一种圆线圈磁场定位装置和方法
专利汇可以提供一种圆线圈磁场定位装置和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种圆线圈 磁场 定位 装置和方法，包括： 数据处理 及控制单元、D/A转换 电路 、驱动电路、保护电路、圆线圈、 电流 检测电路、滤波放大电路、A/D转换电路以及三轴磁 力 计。首先由数据处理及控制单元控制D/A转换电路按照码分多址的方式产生驱动 信号 给驱动电路，在保护电路的作用下驱动圆线圈产生低频变化的磁场，同时电流检测电路将通过圆线圈的电流信号经滤波放大和A/D转换电路后给数据处理和控制单元，构成电流控制的反馈回路。三轴磁力计将测量得到的磁场信息传给上位机进行 位置 和 姿态 的解算并显示。优点在于：圆线圈的结构简明，架设灵活，磁场利用率与冗余性高，求解 算法 不受非视距的影响，不需要离线指纹地图，抗干扰能力强。，下面是一种圆线圈磁场定位装置和方法专利的具体信息内容。
1.一种圆线圈磁场定位装置，其特征在于：数据处理及控制单元、D/A转换电路、驱动电路、保护电路、圆线圈、电流检测电路、滤波放大电路、A/D转换电路顺序连接，其中数据处理及控制单元与上位机连接，三轴磁力计也与上位机连接；
(1)数据处理及控制单元，主要由DSP处理器以及SDRAM存储器，FLASH存储器，电源等部分组成，一方面与上位机相连接，由上位机对其进行逻辑功能和数据处理功能的初始设定，另一方面与D/A转换电路和A/D转换电路连接，前者是控制D/A转换电路产生驱动信号，后者是通过A/D转换电路接收通过圆线圈的反馈电流信号；
(2)D/A转换电路，将数据处理及控制单元输出的数字信号转换为模拟信号，并作为驱动信号给驱动电路；
(3)驱动电路，主要由幅度放大、功率放大电路组成，将驱动信号进行放大处理，在保护电路的作用下驱动圆线圈产生低频变化的磁场；
(4)保护电路，由过压保护电路和过流保护电路构成，起静电保护和防止芯片以及圆线圈损坏的作用；
(5)圆线圈，是能够形成圆度、间距比较统一的磁场线圈，并按照一定拓扑结构固定在室内，根据驱动信号产生低频变化的磁场；
(6)电流检测电路，主要由分流电阻器和电流检测放大器组成，目的是将通过圆线圈的电流大小反馈给数据处理及控制单元；
(7)滤波放大电路，主要由仪表放大器和自动增益控制电路组成，将电流检测电路得到的信号进行滤波及幅度放大；
(8)A/D转换电路，负责将滤波放大后的模拟信号转换为供数据处理及控制单元处理的数字信号；
(9)三轴磁力计，用于测量传感器坐标系中三个正交的轴向磁场大小，可以是独立的测量设备，也可集成在移动终端设备中；
(10)上位机，主要是PC机或移动终端设备，通过串口或者USB与数据处理及控制单元和三轴磁力计分别相连，上位机利用三轴磁力计的输出数据进行位置和姿态的求解并将求解结果显示在上位机的交互式图形界面上。
2.根据权利要求1所述的一种圆线圈磁场定位装置，其特征在于：所述的数据处理和控制单元工作时，首先由上位机通过串口或者USB将初始的驱动数字信号和电流反馈控制程序下载到FLASH中，供DSP读取，然后通过D/A转换电路将数字信号转换为模拟信号给驱动电路，在保护电路的作用下驱动圆线圈产生低频变化的磁场，且通过圆线圈的电流信号经过电流检测电路经滤波放大和A/D转换电路后，将测量得到的模拟信号转换为数字信号给数据处理和控制单元，构成电流控制的反馈回路，而空间中的三轴磁力计则将测量得到的信号传给上位机进行位置和姿态的解算并显示。
