La detección inercial aumenta la precisión y la productividad en la agricultura inteligente

The ADIS16576 from ADI is a MEMS IMU that represents a significant breakthrough in both functional integration and core sensor performance, with particularly notable improvements in Vibration Rectification Error (VRE) - a 10x improvement for the gyroscope and a 50x improvement for the accelerometer. The fundamental function of a MEMS IMU is to provide triaxial angular rate sensing around three mutually orthogonal axes (roll, pitch, yaw) and triaxial linear acceleration sensing along the same three axes.
 
The accelerometer provides mean (or static) angle estimation, while integrated gyroscope measurements provide real-time angular displacement. The system processor combine these two angle estimation sources to generate reliable feedback control information for GNC or pointing control systems. Operating in this manner, an accelerometer VRE of 1.3 mg under 4 g of vibration means the GNC platform can maintain an attitude angle better than 0.1° without assistance from any other sensing function. This is particularly beneficial for UAVs, especially those whose vibration levels vary significantly with thrust.
 
In gyroscopes, VRE can cause rapid and persistent changes in bias, leading to erroneous motion correction and, in the worst case, platform instability. Previous-generation devices could exhibit VRE responses exceeding 300°/h under 8 g rms, whereas the ADIS16576 offers a response of 12°/h, significantly reducing the estimation/correction burden on other system sensing modes. One of the most important functional improvements of this MEMS IMU is its scalable external synchronization. By incorporating a user-programmable clock scaling function, system developers can now drive 4000 Hz IMU data sampling using slower system-level references, such as GPS or video sync. This achieves tight coupling with Pulse Per Second (PPS) or perception sensing references while preserving the various digital processing options afforded by higher data sampling rates.
 
Take an autonomous vehicle platform as an example; it can use a 20 Hz GPS reference and a 200x scale factor to generate an internal sampling rate of 4000 Hz. Furthermore, the system can employ an on-board decimation filter to reduce the output data rate by a factor of 20x (to 200 Hz). In more dynamic scenarios, such as a crop inspection drone operating in windy conditions, the system processor may need to read and process data at the maximum sampling rate to ensure stability and maneuverability.

Los sensores inerciales también desempeñan un papel fundamental en los sistemas IoT, que pueden utilizarse para la supervisión continua de la ubicación de los animales y de sus condiciones fisiológicas. Las implementaciones típicas incluyen etiquetas fijadas a la oreja, la cola o el cuerpo, o collares inteligentes colocados alrededor del cuello. Estas etiquetas no solo ayudan a gestionar la ubicación del rebaño, sino que, lo que es más importante, proporcionan continuamente datos de salud animal, como niveles de actividad, horarios de alimentación y frecuencias respiratorias. Además, las etiquetas más recientes poseen la capacidad de realizar el seguimiento de la frecuencia cardíaca y otros signos vitales. Los collares colocados en el cuello se han convertido en herramientas inestimables para detectar el estro, la rumia, la cojera y otras afecciones en el ganado. Uno de los requisitos fundamentales para este tipo de sistemas IoT es el bajo consumo de energía, ya que el mantenimiento de las baterías (recargables o primarias) para grandes rebaños es una tarea tediosa y desafiante.
 
El ADXL366 de ADI ofrece ventajas excepcionales de bajo consumo. Este acelerómetro triaxial incorpora regulación interna de tensión, lo que permite conectarlo directamente a una batería. Su tensión mínima de funcionamiento es de 1.1 V, y puede proporcionar datos de movimiento a 100 Hz con un consumo de energía de solo aproximadamente 1 µW. Este nivel de consumo de energía es inferior a la tasa de autodescarga de una batería de botón. Cuando se utiliza en un collar colocado en el cuello, este acelerómetro puede ajustarse entre modos de bajo consumo y bajo ruido, proporcionando una señal mínima entre 3 mg y 8 mg rms, suficiente para distinguir la masticación, la rumia y la frecuencia respiratoria (RR). El ADXL380 ofrece una capacidad mejorada de monitorización de signos vitales, con niveles de ruido de funcionamiento casi dos órdenes de magnitud inferiores en un ancho de banda de 4 kHz. Para una comparación de ancho de banda equivalente a 200 Hz, el ruido equivalente de este acelerómetro es de 0.4 mg rms. La alta Relación Señal-Ruido (SNR), combinada con un ancho de banda amplio, permite que este acelerómetro triaxial funcione como un "estetoscopio," recopilando información de la frecuencia cardíaca mediante balistocardiogramas o capturando diversos ruidos asociados con la respiración, la digestión y otras funciones fisiológicas.
 
