基于智能传感器网络的挖掘机动态测深系统的设计与实现

作     者：浦凯菲 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜国平

授予年度：2017年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：动态测量 无线传感器网络 数据融合 卡尔曼滤波 CC2530 

摘      要：挖掘机作为工程机械第一主力机种,使用量大,应用面广,在降低工程成本、保证工程质量、缩短工期和提高劳动生产率等方面发挥着重要的作用。挖掘机自动化是未来的发展趋势。本课题针对挖掘机自动化的发展状况和实际市场需求,设计并实现了一个基于智能传感器网络的挖掘机动态测深系统。该系统由传感器节点和显控终端两部分构成,组建了一个星型无线传感器网络。传感器节点测量挖掘机工作装置动臂、斗杆和铲斗的倾角,并通过无线通信网络发送给显控终端;显控终端作为汇聚节点,接收传感器节点发来的倾角值,并结合工作装置的机械尺寸,计算当前挖掘深度。同时显控终端集成了电子罗盘的功能,通过OLED屏显示实时挖掘深度和挖掘方向。该系统解决了驾驶员操作挖掘机时视野受限以及挖掘深度测量存在困难和安全性隐患等问题,有助于提高挖掘机作业质量和效率。本文在建立挖掘机深度和方向测量模型的基础上,根据系统需求确定了总体设计方案,然后完成了传感器节点和显控终端的软硬件设计。两者的硬件设计基本相同,都以微控制器CC2530为控制核心,设计了电源管理电路、传感器数据采集电路、射频天线、显示屏电路等。在硬件设计的基础上进行软件开发,以IAR为开发环境,主要实现了电池电量采集、传感器信号采集、无线数据传输等功能模块。在此基础上,针对倾角测量动态误差大的问题,提出了加速度计和陀螺仪信息融合的方法,设计了互补滤波器和卡尔曼滤波器,并对两者的滤波效果进行比较分析;针对电子罗盘罗差大的问题,采用了基于椭圆假设的误差补偿方法。最后对本设计进行了系统测试和分析。测试表明,该系统能够实现预期功能,具有实际应用价值。