畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）慣性傳感器定位系統(tǒng)研究(含全套圖紙）

1、慣性傳感器定位系統(tǒng)研究學(xué) 生： 指導(dǎo)老師：由于部分原因，說明書已刪除大部分，完整版說明書，圖紙等，聯(lián)系153893706摘 要：針對農(nóng)用機(jī)械特別是南方水田耕作機(jī)械在生產(chǎn)作業(yè)中定位難、制導(dǎo)精度不高的情況，為實(shí)現(xiàn)其定位精、自動(dòng)化程度高的要求，提出了以at89c51單片機(jī)為中央處理器和基于數(shù)字pid的控制算法的慣性傳感器定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過光電編碼盤和陀螺儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，然后執(zhí)行數(shù)字pid控制，輸出控制量調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)觸發(fā)端的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對作業(yè)機(jī)械精確定位的控制。結(jié)果表明：將該慣性定位系統(tǒng)同單片機(jī)和數(shù)字pid控制算法結(jié)合使用，能提高系統(tǒng)的定位精度，達(dá)到南方水田耕作機(jī)械小面積作業(yè)的定位要求。 關(guān)鍵詞：

2、定位；光電編碼盤；陀螺儀；單片機(jī)；pid inertial sensor positioning system researchstudent: peng kaitutor: luo yahui(orient science & technology college of hunan agricultural university, changsha 410128)abstract: referring the situation of agricultural machinery, especially southern paddy field farming machinery, havi

3、ng difficulty in positioning and low precision in control, to realize its high precision positioning and high-degree- automation demand, this paper introduce a orientation system of inertia sensor based on the central processor singlechip at89c51 and digital pid control method. this system samples d

4、ate through photoelectricity-coding-disk and gyroscope, then carries on a pid control,meanwhile,outputs the control quantity to adjust the angle of flow of administer-machine controlled. thus the system control precision positioning. the results shows that the orientation system of inertia sensor ca

5、n increase the precision of positioning of system and achieve the positioning demand of southern paddy field farming machinery small areas of work,through the singlechip and digital pid control method used in combination.key words: positioning; photoelectricity-coding-disk; gyroscope; singlechip; pi

6、d 1 前言2012年中央一號文件明確指出提高農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新和推廣能力，力爭在關(guān)鍵領(lǐng)域和核心技術(shù)上實(shí)現(xiàn)重大突破。近年來，生物生產(chǎn)機(jī)器人開發(fā)、農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化、智能化是世界上農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，尤其我國在國家“三農(nóng)”政策的大力支持下，農(nóng)業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究近幾年來發(fā)展迅速。農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)，提高生產(chǎn)率和減少施肥、施藥的關(guān)鍵技術(shù)之一；實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化能有效減少農(nóng)業(yè)勞動(dòng)人口減少的影響。實(shí)時(shí)定位即找出作業(yè)機(jī)械在空間的位置，是完成其他任務(wù)的前提，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)生物生產(chǎn)機(jī)器人和農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)移動(dòng)的基礎(chǔ)性難題。為突破這一基礎(chǔ)性難題，研制一種構(gòu)成和運(yùn)用原理簡單、成本低、應(yīng)用性強(qiáng)的定位

7、系統(tǒng)，有望改變農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航定位系統(tǒng)基本依賴價(jià)格不菲的全球?qū)Ш较到y(tǒng)gps的局面1。航向和速度是確定水田耕作機(jī)械運(yùn)動(dòng)軌跡的重要參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)南方水田耕作機(jī)械的定位和自動(dòng)駕駛，必須對其進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航。世界各國采用不同方法對該技術(shù)進(jìn)行了大量研究，目前，應(yīng)用較為廣泛的定位系統(tǒng)有全球定位系統(tǒng)、無線電定位、視覺定位和慣性傳感器定位等。在農(nóng)用機(jī)械中，gps全球定位系統(tǒng)是運(yùn)用最多的定位系統(tǒng)。高精度gps定位系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，不適合南方水田小面積作業(yè)；而價(jià)格較低的gps系統(tǒng)定位精度不夠，無法對農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行精確定位；且gps在農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航應(yīng)用中存在一定的限制，如農(nóng)田作業(yè)時(shí)，尤其在山區(qū)進(jìn)行農(nóng)田作業(yè)時(shí)，由于樹林