3.根据权利要求1所述的一种圆线圈磁场定位装置，其特征在于：所述的驱动信号是利用码分多址(CDMA)的方式，按照金码序列周期性产生的信号。
4.一种用于圆线圈磁场定位的方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)在空间设定三维坐标系的原点(0,0,0)，建立空间直角坐标系，测量每个圆线圈相对原点的空间三维坐标，并将原点与每个圆线圈的三维坐标输入上位机；
(2)基于码分多址(CDMA)的通信结构，伪随机码选择组合码中的金码，给每个圆线圈分配不同的金码并设定相同的码宽Tc，N个圆线圈需要约 个不同的金码，设定金码周期为 的M个码片，并将每个圆线圈分配得到的金码和码宽信息输入上位机，N个圆线圈中，第i(i＝1,2,3,...,N)个圆线圈在空间直角坐标系的位置记为(xi,yi,zi)，分配得到T
的金码记为Ci＝[ci(1)ci(2)ci(3)…ci(M)]，其中ci(j)＝±1(j＝1,2,3,...,M)；
(3)金码中的“1”代表电流大小为I的正向电流，“-1”代表电流大小为I的负向电流，由上位机将分配给每个圆线圈的金码及电流反馈控制程序传给数据处理及控制单元，再由数据处理及控制单元控制D/A转换电路，同时生成驱动信号给每一个驱动电路，最后经过保护电路后周期性地驱动圆线圈，每个圆线圈就在空间中同时产生低频(0Hz-100kHz)变化的磁场，电流检测电路将通过圆线圈的电流信号经过滤波放大电路放大后，再通过A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号给数据处理及控制单元，利用电路反馈控制程序以提高流过圆线圈电流大小的精度；
(4)三轴磁力计在待测空间目标位置测量传感器坐标系中三个正交的轴向磁场大小，并将数据传给上位机进行位置和姿态的解算，最后将求解的位置和姿态信息在上位机上显示出来。
5.根据权利要求4所述的一种用于圆线圈磁场定位的方法，其特征在于步骤(4)中所述的位置和姿态的解算算法，具体实现步骤如下：
(1)用矩阵表示待测目标的位置和姿态参数；
待测目标的位置信息由相对空间三维坐标原点(0,0,0)的位置(x,y,z)描述，姿态信息由方位角α，俯仰角β，横滚角γ描述，姿态角可由姿态矩阵T表示，T为正交矩阵；
(2)利用毕奥萨伐尔定律构建圆线圈产生磁场的磁偶极子模型，圆线圈的半径为R，圈数为n，面积为s＝πR2，流过圆线圈的电流大小为I，则位于空间直角坐标系中的待测点P(x,y,z)用球坐标表示为 磁通量B为
-7
式(2)中，μ0＝4π×10 H/m，为真空的磁导率，re与θe分别为点P在球坐标系中r方向上与θ方向上的单位矢量，记第i个圆线圈在P点沿着某一方向v产生的磁通量大小为Biv；
(3)在一个完整的金码周期内，空间坐标系中N个圆线圈在P点沿着v方向产生的磁通量序列测量值记为：
式(3)中，bv为P点沿着v方向的磁通量偏差(包括地磁场在P点沿着v方向的磁通
量大小)，Mv是M×1的矩阵，写成矩阵表达式为
Mv＝AXv (4)
A为M×(N+1)的矩阵，Xv为(N+1)×1的矩阵，即
记Mv_est为P点沿着v方向的测量值，利用金码具有的优良自相关和互相关性能，通过最小二乘法，即可识别出P点的磁场是哪些圆线圈产生的磁场叠加产生的，具体计算公式为：
T -1 T
Xv_est＝(A A) AMv_est (6)
T
通过式(6)计算的结果为Xv_est＝[B1v_est B2v_est B3v_est…bv_est]，其中Biv_est的值越大，则说明第i个线圈距离P点越近；
