【正文】 ............................................................... 12 發(fā)送端流程 .................................................................................................................. 12 中值濾波算法 .............................................................................................................. 13 四元數(shù)算法 .................................................................................................................. 14 kalman 濾波算法 ....................................................................................................... 14 接收端流程 .................................................................................................................. 16 5 硬件電路 ...............................................................................................................................16 硬件制作 ........................................................................................................................ 16 硬件調(diào)試 ........................................................................................................................ 16 硬件調(diào)試結(jié)果 ................................................................................................................ 17 測(cè)試數(shù)據(jù) ........................................................................................................................... 17 6 結(jié)論 .....................................................................................................................................20 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................21 附錄 ...........................................................................................................................................22 致謝 ............................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 1 1 前言 我國(guó)既是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)同時(shí)在某種意義上來(lái)說(shuō)也是人口大國(guó)，農(nóng)業(yè)不僅僅關(guān)系到國(guó)家安全及國(guó)計(jì)民生，而且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中也占有很舉足輕重的地位。目前，我國(guó)正面臨著人多地少、環(huán)境惡化、資源短缺、人增地減等現(xiàn)狀。人均耕地水平不能滿足人民日常生活需要，所以，如何在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中增加糧食的產(chǎn)量和提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的首要目標(biāo)，因此，農(nóng)業(yè)要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化就一定要走大農(nóng)業(yè)和機(jī)械化、智能化道路。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)科技技術(shù)也隨著科學(xué)技術(shù)的更新也已經(jīng)在全球發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生了以信息技術(shù)及生物技術(shù)為導(dǎo)向的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)” 技術(shù)就是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)的代表，是我國(guó)農(nóng)業(yè)信息現(xiàn)代化的一個(gè)重要的組成部分。