農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設(shè)計(jì)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。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。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。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，是我國農(nóng)業(yè)信息現(xiàn)代化的一個(gè)重要的組成部分。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)械姿態(tài)角的檢測系統(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。為了能更好的農(nóng)業(yè)的智能化，必須提高姿態(tài)角檢測的穩(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。本文通過對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)。2系統(tǒng)方案分析與選擇論證2.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1.1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。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)等對功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的。STM32F103VCT6是一款基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)處理器，工作頻率高達(dá)72MHz，具有3個(gè)通用定時(shí)器、1個(gè)高級控制定時(shí)器、7個(gè)獨(dú)立的DMA通道、1個(gè)USB接口、3個(gè)USART接口、2個(gè)SPI接口和2個(gè)I2C接口。STM32F103VCT6的外圍電路僅需要外部晶振和少數(shù)電容，內(nèi)部自帶的SW接口便于調(diào)試和下載。方案二：ATmega16芯片是ATmel公司一款8位微處理器。它的主頻高達(dá)16MHz，片內(nèi)集成16KB的閃存存儲(chǔ)器(Flash)、512字節(jié)的EEPROM、1K的SRAM，另外指令系統(tǒng)豐富，I/O的控制和擴(kuò)展功能較強(qiáng)。同時(shí)集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊，具有1路異步串行通信USART接口，1路串行設(shè)備接口(SPI)，2個(gè)8位定時(shí)器，1個(gè)16位定時(shí)器，3個(gè)PWM通道，一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，8個(gè)8通道10字節(jié)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，一個(gè)模擬比較器，同時(shí)它還具有一個(gè)片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘、JTAG接口、ISP接口、自編程SPM。方案三：采用宏晶科技有限公司的STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片。此芯片為51類單片機(jī)，不帶內(nèi)部時(shí)鐘，外部資源少。考慮到此系統(tǒng)主控部分對數(shù)據(jù)處理算法的復(fù)雜度和實(shí)時(shí)性要求，需要對傳感器采集的數(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。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。對于系統(tǒng)的接收顯示部分，為了簡化外圍電路設(shè)計(jì)，則選用ATmega16做主控芯片。2.1.2無線通信模塊方案方案一：采用GSM(GlobalSystemforMobile)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，雖說能夠遠(yuǎn)距離傳輸，但是其成本較大，且需要內(nèi)置SIM(SubscriberIdentityModule)卡，通信過程中需要收費(fèi)，后期成本較高。方案二：采用TI(德州儀器)生產(chǎn)的C2430無線通信模塊，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。但是此模塊價(jià)格較貴，且Zigbee協(xié)議相對較為復(fù)雜。方案三：采用nRF24L01無線射頻模塊進(jìn)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(chǎn)。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單，操作方便。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。2.1.3陀螺儀、加速度計(jì)傳感器方案方案一：采用ADIS16355作為測量線加速度和角加速度的傳感器。ADIS16355是ADI公司推出的一款具有-40℃~85℃溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)、SPI接口輸出的六自由度慣性測量傳感器，出廠前已經(jīng)對產(chǎn)品的零偏和靈敏度進(jìn)行了全溫校準(zhǔn)。ADIS16355具有三軸陀螺和三軸加速度計(jì)。三軸陀螺和加速度計(jì)具有14位分辨率，陀螺的測量范圍可配置為、、，加速度計(jì)的測量范圍為±10g，傳感器帶寬達(dá)350Hz。ADIS16355的輸出零偏穩(wěn)定性為，溫度系數(shù)為，角度隨機(jī)游走為，適于精度要求較高的應(yīng)用。傳感器內(nèi)部完成了信號的采集、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。SPI接口能夠輸出3個(gè)角速率信號、3個(gè)線加速度計(jì)信號、3個(gè)溫度傳感器信號和電源電壓信號。但是其體積較大，成本高，接口類型等原因使用不方便。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量線加速度、角加速度和磁阻值。ADXL345是AD(IAnalogDevices,Inc.)公司于2009年發(fā)布的一款數(shù)字式三軸加速度計(jì)傳感器。