1、1惯性传感器定位系统研究学 生： 指导老师：由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，图纸等，联系 153893706摘 要：针对农用机械特别是南方水田耕作机械在生产作业中定位难、制导精度不高的情况，为实现其定位精、自动化程度高的要求，提出了以 AT89C51 单片机为中央处理器和基于数字 PID 的控制算法的惯性传感器定位系统。该系统通过光电编码盘和陀螺仪进行数据采样，然后执行数字 PID 控制，输出控制量调节执行机构触发端的通断，从而实现对作业机械精确定位的控制。结果表明：将该惯性定位系统同单片机和数字 PID 控制算法结合使用，能提高系统的定位精度，达到南方水田耕作机械小面积作业的
2、定位要求。 关键词：定位；光电编码盘；陀螺仪；单片机；PID Inertial Sensor Positioning System ResearchStudent: Peng KaiTutor: Luo Yahui(Orient Science photoelectricity-coding-disk; gyroscope; singlechip; PID1 前言2012 年中央一号文件明确指出提高农业科技创新和推广能力，力争在关键领域和核心技术上实现重大突破。近年来，生物生产机器人开发、农业机械自动化、智能化是世界上农业工程领域研究的热点，尤其我国在国家“三农”政策的大力支持下，农业机械化、
3、自动化和农业机器人研究近几年来发展迅速。农业机械自动化是实现现代精细农业，提高生产率和减少施肥、施药的关键技术之一；实现农业机械自动化能有效减少农业劳动人口减少的影响。实时定位即找出作业机械在空间的位置，是完成其他任务的前提，同时也是实现生物生产机器人和农业机械自动移动的基础性难题。为突破这一基础性难题，研制一种构成和运用原理简单、成本低、应用性强的定位系统，有望改变农业机械自动导航定位系统基本依赖价格不菲的全球导航系统 GPS 的局面 1。航向和速度是确定水田耕作机械运动轨迹的重要参数，为实现南方水田耕作机械的定位和自动驾驶，必须对其进行精确定位和导航。世界各国采用不同方法对该技术进行了大量
4、研究，目前，应用较为广泛的定位系统有全球定位系统、无线电定位、视觉定位和惯性传感器定位等。在农用机械中，GPS 全球定位系统是运用最多的定位系统。高精度 GPS 定位系统复杂，造价昂贵，不适合南方水田小面积作业；而价格较低的 GPS 系统定位精度不够，无法对农业机械进行精确定位；且 GPS 在农业机械导航应用中存在一定的限制，如农田作业时，尤其在山区进行农田作业时，由于树林、山脉等障碍物阻碍微波传送，使 GPS精度明显下降；再者 GPS 不能在温室大棚室内使用，而温室农业是现代农业的重要组成部分。无线电定位由于其工作均与无线电波的传播有关，因此在一定程度上受气候、地形、位置和电磁干扰的影响；视
5、觉定位具有信息探测范围宽和目标信息完整等优点，但受恶劣环境的影响较大；惯性传感器是一种自主式3定位方法，完全依靠设备自主地完成定位任务，工作不受天气条件的限制，在短时间内定位精度高 2。为适应于南方水田小面积作业的耕作机械，提高定位精度，降低成本，本系统采用惯性传感器定位系统融合数字 PID 控制算法和单片机中央处理的方式，以编码盘和陀螺仪进行数据采样，经过转换后将结果传送给单片机，数据经单片机分析运算后存储起来，并与键盘的初始设定值进行比较，根据比较结果，通过一个执行机构对机械的速度和航向进行自动控制。在控制环节中，本系统采用的 数字 PID 控制算法来实现上述功能。传统的 PID 控制电路
6、结构复杂，需配合相应的控制电路才能对其进行控制，具有器件多、生产成本高、电路调试复杂的缺点。在该惯性传感器定位系统的设计中，运用单片机 AT89C51 进行数字 PID 运算能充分发挥软件系统的灵活性，具有控制方便、简单和灵活性大等优点，构成简单实用、成本低，使用范围、场所和工作时间不受限制，并且使机械的定位精度达到要求，实现自动控制 3。2研究意义及国内外研究现状惯性传感器定位系统随着惯性传感器的发展而发展起来的一门导航技术 ,它完全自主、不受干扰、输出信息量大、输出信息实时性强等优点使其在军用航行载体和民用相关领域获得了广泛应用。研究高精度高可靠性低成本的惯导系统对现代消费类应用，工业级军
