Il rilevamento inerziale aumenta precisione e produttività nell'agricoltura intelligente
Con la continua crescita della popolazione globale, l’agricoltura intelligente moderna sta adottando attivamente l’innovazione tecnologica e l’automazione per garantire l’approvvigionamento alimentare in condizioni sostenibili. I sensori inerziali svolgono un ruolo fondamentale in diversi scenari applicativi. Le unità di misura inerziale di precisione forniscono navigazione e controllo della stabilità per il numero crescente di robot in agricoltura, inclusi trattori a guida autonoma, robot per la raccolta, droni e altro ancora. Inoltre, i sensori inerziali a banda larga possono essere utilizzati per la manutenzione predittiva di tutti questi macchinari complessi. In aggiunta, i sensori inerziali consentono diverse modalità di rilevamento edge, come il tracciamento degli animali, il rilevamento del calore negli animali da latte e il monitoraggio dei segni vitali. Questo articolo presenta le tendenze nell’agricoltura intelligente e le soluzioni correlate offerte da ADI.
AI, machine learning, robotica e IoT rendono l'agricoltura intelligente più conveniente in termini di costi
Si prevede che la popolazione mondiale si avvicini a 10 miliardi entro il 2050, richiedendo un aumento del 70% della produzione alimentare globale per soddisfare l’innalzamento degli standard di vita. Tuttavia, il mercato agricolo affronta sfide senza precedenti. In molte nazioni sviluppate e in via di sviluppo, la forza lavoro agricola continua a diminuire. Le generazioni più giovani si allontanano dall’agricoltura tradizionale, con conseguente aumento dei costi del lavoro. Il cambiamento climatico aggrava queste sfide: modelli meteorologici imprevedibili, деградаzione del suolo e scarsità d’acqua rappresentano gravi minacce per gli agricoltori di tutto il mondo. Le aziende agroalimentari devono aumentare le rese, ridurre gli sprechi e ottimizzare i costi per soddisfare la domanda e rimanere competitive. Qui i progressi tecnologici forniscono un supporto cruciale. L’ascesa di Artificial Intelligence (AI), Machine Learning (ML), robotica e Internet of Things (IoT) ha reso l’automazione nell’agricoltura intelligente più realizzabile ed economicamente conveniente. Oggi, gli agricoltori possono utilizzare analisi basate sui dati per migliorare il processo decisionale.
L’introduzione di sistemi automatizzati come la raccolta robotizzata e il monitoraggio assistito da droni ha reso le operazioni agricole più rapide ed efficienti, riducendo la dipendenza dal lavoro manuale. Le tecniche di agricoltura di precisione migliorano la salute del suolo, l’accuratezza della semina e la crescita delle colture, aumentando la resa per acro. I sistemi intelligenti di irrigazione e fertilizzazione riducono efficacemente gli sprechi di acqua e fertilizzanti, ottenendo risparmi sui costi e conservazione delle risorse.
Nell’ambito dell’agricoltura intelligente, i sensori inerziali svolgono molteplici funzioni critiche. In primo luogo, i sensori inerziali forniscono dati in tempo reale su accelerazione, orientamento e posizione, migliorando così l’efficienza operativa dei veicoli agricoli autonomi e semi-autonomi. Con l’ausilio del GPS, le Inertial Measurement Units (IMUs) sono ampiamente utilizzate per la navigazione di veicoli terrestri e aerei come trattori, robot e droni, nonché per il monitoraggio del loro assetto e di altri stati inerziali. Ciò consente a questi veicoli di seguire con precisione percorsi predeterminati per la semina, la lavorazione del terreno e l’irrorazione, riducendo efficacemente i costi e promuovendo uno sviluppo agricolo sostenibile. In secondo luogo, nella gestione del bestiame, i sensori inerziali possono tracciare il movimento e il comportamento degli animali, consentendo agli agricoltori di monitorare la salute della mandria e rilevare anomalie nei modelli di attività. Infine, l’integrazione dei sensori inerziali con AI rafforza ulteriormente le capacità di manutenzione predittiva delle attrezzature agricole, riducendo efficacemente i tempi di inattività e i costi di manutenzione.
