惯性测量装置在精准农业作业的应用

惯性测量装置在精准农业作业的应用

刘福禄

重庆工贸职业技术学院 （重庆涪陵 408000）

摘要：现代农业越来越多地采用传感和定位技术，通过跟踪局部生长状况并按需施用适当的水、农药和肥料等资源，来提高田间作业的效率并最大限度地提高作物产量。卫星定位在精度方面有其局限性，采用惯性测量装置 (IMU) 可以弥补差距。本文探讨了IMU 在精准农业中的重要性和作用。

关键词：IMU 精准农业 应用

现代农业越来越多地采用传感和定位技术，通过跟踪局部生长状况并按需施用适当的水、农药和肥料等资源，来提高田间作业的效率并最大限度地提高作物产量。这种应用的系统设计人员明白，卫星定位在精度方面有其局限性。但是，采用惯性测量装置 (IMU) 可以弥补差距。

一、农业与位置跟踪

传统农业把整片农田视为均一体并使用人工操纵方法，两者均会导致时间和资源浪费。精准农业准确了解位置，不仅可以收集大面积农田中特定地点的土壤状况信息，还可以针对特定地点相应地施用水、肥料、农药，以最大限度地提高产量。

精准农业改变了农民耕作土地的方式。卫星导航技术的出现，让农民能够准确地绘制出田间生长条件的变化，并可为农业机械提供该空间内相关位置的实时信息。让农民能够因地制宜地灌溉、施肥和喷洒农药，以提高产量、尽量减少浪费，并降低环境影响。

实时位置信息还可以让农民避免播种和收割作业遗漏或重叠，从而最大程度地利用田地，同时通过优化农机行进路线将时间和燃料消耗降至最低。此外，这种系统还可以支持农业机械半自动驾驶，以减少驾驶员的疲劳，即使在灰尘、大雾、雨天和光线暗等低能见度条件下，也能实现高效操作。

二、超越GPS

理想的农业定位系统应该足够精确，能够在可能延伸数百英亩的田地中可靠地定位一株植物或一排作物——也就是说，提供几英寸的精度。但仅靠卫星导航系统提供的定位精度有限。通常情况下，产生的平均精度在0.7 m左右。GPS 定位的其他复杂因素包括附近物体和地形反射或阻挡信号造成的影响、卫星星座几何形状，以及一天中的时间。

GPS 对纯旋转不敏感，因此不能确定相对垂直 GPS 的任何倾斜。这种以天线为中心的定位和对旋转的不敏感会在农业应用中产生位置误差。

这些问题的解决办法是利用测量系统运动的传感器进行航位推算，用惯性导航补充 GPS 导航。惯性航位推算可以在 GPS 信号弱或不存在时继续提供准确的位置信息，同时还可以对多路径或其他信号失真可能产生的虚假结果进行真实性检查。此外，惯性导航传感器可以填补卫星导航无法提供的方向信息。

惯性测量装置依赖于两类微机电系统 (MEMS) 传感器：加速计和陀螺仪。加速计可以测量沿三个正交轴的线性运动变化，由于地心引力是一种加速度，因此还可以表明其方向。陀螺仪测量围绕三个相同线性轴中每个轴的角运动（即旋转）。两者相结合，可以测量系统沿六个自由度的运动变化。

惯性传感器固有的一些主要系统误差源的影响，如果不加以修正，这些误差会累加起来，破坏航位推算位置的精度，从而限制该方法对丢失的 GPS 信息进行补偿的效果。通常，传感器测量误差越小，航位推算越长，就越可能提供所需精度的位置。

三、IMU中的误差源

零偏误差：在 MEMS 惯性传感器中，无论是加速计还是陀螺仪，主要误差源之一是零偏误差。零偏误差是指传感器在没有旋转或线性加速度的情况下产生的残余信号。这种误差往往是确定性的，对于每个设备都是独一无二的，而且通常还是温度的函数。

零偏不稳定性：零偏不稳定性与零偏误差有关，这是指设备的零偏误差随时间而发生随机变化。该误差源无法通过校准来消除，因此开发人员必须评估他们的设计能够承受多大的变化，并寻找一款零偏稳定性规格足够低的传感器来满足他们的需求。

比例系数误差：这是惯性传感器中的另一个确定性误差。比例系数又称灵敏度，是将传感器输入映射至输出的最佳拟合线性关系。传感器的比例系数误差是其输出与该直线关系的偏差，通常以百分比或百万分率表示。这也可能与温度有关，并可通过适当的校准进行补偿。

g 灵敏度：陀螺仪特有的一个误差源是其对线性加速度的灵敏度，又称为g灵敏度（g 是重力加速度）。在 MEMS 陀螺仪中，由于其试验质量的不对称性，因此会产生这种线性加速度误差。

交叉轴灵敏度：在系统层面，传感器的机械错位也会带来误差。其中一个误差是交叉轴灵敏度。当实际感应轴偏离预定方向时，就会出现这种情况，从而导致传感器本不该检测到的来自正交运动的信号。例如，预期保持水平的传感器若没有对准，则可能仍会检测到地心引力。加速计与陀螺仪轴之间的错位会影响系统补偿陀螺仪 g 灵敏度误差。

离轴误差：力学也是产生加速计离轴误差的原因之一。如果对传感器的冲击点不在加速计的试验质量中心，则由于试验质量围绕冲击线轻微旋转，因此传感器会检测到额外的加速度。

总结

基于卫星导航的精准农业为农民提供了更高的生产率，同时降低了资源的使用量。通过加入惯性定位功能，设计人员可以大幅提高定位的精度，帮助农民在农田管理方面实现植物级的精度。但是，要做到这一点，开发人员需要在设计中解决传感器和系统误差源。集成式六自由度精密惯性测量装置通过提供仔细的对准、滤波和内置的校准误差修正，大幅减轻了开发负担。

参考文献：

[1] https://baike.so.com/doc/2574391-2718572.html

[2] https://www.cirmall.com/articles/28392

[3] https://baike.so.com/doc/6088996-6302102.html

作者简介：刘福禄，男，1964.10.副教授，维修电工高级考评员

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