7、工级应用都有极高的价值和意义。目前低精度 MEMS 惯性传感器作为消费电子类产品主要用在手机、游戏机、音乐播放器、无线鼠标、数码相机、PD、硬盘保护器、智能玩具、计步器、防盗系统、GPS导航等便携式。由于具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测量功能，有待挖掘的消费电子应用会不断出现 4。中级 MEMS 惯性传感器作为工业级及汽车级产品，则主要用于汽车电子稳定系统（ESP 或 ESC）GPS 辅助导航系统，汽车安全气囊、车辆姿态测量、精密农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表、工程机械等。高精度的 MEMS 惯性传感器作为军用级和宇航级产品，主要要求高精度、全温区、抗冲
8、击等指数。主要用于通讯卫星无线、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定性应用；飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用、以及中程导弹制导、惯性 GPS 导航等制导应用、远程飞行器船舶仪器、战场机器人等。4用作消费电子类的 MEMS 惯性传感器，主要要求是单价低、尺寸小、温度范围窄、因而精度要求低，甚至是功能性产品。加速度传感器重量轻、功耗小、一般测量范围110g50g，分辨率2mg10mg，陀螺一般量程在300/s，零偏在500/h1000/h，因此有些公司的产品不给出零偏指标或给出0.1/s0.5/s。目前可以生产 MEMS 加速度传感器的公司比较多，大多数为半导体、如美国的 ADI、Inv
9、ensense、ST、Freescale、Sensor Dynamics、MSI（ICSensor） 、MEMSIC（生产地在中国无锡）欧洲的 VTI、Infine，生产 MEMS 陀螺的公司美国的 ADI、Knoix、ST，欧洲的 Infine、Methes，日本的 Murata、National、冲电气、富士通。12月3日中国上海深迪半导体有限公司发布了消费类的 MEMS 陀螺，无锡一家公司也在研发中 5。工业级的惯性传感器大多以模块形式出现，对于应用于工业级芯片级产品，还必须进行处理，包括软件和硬件电路，以及对不同工业环境的适应性，大多数要求价格适中，精度一定优于消费类应用加速度传感器的
10、量程选择比较宽1500g，分辨率1mg3mg，陀螺量程大多250/s 以内，零偏在50/h200/h，汽车级可作为一个工业应用的特殊产品，对其可靠性要求高，同时由于需求数量大，和一般工业要求不一样的是单价要低。生产这些产品的公司有美国的 BEI、ADI、Silicon design、Honeywell、Delphi、MSI、Crossbow、Microstrain、欧洲的VTI、Colibry、Bosch、Sensonor，日本的北陆电气、SSS 公司，中国的西安中星测控。军工级或宇航级的 MEMS 惯性传感器精度要求高、工作温度范围宽（-45125） ，某些兵器产品要求抗冲击能力强（1000
11、0g20000g）尺寸要比光纤和机械类产品要小。加速度传感器量程范围宽1g5000g，分辨率要0.11mg，甚至更高。陀螺量程要求范围宽20/s1000/s,频响高，50Hz1000Hz，零偏稳定性为1/h50/h。目前制造商有美国BEI、Crossbow、Silicon design、Honeywell 、Drapor,，欧洲公司有Xsens、Sorsonor、Colibry、BAE，日本有 SSS 公司，中国有西安中星测控、电子26所、航天704所。5过去三年，全球 MEMS 惯性传感器的发展趋势正向两级化发展，一方面消费电子类应用、应用领域不断拓展、需求迅速提高，引来制造商不断增加，竞争
