La détection inertielle améliore la précision et la productivité dans l’agriculture intelligente

The ADIS16576 de ADI est une IMU MEMS qui représente une avancée majeure à la fois en matière d’intégration fonctionnelle et de performances des capteurs de base, avec des améliorations particulièrement notables de l’erreur de rectification des vibrations (VRE) : une amélioration de 10x pour le gyroscope et de 50x pour l’accéléromètre. La fonction fondamentale d’une IMU MEMS est de fournir une mesure triaxiale de la vitesse angulaire autour de trois axes mutuellement orthogonaux (roulis, tangage, lacet) et une mesure triaxiale de l’accélération linéaire le long de ces mêmes trois axes.
 
L’accéléromètre fournit une estimation de l’angle moyen (ou statique), tandis que les mesures intégrées du gyroscope fournissent le déplacement angulaire en temps réel. Le processeur système combine ces deux sources d’estimation d’angle afin de générer des informations de contrôle en retour fiables pour les systèmes de GNC ou de contrôle de pointage. En fonctionnant de cette manière, une VRE de l’accéléromètre de 1,3 mg sous 4 g de vibration signifie que la plateforme GNC peut maintenir un angle d’attitude meilleur que 0,1° sans assistance d’aucune autre fonction de mesure. Cela est particulièrement bénéfique pour les UAV, en particulier ceux dont les niveaux de vibration varient fortement avec la poussée.
 
Dans les gyroscopes, la VRE peut provoquer des changements rapides et persistants de la polarisation, entraînant une correction de mouvement erronée et, dans le pire des cas, une instabilité de la plateforme. Les dispositifs de génération précédente pouvaient présenter des réponses VRE dépassant 300°/h sous 8 g rms, tandis que l’ADIS16576 offre une réponse de 12°/h, réduisant considérablement la charge d’estimation/correction sur les autres modes de détection du système. L’une des améliorations fonctionnelles les plus importantes de cette IMU MEMS est sa synchronisation externe évolutive. En incorporant une fonction de mise à l’échelle d’horloge programmable par l’utilisateur, les développeurs système peuvent désormais piloter un échantillonnage des données IMU à 4000 Hz à l’aide de références plus lentes au niveau du système, telles que le GPS ou la synchronisation vidéo. Cela permet un couplage étroit avec Pulse Per Second (PPS) ou des références de détection de perception, tout en préservant les diverses options de traitement numérique offertes par des taux d’échantillonnage des données plus élevés.
 
Prenons comme exemple une plateforme de véhicule autonome ; elle peut utiliser une référence GPS de 20 Hz et un facteur d’échelle de 200x pour générer un taux d’échantillonnage interne de 4000 Hz. En outre, le système peut utiliser un filtre de décimation embarqué pour réduire le débit de données en sortie d’un facteur de 20x (à 200 Hz). Dans des scénarios plus dynamiques, tels qu’un drone d’inspection des cultures opérant par conditions venteuses, le processeur système peut avoir besoin de lire et de traiter les données au taux d’échantillonnage maximal afin de garantir la stabilité et la maniabilité.

Les capteurs inertiels jouent également un rôle essentiel dans les systèmes IoT, qui peuvent être utilisés pour la surveillance continue de la localisation des animaux et de leurs conditions physiologiques. Les réalisations typiques incluent des tags fixés à l’oreille, à la queue ou au corps, ou des colliers intelligents portés autour du cou. Ces tags aident non seulement à gérer la localisation du troupeau mais, plus important encore, fournissent en continu des données sur la santé animale telles que les niveaux d’activité, les heures d’alimentation et les rythmes respiratoires. De plus, les tags plus récents ont la capacité de suivre la fréquence cardiaque et d’autres signes vitaux. Les colliers portés au cou sont devenus des outils inestimables pour détecter l’œstrus, la rumination, la boiterie et d’autres conditions chez les bovins. L’une des exigences fondamentales de tels systèmes IoT est une faible consommation d’énergie, car l’entretien des batteries (rechargeables ou primaires) pour de grands troupeaux est une tâche fastidieuse et difficile.
 
L’ADXL366 d’ADI offre des avantages exceptionnels en matière de très faible consommation. Cet accéléromètre triaxial intègre une régulation de tension interne, ce qui lui permet d’être connecté directement à une batterie. Sa tension minimale de fonctionnement est de 1,1 V, et il peut fournir des données de mouvement à 100 Hz avec une consommation d’énergie d’environ 1 µW seulement. Ce niveau de consommation d’énergie est inférieur au taux d’autodécharge d’une pile bouton. Lorsqu’il est utilisé dans un collier porté au cou, cet accéléromètre peut basculer entre des modes faible consommation et faible bruit, en fournissant un signal minimum compris entre 3 mg et 8 mg rms, suffisant pour distinguer la mastication, la rumination et le rythme respiratoire (RR). L’ADXL380 offre une capacité améliorée de surveillance des signes vitaux, avec des niveaux de bruit en fonctionnement inférieurs de près de deux ordres de grandeur sur une bande passante de 4 kHz. Pour une comparaison à bande passante équivalente à 200 Hz, le bruit équivalent de cet accéléromètre est de 0,4 mg rms. Le rapport signal/bruit (SNR) élevé combiné à une large bande passante permet à cet accéléromètre triaxial de fonctionner comme un "stéthoscope", en collectant des informations de fréquence cardiaque via des ballistocardiogrammes ou en capturant divers bruits associés à la respiration, à la digestion et à d’autres fonctions physiologiques.
 
