一种应用多传感器阵列的电磁定位系统的制作方法

本发明涉及一种应用多传感器阵列的电磁定位系统。

背景技术：

电磁定位系统广泛应用在3D仿真及运动物体跟踪方面，传统的电磁定位系统，由于传感器数量有限，同时因为环境电磁干扰比较多，从通信电磁信号，到电子产品的电磁干扰，包括大地的磁场干扰，都对于电磁测量和定位产生了很大的影响。

多传感器阵列的方式可以实现对于被跟踪对象的多点测量的同时，通过传感器阵列本身的物理和几何特性，根据多传感器实测数据的融合，先估算每个传感器计算出的位置坐标，再通过多传感器之间的固定位置和距离，校正由于受到干扰所造成的误差，提高测量的精度。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决传统电磁定位系统中单个传感器抗干扰能力差，测量精度低的缺点，提供了一种应用多传感器阵列的电磁定位系统，在无法校正和外部电磁干扰动态的情况下，及时通过物理位置的约束条件，实现空间坐标的修正。

为了解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种应用多传感器阵列的电磁定位系统，包括信号发射装置，信号接收装置，信号处理模块；其中，所述的信号发射装置，采用三轴磁场发生器结构，所述的三轴磁场发生器结构是由三个磁场源组成的多源系统，三个磁场源按照三个方向两两正交的的方式组合。

相比于单个磁场源的单源系统，可以较大的提高电磁系统的定位精度。

进一步的，所述的磁场源，是由信号发生器提供正弦波发射信号，驱动电磁线圈，产生磁场分布，根据磁场分布模型计算目标的空间位置参数，所述的电磁线圈可以根据测量范围的大小，选择不同的砸数，以达到满足要求的磁场强度。

相比于直流驱动和交流驱动，能够有效减小磁场中铁物质、外部静态磁场以及涡流对测量的干扰。

进一步的，所述的信号接收装置，包括多传感器阵列结构、置位/复位电路、信号放大和滤波电路；所述的多传感器阵列，是用集成的3的整数倍个磁阻传感器，实现对目标的定位和追踪，即将传感器和基件制作在同一个立体上实现多传感器的测量。

更进一步的，所述的多传感器阵列，还可采用以正方体为基体和以棱形体为基体的结构形式，以6个磁阻传感器阵列为例，包括两个三轴磁阻传感器模块；所述的三轴磁阻传感器模块，是由三个磁阻传感器按照三个相互正交的方向进行排列组成一个三轴正交的三轴传感器，分别测量三个正交方向的磁场强度，即x轴、y轴、z轴的磁场强度，总共测得两组目标姿态的数据。

所述的多传感器阵列，具有以下优点：扩大时空搜索范围，提高目标可探测性，改进探测性能；提高时间或空间的分辨率，增加目标特征矢量的维数，降低信息的不确定性，改善信息的置信度；增强系统的容错能力和自适应能力；随之而来的是降低推理的模糊程度，提高了决策能力，从而使整个系统的性能大大提高。

更进一步的，所述的置位/复位电路采用AD620作为放大器，增益范围为1-10000。

当传感器受到强电磁干扰导致传感特性遭到改变时，能够通过置位或复位脉冲产生一个瞬态的强恢复磁场来恢复或保持传感器的特性；所述的信号放大和滤波电路，放大电路是将接收到的信号进行放大处理，该电路只需一个外部电阻就可以设定增益，滤波电路是由高通滤波和低通滤波组成的带通滤波处理电路，能够有效减小噪声信号的影响。

进一步的，所述的信号处理模块，采用TMS320F28355DSP的片上ADC对传感器上输出的模拟信号进行采样及实时处理，依次采集两个三轴磁阻传感器上的电压信号，再经过移植到DSP中的定位算法以及传感器数据融合算法对目标进行定位；最后通过与上位机通信，将定位追踪结果显示到PC机上。

本发明创新的采用多传感器立体式阵列结构，其优点在于：

(1)提高了信息的可信度，利用多传感器能够更加准确地获得环境与目标的某一特征或一组相关特征，整个系统所获得的综合信息与任何单一传感器所获得的信息相比，具有更高的精度和可靠性。

(2)增加了目标特征矢量的维数，各个传感器性能相互补充，收集到的信息中不相关的特征增加了，整个系统获得了任何单个传感器所不能获得的独立特征信息，可显著提高系统的性能，使多传感器系统不易受到自然现象的破坏或外界的千扰。

(3)降低了获得信息的费用，与传统的单个传感器系统相比，在相同的时间内，多传感器系统能够获得更多的信息，从而降低了获得信息的费用，这在测量运动速度快的目标时尤为重要。

