【正文】 的 STC89C52RC 單片機作為主控芯片。對于系統(tǒng)的接收顯示部分，為了簡化外圍電路設計，則選用 ATmega16做主控芯片。 方案三：采用 nRF24L01 無線射頻模塊進行通信， nRF24L01 是一款高速低功耗的無線通信芯片 ,由 NORDIC 公司生產(chǎn)。 ADIS16355 是ADI 公司推出的一款具有 40℃ ~85℃溫度范圍內(nèi)校準、 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行了全溫校準。 ADIS16355 的輸出零偏穩(wěn)定性為，溫度系數(shù)為，角度隨機游走為，適于精度要求較高的應用。 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。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為 16 位二進制補碼的形式，可通過 SPI(3 線或 4線 )或者 I2C 數(shù)字接口訪問。250dps、177。 使用 ADIS16355 則會使目標板布電路圖困難，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，描點畫線，設計成比較理想的結(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)濟實惠的字符液晶LCD1602 來作為接收端的顯示。 STM32F103VCT6 具有 100 個引腳的芯片，其功能比一般的 51 單片機強大，外部中斷通道可由客戶自主設置，使用方便，下載及調(diào)試程序的操作過程簡單容易，處理速度可達到 72MHz，可以運行較復雜的算法。 STM32F103VCT6最小系統(tǒng)電路如下圖 2 所示。 nRF24L01 無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 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 是意法半導體推出的三軸共用一個感應結(jié)構(gòu)的低功耗三軸陀螺儀，能同時檢測三條正交軸向運動。 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。對陀螺儀的操作步驟如下所示： ① 對 STM32F103VCT陀螺儀進行初始化，配置各個寄存器； ② 啟動 I2C 總線，數(shù)據(jù)讀取； ③ STM32F103VCT6 發(fā)出應答，讀數(shù)據(jù)有效； ④ 解析并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 8g, 177。敲擊檢測功能可以檢測任意方向的單振和雙振動作。其高分辨率，能夠測量不到的傾斜角度變化。當引腳 SDO 為高電平時，其 I2C 設備地址是 0x1D，進行寫操作時變?yōu)?0x3A，讀操作時變?yōu)?0x3B。 HMC5883 磁阻傳感器是應用特殊輔助電路來測量磁場。 C3GNDSCL1VDD2NC3S14NC5NC6NC7SETP8GND9C110GND11SETC123V313NC14DRDY15SDA16U5HMC5883SCL3V33V3 3V3SETPSETPSDADR_HMCSETC 圖 8 磁阻傳感器 HMC5883 電路圖 HMC5883工作特點 HMC5883 傳感器的測量模式可以使用連續(xù)測量模式，測量速率最快為 75Hz，也可以使用單側(cè)模式加中斷的方式進行，測量速率可達到 160Hz。 ATmega16 單片機模塊電路圖如圖 9 所示。 發(fā)送數(shù)據(jù)過程：通過 nRF24L01 將 kalman 濾波后的數(shù)據(jù)無線傳輸。它由 1個 實數(shù)單位和 3 個虛數(shù)單位 i,j,k 組成 (黃旭， 20xx；葉锃鋒， 20xx)。四階龍格 — 庫塔法可以用來求解四元數(shù)微分方程，具體過程如下 : 設 (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)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 15 預測方程：預測方程就是要由第 k1 時刻的狀態(tài)值來對 k 時刻的的狀態(tài)估計值進行預測。 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： (15) (16) 式中： I 為 1 的矩陣，對于單模型單測量， I=1； P(k|k1)是 X(k|k1)對應的協(xié)方差， P(k1|k1)是 X(k1|k1)對應的協(xié)方差；表示 A 的轉(zhuǎn)置矩陣； Q 是系統(tǒng)過程的協(xié)方差 (施聞明， 20xx)。將本機地址 (TX_ADDR)通過 SPI 接口寫入 nRF24L01，當 CSN 為低時數(shù)據(jù)被不斷寫入。 開 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 硬件的制作由萬用板、 PCB 板和電子元器件組成。特別注意電源的正負極以及電源之間是否有短路，并重點檢查地址總線、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線的短路。同樣，如果電壓過低就沒有能力驅(qū)動其負載。 硬件調(diào)試結(jié)果 首先調(diào)試陀螺儀和加速度計傳感器，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)試時先調(diào)試發(fā)送端，禁用自動應答功能，禁用自動重發(fā)功能，通過讀狀態(tài)寄存器，查看發(fā)送成功標志是否置位檢測是否發(fā)送成功。 圖 15 翻滾角 Rool 濾波前后對比圖 農(nóng)業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 19 偏航角 kalman 濾波效果如下圖 16 所示，含有圓點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。在測出的五個數(shù)據(jù)中，絕對誤差保持在的范圍內(nèi)，相對誤差則不是在一個小范圍內(nèi)，并且絕對誤差沒有隨著變量的規(guī)律變化而規(guī)律變化。 表 7 偏航角實驗數(shù)據(jù) 參考數(shù)據(jù) 測量數(shù)據(jù) 絕對誤差 相對誤差 6 結(jié)論 本次畢業(yè)設計收獲良多，完成了設計的要求，實現(xiàn)對姿態(tài)角的監(jiān)測，該系統(tǒng)能夠通過實時采集目標載體上的傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過四元數(shù)算法和濾波處理后得到所要的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，并用無線模塊發(fā)送給接收顯示模塊通過液晶 LCD1602 實姿態(tài)角。 農(nóng)業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 21 參 考 文 獻 馮智勇，曾瀚，張力等 . 基于陀螺儀及加速度計信號融合的姿態(tài)角度測量 [J]. 西南師范大學學報 (自然科學版 )， 20xx， 36(4)： 137141. 籍穎，劉兆祥，劉剛等 . 基于 Kalman 濾波農(nóng)用車輛導航定位方法 [J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，20xx,9(40)： 1317. 黃旭，王常虹，伊國興等 . 利用磁強計及微機械加速度計和陀螺的姿態(tài)估計擴展卡爾曼濾波器 [J]. 中國慣性技術(shù)學報， 20xx， 13(2)： 2734. 代剛，李枚，蘇偉等 . 自旋導彈捷聯(lián)式陀螺 /地磁姿態(tài)測量方法 [J]. 中國慣性技術(shù)學報，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 濾波器的實現(xiàn)研究 [J]. 自動化技術(shù)與應用， 20xx， 24(11)： 68. 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