12、加剧，单价不断下降；另一方面，军用级应用，精度不断提高，单价上升很快.展望未来，惯性传感器定位系统的发展趋势主要有以下几个方面：技术方面：精度将不断提高，以陀螺为例，有替代低精度光纤陀螺的趋势。对消费类应用，更寻求进一步简化制造工艺，降低成本的趋势。同时，集成化也是未来发展的趋势，不仅模块制造商走软件、硬件集成的路子，越来越多的上游芯片厂家也走集成块的技术路线。因而不断有双轴、三轴加计、陀螺芯片问世。竞争力方面：消费类将竞争最为惨烈，新厂家将不断涌进，比投资、比规模将是必然趋势。上下游相互倾轧、收购、重组将会上演。合作方面：由于产品细分的缘故全球竞争与合作必然结果。上游厂家希望找到下游客户，下
13、游希望寻找合适的供应商，因而产业联盟可能出现。应用方面：无疑无论是消费类应用，工业级军工级应用，市场会急骤扩大，应用会越来越广泛 6。3 总体方案设计3.1 系统框架结构设计惯性传感器定位系统包括硬件电路和软件设计部分。硬件电路部分主要包括中央处理单元、编码测距单元、陀螺仪传感器单元、执行单元、键盘单元及显示单元等。由编码测距单元和陀螺仪传感器单元实时对机械的速度、位移和航向进行信息采集，经转换后把数据传送给中央处理器，中央处理器进行分析处理后，通过数字 PID 控制算法将指令送入执行机构进行机械的行进控制，并在显示电路进行数据显示。其总体框架图如下（图 1） 。中央处理单元键盘单元 显示单元
14、编码测距单元砣螺仪传感器单元执行机构被控对象6图 1 系统框架方案图Fig 1 The program plan of system framework软件部分主要完成信息采集，并由 AT89C51 单片机对编码测距和角速度传感器陀螺仪的相关数据进行分析，将得出的数据结果与设定值进行比较，采用PID 控制算法对执行机构实现控制，保证定位精度。3.2 定位试验平台结构组成轮式车辆有多种结构形式，常用的有三轮车辆和四轮车辆，相比较而言，四轮车辆结构复杂，设计试验周期长，所以本设计采用自制的前轮驱动并可转向的三轮小车进行试验研究。如下图 2 所示的试验小车实物图，试验用的小车为前轮驱动、转向并制动，
15、后轮随动型。试验小车由车架和控制器组成，控制器部分包括中央处理单元、传感器单元、执行单元、键盘和显示单元等。图 2 小车实物图Fig 2 Physical map of car试验小车的前轮驱动单元由带有直流电机的驱动轮和直流电机控制模块组成，采用一个 12V 的蓄电池供电；试验小车的执行单元包括转向和制动两部分，转向部分由转向电机、转向电机模块和转向轴组成，转向电机采用一个 12V 蓄电池供电，转向轴通过精密的自行车专用转向轴承与车架相连，保证其转向的精度，制动部包括刹车总成和刹车控制电路；传感器单元包括编码盘测距模块、陀螺仪角速度模块。 本设计采用惯性传感器定位方式，由编码盘和陀螺仪进行数
16、据采集，由中央处理器运算分析进行数字 PID 控制算法对执行机构进行控制来实现定位要求，7多按键式键盘为人机交互平台，液晶显示屏进行相关数据的显示。4 定位原理的设计4.1 编码盘测距4.1.1 编码盘测距方案原理设计编码盘是一种通过直接编码进行测量的元件，它直接把被测转角转换成相应的代码，指示其绝对位置。这种测量方式没有积累误差，电源切除后位置信息也不丢失。利用编码盘测距是一种传统的距离传感器测距方式，其实质是一种按一定的编码形式，如二进制编码，二十进制编码、格莱码或余三码等，将一个圆盘或直尺分成若干等分，并利用电子、光电或电磁器件，把代表被测位移量大小的各等分上的编码转换成便于应用的其他二
17、进制表达方式的测量装置。此编码测距定位系统是由安装在车轮上的码盘、检测装置和脉冲信号处理电路组成，车轮每转动一个固定角度，编码盘系统就输出一个脉冲信号，将检测到的脉冲信号送到单片机进行处理分析，根据脉冲总数乘以相关系数，就可以得到车轮在这段时间内行驶的距离，同时可以计算出车辆行驶的平均速度。编码盘的检测装置用的较多的是接近开关，其种类有电容式、电磁式、霍尔式、光电式及超声波式等。 所以，根据检测原理，相应的编码器可分为磁感应式、光电式和电容式等。综合考虑机械的动作环境、编码盘传感器价格和测量精度，选择磁感应式编码盘和光电编码盘分别进行设计试验，再根据试验结果，得出最佳编码测距方案选择。方案 1
