【正文】 的 STC89C52RC 單片機(jī)作為主控芯片。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。 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)。 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 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。 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。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)。250dps、177。 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。 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(huà)線，設(shè)計(jì)成比較理想的結(jié)果，但成本較高。 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。 STM32F103VCT6 具有 100 個(gè)引腳的芯片，其功能比一般的 51 單片機(jī)強(qiáng)大，外部中斷通道可由客戶自主設(shè)置，使用方便，下載及調(diào)試程序的操作過(guò)程簡(jiǎn)單容易，處理速度可達(dá)到 72MHz，可以運(yùn)行較復(fù)雜的算法。 STM32F103VCT6最小系統(tǒng)電路如下圖 2 所示。 nRF24L01 無(wú)線射頻模塊的電路原理圖如圖 3 所示。在掉電模式下電流損耗最小，同時(shí) nRF24L01 也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。 表 1 nRF24L01 模塊引腳功能 管腳 功能 CE 工作模式， TX 或者 RX 模式選擇 CSN SPI 片選使能，低電平有效 SCK SPI 時(shí)鐘 MOSI SPI 數(shù)據(jù)輸入 MISO SPI 數(shù)據(jù)輸出 IRQ 中斷輸出 VDD 電源 輸入 GND 接地 寄存器配置 SPI口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為 10 Mb/s，傳輸時(shí)先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。 12P6104C610uFC7Vout21Vin3LM1117GND104C810uFC9104C10104C11GND3V3 圖 5 電源電路圖 陀螺儀傳感器 L3G4200三軸陀螺儀 L3G4200D 是意法半導(dǎo)體推出的三軸共用一個(gè)感應(yīng)結(jié)構(gòu)的低功耗三軸陀螺儀，能同時(shí)檢測(cè)三條正交軸向運(yùn)動(dòng)。 20xxdps，可外接低通和高通濾波器，輸出數(shù)據(jù)為 16 位，不易受溫度變化的影響，支持 I2C、 SPI 總線協(xié)議通信。500/177。本方案采用 I2C 串口通信，L3G4200D 的從屬地址 (SAD)是 110100xb。對(duì)陀螺儀的操作步驟如下所示： ① 對(duì) STM32F103VCT陀螺儀進(jìn)行初始化，配置各個(gè)寄存器； ② 啟動(dòng) I2C 總線，數(shù)據(jù)讀取； ③ STM32F103VCT6 發(fā)出應(yīng)答，讀數(shù)據(jù)有效； ④ 解析并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 8g, 177。敲擊檢測(cè)功能可以檢測(cè)任意方向的單振和雙振動(dòng)作。其高分辨率，能夠測(cè)量不到的傾斜角度變化。當(dāng)引腳 SDO 為高電平時(shí)，其 I2C 設(shè)備地址是 0x1D，進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)變?yōu)?0x3A，讀操作時(shí)變?yōu)?0x3B。 HMC5883 磁阻傳感器是應(yīng)用特殊輔助電路來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。 C3GNDSCL1VDD2NC3S14NC5NC6NC7SETP8GND9C110GND11SETC123V313NC14DRDY15SDA16U5HMC5883SCL3V33V3 3V3SETPSETPSDADR_HMCSETC 圖 8 磁阻傳感器 HMC5883 電路圖 HMC5883工作特點(diǎn) HMC5883 傳感器的測(cè)量模式可以使用連續(xù)測(cè)量模式，測(cè)量速率最快為 75Hz，也可以使用單側(cè)模式加中斷的方式進(jìn)行，測(cè)量速率可達(dá)到 160Hz。 ATmega16 單片機(jī)模塊電路圖如圖 9 所示。 