專利名稱：一種高背景磁場下的磁定位方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高背景磁場下的磁定位方法及裝置，特別涉及背景磁場的大小和方向均 改變時目標(biāo)物體的磁定位方法及裝置。
背景技術(shù)：
根據(jù)磁場的某種特定分布，計算目標(biāo)物體位置或者姿態(tài)的方法為磁定位方法。隨著現(xiàn)代 工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，利用磁場分布進行目標(biāo)物體定位的應(yīng)用場合越來越多。磁定位方式不僅可 以應(yīng)用在航海導(dǎo)航以及手術(shù)導(dǎo)航中，還可以完成浮標(biāo)和水下裝置的定位、鉆井定位、航空定 位、與GPS集成用于輛導(dǎo)航等各個方面。
一般來說，磁定位方法有兩類 一類是磁源在目標(biāo)物體外，即環(huán)境空間中產(chǎn)生或存在特 定的已知磁場，目標(biāo)物體檢測自身位置的環(huán)境磁場信息從而進行定位，如在航海行車導(dǎo)航中， 利用地磁場分布特點設(shè)計的磁羅盤，可以確定輪船和車輛的當(dāng)前位置，完成定位的目的。中
國專利200810102766.5 "—種外場快速標(biāo)定微型多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)的方法"，提出了一 種微型多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)完成定位過程的方法，該系統(tǒng)包含二維傾角傳感器、微型磁羅 盤、3個硅MEMS陀螺儀以及3個硅MEMS加速度計，完成定位過程。
另一類是磁源在目標(biāo)物體內(nèi)，通過在目標(biāo)物體外部檢測磁源產(chǎn)生的磁場信息來進行定位， 如在手術(shù)導(dǎo)航中，磁定位系統(tǒng)利用置入人體的微小磁塊能夠精確地定位患者體內(nèi)物體的位 置。如中國專利200710074398.3 "—種跟蹤體內(nèi)微型裝置的方法及系統(tǒng)"、中國專利 200710045448.5 "永磁定位式胃腸道pH值24小時無創(chuàng)監(jiān)測系統(tǒng)"和中國專利 200580005138. X "用于磁定位設(shè)備的測量值的校正"，均根據(jù)目標(biāo)物體內(nèi)產(chǎn)生的特定磁場分 布進行目標(biāo)物體的定位。中國專利200710074398.3 "—種跟蹤體內(nèi)微型裝置的方法及系統(tǒng)" 通過人體外部的傳感器陣列檢測膠囊內(nèi)部永磁體的磁場分布信息以及射頻天線發(fā)射的信息， 進行綜合定位，能獲得永磁體的6維位置和方向信息，其永磁塊磁場分布模型采用等效偶極 子模型。中國專利200580005138,X"用于磁定位設(shè)備的測量值的校正"中的目標(biāo)物體內(nèi)部的 場發(fā)生器通過激勵線圈的形式，產(chǎn)生所需的磁場信息。通過磁場傳感器的信號測量得到空間 某點的磁場幅值，計算得到目標(biāo)物體的位置和方向信息。
本發(fā)明的磁定位屬于磁源在目標(biāo)體內(nèi)的磁定位?，F(xiàn)有的磁源在目標(biāo)體內(nèi)的磁定位方式均 在地磁場環(huán)境中進行，沒有涉及到高的背景磁場，特別是大小和方向均變化的背景磁場下的
4磁定位。當(dāng)存在變化的高背景磁場時，以及背景磁場為旋轉(zhuǎn)磁場時，現(xiàn)有的磁定位方式將不 再適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)無法適用大小和方向均有變化的高背景磁場環(huán)境的缺點， 提出一種高背景磁場下跟蹤目標(biāo)物體的方法和裝置。
本發(fā)明方法利用背景磁場大小和方向均相同的空間對稱位置點處的磁場強度相減后所得 的差值，以及永磁塊空間磁場分布情況，采用差分磁定位算法，計算得到永磁塊的位置和姿 態(tài)，完成高背景磁場下的目標(biāo)物體的定位。