8、、山脈等障礙物阻礙微波傳送，使gps精度明顯下降；再者gps不能在溫室大棚室內(nèi)使用，而溫室農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。無線電定位由于其工作均與無線電波的傳播有關(guān)，因此在一定程度上受氣候、地形、位置和電磁干擾的影響；視覺定位具有信息探測范圍寬和目標(biāo)信息完整等優(yōu)點(diǎn)，但受惡劣環(huán)境的影響較大；慣性傳感器是一種自主式定位方法，完全依靠設(shè)備自主地完成定位任務(wù)，工作不受天氣條件的限制，在短時(shí)間內(nèi)定位精度高2。為適應(yīng)于南方水田小面積作業(yè)的耕作機(jī)械，提高定位精度，降低成本，本系統(tǒng)采用慣性傳感器定位系統(tǒng)融合數(shù)字pid控制算法和單片機(jī)中央處理的方式，以編碼盤和陀螺儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后將結(jié)果傳送給單片機(jī)，數(shù)據(jù)

9、經(jīng)單片機(jī)分析運(yùn)算后存儲起來，并與鍵盤的初始設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，通過一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對機(jī)械的速度和航向進(jìn)行自動(dòng)控制。在控制環(huán)節(jié)中，本系統(tǒng)采用的 數(shù)字pid控制算法來實(shí)現(xiàn)上述功能。傳統(tǒng)的pid控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需配合相應(yīng)的控制電路才能對其進(jìn)行控制，具有器件多、生產(chǎn)成本高、電路調(diào)試復(fù)雜的缺點(diǎn)。在該慣性傳感器定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，運(yùn)用單片機(jī)at89c51進(jìn)行數(shù)字pid運(yùn)算能充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)的靈活性，具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)成簡單實(shí)用、成本低，使用范圍、場所和工作時(shí)間不受限制，并且使機(jī)械的定位精度達(dá)到要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制3。2研究意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀慣性傳感器定位系統(tǒng)隨著慣性傳感器的發(fā)展而

10、發(fā)展起來的一門導(dǎo)航技術(shù) ,它完全自主、不受干擾、輸出信息量大、輸出信息實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)使其在軍用航行載體和民用相關(guān)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。研究高精度高可靠性低成本的慣導(dǎo)系統(tǒng)對現(xiàn)代消費(fèi)類應(yīng)用，工業(yè)級軍工級應(yīng)用都有極高的價(jià)值和意義。目前低精度mems慣性傳感器作為消費(fèi)電子類產(chǎn)品主要用在手機(jī)、游戲機(jī)、音樂播放器、無線鼠標(biāo)、數(shù)碼相機(jī)、pd、硬盤保護(hù)器、智能玩具、計(jì)步器、防盜系統(tǒng)、gps導(dǎo)航等便攜式。由于具有加速度測量、傾斜測量、振動(dòng)測量甚至轉(zhuǎn)動(dòng)測量等基本測量功能，有待挖掘的消費(fèi)電子應(yīng)用會不斷出現(xiàn)4。 中級mems慣性傳感器作為工業(yè)級及汽車級產(chǎn)品，則主要用于汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（esp或esc）gps輔助導(dǎo)航系統(tǒng)

11、，汽車安全氣囊、車輛姿態(tài)測量、精密農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、大型醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、儀器儀表、工程機(jī)械等。 高精度的mems慣性傳感器作為軍用級和宇航級產(chǎn)品，主要要求高精度、全溫區(qū)、抗沖擊等指數(shù)。主要用于通訊衛(wèi)星無線、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等穩(wěn)定性應(yīng)用；飛機(jī)/導(dǎo)彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應(yīng)用、以及中程導(dǎo)彈制導(dǎo)、慣性gps導(dǎo)航等制導(dǎo)應(yīng)用、遠(yuǎn)程飛行器船舶儀器、戰(zhàn)場機(jī)器人等。 用作消費(fèi)電子類的mems慣性傳感器，主要要求是單價(jià)低、尺寸小、溫度范圍窄、因而精度要求低，甚至是功能性產(chǎn)品。加速度傳感器重量輕、功耗小、一般測量范圍110g50g，分辨率2mg10mg，陀螺一般量程在300/s，零偏在500