Une autre capacité essentielle des capteurs inertiels à très faible consommation consiste à prendre en charge la gestion de l’alimentation au niveau système pour les nœuds IoT. L’ADXL366 fournit un mode de réveil dédié pouvant émettre des interruptions en fonction des profils de mouvement détectés afin de gérer le cycle d’alimentation des systèmes électroniques. L’accéléromètre offre un ensemble riche de paramètres programmables pour configurer le profil de mouvement souhaité et, surtout, pour se réveiller et échantillonner à pleine bande passante. Cette capacité est cruciale pour éviter l’aliasing et les fausses détections. En mode de réveil, l’ADXL366 consomme un niveau incroyablement faible de 180 nA. En tirant parti de cette fonctionnalité, les capteurs à forte consommation, les radios et d’autres composants peuvent être mis hors tension lorsqu’ils ne sont pas nécessaires, prolongeant ainsi la durée de vie utile du nœud capteur.

Enfin, la discussion se tourne vers l’intégration de la détection inertielle et des analyses AI, visant à atteindre la maintenance prédictive dans l’agriculture intelligente. À mesure que les exploitations agricoles modernes s’agrandissent, elles s’appuient de plus en plus sur des machines à forte dépense d’investissement pour la production. De tels équipements doivent non seulement fonctionner avec précision, mais aussi résister aux environnements difficiles et aux exigences intensives des tâches agricoles saisonnières. Une panne d’équipement durant la courte saison de plantation ou de récolte peut entraîner des pertes économiques importantes.
 
Par exemple, les équipements de précision tels que les semoirs ou les moissonneuses doivent souvent fonctionner dans des conditions défavorables telles que la pluie, le vent, la poussière, la boue et des fragments de roche . Dans ces environnements, les variations des signatures vibratoires clés peuvent être utilisées pour prédire à l’avance les problèmes d’équipement, permettant ainsi d’effectuer la maintenance pendant des périodes qui ont un impact minimal sur les temps de production en forte demande. L’analyse des vibrations mécaniques (semblable à la surveillance des signes vitaux du bétail) peut identifier avec précision les modes de défaillance et le moment d’apparition de divers problèmes dans des éléments mécaniques, tels que les défauts de roulements, le désalignement d’axe, le déséquilibre, le jeu, les défauts d’engrenages et d’autres problèmes. Considérez un défaut de roulement, tel que l’écaillage ou l’écart par rapport à une forme sphérique idéale. Chaque fois que ce défaut entre en contact avec la surface de la machine, il crée une impulsion sur la plate-forme, déclenchant une réponse vibratoire complexe contenant à la fois des composantes fondamentales et à large bande.
 
Par conséquent, pour atteindre la maintenance prédictive, les accéléromètres doivent répondre à trois critères de performance importants : faible bruit (pour une prédiction précoce), large bande passante (pour détecter tous les contenus spectraux et prendre en charge la classification des défauts) et une plage de mesure suffisamment élevée. Cependant, la dernière exigence est souvent négligée, car la magnitude de l’accélération est proportionnelle au carré de la fréquence (ω²). Si cela n’est pas pris en compte, le contenu spectral à haute fréquence peut saturer le capteur. Le nouvel accéléromètre numérique triaxial ADXL382 d’ADI, dans un boîtier compact, répond aux trois exigences. Ce produit prend en charge des plages de mesure de ±15 g, ±30 g et ±60 g, offre une bande passante de 8 kHz et présente un bruit ultra-faible inférieur à 55 μg/√Hz.
 
L’ADXL382 affiche des performances de bruit à la pointe de l’industrie, permettant des applications de haute précision avec une calibration minimale. Ses caractéristiques de faible bruit et de faible consommation permettent une mesure précise de signaux audio ou de bruits cardiaques même dans des environnements à fortes vibrations. En outre, l’ADXL382 permet d’obtenir de véritables performances au niveau système, notamment un capteur de température à très faible consommation intégré, la détection d’un appui simple, double ou triple, et une machine d’états pour éviter les déclenchements intempestifs.

L’automatisation et les avancées technologiques dans l’agriculture sont des forces clés pour relever des défis mondiaux critiques tels que la sécurité alimentaire, les pénuries de main-d’œuvre et la durabilité environnementale. En adoptant des innovations comme AI, la robotique et l’agriculture de précision, la production agricole peut améliorer l’efficacité, réduire les coûts et garantir un avenir plus durable pour la production alimentaire. Au sein de l’écosystème des technologies agricoles, les capteurs inertiels fournissent des capacités de détection essentielles et jouent un rôle central. Toutefois, il convient d’accorder une attention particulière lors de la sélection des capteurs afin de s’assurer que leurs performances et leur fonctionnalité correspondent à l’application spécifique. Les solutions pertinentes proposées par ADI accéléreront le développement de l’agriculture intelligente et constitueront l’un des choix optimaux pour les applications connexes.