【導讀】姿態(tài)角是一個非常重要的參數。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。隨著當今科學技術的高速發(fā)展，高新技術在現代化農業(yè)中應。用越加廣泛，農業(yè)現代化需要以智能化的技術作支撐。體運動狀況在智能化設備中尤為重要。磁阻傳感器的姿態(tài)角檢測系統。該系統采用了基于ARMCortex-M3內核的。STM32f103VCT6單片機作主控芯片，采集和處理ADXL345、L3G4200和HMC5883的。數據得到姿態(tài)角數據，利用nRF24L01無線模塊發(fā)送到接收顯示模塊上進行數據顯示。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。據融合處理后得出的數據絕對誤差小于10%。

　　

【正文】 電路。 硬件調試 在沒通電之前，先用萬用表檢查線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格是否符合要求。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、數據總線、控制總線是否存在相互間的短路或其他信號線的短路。晶體振蕩器和電容應盡可農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 17 能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好是保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。在本系統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。 通電后檢查各器件引腳的電位，仔細測量各點電位是否正常，尤其應注意單片機的插座上的各點電位，若有高壓，將有可能損壞單片機仿真器。同樣，如果電壓過低就沒有能力驅動其負載。 在斷電的情況下，除單片機以外，用仿真插頭將所連接電路與單片機仿真器的仿真接口相連，為軟件調試做好準備。 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。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。 硬件調試結果 首先調試陀螺儀和加速度計傳感器，使其能輸出數據，并將數據用 Usart 串口發(fā)到電腦串口調試助手軟件上顯示數據。同時，移動進行四元素陀螺儀和加速度計模塊，觀察數據是否變化正確。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。 其次調試液晶顯示，方便觀看其他各項調試結果。主要觀察液晶顯示屏是否能正常顯示。剛上電的時 候，液晶顯示器上顯示空白，通過改變顯示內容和位置都都不能正常顯示，然后經過排查，發(fā)現問題在于液晶顯示器的對比度沒調節(jié)正確。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。 再次調試無線收發(fā)電路。調試時先調試發(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。發(fā)送成功后，調試接收端，接收端也禁用自動應答功能，直接接收發(fā)送端發(fā)過來的數據并通過液晶顯示出來。 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。 圖 14 俯仰角 Pitch 濾波前后對比圖 如下圖 15 翻滾角 Rool濾波前后對比圖所示，為翻滾角數據繪圖，含有圓點的曲線是翻滾角還還沒經過 kalman 濾波數據曲線，線寬粗的曲線為翻滾角 kalman 濾波后的數據曲線。 圖 15 翻滾角 Rool 濾波前后對比圖 農業(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據曲線，線寬粗的曲線為 kalman 濾波后的數據曲線。 圖 16 偏航角 kalman 濾波前后對比圖 以上三個濾波效果圖表明： kalman 算法能緩沖突變的數據，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，有時間上的延遲。 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。 如表 5 俯仰角實驗數據所示，測量數據與參考數據有一定的誤差。在測出的五個數據中，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)律變化而規(guī)律變化。 表 5 俯仰角實驗數據 參考數據 測量數據 絕對誤差 相對誤差 如表 6 翻滾角實驗數據所示，翻滾角是指繞著前進方向 X 軸翻轉。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。 農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 20 表 6 翻滾角實驗數據 參考數據 測量數據 絕對誤差 相對誤差 如表 7 偏航角實驗數據所示，測量的數據與參考數據絕對誤差較大，隨著偏轉角度越大，絕對誤差就變大，相對誤差同時變大。 表 7 偏航角實驗數據 參考數據 測量數據 絕對誤差 相對誤差 6 結論 本次畢業(yè)設計收獲良多，完成了設計的要求，實現對姿態(tài)角的監(jiān)測，該系統能夠通過實時采集目標載體上的傳感器的數據，經過四元數算法和濾波處理后得到所要的姿態(tài)角數據，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。 本設計雖完成基本功能，且包含有無線傳輸功能擴展。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。還可以通過一些更好的濾波方式進行數據濾波，已得到更精確的姿態(tài)角數據。 農業(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 濾波農用車輛導航定位方法 [J]. 農業(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]. 中國慣性技術學報， 20xx， 13(2)： 2734. 代剛，李枚，蘇偉等 . 自旋導彈捷聯式陀螺 /地磁姿態(tài)測量方法 [J]. 中國慣性技術學報，20xx， 18(6)： 702705. 施聞明，徐彬，陳利敏 . 捷聯式航姿系統中四元素算法 Kalman 濾波器的實現研究 [J]. 自動化技術與應用， 20xx， 24(11)： 68. SORG H. From Sensor to Drapertwo centuries of gyroscopic development[J]. Navigation,23(4):19761977. 陶成林，雷必成，楊揚戩 . 基于 STM32 的跌倒防護裝置研究 [J]. 電子設計工程， 20xx，20(22)： 6368. 吳軍，鮑其蓮 . 高精度捷聯慣導姿態(tài)更新優(yōu)化算法研究 [J]. 電子測量技術， 20xx， 2(33)：4952. 葉锃鋒，馮恩信 . 基于四元數和卡爾曼濾波的兩輪車姿態(tài)穩(wěn)定方法 [J]. 傳感技術學報，20xx， 25(4)： 524528. 袁西，陳棟，田湘等 . 三軸數字加速度計 ADXL345 及其在捷聯慣導中的應用 [J]. 電子設計工程， 20xx， 18(3)： 138140. 農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 22 附 錄 STM32F103VCT6 主控模塊原理圖 BOOT094NC73NRST14OSC_IN12OSC_OUT13PA0WKUP23PA124PA225PA326PA429PA530PA631PA732PA867PA968PA1069PA1170PA1271PA13/JTMS/SWDIO72PA14/JTCK/SWCLK76PA15/JTDI77PB035PB136PB2/BOOT137PB3/JTDO89PB4/JNTRST90PB591PB692PB793PB895PB996PB1047PB1148PB1251PB1352PB1453PB1554PC015PC116PC217PC318PC433PC534PC663PC764PC865PC966PC1078PC1179PC1280PC13TAMPERRTC7PC14OSC32_IN8PC15OSC32_OUT9PD081PD182PD283PD384PD485PD586PD687PD788PD855PD956PD1057PD1158PD1259PD1360PD1461PD1562PE097PE198PE21PE32PE43PE54PE65PE738PE839PE940PE1041PE1142PE1243PE1344PE1445PE1546VDD_150VDD_275VDD_3100VDD_428VDD_511VDDA22VREF20VREF+21VSS_149VSS_274VSS_399VSS_427VSS_510VSSA19VBAT6U110pfC310pfC5128MGND10kR110kR4GND1234PA0PA1PA2PA3SPI1_MISOSPI1_MOSISPI1_SCKSPI1_NSSPA8PA9PA10PA11PA12SWCLKSWDIOPA15PB0PB1INT0DRDYPB5PB6PB7SCLSDAPB10PB11PB12PB13PB14PB15NRST3V33V33V33V33V33V3PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7PC8PC9PC10PC11PC12PC13PD0PD1INT1INT2PD4PD5PD6PD7PD8PD9PD10PD11PD12PD13PD14PD15PE0PE1PE2PE3PE4PE5PE6PE7PE8PE9PE10PE11PE12PE13PE14PE15GNDSWCLKSWDIO3V3GND1 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 1234567891011121314151617P1123