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現代農業越來越多地采用傳感和定位技術，通過跟蹤局部生長狀況并按需施用適當的水、農藥和肥料等資源，來提高田間作業的效率并最大限度地提高作物產量。這種應用的系統設計人員明白，衛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，測量系統運動并通過航位推算確定系統定位。通過將這些數據與全球定位系統 (GPS) 信息相結合，設計人員可以開發出農機控制系統，能夠精確、持續了解設備相對于農田和作物的位置，同時針對地形傾斜、設備臂移動及其他因素進行修正。 本文探討了 IMU 在精準農業中的重要性和作用，并討論了使用 IMU 執行航位推算時的潛在誤差源、如何減少這些誤差，以及開發人員應考慮的環境和安全因素。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星導航系統單獨無法達到的水平。 為什么位置跟蹤對農業至關重要 傳統農業走的是粗線條。盡管農田內的土壤成分、蒸發量等不可避免地存在著差異，但耕地、播種、灌溉、施肥、收割都是在整塊農田里（面積通常是幾英畝）或多或少地統一進行。在這些活動中，人工操縱機械可能會導致遺漏或重疊的區域，從而降低農田利用率，或因多余的作業而浪費資源。雖然兩次農機經過之間一兩英尺的操縱誤差看起來并不多，但在大面積農田上縱橫交錯作業時，損失會大量累積，增加了所需的時間和燃料（圖 1）。 
圖 1：傳統農業把整片農田視為均一體并使用人工操縱方法，兩者均會導致時間和資源浪費。精準農業改變了這種狀況。（圖片來源：John Deere®） 準確了解位置有很多好處。不僅可以收集大面積農田中特定地點的土壤狀況信息，還可以針對特定地點相應地施用水、肥料、農藥，以最大限度地提高產量。定位精度越高——最好精確到單棵植物——收益越大。 精準農業改變了農民耕作土地的方式。衛星導航技術的出現，讓農民能夠準確地繪制出田間生長條件的變化圖，并可為農業機械提供該空間內相關位置的實時信息。這種詳細測圖與精確的位置信息相結合，讓農民能夠因地制宜地灌溉、施肥和噴灑農藥，以提高產量、盡量減少浪費，并降低環境影響。 實時位置信息還可以讓農民避免播種和收割作業遺漏或重疊，從而最大程度地利用田地，同時通過優化農機行進路線將時間和燃料消耗降至最低。此外，這種系統還可以支持農業機械半自動駕駛，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，也能實現高效操作。目前，50% 以上大大小小的農田都采用了精準農業方法，并且采用率正在不斷提高。 超越 GPS 理想的農業定位系統應該足夠精確，能夠在可能延伸數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。但僅靠衛星導航系統提供的定位精度有限。美國 GPS 的基礎接收器只能提供幾米的精度。從固定站轉播 GPS 信號的雙通道 GPS 接收器或實時動態定位 (RTK) 系統，可以達到遠低于 1 m 的精度。然而，即便如此，它們也依賴于衛星廣播信息的精度，通常情況下，產生的平均精度在 0.7 m 左右。GPS 定位的其他復雜因素包括附近物體和地形反射或阻擋信號造成的影響、衛星星座幾何形狀，以及一天中的時間。 此外，衛星導航還存在其他局限性。該系統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的不敏感會在農業應用中產生位置誤差。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備在地面上的位置。問題是，由于 GPS 系統無法確定方向，如拖拉機在斜坡上行駛時（圖 2），剛性幾何學預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生超過 10 英寸（25.4 厘米）的地面位置誤差。
圖 2：GPS 無法確定方向，因此在確定設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運動的傳感器進行航位推算，用慣性導航補充 GPS 導航。慣性航位推算可以在 GPS 信號弱或不存在時繼續提供準確的位置信息，同時還可以對多路徑或其他信號失真可能產生的虛假結果進行“真實性檢查”。此外，慣性導航傳感器可以填補衛星導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 (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）。兩者相結合，可以測量系統沿六個自由度的運動變化（圖 3）。
圖 3：慣性導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。加速計只測量系統的前后搖擺、上下起伏和左右搖擺。這些值必須對時間進行積分，才能獲得系統速度，然后再次積分才能獲得位置。類似地，陀螺儀測量滾轉、俯仰和偏航，它們必須對時間進行積分，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 信息進行補償的效果。通常，傳感器測量誤差越小，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或線性加速度的情況下產生的殘余信號。這種誤差往往是確定性的，對于每個設備都是獨一無二的，而且通常還是溫度的函數。在一段時間內對該信號進行積分，則會迅速達到不可接受的水平，但通過適當的校準測試，可以確定傳感器的零偏誤差，并將其排除在計算之外。 零偏不穩定性：零偏不穩定性與零偏誤差有關，這是指設備的零偏誤差隨時間而發生隨機變化。該誤差源無法通過校準來消除，因此開發人員必須評估他們的設計能夠承受多大的變化，并尋找一款零偏穩定性規格足夠低的傳感器來滿足他們的需求。 比例系數誤差：這是慣性傳感器中的另一個確定性誤差。比例系數又稱靈敏度，是將傳感器輸入映射至輸出的最佳擬合線性關系。傳感器的比例系數誤差是其輸出與該直線關系的偏差，通常以百分比或百萬分率表示。這也可能與溫度有關，并可通過適當的校準進行補償。 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，由于其試驗質量的不對稱性，因此會產生這種線性加速度誤差。 MEMS 陀螺儀的工作原理是，以一個方向對試驗質量進行振動，同時感測正交方向上的任何運動。當傳感器圍繞與其他兩個方向正交的軸旋轉時，科里奧利效應會導致試驗質量產生可檢測的側向移動。 