12、/h1000/h，因此有些公司的產(chǎn)品不給出零偏指標(biāo)或給出0.1/s0.5/s。 目前可以生產(chǎn)mems加速度傳感器的公司比較多，大多數(shù)為半導(dǎo)體、如美國的adi、invensense、st、freescale、sensor dynamics、msi（icsensor）、memsic（生產(chǎn)地在中國無錫）歐洲的vti、infine，生產(chǎn)mems陀螺的公司美國的adi、knoix、st，歐洲的infine、methes，日本的murata、national、沖電氣、富士通。12月3日中國上海深迪半導(dǎo)體有限公司發(fā)布了消費(fèi)類的mems陀螺，無錫一家公司也在研發(fā)中5。 工業(yè)級的慣性傳感器大多以模塊形式出現(xiàn)，對

13、于應(yīng)用于工業(yè)級芯片級產(chǎn)品，還必須進(jìn)行處理，包括軟件和硬件電路，以及對不同工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性，大多數(shù)要求價(jià)格適中，精度一定優(yōu)于消費(fèi)類應(yīng)用加速度傳感器的量程選擇比較寬1500g，分辨率1mg3mg，陀螺量程大多250/s以內(nèi)，零偏在50/h200/h，汽車級可作為一個(gè)工業(yè)應(yīng)用的特殊產(chǎn)品，對其可靠性要求高，同時(shí)由于需求數(shù)量大，和一般工業(yè)要求不一樣的是單價(jià)要低。生產(chǎn)這些產(chǎn)品的公司有美國的bei、adi、silicon design、honeywell、delphi、msi、crossbow、microstrain、歐洲的vti、colibry、bosch、sensonor，日本的北陸電氣、sss公司，中

14、國的西安中星測控。 軍工級或宇航級的mems慣性傳感器精度要求高、工作溫度范圍寬（-45125），某些兵器產(chǎn)品要求抗沖擊能力強(qiáng)（10000g20000g）尺寸要比光纖和機(jī)械類產(chǎn)品要小。加速度傳感器量程范圍寬1g5000g，分辨率要0.11mg，甚至更高。陀螺量程要求范圍寬20/s1000/s,頻響高，50hz1000hz，零偏穩(wěn)定性為1/h50/h。目前制造商有美國bei、crossbow、silicon design、honeywell、drapor,，歐洲公司有xsens、sorsonor、colibry、bae，日本有sss公司，中國有西安中星測控、電子26所、航天704所。過去三年，全

15、球mems慣性傳感器的發(fā)展趨勢正向兩級化發(fā)展，一方面消費(fèi)電子類應(yīng)用、應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展、需求迅速提高，引來制造商不斷增加，競爭加劇，單價(jià)不斷下降；另一方面，軍用級應(yīng)用，精度不斷提高，單價(jià)上升很快.展望未來，慣性傳感器定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有以下幾個(gè)方面：技術(shù)方面：精度將不斷提高，以陀螺為例，有替代低精度光纖陀螺的趨勢。對消費(fèi)類應(yīng)用，更尋求進(jìn)一步簡化制造工藝，降低成本的趨勢。同時(shí)，集成化也是未來發(fā)展的趨勢，不僅模塊制造商走軟件、硬件集成的路子，越來越多的上游芯片廠家也走集成塊的技術(shù)路線。因而不斷有雙軸、三軸加計(jì)、陀螺芯片問世。競爭力方面：消費(fèi)類將競爭最為慘烈，新廠家將不斷涌進(jìn)，比投資、比規(guī)模將是必