ADXL345最大量程可以達(dá)到±16g，可以進(jìn)行高分辨率(13位)測量。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SPI(3線或4線)或者I2C數(shù)字接口訪問。ADXL345可以在傾斜感測應(yīng)用中測量靜態(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)。它的高分辨率能夠分辨僅為的傾角變化。L3G4200為ST公司的三軸陀螺儀傳感器，可供用戶自主設(shè)定±250dps、±500dps、±2000dps三種量程，工作在溫度范圍內(nèi)，16位數(shù)據(jù)的輸出，可通過SPI(3線或4線)或者I2C數(shù)字接口訪問，使用方便，成本低，外圍電路簡單。MC5883是霍尼韋爾的一種表面貼裝的帶有數(shù)字接口高集成模塊的弱磁傳感器芯片，采用霍尼韋爾各向異性磁阻(AMR)技術(shù)，具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點(diǎn)，附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤精度控制在的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及簡易的I2C系列總線接口。使用ADIS16355則會(huì)使目標(biāo)板布電路圖困難，而且體積大，接口不方便使用。相比于同時(shí)使用ADXL345、L3G4200和HMC5883三種種傳感器，線路比較簡單，都可以用I2C通信進(jìn)行采集數(shù)據(jù)?？紤]到電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高，故選擇方案二，即用ADXL234、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，2010)。2.1.4顯示模塊方案方案一：選擇主控為ST7920驅(qū)動(dòng)器的帶字庫的LCD12864來顯示信息。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)畫線，設(shè)計(jì)成比較理想的結(jié)果，但成本較高。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。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。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。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來作為接收端的顯示。2.2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。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。圖SEQ圖\*ARABIC1系統(tǒng)方框圖3主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計(jì)3.1STM32F103VCT6模塊核心控制模塊由STM32F103VCT6最小系統(tǒng)組成，包括STM32F103VCT6、晶振電路、時(shí)鐘電路和SW下載接口電路。STM32F103VCT6具有100個(gè)引腳的芯片，其功能比一般的51單片機(jī)強(qiáng)大，外部中斷通道可由客戶自主設(shè)置，使用方便，下載及調(diào)試程序的操作過程簡單容易，處理速度可達(dá)到72MHz，可以運(yùn)行較復(fù)雜的算法。晶振電路由兩個(gè)10pF左右電容和一個(gè)8MHz晶體振蕩器構(gòu)成。時(shí)鐘電路由兩個(gè)22pF電容和一個(gè)32.786KHz晶振構(gòu)成，為定時(shí)器提供穩(wěn)定的外部時(shí)鐘。SW下載接口電路為四個(gè)接口電路，簡化電路設(shè)計(jì)，與JTAG接口一樣的有調(diào)試和下載程序的功能。STM32F103VCT6最小系統(tǒng)電路如下圖2所示。圖SEQ圖\*ARABIC2STM32F103VCT6系統(tǒng)電路3.2nRF24L01無線模塊3.2.1無線模塊原理圖nRF24L01(陶成林，2012)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EnhancedShortBurst協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的無線通信。通信速度可以達(dá)到2Mb/s。nRF24L01無線射頻模塊的電路原理圖如圖3所示。圖3nRF24L01模塊電路原理圖3.2.2接口電路nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM(IndustrialScientificMedical)頻段。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程序進(jìn)行配置。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。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。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12.3mA，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。圖4所示為STM32F103VCT6與nRF24L01的連接電路圖。圖4STM32F103VCT6與無線模塊連接電路圖nRF24L01無線射頻模塊的各引腳功能描述如表1所示。表1nRF24L01模塊引腳功能管腳功能CE工作模式，TX或者RX模式選擇CSNSPI片選使能，低電平有效SCKSPI時(shí)鐘MOSISPI數(shù)據(jù)輸入MISOSPI數(shù)據(jù)輸出IRQ中斷輸出VDD電源1.9-3.6V輸入GND接地3.2.3寄存器配置SPI口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為10Mb/s，傳輸時(shí)先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過SPI口訪問。nRF24L01的配置寄存器共有25個(gè)，常用的配置寄存器如表2所示。