傳感器在與試驗質量振動正交方向上產生線性加速度，也會因試驗質量的慣性而產生這種側向移動。陀螺儀對這種加速度的靈敏度取決于設計和制造精度。但是，使用來自獨立加速計的數據，系統就可以補償該誤差。 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，表現為加速計失調的異常偏移。VRE 有多種發生機制，并且無法實時補償，因為它高度依賴于應用的具體情況。開發人員應確定傳感器的 VRE 是否在可接受限制內。通過使用減振傳感器安裝技術，可以幫助減輕一些振動問題。 交叉軸靈敏度：在系統層面，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。當實際感應軸偏離預定方向時，就會出現這種情況，從而導致傳感器本不該檢測到的來自正交運動的信號。例如，預期保持水平的傳感器若沒有對準，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補償陀螺儀 g 靈敏度誤差。 離軸誤差：力學也是產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量中心，則由于試驗質量圍繞沖擊線輕微旋轉，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建 IMU 的開發人員來說，如此多的誤差源帶來了巨大挑戰。幸運的是，具有六個自由度的預集成 IMU 已廣泛普及，這大大簡化了相關工作。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（圖 4）。開發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設計中。
圖 4：Honeywell 的 6DF-1N6-C2-HWL 等集成式 IMU 通過消除對準問題以及許多其他誤差源，幫助簡化了系統設計。另有板安裝式 BGA IMU 可供選擇。（圖片來源：Honeywell Sensing and Productivity Solutions） 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 開發中的許多潛在誤差，因此有助于減輕開發工作量。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。這些器件內置校準和濾波功能，與其他功能相結合，有助于減少許多 IMU 誤差源（圖 5）。
圖 5：集成式 IMU 如此處所示的 Analog Devices 的 ADIS16505，可通過板載校準、濾波和校準功能來減少許多潛在的誤差源，從而幫助簡化系統設計。（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誤差限制在 0.25° 以內。這種仔細的對準以及采用共同傳感器讀數時鐘，簡化了設計人員使用加速計讀數來校正陀螺儀中的線性加速度誤差的過程。內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級的有限脈沖響應 (FIR) 平均濾波器。
圖 6：集成式 IMU 器件可提供內置濾波功能，并可通過應用出廠設定校準參數來補償許多系統傳感器誤差。（圖片來源：Analog Devices） 信號接下來將經過一個校準階段，在這個階段將根據跨越設備整個工作溫度范圍的多個溫度下運行的工廠校準測試，來應用設備特定校正。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、比例系數和對準誤差。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誤差。 此外，還提供了一個用戶可選擇的敲擊對準校正點，以調整加速計輸出，使其表現得在封裝中好像都位于相同的基準點。所有其他工廠校準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，來調整工廠的傳感器零偏補償。 在經過校準修正后，信號通過第二個數字濾波器。抽取濾波器會取多個樣本的平均值，以產生最終輸出，從而實現額外的降噪效果。一起平均的樣本數取決于用戶的采樣和寄存器更新頻率選擇。 系統注意事項 集成式 IMU 無法修正的少數誤差源之一就是 VRE。對于農業機械來說，強烈的振動不可避免，因此設計人員必須在此問題上仔細評估系統的要求。許多低成本 IMU 的 VRE 非常差；有些數值差到連廠商都不愿意說明。公平地說，在這些低成本 IMU 的預期應用中，VRE 并不是一個重要問題。但是，用于精準農業等高振動環境的器件，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，持續的 1 g 振動（強度足以使駕駛員從座位上彈開）只會導致每小時 1 度左右的旋轉誤差。 要實現一個有效的系統，重要一步是沒有安裝、對準和校準問題，但這只是一個開始。開發人員仍然必須將慣性測量轉化為位置跟蹤、解決航位推算與 GPS 定位之間的差異，并了解和緩解應用特定的因素，如日常使用過程中系統沖擊和振動的量及頻率。 如果使用定位系統對移動機械進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。雖然這些器件通常能夠經受住大的沖擊而不損壞，但如果沖擊使傳感器超過極限，可能會導致傳感器暫時關閉，或在恢復時使輸出固定于最大值。在設計系統時，需要使這種瞬間沖擊不會無意中導致危險或煩人的系統行為，如突然改變方向或錯誤地觸發系統安全關機。 因此最好先使用像 Analog Devices EVAL-ADIS2Z（圖 7）這樣的評估板先進行評估然后再開始。該評估板能夠讓開發人員使用 PC 訪問器件寄存器和數據，并且尺寸足夠小，可以方便地安裝在具有代表性的目標機械上，可收集振動和運動統計數據。
圖 7：EVAL-ADIS2Z 等評估板簡化了實驗階段，并且其尺寸足夠小，可以安裝在機械側面以收集數據。（圖片來源：Analog Devices） 該評估板支持應用軟件，可實現基本演示、單個寄存器訪問和高速數據采集。 結語 基于衛星導航的精準農業為農民提供了更高的生產率，同時降低了資源的使用量。通過加入慣性定位功能，設計人員可以大幅提高定位的精度，幫助農民在農田管理方面實現植物級的精度。但是，要做到這一點，開發人員需要在設計中解決傳感器和系統誤差源。集成式六自由度精密慣性測量裝置通過提供仔細的對準、濾波和內置的校準誤差修正，大幅減輕了開發負擔。 來源：Digi-Key 作者：Richard A. Quinnell |
