【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 測試數(shù)據(jù) ........................................................................................................................... 17 6 結(jié)論 .....................................................................................................................................20 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................21 附錄 ...........................................................................................................................................22 致謝 ............................................................................................................ 錯誤 !未定義書簽。 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計成績評定表農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設(shè)計 1 1 前言 我國既是一個農(nóng)業(yè)大國同時在某種意義上來說也是人口大國，農(nóng)業(yè)不僅僅關(guān)系到國家安全及國計民生，而且在國民經(jīng)濟(jì)中也占有很舉足輕重的地位。目前，我國正面臨著人多地少、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，是我國農(nóng)業(yè)信息現(xiàn)代化的一個重要的組成部分。實施現(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，目前我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的大致趨向是在農(nóng)機(jī)機(jī)械在實現(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)械的運轉(zhuǎn)狀況。本文通過對三軸陀螺儀和三軸加速度計的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，進(jìn)行四元數(shù)算法的計算和 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 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)和無線網(wǎng)絡(luò)等對功耗和成本敏 感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計的。 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 個通用定時器、 1 個高級控制定時器、 7 個獨立的 DMA 通道、 1 個 USB 接口、 3 個 USART 接口、2 個 SPI 接口和 2 個 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)測設(shè)計 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。同時集成了許多標(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 8 位定時器， 1 個 16 位定時器， 3 個PWM 通道，一個實時時鐘 RTC， 8 個 8 通道 10 字節(jié)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，一個模擬比較器，同時它還具有一個片內(nèi)系統(tǒng)時鐘、 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)部時鐘，外部資源少。 考慮到此系統(tǒng)主控部分對數(shù)據(jù)處理算法的復(fù)雜度和實時性要求，需要對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、四元數(shù)運算和 kalman 濾波等復(fù)雜運算，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。對于系統(tǒng)的接收顯示部分，為了簡化外圍電路設(shè)計，則選用 ATmega16做主控芯片。 無線通信模塊方案 方案一：采用 GSM(Global System for Mobile)模塊進(jìn)行通信， GSM 模塊需要借助移動衛(wèi)星或者手機(jī)卡，雖說能夠遠(yuǎn)距離傳輸，但是其 成本較大，且需要內(nèi)置 SIM(Subscriber Identity Module)卡，通信過程中需要收費，后期成本較高。 方案二：采用 TI(德州儀器 )生產(chǎn)的 C2430 無線通信模塊，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。但是此模塊價格較貴，且Zigbee 協(xié)議相對較為復(fù)雜。 方案三：采用 nRF24L01 無線射頻模塊進(jìn)行通信， nRF24L01 是一款高速低功耗的無線通信芯片 ,由 NORDIC 公司生產(chǎn)。能傳輸上千米的距離 (加定向天線 )，而且價格較便宜，采用 SPI 總線通信模式電路簡單，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)的無線通信方案。 陀螺儀、加速度計傳感器方案 方案一：采用 ADIS16355 作為測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量傳感器，出廠前已經(jīng)對產(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。三軸陀螺和加速度計具有 14 位分辨率，陀螺的測量范圍可配置農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設(shè)計 3 為、加速度計的測量范圍為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 個角速率信號、 3 個線加速度計信號、 3 個溫度傳感器信號和電源電壓信號。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、 L3G4200 三軸陀螺儀和磁阻傳感器分別測量線加速度、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 )測量。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為 16 位二進(jìn)制補碼的形式，可通過 SPI(3 線或 4線 )或者 I2C 數(shù)字接口訪問。 ADXL345 可以在傾斜感測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以從運動或者振動中生成動態(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 SPI(3 線或 4 線 )或者 I2C 數(shù)字接口訪問，使用方便，成本低，外圍電路簡單。 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，附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動消磁驅(qū)動器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤精度控制在的 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及簡易的 I2C 系列總線接口。 使用 ADIS16355 則會使目標(biāo)板布電路圖困難，而且體積大，接口不方便使用。相比于同時使用 ADXL34 L3G4200 和 HMC5883 三種種傳感器，線路比較簡單，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)動器的帶字庫的 LCD12864 來顯示信息。 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，描點畫線，設(shè)計成比較理想的結(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，且價格便宜，容易控制。 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設(shè)計 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)實惠的字符液晶LCD1602 來作為接收端的顯示。 系統(tǒng)最終方案 發(fā)送端：由 ADXL345 三軸加速度計、 L3G4200 三軸陀螺儀傳感器和 HMC5883 磁阻傳感器采集目標(biāo) 載體的三個軸向的線加速度和角加速度數(shù)據(jù)以及磁場強度信息，經(jīng)STM32F103VCT6 主控處理數(shù)據(jù)后通過無線射頻模塊 nRF24L01 發(fā)送數(shù)據(jù)到接收端顯示。 接收端：由 nRF24L01 無線射頻模塊接收主控端發(fā)過來處理后的數(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 實時顯示目標(biāo)載體的偏航角、俯仰角和翻滾角。 電 源 模 塊電 源 模