16、然趨勢。上下游相互傾軋、收購、重組將會上演。合作方面：由于產(chǎn)品細(xì)分的緣故全球競爭與合作必然結(jié)果。上游廠家希望找到下游客戶，下游希望尋找合適的供應(yīng)商，因而產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟可能出現(xiàn)。應(yīng)用方面：無疑無論是消費(fèi)類應(yīng)用，工業(yè)級軍工級應(yīng)用，市場會急驟擴(kuò)大，應(yīng)用會越來越廣泛6。3 總體方案設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)慣性傳感器定位系統(tǒng)包括硬件電路和軟件設(shè)計(jì)部分。硬件電路部分主要包括中央處理單元、編碼測距單元、陀螺儀傳感器單元、執(zhí)行單元、鍵盤單元及顯示單元等。由編碼測距單元和陀螺儀傳感器單元實(shí)時(shí)對機(jī)械的速度、位移和航向進(jìn)行信息采集，經(jīng)轉(zhuǎn)換后把數(shù)據(jù)傳送給中央處理器，中央處理器進(jìn)行分析處理后，通過數(shù)字pid控制算法將指令

17、送入執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械的行進(jìn)控制，并在顯示電路進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。其總體框架圖如下（圖1）。中央處理單元鍵盤單元顯示單元編碼測距單元砣螺儀傳感器單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象 圖1 系統(tǒng)框架方案圖 fig 1 the program plan of system framework軟件部分主要完成信息采集，并由at89c51單片機(jī)對編碼測距和角速度傳感器陀螺儀的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將得出的數(shù)據(jù)結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，采用pid控制算法對執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制，保證定位精度。3.2 定位試驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)組成輪式車輛有多種結(jié)構(gòu)形式，常用的有三輪車輛和四輪車輛，相比較而言，四輪車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)試驗(yàn)周期長，所以本設(shè)計(jì)采用自制的前輪

18、驅(qū)動(dòng)并可轉(zhuǎn)向的三輪小車進(jìn)行試驗(yàn)研究。如下圖2所示的試驗(yàn)小車實(shí)物圖，試驗(yàn)用的小車為前輪驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向并制動(dòng)，后輪隨動(dòng)型。試驗(yàn)小車由車架和控制器組成，控制器部分包括中央處理單元、傳感器單元、執(zhí)行單元、鍵盤和顯示單元等。圖2 小車實(shí)物圖fig 2 physical map of car試驗(yàn)小車的前輪驅(qū)動(dòng)單元由帶有直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪和直流電機(jī)控制模塊組成，采用一個(gè)12v的蓄電池供電；試驗(yàn)小車的執(zhí)行單元包括轉(zhuǎn)向和制動(dòng)兩部分，轉(zhuǎn)向部分由轉(zhuǎn)向電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)模塊和轉(zhuǎn)向軸組成，轉(zhuǎn)向電機(jī)采用一個(gè)12v蓄電池供電，轉(zhuǎn)向軸通過精密的自行車專用轉(zhuǎn)向軸承與車架相連，保證其轉(zhuǎn)向的精度，制動(dòng)部包括剎車總成和剎車控制電路；傳感器單元

19、包括編碼盤測距模塊、陀螺儀角速度模塊。 本設(shè)計(jì)采用慣性傳感器定位方式，由編碼盤和陀螺儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由中央處理器運(yùn)算分析進(jìn)行數(shù)字pid控制算法對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)定位要求，多按鍵式鍵盤為人機(jī)交互平臺，液晶顯示屏進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示。4 定位原理的設(shè)計(jì)4.1 編碼盤測距4.1.1 編碼盤測距方案原理設(shè)計(jì)編碼盤是一種通過直接編碼進(jìn)行測量的元件，它直接把被測轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼，指示其絕對位置。這種測量方式?jīng)]有積累誤差，電源切除后位置信息也不丟失。利用編碼盤測距是一種傳統(tǒng)的距離傳感器測距方式，其實(shí)質(zhì)是一種按一定的編碼形式，如二進(jìn)制編碼，二十進(jìn)制編碼、格萊碼或余三碼等，將一個(gè)圓盤或直尺分成若干等分，