I progressi nella tecnologia Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) hanno portato a prestazioni migliorate, rendendo le IMUs MEMS componenti chiave per piattaforme scalabili di veicoli autonomi (AV). Le IMUs MEMS sono tipicamente utilizzate come elementi di rilevamento in retroazione nei sistemi di controllo del movimento, con applicazioni comuni che includono Guidance Navigation Control (GNC) nei veicoli autonomi e il controllo di puntamento per attrezzature intelligenti (come irroratrici, seminatrici, benne, lame). Quando impiegate come elemento di rilevamento in retroazione, le prestazioni delle IMUs MEMS influiscono direttamente sull’accuratezza del sistema.
ADIS16576 sistema di riferimento inerziale
Le unità di misura inerziale MEMS migliorano la stabilità e la manovrabilità del sistema
L'ADIS16576 di Analog Devices (ADI) è una IMU MEMS che rappresenta un importante passo avanti sia nell'integrazione funzionale sia nelle prestazioni dei sensori fondamentali, con miglioramenti particolarmente significativi nell'Errore di Rettificazione delle Vibrazioni (VRE): un miglioramento di 10 volte per il giroscopio e di 50 volte per l'accelerometro. La funzione principale di una IMU MEMS consiste nel fornire il rilevamento triassiale della velocità angolare attorno a tre assi reciprocamente ortogonali (rollio, beccheggio e imbardata) e il rilevamento triassiale dell'accelerazione lineare lungo gli stessi tre assi.
L'accelerometro fornisce una stima dell'angolo medio (o statico), mentre le misurazioni integrate del giroscopio forniscono lo spostamento angolare in tempo reale. Il processore di sistema combina queste due fonti di stima dell'angolo per generare informazioni di retroazione affidabili per sistemi di controllo GNC (Guidance, Navigation and Control) o per sistemi di controllo del puntamento. Operando in questo modo, un VRE dell'accelerometro pari a 1,3 mg in presenza di una vibrazione di 4 g consente alla piattaforma GNC di mantenere un angolo di assetto migliore di 0,1° senza l'assistenza di altre funzioni di rilevamento. Questo è particolarmente vantaggioso per gli UAV, soprattutto per quelli i cui livelli di vibrazione variano significativamente in funzione della spinta.
Nei giroscopi, il VRE può causare variazioni rapide e persistenti del bias, portando a correzioni errate del movimento e, nel peggiore dei casi, all'instabilità della piattaforma. I dispositivi della generazione precedente potevano presentare risposte VRE superiori a 300°/h con vibrazioni di 8 g rms, mentre l'ADIS16576 offre una risposta di soli 12°/h, riducendo in modo significativo il carico di stima e correzione sugli altri sistemi di rilevamento. Uno dei più importanti miglioramenti funzionali di questa IMU MEMS è la sincronizzazione esterna scalabile. Grazie all'integrazione di una funzione di scalatura del clock programmabile dall'utente, gli sviluppatori possono ora pilotare il campionamento dati della IMU a 4000 Hz utilizzando riferimenti di sistema più lenti, come il GPS o la sincronizzazione video. Ciò consente una stretta integrazione con riferimenti Pulse Per Second (PPS) o con riferimenti derivati dai sistemi di percezione, preservando al contempo le varie opzioni di elaborazione digitale rese possibili da frequenze di campionamento più elevate.
Prendendo come esempio una piattaforma per veicoli autonomi, essa può utilizzare un riferimento GPS a 20 Hz e un fattore di scala pari a 200 per generare una frequenza di campionamento interna di 4000 Hz. Inoltre, il sistema può impiegare un filtro di decimazione integrato per ridurre la frequenza di uscita dei dati di un fattore 20 (fino a 200 Hz). In scenari più dinamici, come un drone per l'ispezione delle colture che opera in condizioni di vento, il processore di sistema può invece dover leggere ed elaborare i dati alla massima frequenza di campionamento per garantire stabilità e manovrabilità.
