Agricoltura smart: come i sensori IMU migliorano la precisione

L’agricoltura smart sta cambiando il modo in cui vengono gestite le coltivazioni, grazie a tecnologie capaci di rendere le operazioni nei campi sempre più precise. Tra queste ci sono le unità di misura inerziali (IMU), sensori che permettono a trattori, droni e macchinari agricoli di riconoscere i propri movimenti, mantenere la rotta e lavorare anche quando il segnale GPS non è affidabile.

Agricoltura smart: produrre più cibo utilizzando meno risorse

Entro il 2050 la popolazione mondiale potrebbe avvicinarsi ai 10 miliardi di persone, con una domanda alimentare destinata ad aumentare sensibilmente. Secondo le stime della FAO richiamate da Analog Devices, la produzione agricola dovrebbe crescere di quasi il 70% per soddisfare le esigenze della popolazione globale. Un obiettivo che si confronta con condizioni ambientali sempre più complesse, dalla riduzione dei terreni coltivabili alle difficoltà legate alla disponibilità di acqua.

A queste criticità si aggiungono l’impiego intensivo di fertilizzanti e diserbanti, il consumo di carburante e la progressiva carenza di manodopera, accentuata dall’allontanamento delle giovani generazioni dal settore agricolo. Aumentare la produzione, quindi, non significa necessariamente estendere le superfici coltivate, ma riuscire a sfruttare meglio quelle già disponibili.

È in questo contesto che trovano spazio i sistemi di agricoltura intelligente, nei quali sensori, intelligenza artificiale, robotica e Internet of Things vengono utilizzati per raccogliere informazioni e migliorare la gestione delle attività quotidiane. Le macchine possono seguire percorsi prestabiliti, riconoscere le condizioni delle colture e intervenire dove necessario, con l’obiettivo di limitare gli sprechi e contenere i costi operativi. Una parte di queste funzionalità dipende da componenti poco visibili, ma determinanti per il funzionamento dei sistemi automatizzati: i sensori inerziali.

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Come funzionano i sensori IMU nell’agricoltura di precisione

Le IMU, acronimo di Inertial Measurement Unit, sono dispositivi che misurano il movimento e l’orientamento di un oggetto attraverso accelerometri e giroscopi. I primi rilevano le accelerazioni, mentre i secondi misurano la velocità di rotazione lungo tre assi, permettendo di ricostruire le variazioni di assetto di un veicolo o di un macchinario.

Il loro funzionamento può essere paragonato a quello dell’orecchio interno umano, che contribuisce a mantenere l’equilibrio e a percepire i movimenti del corpo. In una macchina agricola, i dati forniti dall’IMU permettono al sistema di controllo di riconoscere inclinazioni, cambiamenti di direzione e oscillazioni, correggendo di conseguenza il movimento. Questa capacità assume particolare importanza nei trattori semi-autonomi e autonomi, che devono percorrere file di coltivazione seguendo traiettorie precise e ripetibili. Durante la semina, la lavorazione del terreno o l’irrorazione, anche piccoli errori di posizionamento possono compromettere l’uniformità delle operazioni.

Analog Devices, azienda attiva nello sviluppo di semiconduttori e tecnologie di rilevamento, applica a questo settore la propria esperienza nei sensori MEMS. Già nel 1991 aveva introdotto un accelerometro MEMS destinato al mercato di massa, utilizzato nei sistemi airbag automobilistici. Oggi la stessa famiglia di tecnologie trova applicazione nella navigazione dei macchinari agricoli e nei sistemi robotici.

Quando il GPS non basta: il ruolo delle IMU nei trattori autonomi

I moderni trattori per l’agricoltura di precisione utilizzano sistemi di navigazione satellitare GNSS, di cui il GPS è uno degli esempi più conosciuti. Attraverso antenne montate sui veicoli, questi sistemi possono raggiungere precisioni di posizionamento dell’ordine di pochi centimetri, necessarie per lavorare lungo percorsi definiti.

Il problema emerge quando il terreno non è perfettamente pianeggiante. Un trattore che attraversa una collina o procede su una superficie irregolare modifica continuamente la propria inclinazione. Poiché l’antenna satellitare si trova nella parte superiore della macchina, la posizione rilevata non corrisponde sempre a quella effettiva degli strumenti che operano sul terreno. Le IMU intervengono proprio su queste variazioni, fornendo informazioni sull’assetto del veicolo e consentendo al sistema di correggere il posizionamento degli attrezzi.

La loro utilità diventa ancora più evidente nei vigneti, nei frutteti e nelle aree vicine a strutture agricole. Le chiome degli alberi possono ostacolare la ricezione dei segnali satellitari, mentre fienili e silos possono creare zone d’ombra. In queste condizioni, i sensori inerziali continuano a rilevare il movimento e l’orientamento della macchina, contribuendo a mantenere la traiettoria durante le interruzioni del segnale.

La navigazione inerziale, tuttavia, non sostituisce completamente quella satellitare: le stime della posizione ottenute dai soli sensori inerziali possono accumulare errori nel tempo. Per questo, l’approccio sviluppato da Analog Devices combina le informazioni delle IMU con quelle del GNSS e dei sistemi di controllo di bordo, sfruttando le caratteristiche complementari delle diverse tecnologie.