18、： 磁感应式磁感应式编码盘又可称作霍尔式编码盘，其中的检测装置是一种磁传感器。用霍尔器件可以检测磁场及其变化，可在磁场有关的场合中使用。霍尔器件有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，功耗小，频率高（可达 1MHz） ，耐震动，不怕灰尘、油污及水汽等的污染或腐蚀。按其功能有有霍尔线性器件和霍尔开关器件两种，前者输出模拟量，后者输出数字量。本系统采用单片机处理，所以选用霍尔开关器。磁感应编码盘传感器具有结构简单、坚固和价格便宜等优点，并且能够恶劣的工作环境，使用较广泛。磁感应编码盘是利用基于电磁感应原理的非接触式接近开关进行测量，传感器由磁性材料和非接触式接近开关构成，磁性材料8安装
19、在载体上，与车轮同步旋转，当铁磁性材料制成 的磁钉经过接近开关时，磁阻减小，磁场增大，而当非磁性材料经过拾取头时，磁阻增大，磁场减弱，磁场变化产生感应电势，经过脉冲整形电路得到方波输出。测量电路对方波进行计数，乘以相关系数就将脉冲数转换为行驶距离。其测量系统框架图如图 3所示。为了以较高的精度采集编码盘测距信号，在试验小车的两个后轮上均安装上自制的编码盘，编码盘材料为有机玻璃，其上均匀安装磁钉作为信标，便于磁感应传感器在试验小车行驶时采集脉冲信号，如图 3 所示码盘旋转时，有磁钉正对霍尔器件的探头时，磁通密度改变，探头输出一个脉冲信号。磁感应传感器的输出为高低电平信号，可直接输入单片机 I/O
20、 口进行脉冲计数，用于测量其行走距离。但是在信号采集过程中，存在轮盘滑转等问题影响测量精度，因此必须采用合理的机械结构，以提高其精度。如下图 4 小车上的车轮实物图，码盘外围有磁钉窜过，码盘为有机机玻璃制作并与与车轮同心固定安装。图 3 测量系统框架图Fig 3 Measurement System Framework Chart9图 4 车轮实物图Fig 4 Physical map of wheel图 4 中后轮半径为 R，如果知道编码点为 m 个，中央处理单元在单次测量中记录得到的总脉冲数为 n，则通过计算得到测量距离 L 为：(1)RL2因本系统采用在试验小车的两个后轮上均安装编码盘，
21、因此在计算测量误差时是分别计算两个后轮的行驶距离，然后取其平均得到试验小车的行驶距离。在实际使用过程中，为避免单片机运算带来的误差，采用如下公式：(2)RminRiL2)(2其中，i=n/m 的整数部分。在实际使用过程中，设计 m 为 40 个，后轮整周长为 122cm，即半径 R 为 6.2317cm，为保证单片合适的运算速度，采用数据精确到小数点后两位进行计。方案 2：采用光电编码盘光 电 编 码 盘 ， 是 一 种 通 过 光 电 转 换 将 输 出 轴 上 的 机 械 几 何 位 移 量 转 换 成脉 冲 或 数 字 量 的 传 感 器 。 这 是 目 前 应 用 最 多 的 传 感
22、器 ， 此 系 统 采 用 的 光 电编 码 器 是 由 同 方 案 1 中 的 相 同 码 盘 和 光 电 检 测 装 置 组 成 ， 但 码 盘 上 外 围 小孔 不 再 装 有 磁 钉 ， 而 是 相 当 于 通 光 孔 。 码 盘 两 边 分 别 放 置 固 定 光 源 和 光 电 检测 器 件 ， 码 盘 旋 转 时 ， 当 外 围 小 孔 经 过 检 测 探 头 元 件 正 方 时 ， 探 头 输 出 一 个脉 冲 。 通 过 计 算 每 秒 光 电 编 码 器 输 出 脉 冲 的 个 数 就 能 反 映 当 前 车 轮 的 转 速 。采 用 的 光 电 编 码 盘 同 方 案 1
23、 的 电 磁 编 码 盘 其 实 质 原 理 是 一 样 的 ， 只 是 电 磁 编码 盘 采 用 的 是 电 磁 检 测 输 出 脉 冲 ， 而 光 电 编 码 盘 采 用 的 是 光 电 检 测 输 出 脉 冲 。所 以 ， 其 距 离 运 算 方 法 同 电 磁 编 码 盘 的 方 案 1 也 是 相 同 的 。4.1.2 编 码 盘 测 距 方 案 选 择 和 数 据 分 析在进行惯性定位试验之前，为测试编码盘的测距精度，进行了相关试验。试验在湖南农业大学八教南北之间平台进行，以皮尺作为标定，让试验小车直线行驶，分别行驶 5m、10m、15m、20m，将编码盘采集到的原始数据表（1）表