實(shí)施現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)也就是利用現(xiàn)代化高科技技術(shù)到現(xiàn)在的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，目前我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的大致趨向是在農(nóng)機(jī)機(jī)械在實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的基礎(chǔ)之上，把各種高科技技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，例如全球衛(wèi)星定位技術(shù)、地理信息技術(shù)及 3D 遙感技術(shù)等，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化、科學(xué)化、智能化，能夠達(dá)到高效產(chǎn)出的效果，并且能夠保護(hù)生態(tài)環(huán)境進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最終的目標(biāo)。 農(nóng)業(yè)機(jī)械姿態(tài)角的檢測(cè)系統(tǒng)作為“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”技術(shù)的重要一部分，擔(dān)任著反饋橋梁的作用。為了能更好的農(nóng)業(yè)的 智能化，必須提高姿態(tài)角檢測(cè)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，以更好的得到反饋信息進(jìn)行精確控制農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。本文通過(guò)對(duì)三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，進(jìn)行四元數(shù)算法的計(jì)算和 kalman 濾波，得到穩(wěn)定的目標(biāo)載體姿態(tài)角的數(shù)據(jù)。 2 系統(tǒng)方案分析與選擇論證 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 主控芯片方案 方案一：采用 ST(STMicroelectronics)公司的 STM32F103VCT6 單片機(jī)作為主控芯片。ST 公司的 32 位 STM32 系列微控制器是專門為微控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等對(duì)功耗和成本敏 感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的。 STM32F103VCT6 是一款基于ARMv7 M 體系結(jié)構(gòu)的 32 位標(biāo)準(zhǔn)處理器，工作頻率高達(dá) 72 MHz，具有 3 個(gè)通用定時(shí)器、 1 個(gè)高級(jí)控制定時(shí)器、 7 個(gè)獨(dú)立的 DMA 通道、 1 個(gè) USB 接口、 3 個(gè) USART 接口、2 個(gè) SPI 接口和 2 個(gè) I 2C 接口。 STM32F103VCT6 的外圍電路僅需要外部晶振和少數(shù)電容，內(nèi)部自帶的 SW 接口便于調(diào)試和下載。 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 2 方案二： ATmega16 芯片是 ATmel公司一款 8 位微處理器。它的主頻高達(dá) 16MHz，片內(nèi)集成 16KB 的閃存存儲(chǔ)器 (Flash)、 512 字節(jié)的 EEPROM、 1K 的 SRAM，另外指令系統(tǒng)豐富， I/O 的控制和擴(kuò)展功能較強(qiáng)。同時(shí)集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊，具有 1 路異步串行通信 USART 接口， 1 路串行設(shè)備接口 (SPI)， 2 個(gè) 8 位定時(shí)器， 1 個(gè) 16 位定時(shí)器， 3 個(gè)PWM 通道，一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘 RTC， 8 個(gè) 8 通道 10 字節(jié)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，一個(gè)模擬比較器，同時(shí)它還具有一個(gè)片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘、 JTAG 接口、 ISP 接口、自編程 SPM。 方案三：采用宏晶科技有限公司的 STC89C52RC 單片機(jī)作為主控芯片。此芯片為51 類單片機(jī)，不帶內(nèi)部時(shí)鐘，外部資源少。 考慮到此系統(tǒng)主控部分對(duì)數(shù)據(jù)處理算法的復(fù)雜度和實(shí)時(shí)性要求，需要對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、四元數(shù)運(yùn)算和 kalman 濾波等復(fù)雜運(yùn)算，需要求主控芯片處理速率較快。從性能和要求上綜合考慮我們選擇方案一，即用 STM32F103VCT6 作為本系統(tǒng)的主控芯片。對(duì)于系統(tǒng)的接收顯示部分，為了簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)，則選用 ATmega16做主控芯片。 無(wú)線通信模塊方案 方案一：采用 GSM(Global System for Mobile)模塊進(jìn)行通信， GSM 模塊需要借助移動(dòng)衛(wèi)星或者手機(jī)卡，雖說(shuō)能夠遠(yuǎn)距離傳輸，但是其 成本較大，且需要內(nèi)置 SIM(Subscriber Identity Module)卡，通信過(guò)程中需要收費(fèi)，后期成本較高。 方案二：采用 TI(德州儀器 )生產(chǎn)的 C2430 無(wú)線通信模塊，此模塊采用 Zigbee 總線模式，傳輸速率可達(dá) 250kbps，且內(nèi)部集成高性能 8051 內(nèi)核。但是此模塊價(jià)格較貴，且Zigbee 協(xié)議相對(duì)較為復(fù)雜。 方案三：采用 nRF24L01 無(wú)線射頻模塊進(jìn)行通信， nRF24L01 是一款高速低功耗的無(wú)線通信芯片 ,由 NORDIC 公司生產(chǎn)。能傳輸上千米的距離 (加定向天線 )，而且價(jià)格較便宜，采用 SPI 總線通信模式電路簡(jiǎn)單，操作方便。 