本發(fā)明方法克服了現(xiàn)有方向和大小均有變化的高背景磁場對磁定位的干擾，可在大小和 方向均有變化的高背景磁場下實時跟蹤磁目標(biāo)物體，并實時顯示磁目標(biāo)物體的運動軌跡、方 向信息及運動速度，進行準(zhǔn)確、可靠以及實時的目標(biāo)物體定位。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
本發(fā)明所定位的目標(biāo)物體固定有永磁塊，永磁塊的空間磁場分布為一恒定值。本發(fā)明的 方法為選擇背景磁場大小和方向均相同的兩位置點處布置傳感器組，傳感器組檢測背景磁場 以及目標(biāo)物體永磁塊的磁感應(yīng)強度，采用差分放大電路將傳感器組中差分傳感器和被差分傳 感器所檢測得到的相等的背景磁場磁感應(yīng)強度作為共模信號相減，剔除高背景磁場，得到兩
傳感器位置點處目標(biāo)物體永磁塊的磁感應(yīng)強度差值；由N (N25)組傳感器組測量得到包含 N (N25)個磁感應(yīng)強度差值的磁感應(yīng)強度差值向量；采用差分磁定位算法，得到差分磁定 位方程組；將包含目標(biāo)物體永磁塊位置和姿態(tài)變量的差分磁定位方程組與實際測量所得的磁 感應(yīng)強度差值向量建立目標(biāo)函數(shù)；采用非線性優(yōu)化算法求解目標(biāo)函數(shù)，即可獲得目標(biāo)物體永 磁塊的三維位置和二維姿態(tài)，完成目標(biāo)物體的定位過程。
所述的差分磁定位算法可以將目標(biāo)物體定位中的大小和方向均有變化的高背景磁場的影 響去除，實現(xiàn)高背景磁場下的目標(biāo)物體的磁定位。當(dāng)背景磁場較之磁定位所用的永磁體的磁 場強度要高許多時，現(xiàn)有的磁定位方法在使用時會遇到弱信號被強信號湮沒的問題，從而影 響定位的準(zhǔn)確性。為此，針對大小和方向均有變化的高背景磁場下的磁定位問題，本發(fā)明提 出了一種差分磁定位算法。永磁塊在非磁性空間內(nèi)，如空氣，其空間磁場為靜態(tài)場，是一恒 定分布。只要知道目標(biāo)物體永磁塊的空間磁場分布的相關(guān)參數(shù)，就可以得到目標(biāo)物體的永磁 塊在空間的磁場分布情況。為了計算目標(biāo)物體的永磁塊的磁場分布情況，首先要先確定永磁 塊的空間磁場數(shù)學(xué)模型，如多偶極子模型。在大地坐標(biāo)系下，確定目標(biāo)物體永磁塊的空間磁 感應(yīng)強度分布矢量為5(or) = 5(x,y,z,e，p) (1)
式(l)中，J5(")為目標(biāo)物體永磁塊的磁感應(yīng)強度；Xj;,Z為目標(biāo)物體永磁塊的位置變量；0# 為目標(biāo)物體永磁塊的磁矩方位角變量；a=(XJ;，ZAW。
在高背景磁場下，目標(biāo)物體永磁塊和背景磁場的空間磁感應(yīng)強度分布可以表示為
5A=, + 5' (2) 式(2)中，5A為高背景磁場下的磁感應(yīng)強度；5(a)為目標(biāo)物體永磁塊的磁感應(yīng)強度；5'
為高背景磁場的磁感應(yīng)強度。 .
在高背景磁場下，傳感器測量到的磁感應(yīng)強度包含了強的背景磁場磁感應(yīng)強度和弱小的 目標(biāo)物體永磁塊磁感應(yīng)強度。為了去除傳感器中強的背景磁場信號，保留弱的永磁體磁場信
號，在目標(biāo)物體的工作區(qū)域外部，選擇背景磁場的大小和方向均相等的兩位置點A(xl,yl,zl) 和B(x2，y2,z2)。 A和B位置點一旦確定，兩位置點的坐標(biāo)即為已知。在位置點A和B處分 別布置第A:組傳感器的被差分傳感器/和差分傳感器/+1 ，其中/=2/t-l 。在永磁塊磁場和背景 磁場共同作用下，分別布置在A和B兩位置點處的第A:組傳感器組中的被差分傳感器/和差 分傳感器/+1檢測的傳感器組敏感軸方向上的磁感應(yīng)強度分別為5a,和5a,+1。在Sa,和SA/+I
中，傳感器組敏感軸方向上的背景磁場的磁感應(yīng)強度分別為&'和A+r，且A'-^+r。采用差 分放大電路，使得兩傳感器檢測到的高背景磁場的磁感應(yīng)強度a'和a+r作為共模信號被剔
