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?、農(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(bǔ)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(yùn)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(jī)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(dú)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(jī)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(fèi)資源。雖然兩次農(nóng)機(jī)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(diǎn)的土壤狀況信息，還可以針對特定地點(diǎn)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(jī)械提供該空間內(nèi)相關(guān)位置的實(shí)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(fèi)，并降低環(huán)境影響。

實(shí)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(jī)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(jī)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(shí)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(diǎn)——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(diǎn)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(jī)，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(yùn)算能夠從天線位置可靠地確定拖拉機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)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(yùn)動的傳感器進(jìn)行航位推算，用慣性導(dǎo)航補(bǔ)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(shí)性檢查”。此外，慣性導(dǎo)航傳感器可以填補(bǔ)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(shí)際上，這種慣性測量裝置依賴于兩類微機(jī)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jī)運(yùn)動噪聲的影響，因?yàn)檫@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(bǔ)償?shù)男Ч?。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(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(dú)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(jī)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(bǔ)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(yàn)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?yàn)質(zhì)量進(jìn)行振動，同時感測正交方向上的任何運(yùn)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(yàn)質(zhì)量產(chǎn)生可檢測的側(cè)向移動。

傳感器在與試驗(yàn)質(zhì)量振動正交方向上產(chǎn)生線性加速度，也會因試驗(yàn)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(dú)立加速計的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就可以補(bǔ)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(jī)制，并且無法實(shí)時補(bǔ)償，因?yàn)樗叨纫蕾囉趹?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(jī)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(shí)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(yùn)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(bǔ)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(diǎn)不在加速計的試驗(yàn)質(zhì)量中心，則由于試驗(yàn)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(yùn)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(bǔ)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(yùn)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(bǔ)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(diǎn)，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(diǎn)。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(shí)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(bǔ)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(shí)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(xiàng)

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(jī)械來說，強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(jī)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(jī)。

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(jī)械上，可收集振動和運(yùn)動統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

該評估板支持應(yīng)用軟件，可實(shí)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(shí)現(xiàn)植物級的精度。但是，要做到這一點(diǎn)，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)。