綜合考慮系統(tǒng)要求和成本等方面的因素，采用方案三作為本系統(tǒng)的無(wú)線通信方案。 陀螺儀、加速度計(jì)傳感器方案 方案一：采用 ADIS16355 作為測(cè)量線加速度和角加速度的傳感器。 ADIS16355 是ADI 公司推出的一款具有 40℃ ~85℃溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)、 SPI 接口輸出的六自由度慣性測(cè)量傳感器，出廠前已經(jīng)對(duì)產(chǎn)品的零偏和靈敏度進(jìn)行了全溫校準(zhǔn)。 ADIS16355 具有三軸陀螺和三軸加速度計(jì)。三軸陀螺和加速度計(jì)具有 14 位分辨率，陀螺的測(cè)量范圍可配置農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 3 為、加速度計(jì)的測(cè)量范圍為177。 10g，傳感器帶寬達(dá) 350 Hz。 ADIS16355 的輸出零偏穩(wěn)定性為，溫度系數(shù)為，角度隨機(jī)游走為，適于精度要求較高的應(yīng)用。傳感器內(nèi)部完成了信號(hào)的采集、校準(zhǔn)與濾波處理，具有自檢功能，還有 1 路 ADC 輸入、 1 路 DAC 輸出和 2 路數(shù)字 I/O。 SPI 接口能夠輸出 3 個(gè)角速率信號(hào)、 3 個(gè)線加速度計(jì)信號(hào)、 3 個(gè)溫度傳感器信號(hào)和電源電壓信號(hào)。但是其體積較大，成本高，接口類型等原因使用不方便。 方案二：采用 ADXL345 三軸加速度計(jì)、 L3G4200 三軸陀螺儀和磁阻傳感器分別測(cè)量線加速度、角加速度和磁阻值。 ADXL345 是 AD(IAnalog Devices, Inc.)公司于 20xx年發(fā)布的一款數(shù)字式三軸加速度計(jì)傳感器。 ADXL345 最大量程可以達(dá)到177。 16g，可以進(jìn)行高分辨率 (13 位 )測(cè)量。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為 16 位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式，可通過(guò) SPI(3 線或 4線 )或者 I2C 數(shù)字接口訪問(wèn)。 ADXL345 可以在傾斜感測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以從運(yùn)動(dòng)或者振動(dòng)中生成動(dòng)態(tài)加速度，其可工作在溫度范圍內(nèi)。它的高分辨率能夠分辨僅為的傾角變化。 L3G4200 為 ST 公司的三軸陀螺儀傳感器，可供用戶自主設(shè)定177。250dps、177。 500dps、177。 20xx dps 三種量程，工作在溫度范圍內(nèi)， 16 位數(shù)據(jù)的輸出，可通過(guò) SPI(3 線或 4 線 )或者 I2C 數(shù)字接口訪問(wèn)，使用方便，成本低，外圍電路簡(jiǎn)單。 MC5883 是霍尼韋爾的一種表面貼裝的帶有數(shù)字接口高集成模塊的弱磁傳感器芯片，采用霍尼韋爾各向異性磁阻 (AMR)技術(shù)，具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點(diǎn)，附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤精度控制在的 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及簡(jiǎn)易的 I2C 系列總線接口。 使用 ADIS16355 則會(huì)使目標(biāo)板布電路圖困難，而且體積大，接口不方便使用。相比于同時(shí)使用 ADXL34 L3G4200 和 HMC5883 三種種傳感器，線路比較簡(jiǎn)單，都可以用 I2C 通信進(jìn)行采集數(shù)據(jù)?？紤]到電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高，故選擇方案二，即用ADXL23 L3G4200 和 HMC5883 作為采集線加速度、角加速度和磁阻值的傳感器 (代剛， 20xx)。 顯示模塊方案 方案一：選擇主控為 ST7920 驅(qū)動(dòng)器的帶字庫(kù)的 LCD12864 來(lái)顯示信息。 LCD12864是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示常用的漢字及 ASCII 碼，而且能夠繪制圖片，描點(diǎn)畫線，設(shè)計(jì)成比較理想的結(jié)果，但成本較高。 方案二：采用字符液晶 LCD1602 顯示信息， LCD1602 是一款比較通用的字符液晶模塊，能顯示字符和數(shù)字等信息，且價(jià)格便宜，容易控制。 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 4 方案三：采用 LED7 段數(shù)碼顯示管顯示，其成本低，容易顯示控制，但不能顯示字符。顯示多點(diǎn)溫濕度信息需要多位，多位數(shù)碼管布線較多而且占板面積較大。 綜合以上方案，考慮到系統(tǒng)需要顯示的內(nèi)容比較少，選擇了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的字符液晶LCD1602 來(lái)作為接收端的顯示。 系統(tǒng)最終方案 發(fā)送端：由 ADXL345 三軸加速度計(jì)、 L3G4200 三軸陀螺儀傳感器和 HMC5883 磁阻傳感器采集目標(biāo) 載體的三個(gè)軸向的線加速度和角加速度數(shù)據(jù)以及磁場(chǎng)強(qiáng)度信息，經(jīng)STM32F103VCT6 主控處理數(shù)據(jù)后通過(guò)無(wú)線射頻模塊 nRF24L01 發(fā)送數(shù)據(jù)到接收端顯示。 接收端：由 nRF24L01 無(wú)線射頻模塊接收主控端發(fā)過(guò)來(lái)處理后的數(shù)據(jù)信息，經(jīng) SPI接口傳輸給 ATmega16 單片機(jī)，由 ATmega16 單片機(jī)控制液晶 LCD1602 實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)載體的偏航角、俯仰角和翻滾角。 電 源 模 塊電 源 模