無法確定方向，如拖拉機在斜坡上行駛時（圖 2），剛性幾何學(xué)預(yù)測的位置將偏離實際的地面位置。即使是小至 5 度 （°） 的傾斜，在這種情況下也會產(chǎn)生超過 10 英寸（25.4 厘米）的地面位置誤差。

GPS 無法確定方向，因此在確定設(shè)備的實際地面位置時，斜坡可能會造成誤差。（圖片來源：Richard A Quinnell）

這些問題的一種解決辦法是利用測量系統(tǒng)運動的傳感器進(jìn)行航位推算，用慣性導(dǎo)航補充 GPS 導(dǎo)航。慣性航位推算可以在 GPS 信號弱或不存在時繼續(xù)提供準(zhǔn)確的位置信息，同時還可以對多路徑或其他信號失真可能產(chǎn)生的虛假結(jié)果進(jìn)行“真實性檢查”。此外，慣性導(dǎo)航傳感器可以填補衛(wèi)星導(dǎo)航無法提供的方向信息。例如，通過簡單地測量地心引力的方向，慣性傳感器讓系統(tǒng)可以修正 GPS 地面定位中的傾斜誤差，并可通過支持翻車警告來提高操作人員的安全性。

實際上，這種慣性測量裝置依賴于兩類微機電系統(tǒng) （MEMS） 傳感器：加速計和陀螺儀。加速計可以測量沿三個正交軸的線性運動變化，由于地心引力是一種加速度，因此還可以表明其方向。陀螺儀測量圍繞三個相同線性軸中每個軸的角運動（即旋轉(zhuǎn)）。兩者相結(jié)合，可以測量系統(tǒng)沿六個自由度的運動變化（圖 3）。

慣性導(dǎo)航使用傳感器測量沿六個自由度（三個線性和三個角度）的運動變化，以支持位置的航位推算。（圖片來源：Honeywell Sensing and Productivity Solutions）

不過，這些慣性傳感器并不能直接顯示位置。加速計只測量系統(tǒng)的前后搖擺、上下起伏和左右搖擺。這些值必須對時間進(jìn)行積分，才能獲得系統(tǒng)速度，然后再次積分才能獲得位置。類似地，陀螺儀測量滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航，它們必須對時間進(jìn)行積分，才能獲得角方向。

這些積分可能有助于減少傳感器測量中隨機運動噪聲的影響，因為這類信號往往傾向于平均化。但積分會加重慣性傳感器固有的一些主要系統(tǒng)誤差源的影響。如果不加以修正，這些誤差會累加起來，破壞航位推算位置的精度，從而限制該方法對丟失的 GPS 信息進(jìn)行補償?shù)男ЧＭǔ＃瑐鞲衅鳒y量誤差越小，航位推算越長，就越可能提供所需精度的位置。

IMU 中的誤差源

零偏誤差：在 MEMS 慣性傳感器中，無論是加速計還是陀螺儀，主要誤差源之一是零偏誤差。零偏誤差是指傳感器在沒有旋轉(zhuǎn)或線性加速度的情況下產(chǎn)生的殘余信號。這種誤差往往是確定性的，對于每個設(shè)備都是獨一無二的，而且通常還是溫度的函數(shù)。在一段時間內(nèi)對該信號進(jìn)行積分，則會迅速達(dá)到不可接受的水平，但通過適當(dāng)?shù)男?zhǔn)測試，可以確定傳感器的零偏誤差，并將其排除在計算之外。

零偏不穩(wěn)定性：零偏不穩(wěn)定性與零偏誤差有關(guān)，這是指設(shè)備的零偏誤差隨時間而發(fā)生隨機變化。該誤差源無法通過校準(zhǔn)來消除，因此開發(fā)人員必須評估他們的設(shè)計能夠承受多大的變化，并尋找一款零偏穩(wěn)定性規(guī)格足夠低的傳感器來滿足他們的需求。

比例系數(shù)誤差：這是慣性傳感器中的另一個確定性誤差。比例系數(shù)又稱靈敏度，是將傳感器輸入映射至輸出的最佳擬合線性關(guān)系。傳感器的比例系數(shù)誤差是其輸出與該直線關(guān)系的偏差，通常以百分比或百萬分率表示。這也可能與溫度有關(guān)，并可通過適當(dāng)?shù)男?zhǔn)進(jìn)行補償。

g 靈敏度：陀螺儀特有的一個誤差源是其對線性加速度的靈敏度，又稱為 g 靈敏度（g 是來自重力加速度的縮寫，通常為 9.8 m/sec2）。在 MEMS 陀螺儀中，由于其試驗質(zhì)量的不對稱性，因此會產(chǎn)生這種線性加速度誤差。