除，而與目標(biāo)物體永磁塊相關(guān)的磁場信息差值保留了下來。磁感應(yīng)強度5A,和5AW相減后得 到敏感軸方向的磁感應(yīng)強度差值可以用兩位置點處的目標(biāo)物體永磁塊的磁感應(yīng)強度來表示
SA"(a) = 5(,)A(a)-B(考(a) (3)
式(3)中，A,"a)為第A組傳感器組中被差分傳感器所在位置處的永磁塊磁感應(yīng)強度；
瑪w)i(a)為第A組傳感器組中差分傳感器所在位置處的永磁塊磁感應(yīng)強度；5"V")為第A組傳 感器組檢測到的磁信號相減后其敏感軸方向上的磁感應(yīng)強度差值，其中^1，2，...,>^， N^5; n 為傳感器組的敏感軸方向分量，n={i,j,k}。
對于具有N組傳感器組的傳感器陣列，其差分磁定位方程組為-
= (4)
式(4)中，B (a)為第A組傳感器組在放大電路中共模相減后其敏感軸方向上的磁感應(yīng) 強度差值，^1，2,3,...,N， 1^5; n為傳感器組的敏感軸方向分量，n={ij，k}; J5d(a)為N組傳 感器組差分相減后其敏感軸方向上的磁感應(yīng)強度的差值向量；式(4)為N組差分磁感應(yīng)強度 方程(3)所組成的差分磁定位方程組。上述非線性方程組中的未知量為目標(biāo)物體永磁塊的三維位置(x,;Kz)和二維姿態(tài)(a伊)變量。
將包含永磁塊位置和姿態(tài)變量(;c，;^，《^)的差分磁定位方程組(4)與傳感器組實際測量所 得的磁感應(yīng)強度差值之間建立關(guān)于未知變量的函數(shù)關(guān)系式，即目標(biāo)函數(shù)/a)。采用非線性優(yōu) 化算法求解目標(biāo)函數(shù)/a)，即可獲得目標(biāo)物體永磁塊的三維位置(x，乂z)和二維姿態(tài)(ft0，完成 定位過程。
本發(fā)明裝置包括傳感器陣列、信號處理模塊、數(shù)據(jù)處理及算法系統(tǒng)。 所述的傳感器陣列由單軸的GMR傳感器或者霍爾傳感器組成。兩個傳感器組成一傳感 器組，共N組傳感器組，N^。在目標(biāo)物體的工作區(qū)域外部的空間對稱位置，選擇背景磁場 相等的兩個位置點處布置一組傳感器組，共有N組位置點。傳感器組中的兩個傳感器的敏感 軸方向一致，各傳感器組的傳感器敏感軸方向布置在三個兩兩垂直的方向上。傳感器組的布 置要覆蓋目標(biāo)物體運動的整個區(qū)域。傳感器陣列一旦布置完成，即可獲得各傳感器的空間位 置和敏感軸方向。傳感器陣列測量各傳感器位置點處的背景磁場和永磁塊的磁感應(yīng)強度，并 將測量信號傳輸給信號處理模塊。
所述的信號處理模塊包括差分放大電路、同相放大電路、低通濾波、A/D轉(zhuǎn)換單元、采 樣數(shù)據(jù)存儲單元。傳感器組的被差分傳感器和差分傳感器測量的磁場信號分別通入差分放大 電路差分放大器的"+"和"-"兩個輸入端，通過差分放大電路，將兩傳感器測量的敏感軸 方向上相等的背景磁場剔除，得到只含有永磁塊磁場信息的差值信號。差值信號再經(jīng)過同相 放大電路進行二次放大。二次放大的差值信號經(jīng)過低通濾波電路進行濾波。之后進行A/D轉(zhuǎn) 換單元送至計算機存儲。 一組傳感器組均對應(yīng)一路差分放大電路、同相放大電路、低通濾波 以及A/D轉(zhuǎn)換單元，每一路差分放大電路、同相放大電路、低通濾波以及A/D轉(zhuǎn)換單元為 一路信號處理通路，共有N路信號處理通路，NS。信號處理模塊將傳感器陣列測量的磁感 應(yīng)強度信號進行信號處理并存儲。N路信號處理通路的多個采樣點存儲為F^F^，其中，n 為傳感器組相應(yīng)的敏感軸方向，ne(g，k); A為傳感器陣列的組數(shù)，A=1，2,...，N，論5。
數(shù)據(jù)處理及算法系統(tǒng)先將信號處理模塊傳送的各傳感器組的差值數(shù)據(jù)F進行數(shù)據(jù)處理， 得到盧={^"}。將目標(biāo)物體的起始位置和姿態(tài)的估計值oc。(;c。j;t),zc),化,的)作為起始位置和姿態(tài)
點的初始值，采用差分磁定位算法計算得到起始位置和姿態(tài)a";q,"力,A,w)。當(dāng)前點的位置