ADXL366 configurato come interruttore di movimento in un sistema IoT
I sensori inerziali svolgono un ruolo chiave nei sistemi IoT
I sensori inerziali svolgono inoltre un ruolo fondamentale nei sistemi IoT, che possono essere utilizzati per il monitoraggio continuo della posizione degli animali e delle condizioni fisiologiche. Le tipiche realizzazioni includono tag fissati all’orecchio, alla coda o al corpo, oppure collari intelligenti indossati intorno al collo. Questi tag non solo aiutano a gestire la posizione della mandria ma, cosa più importante, forniscono in modo continuo dati sulla salute degli animali quali livelli di attività, orari di alimentazione e frequenze respiratorie. Inoltre, i tag più recenti hanno la capacità di monitorare la frequenza cardiaca e altri segni vitali. I collari indossati al collo sono diventati strumenti di valore inestimabile per rilevare estro, ruminazione, zoppia e altre condizioni nei bovini. Uno dei requisiti principali per tali sistemi IoT è il basso consumo energetico, poiché la gestione delle batterie (ricaricabili o primarie) per grandi mandrie è un compito faticoso e impegnativo.
ADXL366 di ADI offre vantaggi eccezionali in termini di bassissimo consumo. Questo accelerometro triassiale integra una regolazione interna della tensione, che consente di collegarlo direttamente a una batteria. La sua tensione minima di funzionamento è 1,1 V e può fornire dati di movimento a 100 Hz con un consumo di potenza di solo circa 1 µW. Questo livello di consumo energetico è inferiore al tasso di autoscarica di una batteria a bottone. Quando viene utilizzato in un collare indossato al collo, questo accelerometro può commutare tra modalità a basso consumo e a basso rumore, fornendo un segnale minimo compreso tra 3 mg e 8 mg rms, sufficiente a distinguere masticazione, ruminazione e frequenza respiratoria (RR). ADXL380 offre una capacità di monitoraggio dei segni vitali migliorata, con livelli di rumore operativo quasi due ordini di grandezza inferiori su una larghezza di banda di 4 kHz. Per un confronto a larghezza di banda equivalente a 200 Hz, il rumore equivalente per questo accelerometro è 0,4 mg rms. L’elevato rapporto Segnale/Rumore (SNR) combinato con l’ampia larghezza di banda consente a questo accelerometro triassiale di funzionare come uno "stetoscopio", raccogliendo informazioni sulla frequenza cardiaca tramite ballistocardiogrammi o acquisendo vari rumori associati a respirazione, digestione e ad altre funzioni fisiologiche.
Un’altra capacità fondamentale dei sensori inerziali a bassissimo consumo è il supporto alla gestione dell’alimentazione a livello di sistema per i nodi IoT. ADXL366 mette a disposizione una modalità di wake-up dedicata che può generare interrupt in base ai profili di movimento rilevati per gestire il ciclo di alimentazione dei sistemi elettronici. L’accelerometro offre un ricco set di parametri programmabili per configurare il profilo di movimento desiderato e, cosa più importante, per attivare il wake-up e campionare alla massima larghezza di banda. Questa capacità è cruciale per evitare aliasing e rilevamenti errati. In modalità di wake-up, ADXL366 consuma un valore sorprendentemente basso di 180 nA. Sfruttando questa funzionalità, sensori ad alta potenza, radio e altri componenti possono essere disalimentati quando non necessari, estendendo così la vita utile del nodo sensore.