MEMS 陀螺儀的工作原理是，以一個方向?qū)υ囼炠|(zhì)量進(jìn)行振動，同時感測正交方向上的任何運動。當(dāng)傳感器圍繞與其他兩個方向正交的軸旋轉(zhuǎn)時，科里奧利效應(yīng)會導(dǎo)致試驗質(zhì)量產(chǎn)生可檢測的側(cè)向移動。

傳感器在與試驗質(zhì)量振動正交方向上產(chǎn)生線性加速度，也會因試驗質(zhì)量的慣性而產(chǎn)生這種側(cè)向移動。陀螺儀對這種加速度的靈敏度取決于設(shè)計和制造精度。但是，使用來自獨立加速計的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就可以補償該誤差。

振動整流誤差 （VRE）：這是陀螺儀特有的另一個誤差源，又叫 g 平方誤差。它是加速計對交流振動（被整流為直流）的響應(yīng)，表現(xiàn)為加速計失調(diào)的異常偏移。VRE 有多種發(fā)生機制，并且無法實時補償，因為它高度依賴于應(yīng)用的具體情況。開發(fā)人員應(yīng)確定傳感器的 VRE 是否在可接受限制內(nèi)。通過使用減振傳感器安裝技術(shù)，可以幫助減輕一些振動問題。

交叉軸靈敏度：在系統(tǒng)層面，傳感器的機械錯位也會帶來誤差。其中一個誤差是交叉軸靈敏度。當(dāng)實際感應(yīng)軸偏離預(yù)定方向時，就會出現(xiàn)這種情況，從而導(dǎo)致傳感器本不該檢測到的來自正交運動的信號。例如，預(yù)期保持水平的傳感器若沒有對準(zhǔn)，則可能仍會檢測到地心引力。加速計與陀螺儀軸之間的錯位會影響系統(tǒng)補償陀螺儀 g 靈敏度誤差。

離軸誤差：力學(xué)也是產(chǎn)生加速計離軸誤差的原因之一。如果對傳感器的沖擊點不在加速計的試驗質(zhì)量中心，則由于試驗質(zhì)量圍繞沖擊線輕微旋轉(zhuǎn)，因此傳感器會檢測到額外的加速度。

集成式 IMU 可緩解傳感器誤差問題

對于試圖用分立傳感器構(gòu)建 IMU 的開發(fā)人員來說，如此多的誤差源帶來了巨大挑戰(zhàn)。幸運的是，具有六個自由度的預(yù)集成 IMU 已廣泛普及，這大大簡化了相關(guān)工作。其中一些以模塊形式提供，如 Analog Devices 的 ADIS16465-3BMLZ 精密 IMU 模塊和 Honeywell 的 6DF-1N6-C2-HWL。開發(fā)人員只需用螺栓將這些器件固定在底盤上，即可將它們納入系統(tǒng)設(shè)計中。

市面上也有片式、板安裝式精密 IMU 提供，如來自 Analog Devices 的 ADIS16500/05/07 系列。這些器件適合與其他傳感器和 GPS 接收器整合為一體化組件。

這兩種類型的 IMU 可消除或緩解 IMU 開發(fā)中的許多潛在誤差，因此有助于減輕開發(fā)工作量。例如，Analog Devices 的 ADIS16500/05/07 系列在單個 BGA 封裝中集成了一個三軸加速計、一個三軸陀螺儀和一個溫度傳感器。這些器件內(nèi)置校準(zhǔn)和濾波功能，與其他功能相結(jié)合，有助于減少許多 IMU 誤差源（圖 5）。

集成式 IMU 如此處所示的 Analog Devices 的 ADIS16505，可通過板載校準(zhǔn)、濾波和校準(zhǔn)功能來減少許多潛在的誤差源，從而幫助簡化系統(tǒng)設(shè)計。（圖片來源：Analog Devices）

交叉軸靈敏度等誤差可在器件制造中加以解決。例如，ADIS16505 將軸與軸之間的對準(zhǔn)誤差限制在 0.25° 以內(nèi)。這種仔細(xì)的對準(zhǔn)以及采用共同傳感器讀數(shù)時鐘，簡化了設(shè)計人員使用加速計讀數(shù)來校正陀螺儀中的線性加速度誤差的過程。內(nèi)置的溫度傳感器為減輕許多誤差源的溫度依賴性提供了支持。

這些集成式 IMU 的內(nèi)部信號鏈提供了額外的誤差抑制（圖 6）。原始傳感器信息首先通過一個數(shù)字濾波器去除噪聲，然后通過一個用戶可配置的 Bartlett 窗濾波器。Bartlett 窗是一種使用兩個級聯(lián)級的有限脈沖響應(yīng) （FIR） 平均濾波器。