(4)通过式(6)找出所有可能位于P点周围的圆线圈，定义测量值和计算值之间的偏差Dv为
Dv＝Mv_est-AXv_est (7)
并定义品质因数Q为
式(8)中std(Dv)与std(Mv_est)分别为Dv与Mv_est的标准差，品质因数的大小直接与P点周围最近的3-8个圆线圈的距离相关，Q值越大则说明所选择的圆线圈离P点越近，反之则越远；
(5)在首次进行解算或者在上位机计算能力足够的情况下，首先利用式(6)找出P点周围的圆线圈，再通过穷举的方式依次选择其中的3-8个圆线圈通过式(8)找出Q值最大的圆线圈组合进行之后的解算；
(6)解算前需要判别P点是否受到电磁感应的干扰，P点在空间坐标系中受到电磁感应干扰时沿着v方向产生的磁通量序列测量值记为
式(9)中， 是根据Ci中的码片变化而产
生序列，具体规则定义为，ci(j)到ci(j+1)为“-1”到“+1”时， 中的
ci(j)到ci(j+1)为“+1”到“-1”时， 为“-1”，ci(j)到ci(j+1)保持不变时，是根据 中的码片变化而产生序列，
具体规则定义为， 到 为“-1”到“+1”或“-1”到“0”时， 中的
为“-1”， 到 为“+1”到“-1”或“1”到“0”时， 为“+1”， 到
保持不变或为“0”到“+1”或“0”到“-1”时， 为“0”；
是根据 中的码片变化而产生序列，
具体规则定义为， 到 为“-1”到“+1”或“-1”到“0”时， 中的
为“-1”， 到 为“+1”到“-1”或“1”到“0”变化时， 为“+1”，
到 保持不变或为“0”到“+1”或“0”到“-1”变化时， “0”；
分别为因Ci， 中的码片变化而使P点在空间坐标系中沿着v
方向受到电磁感应干扰的大小；
Mv_emi为M×1的矩阵，写成矩阵表达式为
Mv_emi＝AemiXv_emi (10)
Aemi为M×(4N+1)的矩阵，Xv_emi为(4N+1)×1的矩阵，即
同样通过最小二乘法，去识别出P点的磁场是哪些圆线圈产生的磁场叠加产生的，具体计算公式为：
通过式(12)计算的结果为 比较式(6)
与式(12)的结果，若出现|Xv_est(j)-Xv_emi(j)|≥1.0mG，则说明P点附近存在电磁感应干扰，应利用式(12)得到的Xv_emi进行之后的解算，否则应利用式(6)得到的Xv_est进行之后的解算；
(7)在空间直角坐标系中，第i个圆线圈在点P(x,y,z)处沿着三个轴向产生的磁通量大小分别为
5
Bix＝3k(x-xi)(z-zi)/ri
5
Biy＝3k(y-yi)(z-zi)/ri (13)
2 2 2 5
Biz＝k[2(z-zi)-(x-xi)-(y-yi)]/ri
式(13)中，k＝μ0nIs/4π，
(8)第i个圆线圈在点P(x,y,z)处产生的磁场通过三轴磁力计进行测量，而三
轴磁力计是以传感器坐标系为基准进行测量，测量得到的三个正交的轴向磁场Bis＝[Bisx,Bisy,Bisz]T通过方向余弦矩阵转换到空间坐标系，具体计算公式为
式(14)中方向余弦矩阵中的元素满足
(9)在空间直角坐标系中第i个圆线圈在P点产生的磁通量大小为
在球坐标系下可简化为
由于 故
3
|Bi|≈1.5k/ri (18)
式(17)构成含有N+3个未知数(x,y,z,θi)的N个方程组，式(18)构成含有N个未知数ri的N个方程组，其中Bisx＝Bix_est或Bisx＝Bix_emi，Bisy＝Biy_est或Bisy＝Biy_emi，Bisz＝Biz_est或Bisz＝Biz_emi，取决于步骤(6)得到的结果。首先利用牛顿迭代法求解式(18)组成的方程组，分别求出ri的估计值 再利用 作为初值通过牛顿迭代法求解式(17)组成的方程组，得到N+3个未知数(x,y,z,θi)的估计值 由此得到P点在空间坐标系中