20、并利用電子、光電或電磁器件，把代表被測位移量大小的各等分上的編碼轉(zhuǎn)換成便于應(yīng)用的其他二進(jìn)制表達(dá)方式的測量裝置。此編碼測距定位系統(tǒng)是由安裝在車輪上的碼盤、檢測裝置和脈沖信號處理電路組成，車輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度，編碼盤系統(tǒng)就輸出一個(gè)脈沖信號，將檢測到的脈沖信號送到單片機(jī)進(jìn)行處理分析，根據(jù)脈沖總數(shù)乘以相關(guān)系數(shù)，就可以得到車輪在這段時(shí)間內(nèi)行駛的距離，同時(shí)可以計(jì)算出車輛行駛的平均速度。編碼盤的檢測裝置用的較多的是接近開關(guān)，其種類有電容式、電磁式、霍爾式、光電式及超聲波式等。 所以，根據(jù)檢測原理，相應(yīng)的編碼器可分為磁感應(yīng)式、光電式和電容式等。綜合考慮機(jī)械的動(dòng)作環(huán)境、編碼盤傳感器價(jià)格和測量精度，選擇磁感應(yīng)式

21、編碼盤和光電編碼盤分別進(jìn)行設(shè)計(jì)試驗(yàn)，再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出最佳編碼測距方案選擇。方案1： 磁感應(yīng)式磁感應(yīng)式編碼盤又可稱作霍爾式編碼盤，其中的檢測裝置是一種磁傳感器。用霍爾器件可以檢測磁場及其變化，可在磁場有關(guān)的場合中使用。霍爾器件有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，功耗小，頻率高（可達(dá)1mhz） ，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污及水汽等的污染或腐蝕。按其功能有有霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件兩種，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。本系統(tǒng)采用單片機(jī)處理，所以選用霍爾開關(guān)器。磁感應(yīng)編碼盤傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠惡劣的工作環(huán)境，使用較廣泛。磁感應(yīng)編碼盤是利用基于電磁感應(yīng)原理

22、的非接觸式接近開關(guān)進(jìn)行測量，傳感器由磁性材料和非接觸式接近開關(guān)構(gòu)成，磁性材料安裝在載體上，與車輪同步旋轉(zhuǎn)，當(dāng)鐵磁性材料制成 的磁釘經(jīng)過接近開關(guān)時(shí)，磁阻減小，磁場增大，而當(dāng)非磁性材料經(jīng)過拾取頭時(shí)，磁阻增大，磁場減弱，磁場變化產(chǎn)生感應(yīng)電勢，經(jīng)過脈沖整形電路得到方波輸出。測量電路對方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，乘以相關(guān)系數(shù)就將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為行駛距離。其測量系統(tǒng)框架圖如圖3所示。為了以較高的精度采集編碼盤測距信號，在試驗(yàn)小車的兩個(gè)后輪上均安裝上自制的編碼盤，編碼盤材料為有機(jī)玻璃，其上均勻安裝磁釘作為信標(biāo)，便于磁感應(yīng)傳感器在試驗(yàn)小車行駛時(shí)采集脈沖信號，如圖3所示碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，有磁釘正對霍爾器件的探頭時(shí)，磁通密度改變，探頭輸

23、出一個(gè)脈沖信號。磁感應(yīng)傳感器的輸出為高低電平信號，可直接輸入單片機(jī)i/o口進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，用于測量其行走距離。但是在信號采集過程中，存在輪盤滑轉(zhuǎn)等問題影響測量精度，因此必須采用合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以提高其精度。如下圖4小車上的車輪實(shí)物圖，碼盤外圍有磁釘竄過，碼盤為有機(jī)機(jī)玻璃制作并與與車輪同心固定安裝。 圖3 測量系統(tǒng)框架圖fig 3 measurement system framework chart 圖4 車輪實(shí)物圖 fig 4 physical map of wheel圖4中后輪半徑為r，如果知道編碼點(diǎn)為m個(gè)，中央處理單元在單次測量中記錄得到的總脈沖數(shù)為n，則通過計(jì)算得到測量距離l為： (1)因