集成式 IMU 器件可提供內(nèi)置濾波功能，并可通過應(yīng)用出廠設(shè)定校準(zhǔn)參數(shù)來補償許多系統(tǒng)傳感器誤差。（圖片來源：Analog Devices）

信號接下來將經(jīng)過一個校準(zhǔn)階段，在這個階段將根據(jù)跨越設(shè)備整個工作溫度范圍的多個溫度下運行的工廠校準(zhǔn)測試，來應(yīng)用設(shè)備特定校正。這個階段對所有六個傳感器樣本同時使用矩陣乘法，能夠補償加速計和陀螺儀的零偏、比例系數(shù)和對準(zhǔn)誤差。它還可以修正陀螺儀中的線性加速度誤差和加速計中的軸失調(diào)誤差。

此外，還提供了一個用戶可選擇的敲擊對準(zhǔn)校正點，以調(diào)整加速計輸出，使其表現(xiàn)得在封裝中好像都位于相同的基準(zhǔn)點。所有其他工廠校準(zhǔn)功能一般都無法使用，但這些器件確實能夠讓用戶使用自己選擇的附加值，來調(diào)整工廠的傳感器零偏補償。

在經(jīng)過校準(zhǔn)修正后，信號通過第二個數(shù)字濾波器。抽取濾波器會取多個樣本的平均值，以產(chǎn)生最終輸出，從而實現(xiàn)額外的降噪效果。一起平均的樣本數(shù)取決于用戶的采樣和寄存器更新頻率選擇。

系統(tǒng)注意事項

集成式 IMU 無法修正的少數(shù)誤差源之一就是 VRE。對于農(nóng)業(yè)機械來說，強烈的振動不可避免，因此設(shè)計人員必須在此問題上仔細(xì)評估系統(tǒng)的要求。許多低成本 IMU 的 VRE 非常差；有些數(shù)值差到連廠商都不愿意說明。公平地說，在這些低成本 IMU 的預(yù)期應(yīng)用中，VRE 并不是一個重要問題。但是，用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等高振動環(huán)境的器件，需要盡可能低的 VRE。例如，ADIS16500 系列的 VRE 大概為 4 x 10-6 （°/sec）/（m/sec2）2。因此，持續(xù)的 1 g 振動（強度足以使駕駛員從座位上彈開）只會導(dǎo)致每小時 1 度左右的旋轉(zhuǎn)誤差。

要實現(xiàn)一個有效的系統(tǒng)，重要一步是沒有安裝、對準(zhǔn)和校準(zhǔn)問題，但這只是一個開始。開發(fā)人員仍然必須將慣性測量轉(zhuǎn)化為位置跟蹤、解決航位推算與 GPS 定位之間的差異，并了解和緩解應(yīng)用特定的因素，如日常使用過程中系統(tǒng)沖擊和振動的量及頻率。

如果使用定位系統(tǒng)對移動機械進(jìn)行自動甚至半自動控制，還要考慮安全因素。MEMS 傳感器可能會因過大的沖擊而不堪重負(fù)。雖然這些器件通常能夠經(jīng)受住大的沖擊而不損壞，但如果沖擊使傳感器超過極限，可能會導(dǎo)致傳感器暫時關(guān)閉，或在恢復(fù)時使輸出固定于最大值。在設(shè)計系統(tǒng)時，需要使這種瞬間沖擊不會無意中導(dǎo)致危險或煩人的系統(tǒng)行為，如突然改變方向或錯誤地觸發(fā)系統(tǒng)安全關(guān)機。

因此最好先使用像 Analog Devices EVAL-ADIS2Z（圖 7）這樣的評估板先進(jìn)行評估然后再開始。該評估板能夠讓開發(fā)人員使用 PC 訪問器件寄存器和數(shù)據(jù)，并且尺寸足夠小，可以方便地安裝在具有代表性的目標(biāo)機械上，可收集振動和運動統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

該評估板支持應(yīng)用軟件，可實現(xiàn)基本演示、單個寄存器訪問和高速數(shù)據(jù)采集。

結(jié)語

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)為農(nóng)民提供了更高的生產(chǎn)率，同時降低了資源的使用量。通過加入慣性定位功能，設(shè)計人員可以大幅提高定位的精度，幫助農(nóng)民在農(nóng)田管理方面實現(xiàn)植物級的精度。但是，要做到這一點，開發(fā)人員需要在設(shè)計中解決傳感器和系統(tǒng)誤差源。集成式六自由度精密慣性測量裝置通過提供仔細(xì)的對準(zhǔn)、濾波和內(nèi)置的校準(zhǔn)誤差修正，大幅減輕了開發(fā)負(fù)擔(dān)。