【正文】 本設(shè)計(jì)雖完成基本功能，且包含有無線傳輸功能擴(kuò)展。 圖 16 偏航角 kalman 濾波前后對(duì)比圖 以上三個(gè)濾波效果圖表明： kalman 算法能緩沖突變的數(shù)據(jù)，在一定程度上能減少毛刺，濾波效果明顯，不足之處是濾波不夠干凈，有時(shí)間上的延遲。剛上電的時(shí) 候，液晶顯示器上顯示空白，通過改變顯示內(nèi)容和位置都都不能正常顯示，然后經(jīng)過排查，發(fā)現(xiàn)問題在于液晶顯示器的對(duì)比度沒調(diào)節(jié)正確。 在斷電的情況下，除單片機(jī)以外，用仿真插頭將所連接電路與單片機(jī)仿真器的仿真接口相連，為軟件調(diào)試做好準(zhǔn)備。 硬件的制作流程。 卡爾曼濾波的算法流程如下圖 12 所示。 K1 是時(shí)間段 T 開始時(shí)的斜率， K2 是時(shí)間段中點(diǎn)的斜率， K3 也是中點(diǎn)的斜率， K4是時(shí)間段終點(diǎn)的斜率。 發(fā)送端程序流程圖如下圖 10 所示 開始使能設(shè)備時(shí)鐘RC初始化NRF20LIC3G4和ADX345定時(shí)器是否到10ms？讀取L3G420數(shù)據(jù)讀取45數(shù)據(jù)讀取HMC58數(shù)據(jù)對(duì)ADXL345數(shù)據(jù)中值濾波四元數(shù)運(yùn)算Kalmn濾波NRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)是 圖 10 發(fā)送端程序流程圖 中值濾波算法 對(duì)按照時(shí)間輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，假設(shè)為對(duì)象為 M 個(gè)數(shù)據(jù)，則每輸出 M 個(gè)數(shù)據(jù)則選出該 M 個(gè)數(shù)據(jù)中的中間值作為該時(shí)段的代表值。選擇測(cè)量模式為連續(xù)測(cè)量模式，采用 I2C 總線連接，測(cè)量速率取 75Hz。如果其他設(shè)備連接到同樣的 I2C 總線上， 這些設(shè)備上的可控電壓不得超過 VDDI/ V。自由落體檢測(cè)功能可以檢測(cè)器件是否正在掉落。 加速度計(jì)傳感器 ADXL345三軸加速度計(jì) ADXL345 是一款小而薄的超低功耗 3 軸加速度計(jì)傳感器，分辨率高 (13 位 )，可供用戶選擇四種測(cè)量范圍 (177。20xxdps)供用戶選擇。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)消除了軸與軸之間的干擾，可以使輸出信號(hào)避免受干擾信號(hào)的影響。nRF24L01 功耗低，在以 6dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有 9mA；接收時(shí)，工作電流只有 ，多種低功率工作模式 (掉電模式和空閑模式 )使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。 BOOT094NC73NRST14OSC_IN12OSC_OUT13PA0WKUP23PA124PA225PA326PA429PA530PA631PA732PA867PA968PA1069PA1170PA1271PA13/JTMS/SWDIO72PA14/JTCK/SWCLK76PA15/JTDI77PB035PB136PB2/BOOT137PB3/JTDO89PB4/JNTRST90PB591PB692PB793PB895PB996PB1047PB1148PB1251PB1352PB1453PB1554PC015PC116PC217PC318PC433PC534PC663PC764PC865PC966PC1078PC1179PC1280PC13TAMPERRTC7PC14OSC32_IN8PC15OSC32_OUT9PD081PD182PD283PD384PD485PD586PD687PD788PD855PD956PD1057PD1158PD1259PD1360PD1461PD1562PE097PE198PE21PE32PE43PE54PE65PE738PE839PE940PE1041PE1142PE1243PE1344PE1445PE1546VDD_150VDD_275VDD_3100VDD_428VDD_511VDDA22VREF20VREF+21VSS_149VSS_274VSS_399VSS_427VSS_510VSSA19VBAT6U110pfC310pfC5128MGND10kR110kR4GND1234PA0PA1PA2PA3SPI1_NSSSPI1_SCKSPI1_MISOSPI1_MOSIPA8PA9PA10PA11PA12SWDIOSWCLKPA15PB0PB1INT0DRDYPB5PB6PB7SCLSDAPB10PB11PB12PB13PB14PB15SWDIOSWCLKPC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7PC8PC9PC10PC11PC12PC13PD0PD1INT2INT1PD4PD5PD6PD7PD8PD9PD10PD11PD12PD13PD14PD15PE0PE1PE2PE3PE4PE5PE6PE7PE8PE9PE10PE11PE12PE13PE14PE15NRST3V33V3GNDGNDGNDGNDGNDGNDGND3V33V33V33V33V3 圖 2 STM32F103VCT6 系統(tǒng)電路 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 6 nRF24L01 無線模塊 無線模塊原理圖 nRF24L01(陶成林， 20xx)芯片是由 NORDIC 公司生產(chǎn)一款無線通信芯片，采用 FSK調(diào)制方式，內(nèi)部集成有 NORDIC 的 Enhanced Short Burst 協(xié)議。 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)后通過無線射頻模塊 nRF24L01 發(fā)送數(shù)據(jù)到接收端顯示。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)。 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)。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。