机械装备作业发展方向是智能化、效率化、可扩展化,由于作业姿态与路径监控等问题,机械装备作业机构在避障、路径规划任务中存在巨大的不足。论文针对农业机械作业机构的水平与高度智能控制、工程机械作业臂的姿态监测等需求,提出一种基于NRF(单片无线收发芯片)无线通信的机械作业机构姿态监测系统,利用陀螺仪、加速度传感器、地磁传感器等进行机械作业机构参数监测,通过无线通信方式实现机械作业机构的运动学和动力学姿态数据的传送,编写了相关姿态解算与预测算法,最后搭建了系统测试平台并进行了相关实验验证,主要研究内容如下:(1)分析工程机械特点,将工程机械作业机构抽象为n连杆串联结构模型,根据本文中所用传感器的检测原理、姿态监测基本原理和姿态解算理论,包括姿态角定义、姿态角表示方法、四元数更新算法,提出了基于陀螺仪+加速度传感器+地磁传感器的姿态解算算法,针对典型工程机械模型进行了MATLAB和ADAMS运动学仿真、验证。(2)阐述了相关各类传感器检测原理,根据本系统功耗需求进行了相关传感器和CPU的选型;针对作业机构的结构尺寸、电路板的散热需求等进行了数据采集模块、数据接收模块的硬件原理图设计,通过功能及扩展点电路介绍分析,完成了相应的PCB板设计,并印制和焊接了电路板。(3)针对系统所设计的串口通讯协议技术、数据处理技术、人机交互技术,进行相应的软件系统设计。串口通信技术主要包括NRF无线传输和串口有线传输两种通讯技术;数据处理技术主要包括姿态数据的滤波、姿态解算算法;为了满足动态的显示和人机交互,人机交互技术分别涉及了下位机显示界面、上位机数据显示界面、上位机动作显示页面。根据三种技术分别介绍了本系统的总体软件系统设计、部分子系统软件算法设计、MATLAB姿态验证算法,然后根据设计的算法进行软件平台的搭建,最后分析系统采集过程中存在的误差来源,并根据误差来源的特点进行误差标定和处理的算法。(4)开展姿态监测系统试验研究。设计了下位机界面显示与传感器接收试验、上位机数据接收与显示试验,试验结果表明达到了姿态监测系统的要求;进行了数据融合滤波试验,试验结果表明利用MPU6050+HMC5883L组成的数据融合算法消除了航向角的积分积累误差,并提高了其他姿态角的稳定性;四自由度机械臂路径规划试验,试验结果表明,姿态监测系统可以为工程机械提供精确、稳定的路径设计。