表2常用配置寄存器地址（H）寄存器名稱功能00CONFIG設(shè)置nRF24L01工作模式01EN_AA設(shè)置接收通道及自動(dòng)應(yīng)答02EN_RXADDR使能接收通道地址03SETUP_AW設(shè)置地址寬度04SETUP_RETR設(shè)置自動(dòng)重發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)間和次數(shù)07STATUS狀態(tài)寄存器，用來判定工作狀態(tài)0A~0FRX_ADDR_P0~P5設(shè)置接收通道地址10TX_ADDR設(shè)置接收節(jié)點(diǎn)地址11-16RX_PW_P0~P5設(shè)置接收通道的有效數(shù)據(jù)寬度3.3供電電源本系統(tǒng)中采用3.3V直流電源對無線射頻模塊和STM32F103VCT6供電，5V電源經(jīng)AMS1117芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換后得到穩(wěn)定的直流電源，其電源電路圖如圖5所示。圖5電源電路圖3.4陀螺儀傳感器3.4.1L3G4200三軸陀螺儀L3G4200D是意法半導(dǎo)體推出的三軸共用一個(gè)感應(yīng)結(jié)構(gòu)的低功耗三軸陀螺儀，能同時(shí)檢測三條正交軸向運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)消除了軸與軸之間的干擾，可以使輸出信號避免受干擾信號的影響。L3G4200D量程可設(shè)定在±250dps到±2000dps，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。3.4.2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。圖6陀螺儀電路圖表表3L3G4200各引腳功能管腳名稱功能1VDD供電3－5.5VDC2SCL/SPCI2C串行時(shí)鐘/SPI串行時(shí)鐘3SDA/SDI/SDOI2C串行數(shù)據(jù)/SPI串行數(shù)據(jù)輸入/3-wire串行接口數(shù)據(jù)輸出4SDO/SA0SPI串行數(shù)據(jù)輸出/I2C設(shè)備最低位有效5CS模式選擇：1.I2C模式；0.SPI模式6DRDY數(shù)據(jù)就緒7詮釋可編程中斷8~12保留連接到GND13GND接地14PLLFILT鎖相環(huán)環(huán)路濾波器15保留連接到VDD16VDD電源3.4.3L3G4200陀螺儀工作特點(diǎn)L3G4200可提供三個(gè)不同的量程(±250/±500/±2000dps)供用戶選擇。它包括一個(gè)傳感元件和一個(gè)I2C接口，能夠檢測芯片的角速度，通I2C或者SPI兩種通信方式輸出16位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。兩種通信方式下，L3G4200均為從設(shè)備。本方案采用I2C串口通信，L3G4200D的從屬地址(SAD)是110100xb。SDO引腳可被用來修改設(shè)備的地址有效位。如果SDO引腳連接到高電平，LSB的地址1101001xb中的是，即為地址1101001b。相反，如果SDO引腳連接到地GND，則設(shè)備的地址LSB的值1101000b。對陀螺儀的操作步驟如下所示：對STM32F103VCT6、陀螺儀進(jìn)行初始化，配置各個(gè)寄存器；啟動(dòng)I2C總線，數(shù)據(jù)讀取；STM32F103VCT6發(fā)出應(yīng)答，讀數(shù)據(jù)有效；解析并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。3.5加速度計(jì)傳感器3.5.1ADXL345三軸加速度計(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量范圍(±2g,±4g,±8g,±16g)，可通過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)。該器件提供多種特殊檢測功能(袁西，2010)?；顒?dòng)和非活動(dòng)檢測功能通過比較任意軸上的加速度與用戶設(shè)置的閾值來檢測有無運(yùn)動(dòng)發(fā)生。敲擊檢測功能可以檢測任意方向的單振和雙振動(dòng)作。自由落體檢測功能可以檢測器件是否正在掉落。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)。ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用，它可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。其高分辨率，能夠測量不到的傾斜角度變化。3.5.2加速度計(jì)電路圖圖7所示為加速度計(jì)的電路圖，與STM32F103VCT6通過I2C接口連接。表4所示為ADXL345各引腳功能描述。圖7加速度計(jì)電路圖管腳名稱功能1VDD電源電壓2、4、5GND接地3保留保留，該引腳必須連接到Vs或保持?jǐn)嚅_6Vs電源電壓7CS片選8INT1中斷1輸出9INT2中斷2輸出10NC空11保留保留12SDO/ALTADDRESSSPI串行數(shù)據(jù)輸出/備用I2C地址選擇13SDA/SDI/SDIOI2C串行數(shù)據(jù)/SPI4線串行數(shù)據(jù)輸入/SPI3線串行數(shù)據(jù)輸入和輸出14SCL/SCLKI2C串行通信時(shí)鐘/SPI串行通信時(shí)鐘表4ADXL345各引腳功能3.5.3ADXL345工作特點(diǎn)本方案采用I2C串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，ADXL345支持標(biāo)準(zhǔn)(100kHz)和快速(400kHz)的數(shù)據(jù)傳輸模式。當(dāng)引腳SDO為高電平時(shí)，其I2C設(shè)備地址是0x1D，進(jìn)行寫操作時(shí)變?yōu)?x3A，讀操作時(shí)變?yōu)?x3B。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/O0.3V。3.6磁阻傳感器3.6.1HMC5883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，能測量地球磁場的方向和大小，其測量范圍從mgauss到8gauss。最大輸出速率可達(dá)160Hz，提供一I2C接口與主機(jī)通信。HMC5883磁阻傳感器是應(yīng)用特殊輔助電路來測量磁場。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(zhuǎn)變成一種差分電壓輸出。3.6.2HMC5883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。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。圖8磁阻傳感器HMC5883電路圖3.6.3HMC5883工作特點(diǎn)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(cè)模式加中斷的方式進(jìn)行，測量速率可達(dá)到160Hz。選擇測量模式為連續(xù)測量模式，采用I2C總線連接，測量速率取75Hz。