Otra capacidad fundamental de los sensores inerciales de ultra bajo consumo es la compatibilidad con la gestión de energía a nivel de sistema para nodos IoT. El ADXL366 proporciona un modo de activación dedicado que puede generar interrupciones en función de los perfiles de movimiento detectados para gestionar el ciclo de energía de los sistemas electrónicos. El acelerómetro ofrece un amplio conjunto de parámetros programables para configurar el perfil de movimiento deseado y, lo que es más importante, para activar y muestrear a ancho de banda completo. Esta capacidad es crucial para evitar el aliasing y las detecciones falsas. En modo de activación, el ADXL366 consume unos asombrosamente bajos 180 nA. Aprovechando esta característica, los sensores de alta potencia, radios y otros componentes pueden apagarse cuando no se necesiten, ampliando así la vida útil del nodo sensor.

Por último, el debate se centra en la integración de la detección inercial y el análisis de AI, con el objetivo de lograr el mantenimiento predictivo en la agricultura inteligente. A medida que las explotaciones agrícolas modernas aumentan de escala, dependen cada vez más de maquinaria de alta inversión de capital para la producción. Dichos equipos no solo deben funcionar con precisión, sino también soportar entornos hostiles y las intensas exigencias de las tareas agrícolas estacionales. La falla de los equipos durante la corta temporada de siembra o cosecha puede ocasionar pérdidas económicas significativas.
 
Por ejemplo, los equipos de precisión como las sembradoras o las cosechadoras a menudo deben operar en condiciones adversas como lluvia, viento, polvo, barro y fragmentos de roca . En estos entornos, los cambios en firmas de vibración clave pueden utilizarse para predecir con antelación problemas del equipo, lo que permite realizar mantenimiento durante periodos que afecten mínimamente los tiempos de producción de máxima demanda. El análisis de vibraciones mecánicas (similar al monitoreo de signos vitales en el ganado) puede identificar con precisión los modos de falla y el momento de aparición de diversos problemas en elementos mecánicos, como fallas de rodamientos, desalineación del eje, desequilibrio, holgura, fallas de engranajes y otros problemas. Considere un defecto en un rodamiento, como el desconchado o la desviación de una forma esférica ideal. Cada vez que este defecto entra en contacto con la superficie de la máquina, crea un impulso en la plataforma, lo que desencadena una respuesta vibratoria compleja que contiene tanto contenido fundamental como de banda ancha.
 
Por lo tanto, para lograr el mantenimiento predictivo, los acelerómetros deben cumplir tres criterios de rendimiento importantes: bajo ruido (para predicción temprana), gran ancho de banda (para detectar todo el contenido espectral y respaldar la clasificación de fallas) y un rango de medición suficientemente alto. Sin embargo, el último requisito a menudo se pasa por alto porque la magnitud de la aceleración es proporcional al cuadrado de la frecuencia (ω²). Si no se considera, el contenido espectral de alta frecuencia puede saturar el sensor. El nuevo acelerómetro digital triaxial ADXL382 de ADI en un encapsulado compacto cumple los tres requisitos. Este producto admite rangos de medición de ±15 g, ±30 g y ±60 g, ofrece un ancho de banda de 8 kHz y presenta un ruido ultrabajo de menos de 55 μg/√Hz.
 
El ADXL382 cuenta con un rendimiento de ruido líder en la industria, lo que permite aplicaciones de alta precisión con una calibración mínima. Sus características de bajo ruido y bajo consumo permiten la medición precisa de señales de audio o sonidos cardíacos incluso en entornos de alta vibración. Además, el ADXL382 permite un rendimiento real a nivel de sistema, incluido un sensor de temperatura de micropotencia integrado, detección de toque simple, doble o triple, y una máquina de estados para evitar activaciones falsas.

La automatización y el avance tecnológico en la agricultura son fuerzas clave para abordar desafíos globales críticos como la seguridad alimentaria, la escasez de mano de obra y la sostenibilidad ambiental. Al adoptar innovaciones como AI, la robótica y la agricultura de precisión, la producción agrícola puede mejorar la eficiencia, reducir costos y garantizar un futuro más sostenible para la producción de alimentos. Dentro del ecosistema de la tecnología agrícola, los sensores inerciales proporcionan capacidades de detección fundamentales y desempeñan un papel crucial. Sin embargo, se debe tener especial cuidado al seleccionar sensores para garantizar que su rendimiento y funcionalidad se alineen con la aplicación específica. Las soluciones relevantes ofrecidas por ADI acelerarán el desarrollo de la agricultura inteligente y se destacarán como una de las opciones óptimas para aplicaciones relacionadas.