附图说明

图1总体结构图

图2电磁定位模型图

图3多传感器阵列结构1

图4多传感器阵列结构2

图5多传感器阵列结构3

图6多传感器阵列结构4

图7多传感器算法结构图

具体实施方式

以下结合附图与具体实施方式对本发明做更为详细的说明，并以6个传感器组成的立体阵列进行说明和实例。

图1为本发明总体结构图，由磁源组成的信号发生装置，产生需要的磁场强度模型，在信号接收装置中，多传感器阵列测量磁场强度，多个传感器组成两组三轴磁传感器，每组三轴磁传感器分别测得目标的六自由度姿态数据，经过放大和滤波电路对信号进行初步处理后，通过DSP片内ADC对信号进行采集传入DSP中，在DSP中通过定位算法以及传感器融合算法得到目标的姿态信息，最后DSP与上位机通信，在PC上显示定位/追踪结果。

图2为电磁定位模型，点O(a,b,c)为电磁定位系统中发射线圈的圆心坐标，H₀(m,n,p)为磁体的方向，则距发射线圈圆心距离为r处目标P(x,y,z)磁场强度为其中B_T＝μIR²/4为常量，μ是空气的磁导率，I为电流大小，R为发射线圈半径，r＝(x-a,y-b,z-c)且m²+n²+p²＝1；将磁场强度B分解可得到目标P(x,y,z)在x轴，y轴，z轴三个正交方向的磁感应强度分量B_x,B_y,B_z为：

待测目标经过旋转后三轴传感器三个正交的磁阻传感器测得3个磁感应强度为B'_x,B'_y,B'_z,定义旋转矩阵R＝Rot(z,γ)Rot(y,β)Rot(x,α)，则有：其中Rot(x,α)为绕x轴旋转角度α，Rot(y,β)和Rot(z,γ)同理；发射线圈在正弦信号的驱动下产生的磁感应强度为由法拉第电磁感应定律得：其中E为感应电动势，φ为磁通量，由此可得到三轴磁传感器每个正交方向的磁阻传感器产生的电压幅值为：E_x＝-ωS_xB'_x、E_y＝-ωS_yB'_y、E_z＝-ωS_zB'_z，其中S_x、S_y、S_z为三个磁阻传感器的线圈面积，由此便得到了三个磁阻传感器感应电磁信号与目标的六自由度信息方程。

图3为多传感器阵列的第一种结构，由6个磁阻传感器组成，分别放在一个边长为a的正方体每一个平面中心。几何特征是两个三轴磁传感器的距离是固定的同时两个三轴磁传感器之间对应的传感器的距离是a，而且对应传感器相互平行。

图4为多传感器阵列的第二种结构，由六个磁传感器组成，分别放在边长为a正方体相邻边的中点。两个三轴磁传感器在同一个平面上，几何特征是这两个三轴磁传感器的空间为距离

图5为多传感器阵列的第三种结构，由六个磁传感器组成，分别放在边长为a正方体每一个边的中点，两个三轴磁传感器位于立方体的对角上，几何特征两个三轴磁传感器坐标系的原点的距离是固定的

图6为多传感器阵列的第四种结构，与前三个结构不同的是，该结构是棱形体，由五个磁传感器组成，两个传接收器复用一个传感器。两个接收器的几何特征是共线，且距离为a。

所述的多传感器阵列的四种结构，无论采用几个传感器，但目的是一样的，就是能够保持空间的几何特征，作为先验知识对系统的测量结果或者说滤波结果进行校正。

图7为该多传感器阵列两个三轴磁传感器测量数据融合所采用的算法结构图，是一种基于奇异值分解和粒子滤波结合的多传感器数据处理算法。采用粒子滤波器得到每一个传感器的状态及方差的估计值，根据并估计出每个传感器的状态的权值。非系统运动规律在离散化状态方程及测量方程的基础上可模拟为：

y_k＝f(y_k-1,U_k,V_k) (1)

其中y_k是k时刻的状态向量，U_k是k时刻的系统的输入向量，V_k是均值为E[V_k]＝0过程噪声，是第m个传感器在k时刻的测量值，是均值为E[W_k]＝0测量噪声。应用到测量过程中可以得到的测量值估计出每一个传感器的状态向量y_k。对于多个传感器的状态的估计值可由以下的式子得到的估计：

是对第m各传感器的状态向量的估计值，是由N各传感器的状态的估计值得到的状态向量的融合值，是的权值，且对每个传感器的测量数据采用粒子滤波算法，得到每个传感器的状态的估计值及其方差选择方差最小的传感器的估计状态变量作为系统的状态变量估计；经过数据融合之后得到目标初步的定位结果，再根据两个三轴磁传感器的几何位置对结果进一步进行校正，得到最后结果。

多传感器能够更加充分帮助获得更多有关工作磁场的实际分布信息，尤其是如果电磁环境相对复杂，技术导体干扰比较多的情况下对测量的过程中的干扰有良好的敏感性。增加一组测量数据，能够很好的比对测量的误差实时环境磁场的分布。环境对两组传感器的影响是相同的，可以通过算法消除环境的影响，增强系统的抗干扰能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。