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Agricoltura smart e sostenibilità: meno sprechi nei trattamenti

Uno degli impieghi più interessanti delle IMU riguarda la possibilità di intervenire sulle coltivazioni con maggiore precisione, evitando di distribuire fertilizzanti e prodotti fitosanitari in modo uniforme anche dove non sono necessari. Quando le macchine registrano la posizione dei semi durante la semina, le operazioni successive possono essere programmate sulla base delle stesse coordinate. La concimazione e i trattamenti possono così essere indirizzati verso aree specifiche, riducendo le sovrapposizioni e l’impiego eccessivo di sostanze chimiche.

Un esempio è rappresentato dall’irrorazione a dose variabile, nella quale telecamere e sensori analizzano le condizioni delle piante e individuano le zone che richiedono un intervento. Le informazioni vengono utilizzate dal software di controllo che, insieme ai dati GPS e IMU, regola il funzionamento degli ugelli mentre il macchinario procede lungo il campo. L’obiettivo è distribuire erbicidi, pesticidi o nutrienti nelle quantità necessarie, limitando i consumi e l’impatto ambientale. La maggiore accuratezza delle traiettorie può anche contribuire a ridurre i passaggi superflui dei mezzi agricoli, con possibili benefici sul consumo di carburante.

Si tratta di un approccio nel quale il contributo delle IMU non riguarda direttamente il riconoscimento delle colture, affidato ad altri sensori, ma la precisione con cui le macchine riescono a eseguire gli interventi programmati.

Droni agricoli e intelligenza artificiale per monitorare le coltivazioni

La stessa tecnologia viene utilizzata nei droni destinati all’agricoltura di precisione, sempre più impiegati per osservare lo stato dei campi e raccogliere informazioni difficili da ottenere attraverso i soli controlli a terra. Dotati di sensori a infrarossi e multispettrali, questi velivoli possono effettuare rilievi delle coltivazioni, individuare segnali di malattia nelle piante e monitorare le condizioni di irrigazione. L’analisi delle immagini attraverso sistemi di intelligenza artificiale permette poi di riconoscere anomalie e potenziali situazioni di stress, fornendo agli agricoltori indicazioni sulle aree che richiedono maggiore attenzione.

Per ottenere dati attendibili, tuttavia, è necessario che le immagini siano stabili e correttamente associate alla posizione in cui sono state acquisite. Le IMU contribuiscono a mantenere l’assetto del drone anche in presenza di vento, vibrazioni o segnali satellitari deboli.

Tra le soluzioni sviluppate da Analog Devices figura l’ADIS16607, un’unità di misura inerziale progettata per sistemi di precisione che operano in ambienti difficili. Il dispositivo supporta la navigazione con o senza GPS e può essere utilizzato nei sistemi di controllo del volo e nella stabilizzazione delle immagini acquisite da telecamere e radar. Particolare attenzione è stata dedicata alla resistenza alle vibrazioni, un aspetto importante per i velivoli di dimensioni contenute, nei quali le oscillazioni possono influire sia sulla navigazione sia sulla qualità delle rilevazioni.

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Dalla manutenzione predittiva al monitoraggio degli animali

Le applicazioni dei sensori inerziali non si limitano alla navigazione. Integrati con accelerometri e sistemi di intelligenza artificiale, possono essere impiegati anche per monitorare il funzionamento delle attrezzature agricole e individuare tempestivamente possibili guasti. Attraverso l’analisi delle vibrazioni, questi sistemi sono in grado di rilevare variazioni nel comportamento delle macchine che potrebbero indicare problemi ai cuscinetti, squilibri o allentamenti dei componenti. Le informazioni raccolte permettono di programmare gli interventi di manutenzione prima che un’anomalia provochi un fermo macchina, particolarmente problematico durante i periodi di semina e raccolta.

Un altro ambito di applicazione è quello degli allevamenti. Il rilevamento dei movimenti e dei comportamenti degli animali può aiutare gli allevatori a monitorare lo stato di salute delle mandrie e a individuare cambiamenti che meritano ulteriori controlli.

Resta centrale anche la capacità dei dispositivi di operare in condizioni ambientali difficili. Le attrezzature agricole sono esposte a urti, vibrazioni continue e notevoli variazioni di temperatura, fattori che possono compromettere l’affidabilità delle misurazioni. Per questo, la stabilità dei sensori e la loro capacità di mantenere prestazioni ripetibili sono requisiti determinanti per le applicazioni sul campo.

Le tecnologie inerziali trovano già impiego anche nella movimentazione automatizzata dei magazzini, nelle operazioni portuali e nei veicoli autonomi utilizzati in ambienti minerari privi di copertura GPS. Nell’agricoltura, però, il loro contributo assume un significato particolarmente concreto: permettere a macchine e sistemi automatizzati di lavorare con maggiore continuità e accuratezza.

La diffusione dell’agricoltura smart dipenderà anche dalla capacità di integrare queste tecnologie nelle attività quotidiane delle aziende agricole. La precisione dei sensori, da sola, non può risolvere le difficoltà legate alla produzione alimentare, ma può contribuire a rendere più efficiente l’impiego di terreni, acqua, fertilizzanti e macchinari, risorse sulle quali la pressione è destinata ad aumentare.