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。此芯片為51 類單片機(jī)，不帶內(nèi)部時(shí)鐘，外部資源少。 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。 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 我國既是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國同時(shí)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(jì)民生，而且在國民經(jīng)濟(jì)中也占有很舉足輕重的地位。而在實(shí)現(xiàn)智能化過程中，需要對(duì)檢測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋以進(jìn)行控制。因此，采集姿態(tài)角的數(shù)據(jù)以反饋目標(biāo)載體運(yùn)動(dòng)狀況在智能化設(shè)備中尤為重要。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。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(duì)功耗和成本敏 感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的。 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。 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。 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)。它的高分辨率能夠分辨僅為的傾角變化?？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)。 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(shí)時(shí)顯示目標(biāo)載體的偏航角、俯仰角和翻滾角?？梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線通信。圖 4所示為 STM32F103VCT6 與 nRF24L01 的連接電路圖。 L3G4200D 量程可設(shè)定在177。它包括一個(gè)傳感元件和一個(gè) I2C 接口，能夠檢測(cè)芯片的角速度，通 I2C 或者 SPI 兩種通信方式輸出 16位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。 2g, 177。這些功能可以獨(dú)立映射到兩個(gè)中斷輸出引腳中的一個(gè)。 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(nèi)置自檢功能，能工作在寬電壓范圍，能測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和大小，其測(cè)量范圍從 mgauss 到 8gauss。 HMC5883 有 12 個(gè)寄存器，其中使用到農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 12 的有 3 個(gè)可讀 /寫的配置寄存器 (CRA、 CRB、 CRM)， 6 個(gè)只讀的數(shù)據(jù)寄存器 (XMSB、XLSB、 YMSB、 YLSB、 ZMSB、 ZLSB)。中值濾波流程圖如下圖 11 所示。姿態(tài)矩陣可以用四元數(shù)描述為： (7) 其中 T 可以簡(jiǎn)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。 開 始預(yù) 計(jì) X ( k | k 1 )預(yù) 估 計(jì) 協(xié) 方 差 P 、 Q計(jì) 算 卡 爾 曼 增 益 K g進(jìn) 行 卡 爾 曼 濾 波更 新 X ( k | k 1 ) 和 協(xié) 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(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 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。首先在 Altium Designer 軟件中畫好原理圖和 PCB 板的布線圖，然后轉(zhuǎn)換成 reg 格式，發(fā)給印刷公司定制 PCB 板；根據(jù)已經(jīng)畫好的 PCB 布線圖，在萬用板上焊出自己所設(shè)計(jì)的電路。 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(diào)試的失敗。經(jīng)過改變變阻器阻值大小調(diào)節(jié)液晶屏幕的對(duì)比度，液晶顯示正常。 通過四元數(shù)算法所得到俯仰角、翻滾角和偏航角的測(cè)量數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)做對(duì)比。但是還有許多可以改進(jìn)的地方，如可以采用 ARM9 處理器，在 Linux 嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上，通過 TFT 建立三維圖像動(dòng)態(tài)顯示目標(biāo)載體的狀態(tài)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像化，會(huì)更形象更容易懂。 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)能夠通過實(shí)時(shí)采集目標(biāo)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(shí)姿態(tài)角。 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。主要觀察液晶顯示屏是否能正常顯示。同樣，如果電壓過低就沒有能力驅(qū)動(dòng)其負(fù)載。 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。 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