24、本系統(tǒng)采用在試驗(yàn)小車的兩個(gè)后輪上均安裝編碼盤，因此在計(jì)算測量誤差時(shí)是分別計(jì)算兩個(gè)后輪的行駛距離，然后取其平均得到試驗(yàn)小車的行駛距離。在實(shí)際使用過程中，為避免單片機(jī)運(yùn)算帶來的誤差，采用如下公式： (2) 其中，i=n/m的整數(shù)部分。在實(shí)際使用過程中，設(shè)計(jì)m為40個(gè)，后輪整周長為122cm，即半徑r為 6.2317cm，為保證單片合適的運(yùn)算速度，采用數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位進(jìn)行計(jì)。 方案2：采用光電編碼盤光電編碼盤，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，此系統(tǒng)采用的光電編碼器是由同方案1中的相同碼盤和光電檢測裝置組成，但碼盤上外圍小孔不再裝

25、有磁釘，而是相當(dāng)于通光孔。碼盤兩邊分別放置固定光源和光電檢測器件，碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)外圍小孔經(jīng)過檢測探頭元件正方時(shí)，探頭輸出一個(gè)脈沖。通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前車輪的轉(zhuǎn)速。采用的光電編碼盤同方案1的電磁編碼盤其實(shí)質(zhì)原理是一樣的，只是電磁編碼盤采用的是電磁檢測輸出脈沖，而光電編碼盤采用的是光電檢測輸出脈沖。所以，其距離運(yùn)算方法同電磁編碼盤的方案1也是相同的。4.1.2 編碼盤測距方案選擇和數(shù)據(jù)分析在進(jìn)行慣性定位試驗(yàn)之前，為測試編碼盤的測距精度，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)八教南北之間平臺進(jìn)行，以皮尺作為標(biāo)定，讓試驗(yàn)小車直線行駛，分別行駛5m、10m、15m、20m，將編碼

26、盤采集到的原始數(shù)據(jù)表（1）表（2）在計(jì)算機(jī)上與實(shí)際值進(jìn)行比較分析，作出圖5所示的編碼測距誤差曲線圖。編碼測距數(shù)據(jù)分別在小車行駛5m、10m、15m、20m時(shí)采集，每組測量10次，以實(shí)際距離值減去編碼盤采集距離數(shù)據(jù)，得到絕對誤差曲線圖。分析可知，其誤差產(chǎn)生的主要原因?yàn)?1.試驗(yàn)小車在行駛過程中存在輪盤滑轉(zhuǎn)問題導(dǎo)致測量值小于實(shí)際但；2.檢測探頭存在漏計(jì)脈沖產(chǎn)生的誤差外，還具有起始誤差，即計(jì)第一個(gè)脈沖時(shí)，試驗(yàn)小車實(shí)際行駛距離小于3.05cm（122/40cm）；3.公式（2）帶來的運(yùn)算誤差。通過圖5四組圖可以看出：隨著行駛距離的增加，其誤差增大，但總體而言，其誤差較低，測距精度較高。再對圖5曲線1、

27、2進(jìn)行對比可以看出，曲線2比曲線1平滑，且峰值比曲線1來得低，說明該試驗(yàn)小車采用光電編碼盤方案所帶來的誤差比采用電磁編碼盤所帶來的誤差小，且誤差波動(dòng)平緩，所以本系統(tǒng)采用光電編碼盤方案進(jìn)行距離測量。此處已刪除 圖16 執(zhí)行模塊電路圖 fig 16 the implementation of the module circuit6 軟件方案設(shè)計(jì)6.1 數(shù)字pid控制流程為了實(shí)現(xiàn)高精確定位和自動(dòng)控制，鑒于傳統(tǒng)的pid控制電路元器件多、成本高、電路調(diào)試復(fù)雜等缺點(diǎn)，數(shù)字pid控制算法能充分發(fā)揮軟件的靈活性，具有控制方便、簡單靈活、構(gòu)成簡單實(shí)用、成本低等優(yōu)點(diǎn)且使用范圍、場所和工作時(shí)間不受限制，在該慣性傳感

28、器定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用數(shù)字pid算法，通過對中央處理器進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)指的是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過加減速、正反轉(zhuǎn)等動(dòng)作配合轉(zhuǎn)向電機(jī)單元轉(zhuǎn)向動(dòng)作完成對試驗(yàn)小車的控制。其流程如圖17所示。執(zhí)行模塊初始化調(diào)當(dāng)前坐標(biāo)測量子程序調(diào)鍵盤處理子程序輸入設(shè)定值調(diào)執(zhí)行pid子程序有偏差無偏差當(dāng)前值與設(shè)定值比較開始 圖17 pid控制流程圖 fig 17 pid control flow chart在此流程中，設(shè)定值為通過鍵盤輸入的人為預(yù)想坐標(biāo)值，當(dāng)前值為系統(tǒng)采樣運(yùn)算處理后得出的試驗(yàn)小車當(dāng)前坐標(biāo)值。6.2 數(shù)字pid控制算法過程在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、