的估计位置；
(10)利用步骤(9)得到的P点位置(x,y,z)通过式(13)重新计算P点处的磁通量
定义矩阵 对E进行奇异值分解，得到
T
E＝USV (19)
由此得矩阵T的估计矩阵 为
由此对T中的方位角α，俯仰角β，横滚角γ进行估算
(11)判别P点附近是否存在磁性材料的干扰，定义残差
若不存在两个及以上|Ri|≥0.6mG的情况，则说明P点附近不存在磁性材料干扰的情况，由此解算结束，得到P点估计位置 与估计姿态 若存在两个及以上
|Ri|≥0.6mG的情况，则说明P点附近存在磁性材料的干扰，将此干扰产生的磁场矢量模型化为单一磁偶极子产生的磁场矢量，利用式(2)定义为Fi，并假设Fi≈Ri
式(23)中，kF是与磁性材料的大小、磁导率以及与P点距离相关的常数，
记 的单位向量为 定义磁性材料与三轴磁力计之间的方向向
量为u，其单位向量为ue，θFi为向量 与向量u之间的夹角。定义向量ni，使得选择|ni|中最大的两个向量分别记为nA与nB，其单位向量分别为nAe与nBe，对应的磁通量分别为 与 对应的θi分别记为θA与θB，则
ue＝nAe×nBe (26)
cosθFi与sinθFi通过以下公式计算
通过
求解
由此将kF与cosθFi及sinθFi带入式(23)即可得到Fi，从Bi中减去Fi后便得到P点减少磁性材料干扰后的磁场 即
将 带入步骤(8)至步骤(10)重新对位置和姿态进行解算，且解算频率为1Hz，由此解算结束，重新得到P点去干扰后的估计位置 与估计姿态
6.根据权利要求4所述的一种用于圆线圈磁场定位的方法，其特征在于步骤(4)中所述的位置和姿态的解算是独立进行的，相互之间没有耦合影响。
7.根据权利要求4所述的一种用于圆线圈磁场定位的方法，其特征在于步骤(4)中所述的位置和姿态的解算包含对电磁感应干扰与磁性材料干扰的优化。
一种圆线圈磁场定位装置和方法
技术领域
背景技术
发明内容
“+1”，ci(j)到ci(j+1)为“+1”到“-1”时， 为“-1”，ci(j)到ci(j+1)保持不变时，为“0”；
为“-1”， 到 为“+1”到“-1”或“1”到“0”时， 为“+1”， 到
保持不变或为“0”到“+1”或“0”到“-1”时， 为“0”；
为“-1”， 到 为“+1”到“-1”或“1”到“0”变化时， 为“+1”，
到 保持不变或为“0”到“+1”或“0”到“-1”变化时， 为“0”；
具体实施方式
分配得到的金码记为Ci＝[ci(1) ci(2) ci(3) … ci(M)]，其中ci(j)＝±1(j＝
1,2,3,...,M)；
圈的半径为R，圈数为n，面积为s＝πR，流过圆线圈的电流大小为I，则位于空间直角坐标系中的待测点P(x,y,z)用球坐标表示为 磁通量B为
“+1”，ci(j)到ci(j+1)为“+1”到“-1”时， 为“-1”，ci(j)到ci(j+1)保持不变时，为“0”；
为“-1”， 到 为“+1”到“-1”或“1”到“0”时， 为“+1”， 到
保持不变或为“0”到“+1”或“0”到“-1”时， 为“0”；
为“-1”， 到 为“+1”到“-1”或“1”到“0”变化时， 为
“+1”， 到 保持不变或为“0”到“+1”或“0”到“-1”变化时， 为“0”；
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