發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程：通過(guò) nRF24L01 將 kalman 濾波后的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。它由 1個(gè) 實(shí)數(shù)單位和 3 個(gè)虛數(shù)單位 i,j,k 組成 (黃旭， 20xx；葉锃鋒， 20xx)。四階龍格 — 庫(kù)塔法可以用來(lái)求解四元數(shù)微分方程，具體過(guò)程如下 : 設(shè) (3) (4) (5) (6) 則 上式中， T 為更新周期， q(t)為初始四元數(shù)， q(t+T)為更新后的四元數(shù)。 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 15 預(yù)測(cè)方程：預(yù)測(cè)方程就是要由第 k1 時(shí)刻的狀態(tài)值來(lái)對(duì) k 時(shí)刻的的狀態(tài)估計(jì)值進(jìn)行預(yù)測(cè)。 增益方程：增益方程是用于更新卡爾曼增益 Kg， P 表示 X(k|k1)的協(xié)方差，則有： (14) 濾波誤差協(xié)方差的推導(dǎo)： (15) (16) 式中： I 為 1 的矩陣，對(duì)于單模型單測(cè)量， I=1； P(k|k1)是 X(k|k1)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差， P(k1|k1)是 X(k1|k1)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差；表示 A 的轉(zhuǎn)置矩陣； Q 是系統(tǒng)過(guò)程的協(xié)方差 (施聞明， 20xx)。將本機(jī)地址 (TX_ADDR)通過(guò) SPI 接口寫(xiě)入 nRF24L01，當(dāng) CSN 為低時(shí)數(shù)據(jù)被不斷寫(xiě)入。 開(kāi) 始初 始 化 N R F 2 0 L 0 1 和L C D 1 6 0 2 顯 示 模 塊n R F 2 4 L 0 1 是 否 收 到 數(shù) 據(jù) ？L C D 1 6 0 2 顯 示 數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù) 處 理否是 圖 13 接收端程序流程圖 5 硬件電路 硬件制作 硬件的制作由萬(wàn)用板、 PCB 板和電子元器件組成。特別注意電源的正負(fù)極以及電源之間是否有短路，并重點(diǎn)檢查地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線是否存在相互間的短路或其他信號(hào)線的短路。同樣，如果電壓過(guò)低就沒(méi)有能力驅(qū)動(dòng)其負(fù)載。 硬件調(diào)試結(jié)果 首先調(diào)試陀螺儀和加速度計(jì)傳感器，使其能輸出數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)用 Usart 串口發(fā)到電腦串口調(diào)試助手軟件上顯示數(shù)據(jù)。主要觀察液晶顯示屏是否能正常顯示。調(diào)試時(shí)先調(diào)試發(fā)送端，禁用自動(dòng)應(yīng)答功能，禁用自動(dòng)重發(fā)功能，通過(guò)讀狀態(tài)寄存器，查看發(fā)送成功標(biāo)志是否置位檢測(cè)是否發(fā)送成功。 圖 15 翻滾角 Rool 濾波前后對(duì)比圖 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 19 偏航角 kalman 濾波效果如下圖 16 所示，含有圓點(diǎn)的曲線為濾波前的數(shù)據(jù)曲線，線寬粗的曲線為 kalman 濾波后的數(shù)據(jù)曲線。在測(cè)出的五個(gè)數(shù)據(jù)中，絕對(duì)誤差保持在的范圍內(nèi)，相對(duì)誤差則不是在一個(gè)小范圍內(nèi)，并且絕對(duì)誤差沒(méi)有隨著變量的規(guī)律變化而規(guī)律變化。 表 7 偏航角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 參考數(shù)據(jù) 測(cè)量數(shù)據(jù) 絕對(duì)誤差 相對(duì)誤差 6 結(jié)論 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)收獲良多，完成了設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)姿態(tài)角的監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)能夠通過(guò)實(shí)時(shí)采集目標(biāo)載體上的傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)四元數(shù)算法和濾波處理后得到所要的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，并用無(wú)線模塊發(fā)送給接收顯示模塊通過(guò)液晶 LCD1602 實(shí)姿態(tài)角。 