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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定位要求。 关键词：
2、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 & 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、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
7、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
8、、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
9、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
10、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
11、，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。 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
12、/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、Invensense、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
13、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
14、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（10000g20000g）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。过去三年，全
15、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
16、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编码测距单元
