【正文】 表 5 俯仰角實(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 如表 6 翻滾角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，翻滾角是指繞著前進(jìn)方向 X 軸翻轉(zhuǎn)。同時(shí)，移動(dòng)進(jìn)行四元素陀螺儀和加速度計(jì)模塊，觀察數(shù)據(jù)是否變化正確。將通道 0、 5 設(shè)置為接收模式來(lái)接收應(yīng)答信號(hào)，并且允許自動(dòng)應(yīng)答，自動(dòng)重發(fā) 10 次，間隔為。其形式為： (1) 四元數(shù)可以表示旋轉(zhuǎn)，它的標(biāo)量部分表示旋轉(zhuǎn)角度的大小，矢量部分表示轉(zhuǎn)軸的方向。通過(guò)施加供電電源，傳感器可以將量測(cè)軸方向上的任何入射磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變成一種差分電壓輸出。 16g)，可通過(guò) SPI(3 線或 4 線 )或 I2C 通信接口輸出 16 位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，其可工作在溫度范圍內(nèi)。 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(jià)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(jì)傳感器。 無(wú)線通信模塊方案 方案一：采用 GSM(Global System for Mobile)模塊進(jìn)行通信， GSM 模塊需要借助移動(dòng)衛(wèi)星或者手機(jī)卡，雖說(shuō)能夠遠(yuǎn)距離傳輸，但是其 成本較大，且需要內(nèi)置 SIM(Subscriber Identity Module)卡，通信過(guò)程中需要收費(fèi)，后期成本較高。實(shí)施現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)也就是利用現(xiàn)代化高科技技術(shù)到現(xiàn)在的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，目前我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的大致趨向是在農(nóng)機(jī)機(jī)械在實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的基礎(chǔ)之上，把各種高科技技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，例如全球衛(wèi)星定位技術(shù)、地理信息技術(shù)及 3D 遙感技術(shù)等，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化、科學(xué)化、智能化，能夠達(dá)到高效產(chǎn)出的效果，并且能夠保護(hù)生態(tài)環(huán)境進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最終的目標(biāo)。農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 摘 要 姿態(tài)角是一個(gè)非常重要的參數(shù)。 農(nóng)業(yè)機(jī)械姿態(tài)角的檢測(cè)系統(tǒng)作為“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”技術(shù)的重要一部分，擔(dān)任著反饋橋梁的作用。 方案二：采用 TI(德州儀器 )生產(chǎn)的 C2430 無(wú)線通信模塊，此模塊采用 Zigbee 總線模式，傳輸速率可達(dá) 250kbps，且內(nèi)部集成高性能 8051 內(nèi)核。 ADXL345 最大量程可以達(dá)到177。 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 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(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型 ShockBurst 技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。 Vdd_IO1SCL_SPC2SDA/SDI/SDO3SDO/SA04CS5DRDY/INT26INT7RES8RES9RES10RES11RES12GND13PLLFILT14RES15Vdd16U4L3G42003V3GND3V33V310nFC13470nFC1210KR910uFC15100nfC14SCLSDAINT0DRDY 圖 6 陀螺儀電路圖 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 9 L3G4200陀螺儀工作特點(diǎn) L3G4200 可提供三個(gè)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(shí)鐘 /SPI串行時(shí)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(shè)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(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 10 特殊檢測(cè)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(guò) I2C 接口連接。應(yīng)用四元數(shù)時(shí)要進(jìn)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(shè)置低 8 位地址，高 32 位地址與通道 1 相同，無(wú)需設(shè)置 )，各通道接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)置為 4 個(gè)字節(jié)，各通道工作頻率設(shè)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(jìn)行四元素算法的轉(zhuǎn)換，每計(jì)算一次則轉(zhuǎn)換成歐拉角， Kalman 濾波后，通過(guò) 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(jìn)行波形顯示對(duì)比。在抽取五個(gè)測(cè)量數(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)律變化和絕對(duì)誤差的變化而規(guī)律變化。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。 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)。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。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)。 HMC5883 磁阻傳感器是應(yīng)用特殊輔助電路來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。 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(wú)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(diǎn)畫(huà)線，設(shè)計(jì)成比較理想的結(jié)果，但成本較高。 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。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。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)科技技術(shù)也隨著科學(xué)技術(shù)的更新也已經(jīng)在全球發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生了以信息技術(shù)及生物技術(shù)為導(dǎo)向的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)” 技術(shù)就是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)的代表，是我國(guó)農(nóng)業(yè)信息現(xiàn)代化的一個(gè)重要的組成部分。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和軍事等各個(gè)領(lǐng)域中，都需要用姿態(tài)角反饋目標(biāo)載體的運(yùn)動(dòng)狀況。為了能更好的農(nóng)業(yè)的 智能化，必須提高姿態(tài)角檢測(cè)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，以更好的得到反饋信息進(jìn)行精確控制農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。但是此模塊價(jià)格較貴，且Zigbee 協(xié)議相對(duì)較為復(fù)雜。 16g，可以進(jìn)行高分辨率 (13 位 )測(cè)量。顯示多點(diǎn)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(guò)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?dòng)和非活動(dòng)檢測(cè)功能通過(guò)比較任意軸上的加速度與用戶設(shè)置的閾值來(lái)檢測(cè)有無(wú)運(yùn)動(dòng)發(fā)生。圖 8 中 SETP 接置位 /復(fù)位正一電容； Cl 接存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)四元數(shù)的更新，其中，是陀螺儀測(cè)得的角速度。 接收端程序流程如圖 13 所示。 其次調(diào)試液晶顯示，方便觀看其他各項(xiàng)調(diào)試結(jié)果。 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 20 表 6 翻滾角實(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 如表 7 偏航角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，測(cè)量的數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差較大，隨著偏轉(zhuǎn)角度越大，絕對(duì)誤差就變大，相對(duì)誤差同時(shí)變大。 如表 5 俯仰角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，測(cè)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(wèn)題，電源電壓經(jīng)過(guò)供電給負(fù)載，電壓下降 ，致使單片機(jī) 工作不正常的問(wèn)題。單片機(jī)控制引腳 CE為低，使 nRF24L01 進(jìn)入待機(jī)模式。 連續(xù)輸出M個(gè)數(shù)值對(duì)M個(gè)數(shù)值進(jìn)行排序 選取中間的數(shù)值? ? 圖 11 中值濾波流程圖 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 14 四元數(shù)算法 四元數(shù)是由愛(ài)爾蘭數(shù)學(xué)家哈密頓首先提出來(lái)的數(shù)學(xué)概念。最大輸出速率可達(dá) 160Hz，提供一 I2C 接口與主機(jī)通信。 4g, 177。 250dps 到177。通信速度可以達(dá)到 2Mb/s。 顯示模塊方案 方案一：選擇主控為 ST7920 驅(qū)動(dòng)器的帶字庫(kù)的 LCD12864 來(lái)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中增加糧食的產(chǎn)量和提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的首要目標(biāo)，因此，農(nóng)業(yè)要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化就一定要走大農(nóng)業(yè)和機(jī)械化、智能化道路。隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，高新技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中應(yīng)用越加廣泛，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化需要以智能化的技術(shù)作支撐。本文通過(guò)對(duì)三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，進(jìn)行四元數(shù)算法的計(jì)算和 kalman 濾波，得到穩(wěn)定的目標(biāo)載體姿態(tài)角的數(shù)據(jù)。 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)。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)。 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。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。500/177。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。 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。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)。 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