HMC5883有12個(gè)寄存器，其中使用到的有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)。3.7ATmega16單片機(jī)模塊ATmega16單片機(jī)模塊由ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)組成，主要包括ATmega16單片機(jī)模塊、下載電路、復(fù)位電路和晶振電路。ATmega16單片機(jī)模塊電路圖如圖9所示。圖9ATmega16單片機(jī)模塊電路圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)4.1.1發(fā)送端流程初始化過程：進(jìn)行對STM32F103VCT6進(jìn)行基本配置，包括時(shí)鐘的配置和引腳的配置，初始化定時(shí)器，初始化并配置ADXL345傳感器和L3G4200傳感器，初始化無線模塊NRF24L01；對ADXL345傳感器進(jìn)行校正。讀取數(shù)據(jù)過程：在定時(shí)器中對傳感器ADXL345和L3G4200進(jìn)行定時(shí)采集數(shù)據(jù)，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波，濾波后的數(shù)據(jù)和定時(shí)的時(shí)間代入主程序中的四元數(shù)算法進(jìn)行計(jì)算，得出四個(gè)元素值和轉(zhuǎn)換為歐拉角。對得出的歐拉角數(shù)據(jù)進(jìn)行kalman濾波。發(fā)送數(shù)據(jù)過程：通過nRF24L01將kalman濾波后的數(shù)據(jù)無線傳輸。發(fā)送端程序流程圖如下圖10所示圖10發(fā)送端程序流程圖4.1.2中值濾波算法對按照時(shí)間輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，假設(shè)為對象為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。中值濾波流程圖如下圖11所示。

圖11中值濾波流程圖4.1.3四元數(shù)算法 四元數(shù)是由愛爾蘭數(shù)學(xué)家哈密頓首先提出來的數(shù)學(xué)概念。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，2005；葉锃鋒，2012)。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。應(yīng)用四元數(shù)時(shí)要進(jìn)行歸一化，即使它的模值為1。四元數(shù)微分方程為：(2)四元數(shù)微分方程(馮智勇，2011)可以實(shí)現(xiàn)四元數(shù)的更新，其中，是陀螺儀測得的角速度。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(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)。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。姿態(tài)矩陣可以用四元數(shù)描述為：(7)其中T可以簡化表示為：(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。4.1.4kalman濾波算法卡爾曼濾波公式主要由下述幾部分組成。預(yù)測方程：預(yù)測方程就是要由第k-1時(shí)刻的狀態(tài)值來對k時(shí)刻的的狀態(tài)估計(jì)值進(jìn)行預(yù)測。(12)上式是利用上一狀態(tài)預(yù)測的結(jié)果來估計(jì)X(k|k-1)，X(k-1|k-1)是上一狀態(tài)最優(yōu)的結(jié)果。濾波方程：濾波方程的目的就是利用第k-1時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值、第k時(shí)刻的觀測值和第k時(shí)刻的增益值，來估計(jì)第k時(shí)刻的狀態(tài)值(籍穎，2009)。(13)其中Kg為卡爾曼增益(KalmanGain)。增益方程：增益方程是用于更新卡爾曼增益Kg，P表示X(k|k-1)的協(xié)方差，則有：(14)濾波誤差協(xié)方差的推導(dǎo)：(15)(16)式中：I為1的矩陣，對于單模型單測量，I=1；P(k|k-1)是X(k|k-1)對應(yīng)的協(xié)方差，P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1)對應(yīng)的協(xié)方差；表示A的轉(zhuǎn)置矩陣；Q是系統(tǒng)過程的協(xié)方差(施聞明，2005)?？柭鼮V波的算法流程如下圖12所示。圖12kalman濾波算法流程圖

4.2.1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。單片機(jī)控制引腳CE為低，使nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式。將本機(jī)地址(TX_ADDR)通過SPI接口寫入nRF24L01，當(dāng)CSN為低時(shí)數(shù)據(jù)被不斷寫入。將通道0、1、2、3、4、5設(shè)置為接收模式來接收應(yīng)答信號，并且允許自動(dòng)應(yīng)答，自動(dòng)重發(fā)10次，間隔為。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2-5只需設(shè)置低8位地址，高32位地址與通道1相同，無需設(shè)置)，各通道接收數(shù)據(jù)長度設(shè)置為4個(gè)字節(jié)，各通道工作頻率設(shè)為2.4GHz(收發(fā)保持一致)，各通道發(fā)射速率為1Mb/s。接收端程序流程如圖13所示。圖13接收端程序流程圖5硬件電路5.1硬件制作硬件的制作由萬用板、PCB板和電子元器件組成。硬件的制作流程。首先在AltiumDesigner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。5.2硬件調(diào)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(fù)極以及電源之間是否有短路，并重點(diǎn)檢查地址總線、數(shù)據(jù)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(yīng)盡可能靠近單片機(jī)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(tǒng)中我們都進(jìn)行了仔細(xì)的檢查，所以此步驟不會(huì)發(fā)生故障，這一步如果檢查不細(xì)通電后可能會(huì)造成不可想象的后果，所以這一步也至關(guān)重要。