24、（2）在计算机上与实际值进行比较分析，作出图 5 所示的编码测距误差曲线图。10编码测距数据分别在小车行驶 5m、10m、15m、20m 时采集，每组测量 10次，以实际距离值减去编码盘采集距离数据，得到绝对误差曲线图。分析可知，其误差产生的主要原因为:1.试验小车在行驶过程中存在轮盘滑转问题导致测量值小于实际但；2.检测探头存在漏计脉冲产生的误差外，还具有起始误差，即计第一个脉冲时，试验小车实际行驶距离小于 3.05cm（122/40cm） ；3.公式（2）带来的运算误差。通过图 5 四组图可以看出：随着行驶距离的增加，其误差增大，但总体而言，其误差较低，测距精度较高。再对图 5 曲线 1、
25、2 进行对比可以看出，曲线2 比曲线 1 平滑，且峰值比曲线 1 来得低，说明该试验小车采用光电编码盘方案所带来的误差比采用电磁编码盘所带来的误差小，且误差波动平缓，所以本系统采用光电编码盘方案进行距离测量。此处已删除1112Y.059MHzC3pfP4678RST/XDINWALVEOGUKu B+串()-图 16 执行模块电路图Fig 16 The implementation of the module circuit6 软件方案设计6.1 数字 PID 控制流程为了实现高精确定位和自动控制，鉴于传统的 PID 控制电路元器件多、成本高、电路调试复杂等缺点，数字 PID 控制算法能充分发
26、挥软件的灵活性，具有控制方便、简单灵活、构成简单实用、成本低等优点且使用范围、场所和工作时间不受限制，在该惯性传感器定位系统设计中，采用数字 PID 算法，通过对中央处理器进行编程来实现执行机构的控制。其中执行机构指的是驱动电机和转向电机，驱动电机通过加减速、正反转等动作配合转向电机单元转向动作完成对试验小车的控制。其流程如图 17 所示。12执行模块初始化调当前坐标测量子程序调键盘处理子程序输入设定值调执行 PID 子程序有偏差无偏差当前值与设定值比较开始图 17 PID 控制流程图Fig 17 PID control flow chart在此流程中，设定值为通过键盘输入的人为预想坐标值，当
27、前值为系统采样运算处理后得出的试验小车当前坐标值。6.2 数字 PID 控制算法过程在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用 PID 控制技术最为方便。PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时问和微分时间的大小。PID 控制器参数
28、整定的方法概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数，但这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用但控制精度难以达到要求。13本惯性传感器定位系统的执行机构（试验小车车轮）和参数不能完全掌握，得不到精确的数学模型，固本系统采用模糊 PID 控制，通过试验情况调整修改来整定 PID 控制器的参数。其采用 PID 一般算式及模拟控制规律如式(7)所示：tDICdteTetKtu0)()(1)()(（7）式中：
29、u(t)为控制器的输出；e(t)为坐标偏差，即设定值与当前坐标反馈值之差； 为控制器的放大系数，即比例增益；TI 为控制器的积分常数； 为C DT控制器的微分时间常数，其数字 PID 算法的原理即调节 ， ， 三个参数CKI使系统达到稳定。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此在计算机控制系统中，必须首先对式(7)进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示,为书写方便，将 E(KT)简化成 E(K)则有：TKEtKEdte )1()1()( （8）njnjntte000 )()()(（9）将式(8)和式(
30、9)代入式(7)，则可得到离散的 PID 表达式:kjDIp KETEKP0 )1()()()(（10）式中:K c=KpT；t=T 为采样周期，必须使 T 足够小，才能保证系统有一定的精度(采样定理)；E(K) 为第 K 次采样时的偏差值； E(K-1)为第 K-1 次采样时的偏差值；P(K)为第 K 次采样是调节器的输出。该系统采用增量式 PID 控制算法，是指数字控制器输出的只是控制量的增量，该算法编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算快。根据递推原理可得：(11) kjDIp KETEKEP0 )2()1()()1()1(14用（10）式减去(11)式，可得增量式 PID 控