29、積分、微分控制，簡稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。pid控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其他技術(shù)也難以采用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定時(shí)，應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。 pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)問和微分時(shí)間的大小。pid控制器參數(shù)整定的方法概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)，但這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通

30、過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用但控制精度難以達(dá)到要求。本慣性傳感器定位系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（試驗(yàn)小車車輪）和參數(shù)不能完全掌握，得不到精確的數(shù)學(xué)模型，固本系統(tǒng)采用模糊pid控制，通過試驗(yàn)情況調(diào)整修改來整定pid控制器的參數(shù)。其采用pid一般算式及模擬控制規(guī)律如式(7)所示： （7）式中：u(t)為控制器的輸出；e(t)為坐標(biāo)偏差，即設(shè)定值與當(dāng)前坐標(biāo)反饋值之差；為控制器的放大系數(shù)，即比例增益；ti為控制器的積分常數(shù)；為控制器的微分時(shí)間常數(shù)，其數(shù)字pid算法的原理即調(diào)節(jié)，三個(gè)參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。 由于

31、計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對式(7)進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表示,為書寫方便，將e(kt)簡化成e(k)則有： （8） （9）將式(8)和式(9)代入式(7)，則可得到離散的pid表達(dá)式: （10）式中:kc=kpt；t=t為采樣周期，必須使t足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度(采樣定理)；e(k)為第k次采樣時(shí)的偏差值；e(k-1)為第k-1次采樣時(shí)的偏差值；p(k)為第k次采樣是調(diào)節(jié)器的輸出。該系統(tǒng)采用增量式pid控制算法，是指數(shù)字控制器輸出的只是控制量

32、的增量，該算法編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲空間少，運(yùn)算快。根據(jù)遞推原理可得： (11)用（10）式減去(11)式，可得增量式pid控制算法： (12)7 pcb板圖繪制本設(shè)計(jì)的電路原理圖和pcb板圖是在altium公司的protel dxp 2004軟件上進(jìn)行的。在完成電路原理圖后通過在pcb文件中元件生成、擺放、布線，查錯(cuò)等步驟完成了pcb板圖的繪制。在pcb板圖的繪制和制板過程中遵循了以下原則：走線最短原則。連線要精簡，盡可能短，盡量少走彎路。在器件布局方面，把相互有關(guān)的器件盡量放昨近一些對于那些易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路和開關(guān)電路等到，應(yīng)盡量使其離單片機(jī)的邏輯控制電

33、路和存儲電路rom、ram，增強(qiáng)電路板抗干擾能力，提高電路工作的可靠必。在關(guān)鍵元件旁邊安裝去耦電容。關(guān)鍵元件要能有較大電磁干擾，對元器件的工作和壽命會有影響。接地原則。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，地線的布局將決定電路板的抗干擾能力，在邏輯電路印制電路板時(shí)，其地線構(gòu)成閉環(huán)形式，且其地線盡量做得粗一些來減少地線電阻從而穩(wěn)定地線的電流變化，保證主要地線寬度2至3mm以上，元件引腳地線1.5mm左右。導(dǎo)線盡量做寬。布線時(shí)使電源線、地線的走線方向與數(shù)據(jù)線走線方向保持一致。數(shù)據(jù)線應(yīng)盡可能寬以減小阻抗。pcb板電路圖如18圖所示，經(jīng)過單片機(jī)程序的燒錄就能進(jìn)行慣性定們試驗(yàn)了。圖18 pcb電路圖fig 18 sche