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 21 參 考 文 獻(xiàn) 馮智勇，曾瀚，張力等 . 基于陀螺儀及加速度計(jì)信號(hào)融合的姿態(tài)角度測(cè)量 [J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 )， 20xx， 36(4)： 137141. 籍穎，劉兆祥，劉剛等 . 基于 Kalman 濾波農(nóng)用車輛導(dǎo)航定位方法 [J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，20xx,9(40)： 1317. 黃旭，王常虹，伊國(guó)興等 . 利用磁強(qiáng)計(jì)及微機(jī)械加速度計(jì)和陀螺的姿態(tài)估計(jì)擴(kuò)展卡爾曼濾波器 [J]. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)， 20xx， 13(2)： 2734. 代剛，李枚，蘇偉等 . 自旋導(dǎo)彈捷聯(lián)式陀螺 /地磁姿態(tài)測(cè)量方法 [J]. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，20xx， 18(6)： 702705. 施聞明，徐彬，陳利敏 . 捷聯(lián)式航姿系統(tǒng)中四元素算法 Kalman 濾波器的實(shí)現(xiàn)研究 [J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用， 20xx， 24(11)： 68. SORG H. From Sensor to Drapertwo centuries of gyroscopic development[J]. Navigation,23(4):19761977. 陶成林，雷必成，楊揚(yáng)戩 . 基于 STM32 的跌倒防護(hù)裝置研究 [J]. 電子設(shè)計(jì)工程， 20xx，20(22)： 6368. 吳軍，鮑其蓮 . 高精度捷聯(lián)慣導(dǎo)姿態(tài)更新優(yōu)化算法研究 [J]. 電子測(cè)量技術(shù)， 20xx， 2(33)：4952. 葉锃鋒，馮恩信 . 基于四元數(shù)和卡爾曼濾波的兩輪車姿態(tài)穩(wěn)定方法 [J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，20xx， 25(4)： 524528. 袁西，陳棟，田湘等 . 三軸數(shù)字加速度計(jì) ADXL345 及其在捷聯(lián)慣導(dǎo)中的應(yīng)用 [J]. 電子設(shè)計(jì)工程， 20xx， 18(3)： 138140. 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 22 附 錄 STM32F103VCT6 主控模塊原理圖 BOOT094NC73NRST14OSC_IN12OSC_OUT13PA0WKUP23PA124PA225PA326PA429PA530PA631PA732PA867PA968PA1069PA1170PA1271PA13/JTMS/SWDIO72PA14/JTCK/SWCLK76PA15/JTDI77PB035PB136PB2/BOOT137PB3/JTDO89PB4/JNTRST90PB591PB692PB793PB895PB996PB1047PB1148PB1251PB1352PB1453PB1554PC015PC116PC217PC318PC433PC534PC663PC764PC865PC966PC1078PC1179PC1280PC13TAMPERRTC7PC14OSC32_IN8PC15OSC32_OUT9PD081PD182PD283PD384PD485PD586PD687PD788PD855PD956PD1057PD1158PD1259PD1360PD1461PD1562PE097PE198PE21PE32PE43PE54PE65PE738PE839PE940PE1041PE1142PE1243PE1344PE1445PE1546VDD_150VDD_275VDD_3100VDD_428VDD_511VDDA22VREF20VREF+21VSS_149VSS_274VSS_399VSS_427VSS_510VSSA19VBAT6U110pfC310pfC5128MGND10kR110kR4GND1234PA0PA1PA2PA3SPI1_MISOSPI1_MOSISPI1_SCKSPI1_NSSPA8PA9PA10PA11PA12SWCLKSWDIOPA15PB0PB1INT0DRDYPB5PB6PB7SCLSDAPB10PB11PB12PB13PB14PB15NRST3V33V33V33V33V33V3PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7PC8PC9PC10PC11PC12PC13PD0PD1INT1INT2PD4PD5PD6PD7PD8PD9PD10PD11PD12