Il rilevamento inerziale integrato e l'analisi AI consentono la manutenzione predittiva nell'agricoltura intelligente
Infine, la discussione si concentra sull’integrazione del rilevamento inerziale e delle analitiche AI, finalizzata a ottenere la manutenzione predittiva nell’agricoltura intelligente. Man mano che le aziende agricole moderne aumentano di scala, si affidano sempre più a macchinari ad alto investimento di capitale per la produzione. Tali apparecchiature devono non solo operare con precisione, ma anche resistere ad ambienti ostili e alle intense esigenze delle attività agricole stagionali. Un guasto delle apparecchiature durante la breve stagione di semina o di raccolta può portare a perdite economiche significative.
Ad esempio, apparecchiature di precisione come seminatrici o mietitrebbiatrici devono spesso operare in condizioni avverse come pioggia, vento, polvere, fango e frammenti di roccia. In questi ambienti, le variazioni nelle principali firme vibrazionali possono essere utilizzate per prevedere in anticipo i problemi delle apparecchiature, consentendo la manutenzione in periodi che incidono minimamente sui tempi di produzione di picco. L’analisi delle vibrazioni meccaniche (simile al monitoraggio dei segni vitali nel bestiame) può identificare con precisione le modalità di guasto e le tempistiche di vari problemi negli elementi meccanici, come guasti ai cuscinetti, disallineamento dell’assale, squilibrio, allentamento, guasti agli ingranaggi e altri problemi. Si consideri un difetto del cuscinetto, come lo spalling o la deviazione da una forma sferica ideale. Ogni volta che questo difetto entra in contatto con la superficie della macchina, crea un impulso sulla piattaforma, innescando una risposta vibratoria complessa contenente sia componenti fondamentali sia a banda larga.
Pertanto, per ottenere la manutenzione predittiva, gli accelerometri devono soddisfare tre importanti criteri prestazionali: basso rumore (per una previsione precoce), ampia larghezza di banda (per rilevare tutti i contenuti spettrali e supportare la classificazione dei guasti) e un intervallo di misura sufficientemente elevato. Tuttavia, l’ultimo requisito viene spesso trascurato perché la grandezza dell’accelerazione è proporzionale al quadrato della frequenza (ω²). Se non considerato, il contenuto spettrale ad alta frequenza può mandare in saturazione il sensore. Il nuovo accelerometro digitale triassiale ADXL382 di ADI in un package compatto soddisfa tutti e tre i requisiti. Questo prodotto supporta intervalli di misura di ±15 g, ±30 g e ±60 g, offre una larghezza di banda di 8 kHz e presenta un rumore ultra-basso inferiore a 55 μg/√Hz.
L’ADXL382 vanta prestazioni di rumore ai vertici del settore, consentendo applicazioni ad alta precisione con una calibrazione minima. Le sue caratteristiche di basso rumore e basso consumo permettono la misurazione accurata di segnali audio o suoni cardiaci anche in ambienti ad alta vibrazione. Inoltre, l’ADXL382 consente vere prestazioni a livello di sistema, includendo un sensore di temperatura integrato a micropotenza, il rilevamento di tocchi singoli, doppi o tripli e una macchina a stati per prevenire attivazioni false.
Conclusione
L'automazione e il progresso tecnologico in agricoltura sono forze chiave per affrontare sfide globali critiche quali la sicurezza alimentare, la carenza di manodopera e la sostenibilità ambientale. Adottando innovazioni come AI, la robotica e l'agricoltura di precisione, la produzione agricola può migliorare l'efficienza, ridurre i costi e garantire un futuro più sostenibile per la produzione alimentare. All'interno dell'ecosistema delle tecnologie agricole, i sensori inerziali forniscono capacità di rilevamento fondamentali e svolgono un ruolo cruciale. Tuttavia, nella selezione dei sensori occorre prestare un'attenta considerazione per garantire che prestazioni e funzionalità siano in linea con l'applicazione specifica. Le soluzioni pertinenti offerte da ADI accelereranno lo sviluppo dell'agricoltura intelligente e si affermeranno come una delle scelte ottimali per le applicazioni correlate.
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