31、制算法：(12) )3()2()()1()( KEKETKEPDp7 PCB 板图绘制本设计的电路原理图和 PCB 板图是在 Altium 公司的 Protel DXP 2004 软件上进行的。在完成电路原理图后通过在 PCB 文件中元件生成、摆放、布线，查错等步骤完成了 PCB 板图的绘制。在 PCB 板图的绘制和制板过程中遵循了以下原则：走线最短原则。连线要精简，尽可能短，尽量少走弯路。在器件布局方面，把相互有关的器件尽量放昨近一些对于那些易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路和开关电路等到，应尽量使其离单片机的逻辑控制电路和存储电路ROM、RAM，增强电路板抗干扰能力，提高电路工作的可
32、靠必。在关键元件旁边安装去耦电容。关键元件要能有较大电磁干扰，对元器件的工作和寿命会有影响。接地原则。在单片机控制系统中，地线的布局将决定电路板的抗干扰能力，在逻辑电路印制电路板时，其地线构成闭环形式，且其地线尽量做得粗一些来减少地线电阻从而稳定地线的电流变化，保证主要地线宽度 2 至 3mm 以上，元件引脚地线 1.5mm 左右。导线尽量做宽。布线时使电源线、地线的走线方向与数据线走线方向保持一致。数据线应尽可能宽以减小阻抗。PCB 板电路图如 18 图所示，经过单片机程序的烧录就能进行惯性定们试验了。15图 18 PCB 电路图Fig 18 Schematic of PCB8 惯性定位试验
33、及结果分析惯性定位试验在湖南农业大学新图书馆前面的修业广场平台上进行，使试验小车以一定的速度按不同路线重复进行四次，将采集所得测量坐标输入计算机与并由计算机与实际坐标进行分析和处理，从而得到四组如图 23 所示的惯性定位坐标图（数据非常庞大，在此省略） 。16图 20 惯性定位坐标图Fig 20 The test picture of inertial positioning由试验结果得知，惯性定位方式在短时间内定位精度高，能满足南方水田短时间、小面积作业，但长时间工作时，会有累积误差的影响，时间越长累积误差越大。对其误差产生的原因进行综合分析，得出以下重要几点：1. 编码盘测距时轮盘滑转造成
34、的误差；2. 陀螺仪数据采集时存在漂移误差；3. 环境干扰产生的随机噪声干扰误差；4单片机 ATmega8L 的 A/D 转换精度低。9 结束语本文主要阐述了坐标测量的原理和各模块的实现方法，描述了基于数字PID 89C51 单片机定位方式的构造和实现，并进行了相关试验和数据分析。该惯性传感器定位系统能充分发挥单片机对定位信息的采集处理和增量式数字PID 控制算法的功能，可以比较灵活的调节控制信号的导通时间来控制驱动电机和转向电机定位动作。通过试验，该系统基本满足了南方水田小面积机械作业实时定位的要求，具有超调量小，振荡幅度小，设定值可以随时有按键人为设定等优点，同时该系统还避免了控制过程中的
35、不确定性，提高了系统的工作效率，理论和实践证明，该系统具有高可靠性、高性价比、控制简单等优点，大大提高了定位的精度。同时本文没有对其定位精度和软件编程等其它板块作更深层次的探讨和研究，现暂提出以下几个方面供日后进一步研究改进：首先，从提高定位精度考虑。对电源进行优化设计，提高 AVR 单片机 A/D转换精度或进行外置 A/D 转换；加强车轮防滑结构设计，提高编码盘计数精度；17优化程序设计，提高单片机运算精度和响应速度；优化程序和硬件电路滤波方法，降低脉冲和波动干扰；对电路板进行消噪音处理，增强电路抗干扰能力等。其次，从节约开发成本上考虑，再结合精度和稳定性两方面，降低元器件的选材成本和数量。
36、如本设计可以把编码盘模块和执行模块共用一个单片机进行处理，减少单片机的使用数量，驱动电机的驱动可以使用桥式电路，节约使用专用芯片的成本。最后，此设计用的定位传感器为非线性传感器，设想两种方案对测量坐标结果进行非线性误差修正。其一，对硬件电路采用改变电路结构的方式来消除其非线性定位误差；其二，采用数学和优化设计中的线性插值法把小车的实际运动曲线同测量曲线进行拟合，算出修正系数进行定位坐标修正。参考文献 1 秦曾煌.电工学第六版（上）M.北京：高等教育出版社,2003:30-40.2 秦曾煌.电工学第六版（下）M.北京：高等教育出版社,2003:25-45.3 赵建领.51系列单片机开发宝典M.北
