通過MEMS IMU傳感器提高自動駕駛農(nóng)機定位精度

引言

“加快建設農(nóng)業(yè)強國”是中國現(xiàn)代化強國發(fā)展中提出的新目標，強調(diào)以科技和機制創(chuàng)新為動力，以設施和裝備升級為重點，推進農(nóng)業(yè)科技裝備全領域突破，推動農(nóng)業(yè)高質(zhì)量高效益發(fā)展。作為全球領先的MEMS傳感解決方案供應商，新納傳感很早就開始布局精準農(nóng)業(yè)，推出助力農(nóng)業(yè)機械自動化發(fā)展的高精定位傳感器，已成為全球頭部農(nóng)機企業(yè)John Deere連續(xù)7年伙伴級供應商。未來，新納將繼續(xù)以科技助力中國農(nóng)業(yè)發(fā)展，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。

高精度定位導航技術的發(fā)展，有助于提高精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，幫助農(nóng)民通過自動駕駛農(nóng)機提升生產(chǎn)效率。

如何提高自動駕駛農(nóng)機定位精度？

我們設想一下，農(nóng)田里農(nóng)民正在用拖拉機作業(yè)，沒有車道線，沒有指示牌，也沒有高精地圖，通常拖拉機只能依賴GNSS來實現(xiàn)定位導航，而傳統(tǒng)GNSS僅能提供米級定位精度。

對于這類自動化機器而言，精準定位尤為重要。隨著技術不斷發(fā)展和突破，目前高精度定位技術可以提供移動車輛準確、可靠的絕對位置與相對位置。并且，在不影響性能提升的前提下，不斷降低成本，定位精度已提升到了厘米級，這使得該技術的大規(guī)模應用成為可能。

相對于傳統(tǒng)的GNSS，實時動態(tài)差分定位技術 (RTK) 就可以將定位精度提高到厘米級。不僅如此，RTK技術的應用可以精確到麥田行間距，甚至是同一行中相鄰麥穗之間的間距，這不僅能最大限度地減少收割過程中的糧食浪費，同時可以更好地控制施肥過程，防止施肥過度或者施肥不足。當然，設備作業(yè)對農(nóng)作物的損壞率也將大大降低。

那么RTK如何提高GNSS精度？首先，RTK通過測量GNSS載波信號以及獲取準確的時間信息；其次，RTK使用來自基準站的網(wǎng)絡改正數(shù)來校正移動站的測量數(shù)據(jù)，從而進一步提高定位數(shù)據(jù)精度。

精準農(nóng)業(yè)必備——

高性能慣性測量單元（IMU）

當我們說起厘米級定位，必然會提到高精衛(wèi)慣組合定位系統(tǒng)(INS)，其除了公路場景自動駕駛車輛定位應用外，同樣能完全滿足非公路場景下精準農(nóng)業(yè)自動駕駛農(nóng)機作業(yè)要求。

INS不僅融合了GNSS與RTK數(shù)據(jù)，還包括了慣性測量單元（IMU）。IMU用于測量移動物體加速度與角速度，其中加速度計測量x、y、z軸方向的線性加速度，陀螺儀則測量三軸方向的角速率，最終可獲取車輛如自動駕駛拖拉機的速度、位置與運動姿態(tài)變化等信息。

但區(qū)別于路面車輛，在制定農(nóng)用設備安全移動和導航解決方案時，還需要考慮機械設備自身的特性。比如在振動環(huán)境下，自動播種機或干草打捆機安全運行過程中，需確保IMU信號完整性，根據(jù)IMU信號鏈獲取信息來分析，以消除或減少振動帶來的加速度變化，以及引起的誤差。目前，最有效的IMU校準方法是將其置于高精度轉(zhuǎn)臺與溫箱中進行校準，可確保IMU在溫度變化以及復雜場景下輸出的精度。

此外，相較于使用光纖陀螺儀的IMU，微機電系統(tǒng)（MEMS）IMU傳感器性價比更高，尺寸也更小。因而MEMS IMU傳感器在精準農(nóng)業(yè)中應用更為廣泛。

新納MTLT335D傾角傳感器

滿足ISO 13849標準，兼容性好

隨著農(nóng)業(yè)自動化技術的發(fā)展，對機械安全要求也越來越高：它涵蓋了各種復雜自動化應用，如增加農(nóng)作物產(chǎn)量，如何避免過度施肥或施肥不足，或者提高灌溉效率等。因此，符合ISO 13849安全標準的農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)和子系統(tǒng)已經(jīng)開始進入市場。

新納MTLT335D動態(tài)傾角傳感器符合ISO 13849 性能級別d（PLd）的要求，開發(fā)流程均遵循ISO 13849 中的設計和安全要求，可應用于自動化農(nóng)業(yè)機械中，推動精準農(nóng)業(yè)發(fā)展。

MTLT335D是MTLT305D的升級版，其外形尺寸、電氣接口、連接器與MTLT305D相同，但在關鍵性能上達到了進一步提升與改進。如陀螺儀角度隨機游走 (ARW) 和零偏不穩(wěn)定性 (BI)就提高了三倍。通常來說，ARW 數(shù)值越低，表示在計算姿態(tài)和位置的過程中角速率積分誤差就越小。BI表示陀螺儀零偏隨時間變化的程度，MTLT335D改進后的BI值可以更快、更好地估計真實的陀螺儀偏差，生成更準確的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)。

MTLT335D與MTLT305D在通訊電纜以及與SAE J1939 CAN接口數(shù)據(jù)協(xié)議也是相同的，兩者可使用相同的軟件輸出數(shù)據(jù)，MTLT335D可保持系統(tǒng)軟件的兼容性，可直接遷移至ISO13849標準中。因此，客戶如需改進解決方案，可無縫兼容。

精準農(nóng)業(yè)未來可期

縱觀當今農(nóng)業(yè)技術發(fā)展，農(nóng)業(yè)“無限可能”這一目標已不再遙遠。當前技術成本越來越低，技術適應能力越來越強大，技術靈敏度也越來越高。曾經(jīng)被認為無法攻克的難題，如崎嶇不平而無法耕種的地帶等，如今都可通過傳感器成功采集這些信息并用于計算與校正拖拉機的運動姿態(tài)roll, pitch 和yaw。

自動化作業(yè)將農(nóng)民從繁重的拖拉機操作中解放出來，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和工作效率，灌溉、施肥與農(nóng)藥可以精確定位到單株農(nóng)作物，減少資源浪費，提高生產(chǎn)力。

審核編輯：郭婷