【正文】 PD13PD14PD15PE0PE1PE2PE3PE4PE5PE6PE7PE8PE9PE10PE11PE12PE13PE14PE15GNDSWCLKSWDIO3V3GND1 23 45 67 8P5GNDSPI1_MISOSPI1_MOSISPI1_NSSSPI1_SCKPC4PC53V3 農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 23 SCL SDA3V33V3SETPSETC3V3C3SETPGNDSCL1VDD2NC3S14NC5NC6NC7SETP8GND9C110GND11SETC123V313NC14DRDY15SDA16U5HMC5883DR_HMC D110KR83V3GND VDD1GND2RESERVED3GND4GND5Vs6CS7INT18INT29NC10RESERVED11SDO/ALT ADDRESS12SDA/SDI/SDIO13SCL/SCLK14U2ADXL345GNDGND3V33V3C4GND3V3R2R3SCLSDAINT1INT2 12P6Header 2104C610uFC7Vout2 1Vin3U3LM1117GND104C810uFC93V3104C10104C11GND Vdd_IO1SCL_SPC2SDA/SDI/SDO3SDO/SA04CS5DRDY/INT26INT7RES8RES9RES10RES11RES12GND13PLLFILT14RES15Vdd16U4L3G42003V3GND3V33V310nFC13470nFC1210KR910uFC15100nfC14SCLSDADRDYINT0 1234567891011121314151617P11234
。但是還有許多可以改進的地方，如可以采用 ARM9 處理器，在 Linux 嵌入式系統(tǒng)平臺上，通過 TFT 建立三維圖像動態(tài)顯示目標載體的狀態(tài)，將數據進行圖像化，會更形象更容易懂。在抽取五個測量數據中，絕對誤差保持在的范圍內，相對誤差則不是在一個小范圍內，并且絕對誤差沒有隨著變量的規(guī)律變化和絕對誤差的變化而規(guī)律變化。 通過四元數算法所得到俯仰角、翻滾角和偏航角的測量數據與參考數據做對比。 測試數據 通過 Usart串口將 kalman 濾波前和濾波后的歐拉角發(fā)送到電腦上的 SerialChart軟件上畫圖表示，通過將數據做出圖表，如下圖 14 俯仰角 (Pitch)濾波前后對比圖所示，含有圓點的曲線為俯仰角還沒經過 kalman 濾波的數據曲線，線寬粗的曲線表示 kalman 濾農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 18 波后的數據曲線。經過改變變阻器阻值大小調節(jié)液晶屏幕的對比度，液晶顯示正常。數據輸出正確后，則將采集的數據進行四元素算法的轉換，每計算一次則轉換成歐拉角， Kalman 濾波后，通過 Usart 串口將未濾波前和濾波后的歐拉角數據發(fā)送到電腦上，用 SerialChart 軟件進行波形顯示對比。 其中遇到的問題很多，如印制電路線不合格，中間有些許短路，造成調試的失敗。在本系統(tǒng)中我們都進行了仔細的檢查，所以此步驟不會發(fā) 生故障，這一步如果檢查不細通電后可能會造成不可想象的后果，所以這一步也至關重要。首先在 Altium Designer 軟件中畫好原理圖和 PCB 板的布線圖，然后轉換成 reg 格式，發(fā)給印刷公司定制 PCB 板；根據已經畫好的 PCB 布線圖，在萬用板上焊出自己所設計的電路。各通道接收地址(RX_ADDR_P0~RX_ADDR_P5)與發(fā)送端地址 (TX_ADDR)相同 (其中通道 25 只需設置低 8 位地址，高 32 位地址與通道 1 相同，無需設置 )，各通道接收數據長度設置為 4 個字節(jié)，各通道工作頻率設為 (收發(fā)保持一致 )，各通道發(fā)射速率為 1Mb/s。 開 始預 計 X ( k | k 1 )預 估 計 協 方 差 P 、 Q計 算 卡 爾 曼 增 益 K g進 行 卡 爾 曼 濾 波更 新 X ( k | k 1 ) 和 協 方 差X ( k | k 1 ) = X ( k | k )P ( k | k 1 ) = p ( k | k ) 圖 12 kalman 濾波算法流程圖 農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 16 接收端流程 初始化液晶顯示 1602 和無線模塊 nRF24L01：初始化液晶顯示 LCD1602。 濾波方程：濾波方程的目的就是利用第 k1 時刻的狀態(tài)估計值、第 k 時刻的觀測值和第 k 時刻的增益值，來估計第 k 時刻的狀態(tài)值 (籍穎， 20xx)。姿態(tài)矩陣可以用四元數描述為： (7) 其中 T 可以簡化表示為： (8) 從姿態(tài)矩陣中可以得到姿態(tài)角： (9) (10) (11) 上式 中，為俯仰角，為偏航角，為翻橫滾角。應用四元數時要進行歸一化，即使它的模值為 1。中值濾波流程圖如下圖 11 所示。 農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 13 讀取數據過程：在定時器中對傳感器 ADXL345 和 L3G4200 進行定時采集數據，并對采集的數據進行中值濾波，濾波后的數據和定時的時間代入主程序中的四元數算法進行計算，得出四個元素值和轉換為歐拉角。 HMC5883 有 12 個寄存器，其中使用到農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 12 的有 3 個可讀 /寫的配置寄存器 (CRA、 CRB、 CRM)， 6 個只讀的數據寄存器 (XMSB、XLSB、 YMSB、 YLSB、 ZMSB、 ZLSB)。 HMC5883電路圖 如下圖 8 所示為磁阻傳感器 HMC5883 的電路圖，與 STM32F103VCT6 通過 I2C 接口連接。 磁阻傳感器 HMC5883磁阻傳感器 HMC5883 是一款霍尼韋爾公司的低電壓低功耗三軸磁阻傳感器，其內置自檢功能，能工作在寬電壓范圍，能測量地球磁場的方向和大小，其測量范圍從 mgauss 到 8gauss。表 4 所示為 ADXL345 各引腳 功能描述。這些功能可以獨立映射到兩個中斷輸出引腳中的一個。