34、matic of pcb8 慣性定位試驗(yàn)及結(jié)果分析慣性定位試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)新圖書館前面的修業(yè)廣場平臺上進(jìn)行，使試驗(yàn)小車以一定的速度按不同路線重復(fù)進(jìn)行四次，將采集所得測量坐標(biāo)輸入計(jì)算機(jī)與并由計(jì)算機(jī)與實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行分析和處理，從而得到四組如圖23所示的慣性定位坐標(biāo)圖（數(shù)據(jù)非常龐大，在此省略）。 圖20 慣性定位坐標(biāo)圖 fig 20 the test picture of inertial positioning由試驗(yàn)結(jié)果得知，慣性定位方式在短時(shí)間內(nèi)定位精度高，能滿足南方水田短時(shí)間、小面積作業(yè)，但長時(shí)間工作時(shí)，會有累積誤差的影響，時(shí)間越長累積誤差越大。對其誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行綜合分析，得出以下重要幾點(diǎn)

35、：1. 編碼盤測距時(shí)輪盤滑轉(zhuǎn)造成的誤差；2. 陀螺儀數(shù)據(jù)采集時(shí)存在漂移誤差；3. 環(huán)境干擾產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲干擾誤差；4單片機(jī)atmega8l的a/d轉(zhuǎn)換精度低。9 結(jié)束語本文主要闡述了坐標(biāo)測量的原理和各模塊的實(shí)現(xiàn)方法，描述了基于數(shù)字pid 89c51單片機(jī)定位方式的構(gòu)造和實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。該慣性傳感器定位系統(tǒng)能充分發(fā)揮單片機(jī)對定位信息的采集處理和增量式數(shù)字pid控制算法的功能，可以比較靈活的調(diào)節(jié)控制信號的導(dǎo)通時(shí)間來控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)定位動(dòng)作。通過試驗(yàn)，該系統(tǒng)基本滿足了南方水田小面積機(jī)械作業(yè)實(shí)時(shí)定位的要求，具有超調(diào)量小，振蕩幅度小，設(shè)定值可以隨時(shí)有按鍵人為設(shè)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該系統(tǒng)

36、還避免了控制過程中的不確定性，提高了系統(tǒng)的工作效率，理論和實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有高可靠性、高性價(jià)比、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了定位的精度。同時(shí)本文沒有對其定位精度和軟件編程等其它板塊作更深層次的探討和研究，現(xiàn)暫提出以下幾個(gè)方面供日后進(jìn)一步研究改進(jìn)：首先，從提高定位精度考慮。對電源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高avr單片機(jī)a/d轉(zhuǎn)換精度或進(jìn)行外置a/d轉(zhuǎn)換；加強(qiáng)車輪防滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高編碼盤計(jì)數(shù)精度；優(yōu)化程序設(shè)計(jì)，提高單片機(jī)運(yùn)算精度和響應(yīng)速度；優(yōu)化程序和硬件電路濾波方法，降低脈沖和波動(dòng)干擾；對電路板進(jìn)行消噪音處理，增強(qiáng)電路抗干擾能力等。其次，從節(jié)約開發(fā)成本上考慮，再結(jié)合精度和穩(wěn)定性兩方面，降低元器件的選材成本和

37、數(shù)量。如本設(shè)計(jì)可以把編碼盤模塊和執(zhí)行模塊共用一個(gè)單片機(jī)進(jìn)行處理，減少單片機(jī)的使用數(shù)量，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)可以使用橋式電路，節(jié)約使用專用芯片的成本。最后，此設(shè)計(jì)用的定位傳感器為非線性傳感器，設(shè)想兩種方案對測量坐標(biāo)結(jié)果進(jìn)行非線性誤差修正。其一，對硬件電路采用改變電路結(jié)構(gòu)的方式來消除其非線性定位誤差；其二，采用數(shù)學(xué)和優(yōu)化設(shè)計(jì)中的線性插值法把小車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線同測量曲線進(jìn)行擬合，算出修正系數(shù)進(jìn)行定位坐標(biāo)修正。參考文獻(xiàn) 1 秦曾煌.電工學(xué)第六版（上）m.北京：高等教育出版社,2003:30-40.2 秦曾煌.電工學(xué)第六版（下）m.北京：高等教育出版社,2003:25-45.3 趙建領(lǐng).51系列單片機(jī)開發(fā)寶典

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