【正文】 表 5 俯仰角實驗數(shù)據(jù) 參考數(shù)據(jù) 測量數(shù)據(jù) 絕對誤差 相對誤差 如表 6 翻滾角實驗數(shù)據(jù)所示，翻滾角是指繞著前進方向 X 軸翻轉。同時，移動進行四元素陀螺儀和加速度計模塊，觀察數(shù)據(jù)是否變化正確。將通道 0、 5 設置為接收模式來接收應答信號，并且允許自動應答，自動重發(fā) 10 次，間隔為。其形式為： (1) 四元數(shù)可以表示旋轉，它的標量部分表示旋轉角度的大小，矢量部分表示轉軸的方向。通過施加供電電源，傳感器可以將量測軸方向上的任何入射磁場轉變成一種差分電壓輸出。 16g)，可通過 SPI(3 線或 4 線 )或 I2C 通信接口輸出 16 位二進制補碼格式的數(shù)字數(shù)據(jù)，其可工作在溫度范圍內。 陀螺儀電路圖 圖 6 所示為陀螺儀電路圖，表 3 所示為 L3G4200 各引腳功能。 P7++CE1CSN2SCK3MOSI4MISO5IRQ6VDD7VSS8XC29XC110VDD_PA11ANT112ANT213VSS14VDD15IREF16VSS17VDD18DVDD19VSS20NRF24L011 216MY11MR122pFC122pFC2C3C415pFC515pFC612nHL1L2L310nFC91nFC833nFC722KR2E1CECSNSCKMOSIMISOIRO 圖 3 nRF24L01 模塊電路原理圖 接口電路 nRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于 GHz～ GHz ISM(Industrial Scientific Medical)頻段。 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。 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。 無線通信模塊方案 方案一：采用 GSM(Global System for Mobile)模塊進行通信， GSM 模塊需要借助移動衛(wèi)星或者手機卡，雖說能夠遠距離傳輸，但是其 成本較大，且需要內置 SIM(Subscriber Identity Module)卡，通信過程中需要收費，后期成本較高。實施現(xiàn)代化農業(yè)也就是利用現(xiàn)代化高科技技術到現(xiàn)在的傳統(tǒng)農業(yè)生產中，目前我國現(xiàn)代化農業(yè)的大致趨向是在農機機械在實現(xiàn)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(xiàn)農業(yè)生產現(xiàn)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(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最終的目標。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(shù)。 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。 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。 ADXL345 最大量程可以達到177。 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(shù)碼顯示管顯示，其成本低，容易顯示控制，但不能顯示字符。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。 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。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(shù)據(jù) /SPI串行數(shù)據(jù)輸入 /3wire串行接口數(shù)據(jù)輸出 4 SDO/SA0 SPI串行數(shù)據(jù)輸出 /I2C設備最低位有效 5 CS 模式選擇： ； 6 DRDY 數(shù)據(jù)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)。 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。應用四元數(shù)時要進行歸一化，即使它的模值為 1。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(shù)據(jù)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。數(shù)據(jù)輸出正確后，則將采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上，用 SerialChart 軟件進行波形顯示對比。在抽取五個測量數(shù)據(jù)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。在測出的五個數(shù)據(jù)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)律變化而規(guī)律變化。 硬件調試結果 首先調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)到電腦串口調試助手軟件上顯示數(shù)據(jù)。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。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)。 HMC5883 磁阻傳感器是應用特殊輔助電路來測量磁場。 8g, 177。 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。 nRF24L01 無線射頻模塊的電路原理圖如圖 3 所示。 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果，但成本較高。 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。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。伴隨著科學技術的發(fā)展，農業(yè)科技技術也隨著科學技術的更新也已經在全球發(fā)展，進而產生了以信息技術及生物技術為導向的現(xiàn)代化農業(yè)，“精準農業(yè)” 技術就是現(xiàn)代化農業(yè)技術的代表，是我國農業(yè)信息現(xiàn)代化的一個重要的組成部分。在工業(yè)、農業(yè)和軍事等各個領域中，都需要用姿態(tài)角反饋目標載體的運動狀況。為了能更好的農業(yè)的 智能化，必須提高姿態(tài)角檢測的穩(wěn)定性和準確性，以更好的得到反饋信息進行精確控制農業(yè)機械的運轉狀況。但是此模塊價格較貴，且Zigbee 協(xié)議相對較為復雜。 16g，可以進行高分辨率 (13 位 )測量。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。通過配置寄存器可將 nRF241L01 配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式。250/177?；顒雍头腔顒訖z測功能通過比較任意軸上的加速度與用戶設置的閾值來檢測有無運動發(fā)生。圖 8 中 SETP 接置位 /復位正一電容； Cl 接存儲電容； SETC 接電容； DRDY為數(shù)據(jù)連接與中斷引腳。 四元數(shù)微分方程為： (2) 四元數(shù)微分方程 (馮智勇， 20xx)可以實現(xiàn)四元數(shù)的更新，其中，是陀螺儀測得的角速度。 接收端程序流程如圖 13 所示。 其次調試液晶顯示，方便觀看其他各項調試結果。 農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 20 表 6 翻滾角實驗數(shù)據(jù) 參考數(shù)據(jù) 測量數(shù)據(jù) 絕對誤差 相對誤差 如表 7 偏航角實驗數(shù)據(jù)所示，測量的數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)絕對誤差較大，隨著偏轉角度越大，絕對誤差就變大，相對誤差同時變大。 如表 5 俯仰角實驗數(shù)據(jù)所示，測量數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)有一定的誤差。還有 USB 電源供電電壓不足的問題，電源電壓經過供電給負載，電壓下降 ，致使單片機 工作不正常的問題。單片機控制引腳 CE為低，使 nRF24L01 進入待機模式。 連續(xù)輸出M個數(shù)值對M個數(shù)值進行排序 選取中間的數(shù)值? ? 圖 11 中值濾波流程圖 農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 14 四元數(shù)算法 四元數(shù)是由愛爾蘭數(shù)學家哈密頓首先提出來的數(shù)學概念。最大輸出速率可達 160Hz，提供一 I2C 接口與主機通信。 4g, 177。 250dps 到177。通信速度可以達到 2Mb/s。 顯示模塊方案 方案一：選擇主控為 ST7920 驅動器的帶字庫的 LCD12864 來顯示信息。但是其體積較大，成本高，接口類型等原因使用不方便。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。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)代農業(yè)生產中增加糧食的產量和提高農機作業(yè)效率成為當前農業(yè)生產的首要目標，因此，農業(yè)要實現(xiàn)現(xiàn)代化就一定要走大農業(yè)和機械化、智能化道路。隨著當今科學技術的高速發(fā)展，高新技術在現(xiàn)代化農業(yè)中應用越加廣泛，農業(yè)現(xiàn)代化需要以智能化的技術作支撐。本文通過對三軸陀螺儀和三軸加速度計的數(shù)據(jù)進行采集和處理，進行四元數(shù)算法的計算和 kalman 濾波，得到穩(wěn)定的目標載體姿態(tài)角的數(shù)據(jù)。 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。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。 綜合以上方案，考慮到系統(tǒng)需要顯示的內容比較少，選擇了經濟實惠的字符液晶LCD1602 來作為接收端的顯示。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。500/177。敲擊檢測功能可以檢測任意方向的單振和雙振動作。 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，也可以使用單側模式加中斷的方式進行，測量速率可達到 160Hz。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)。 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