該器件提供多種管腳 名稱 功能 1 VDD 供電 3－ 2 SCL/SPC I2C串行時鐘 /SPI串行時鐘 3 SDA/SDI/SDO I2C串行數據 /SPI串行數據輸入 /3wire串行接口數據輸出 4 SDO/SA0 SPI串行數據輸出 /I2C設備最低位有效 5 CS 模式選擇： ； 6 DRDY 數據就緒 7 詮釋 可編程中斷 8~12 保留 連接到 GND 13 GND 接地 14 PLLFILT 鎖相環(huán)環(huán)路濾波器 15 保留 連接到 VDD 16 VDD 電源 表 3 L3G4200 各引腳功能 農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 10 特殊檢測功能 (袁西， 20xx)。 2g, 177。如果 SDO 引腳連接到高電平， LSB 的地址 1101001xb 中的是，即為地址 1101001b。它包括一個傳感元件和一個 I2C 接口，能夠檢測芯片的角速度，通 I2C 或者 SPI 兩種通信方式輸出 16位數字數據。 Vdd_IO1SCL_SPC2SDA/SDI/SDO3SDO/SA04CS5DRDY/INT26INT7RES8RES9RES10RES11RES12GND13PLLFILT14RES15Vdd16U4L3G42003V3GND3V33V310nFC13470nFC1210KR910uFC15100nfC14SCLSDAINT0DRDY 圖 6 陀螺儀電路圖 農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 9 L3G4200陀螺儀工作特點 L3G4200 可提供三個不同的量程 (177。 L3G4200D 量程可設定在177。 nRF24L01 的配置寄存器共有 25 個，常用的配置寄存器如表 2 所示。圖 4所示為 STM32F103VCT6 與 nRF24L01 的連接電路圖。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型 ShockBurst 技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。可以實現點對點的無線通信。時鐘電路由兩個 22pF 電容和一個 晶振構成，為定時器提供穩(wěn)定的外部時鐘。 接收端：由 nRF24L01 無線射頻模塊接收主控端發(fā)過來處理后的數據信息，經 SPI接口傳輸給 ATmega16 單片機，由 ATmega16 單片機控制液晶 LCD1602 實時顯示目標載體的偏航角、俯仰角和翻滾角。 農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 4 方案三：采用 LED7 段數碼顯示管顯示，其成本低，容易顯示控制，但不能顯示字符?？紤]到電路的設計復雜、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)。 20xx dps 三種量程，工作在溫度范圍內， 16 位數據的輸出，可通過 SPI(3 線或 4 線 )或者 I2C 數字接口訪問，使用方便，成本低，外圍電路簡單。它的高分辨率能夠分辨僅為的傾角變化。 ADXL345 最大量程可以達到177。 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。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業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 3 為、加速度計的測量范圍為177。 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。 方案二：采用 TI(德州儀器 )生產的 C2430 無線通信模塊，此模塊采用 Zigbee 總線模式，傳輸速率可達 250kbps，且內部集成高性能 8051 內核。 考慮到此系統(tǒng)主控部分對數據處理算法的復雜度和實時性要求，需要對傳感器采集的數據進行數字濾波、四元數運算和 kalman 濾波等復雜運算，需要求主控芯片處理速率較快。它的主頻高達 16MHz，片內集成 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 的控制和擴展功能較強。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)和無線網絡等對功耗和成本敏 感的嵌入式應用領域而設計的。 農業(yè)機械姿態(tài)角的檢測系統(tǒng)作為“精準農業(yè)”技術的重要一部分，擔任著反饋橋梁的作用。目前，我國正面臨著人多地少、環(huán)境惡化、資源短缺、人增地減等現狀。 通過實驗測試分析，結果表明，采用 ADXL34 L3G4200 和 HMC5883 的三者的數據融合處理后得出的數據絕對誤差小于 10%。因此，采集姿態(tài)角的數據以反饋目標載體運動狀況在智能化設備中尤為重要。農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 本科畢業(yè)設計 農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 摘 要 姿態(tài)角是一個非常重要的參數。而在實現智能化過程中，需要對檢測目標的運動狀況進行實時反饋以進行控制。通過 nRF24L01 無線發(fā)送接收模塊，可以實現姿態(tài)角的實時檢測的功能。 華南農業(yè)大學本科生畢業(yè)設計成績評定表農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 1 1 前言 我國既是一個農業(yè)大國同時在某種意義上來說也是人口大國，農業(yè)不僅僅關系到國家安全及國計民生，而且在國民經濟中也占有很舉足輕重的地位。實施現代化農業(yè)也就是利用現代化高科技技術到現在的傳統(tǒng)農業(yè)生產中，目前我國現代化農業(yè)的大致趨向是在農機機械在實現機械化的基礎之上，把各種高科技技術應用到農業(yè)生產中，例如全球衛(wèi)星定位技術、地理信息技術及 3D 遙感技術等，最終實現農業(yè)生產現代化、科學化、智能化，能夠達到高效產出的效果，并且能夠保護生態(tài)環(huán)境進而實現農業(yè)