通電后檢查各器件引腳的電位，仔細(xì)測量各點(diǎn)電位是否正常，尤其應(yīng)注意單片機(jī)的插座上的各點(diǎn)電位，若有高壓，將有可能損壞單片機(jī)仿真器。同樣，如果電壓過低就沒有能力驅(qū)動(dòng)其負(fù)載。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。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。還有USB電源供電電壓不足的問題，電源電壓經(jīng)過供電給負(fù)載，電壓下降0.5V，致使單片機(jī)工作不正常的問題。5.3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)。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。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)行波形顯示對比。其次調(diào)試液晶顯示，方便觀看其他各項(xiàng)調(diào)試結(jié)果。主要觀察液晶顯示屏是否能正常顯示。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比度沒調(diào)節(jié)正確。經(jīng)過改變變阻器阻值大小調(diào)節(jié)液晶屏幕的對比度，液晶顯示正常。再次調(diào)試無線收發(fā)電路。調(diào)試時(shí)先調(diào)試發(fā)送端，禁用自動(dòng)應(yīng)答功能，禁用自動(dòng)重發(fā)功能，通過讀狀態(tài)寄存器，查看發(fā)送成功標(biāo)志是否置位檢測是否發(fā)送成功。發(fā)送成功后，調(diào)試接收端，接收端也禁用自動(dòng)應(yīng)答功能，直接接收發(fā)送端發(fā)過來的數(shù)據(jù)并通過液晶顯示出來。5.4測試數(shù)據(jù) 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(shù)據(jù)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(diǎn)的曲線為俯仰角還沒經(jīng)過kalman濾波的數(shù)據(jù)曲線，線寬粗的曲線表示kalman濾波后的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)繪圖，含有圓點(diǎn)的曲線是翻滾角還還沒經(jīng)過kalman濾波數(shù)據(jù)曲線，線寬粗的曲線為翻滾角kalman濾波后的數(shù)據(jù)曲線。 圖15翻滾角Rool濾波前后對比圖 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。圖16偏航角kalman濾波前后對比圖 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。 通過四元數(shù)算法所得到俯仰角、翻滾角和偏航角的測量數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)做對比。如表5俯仰角實(shí)驗(yàn)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。在測出的五個(gè)數(shù)據(jù)中，絕對誤差保持在的范圍內(nèi)，相對誤差則不是在一個(gè)小范圍內(nèi)，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)絕對誤差相對誤差-36.1-9-60.0-011.9627.228.00.82.9445.00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)。在抽取五個(gè)測量數(shù)據(jù)中，絕對誤差保持在的范圍內(nèi)，相對誤差則不是在一個(gè)小范圍內(nèi)，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。表6翻滾角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)絕對誤差相對誤差-22.2-1-12.2-415.817.01.27.5933.9354.36 如表7偏航角實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)角度越大，絕對誤差就變大，相對誤差同時(shí)變大。表7偏航角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)絕對誤差相對誤差-135.0-0-90.0-9-45.0-445.0190.016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)對姿態(tài)角的監(jiān)測，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。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。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。還可以通過一些更好的濾波方式進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，已得到更精確的姿態(tài)角數(shù)據(jù)。

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附錄STM32F103VCT6主控模塊原理圖顯示模塊原理圖

表示誠摯的感謝！基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號檢測儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專用單片機(jī)核的可測性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測量儀的研制基于單片機(jī)的紅外測油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)信號的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動(dòng)譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)與Internet互聯(lián)的研究與實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機(jī)控制器的研究基于單片機(jī)γ-免疫計(jì)數(shù)器自動(dòng)換樣功能的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)嵌入式以太網(wǎng)防盜報(bào)警系統(tǒng)HYPERLINK"/detail.h