37、京：电子工业出版社,2004:35-50.4 张爱民,刘燕军.怎样选用电子元器件M.北京：中国电力出版社,2006:15-25.5 张睿.精通Protel DXP 2004电路设计M.北京：电子工业出版社,2004:15-20.6 徐维祥.单片机微型计算机原理及应用M.大连:大连理工大学出版社,2002:5-10. 7 王建校,王建国.51系列单片机及C51程序设计M.北京:科学出版社，2002:18-24. 8 谷庆红.微机械陀螺仪的研制现状J.中国惯性技术学报,2003,05:10-80.9 王惠南.惯性导航原理与应用M.北京:科学出版社,2003:4-50.10 陈银溢.微惯性航向、姿态
38、系统研究D.中北大学,2005:24-30.11 郭军团.透射式光栅测试仪的设计和硬件实现D.西安电子科技大学,2005:7-24 . 12 俞竹青.一种光电编码器用可编程计数电路的设计.传感器技术,2002:224.13 罗文华,温廷敦.微机械陀螺测试技术的研究J.太原师范学院学报,2008:20-30.14 周年芳.惯性导航基本理论及发展研究D.沈阳理工大学学报,2011:5559.15 Skaloud J, Viret P. GPS/INS Integration J. European Journal of Navigation, 2004:4044.16 游新兆.全球卫星导航系统的进
39、展J.大地测量与地球动力学,2003,03:12-24.17 姜琳琳.高精度导航计算机实现技术研究J.航空计算技术,2011:24-30.18 Fusao K,Toshio I,Kunio K,et al.Multiturn absolute encoder using spatial filter.JSME18International Jouranal,1990,33(1):9499.19 Yuji M,Nobuhiko T,Tomoharu N,et al.Highperformance absolute rotary encoder using multitrack and M-cod
40、e.Optical Engineering,2003,42 (1):124 130.20 陶敏.移动机器人定位技术D.火力与指挥控制，2010:7478.21 张超.光纤陀螺工作原理及特性综述D.广西物理，2011:11-13. 22 王守信,宋仁杰.光电编码器应用技术概述J.电子技术应用,1987,02:16-20.23 苏海冰,刘恩海.单圈绝对式编码器的研制.光学 精密工程,2002,10(1):7478Su H B,Liu E H.Optics and Precision Engineering,2002,10(1):747814 张卡,盛业华,叶春等.车载移动测量系统的绝对标定及精度分
41、析J.武汉大学学报.信息科学版,2008，33(1):5559致 谢 本论文是在 XXX 老师的悉心指导和热情关怀下完成的，离开罗老师的指导，设计是不能够顺利进行的，首先要向我的指导老师罗亚辉讲师致以最诚挚的感谢，罗老师学识渊博、治学严谨，待人平易近人。在罗老师的悉心指导下，我不仅对以前所学的知识更熟练，而且更开阔了视野，也在怎样处人处事上受益匪浅；同时罗老师对工作的热情、一丝不苟、认真负责、实事求是的态度，给我留下了深刻的印象，也是我以后的学习榜样。同时，我还要感谢为我授课的各位老师，是他们的传道、授业、解惑，让我学到了知识，培养了能力。同时得到了 XXX、XXX 等师兄姐的帮助和大力支持，电路图的绘制、PID 控制参数的整定由胡文武等师兄帮助完成。此过程中不仅让自己所学得以实践和巩固，还使自己真真正正体会到了做科研的乐趣，至此对以上提及老师和师兄表示衷心感谢。附录附录 1：主电路原理图附录 2：编码盘模块电路原理图附录 3：陀螺仪模块电路原理图19附录 4：执行模块电路原理图附录 5：电路 PCB 图