和姿態(tài)OU^:^Zn^n^nO的定位，根據(jù)上一點位置和姿態(tài)的計算值OCrUXm.！,;^，Zm-i，^-，H) 確定當(dāng)前點的位置和姿態(tài)的優(yōu)化算法的初始值，根據(jù)差分磁定位算法計算得到當(dāng)前點的永磁 塊的位置和姿態(tài)OCm(;Cn^n^m^m，^0。完成目標(biāo)物體整個運動過程的定位。
本發(fā)明的積極效果是
71. 傳感器陣列由傳感器組組成，各傳感器組均由差分傳感器和被差分傳感器所構(gòu)成。傳 感器組布置在目標(biāo)物體的工作區(qū)域外部，傳感器組的兩傳感器布置在背景磁場的大小和方向 均相同的兩空間對稱位置點處。傳感器組中差分傳感器和被差分傳感器檢測到背景磁場的磁 感應(yīng)強度是相等的，通過信號處理模塊中的差分放大電路可以將傳感器組中大小和方向均相 等的背景磁場去除。傳感器可采用GMR傳感器或霍爾傳感器。
2. 采用差分磁定位算法，將磁定位的使用范圍擴展到大小和方向均有變化的高背景磁 場下的定位。因此，本發(fā)明可以應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動的磁性微型機器人的磁定位。
3. 通過傳感器陣列及信號處理系統(tǒng)得到磁信號的差值，采用差分磁定位算法，將大小 和方向均改變的高背景磁場信息剔除，保留了微小的目標(biāo)物體永磁塊磁場信息，克服了背景 磁場的干擾，快速準(zhǔn)確地得到目標(biāo)物體的三維位置和二維姿態(tài)。使得在大小和方向均有變化 的高背景磁場下的磁定位具有高的準(zhǔn)確性。


圖1為傳感器陣列的布置示意圖，圖中6磁場，ll傳感器，12傳感器組，121傳感器 組的差分傳感器，122傳感器組的被差分傳感器；
圖2為差分磁定位示意圖，圖中121傳感器組的差分傳感器，122傳感器組的被差分 傳感器，5永磁塊，61背景磁場，62永磁塊磁場；
圖3為磁定位裝置框圖，圖中1傳感器陣列，2信號處理模塊，3數(shù)據(jù)處理及算法系統(tǒng)， ll傳感器，12傳感器組，21差分放大電路，22同相放大電路，23低通濾波電路，24 A/D 轉(zhuǎn)換單元；
圖4為差分放大電路示意圖，圖中121傳感器組的差分傳感器，122傳感器組的被差 分傳感器，21差分放大電路；
圖5為本發(fā)明裝置流程圖6為目標(biāo)物體運動的實際軌跡及磁定位軌跡結(jié)果。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。
本發(fā)明用于大小和方向均改變的高背景磁場61下的目標(biāo)物體的磁定位。目標(biāo)物體內(nèi)部 固定有永磁塊5。本發(fā)明包括傳感器陣列l(wèi)、信號處理模塊2和數(shù)據(jù)處理及算法系統(tǒng)3，如圖 3所示。
所述的傳感器陣列1中的傳感器采用GMR或者霍爾單軸傳感器，測量各傳感器敏感軸方向的背景磁場和目標(biāo)物體永磁塊的磁感應(yīng)強度，如圖3所示。傳感器陣列-1由N組傳感器' 組組成，N^5。每組傳感器組均由兩個傳感器構(gòu)成，傳感器組的數(shù)量多于或者等于纟組，傳 感器總個數(shù)大于或等于10個。選擇背景磁場大小和方向均相同的兩空間對稱位置點處，布 置傳感器組。各傳感器組中的傳感器敏感軸方向布置在三個兩兩垂直的方向上，每組傳感器 組中的兩個傳感器敏感軸的布置方向是一致的。傳感器陣列1布置在工作區(qū)域外部，傳感器 組的布置位置和傳感器敏感軸方向要覆蓋目標(biāo)物體運動的整個工作區(qū)域，使得永磁塊在工作 區(qū)域內(nèi)任何位置和姿態(tài)均能被傳感器陣列很好的檢測。圖1所示為傳感器陣列1布置工作空 間中的傳感器組12的位置和敏感軸方向示意圖。如圖l所示，8組傳感器組12①-⑧的位置 為①-⑧所對應(yīng)的實線和虛線所在的位置。實線表示的傳感器11為傳感器組12中的差分傳 感器121，虛線表示的傳感器11為傳感器組12中的被差分傳感器122。差分傳感器121和 被差分傳感器122組成一組傳感器組12。在圖1中，每組傳感器組12的布置位置如數(shù)字① -⑧所對應(yīng)的實線和虛線所在的位置。數(shù)字①-⑧分別對應(yīng)的實線和虛線所在的位置點為背景 磁場大小和方向均相同的兩空間對稱位置點，共8組背景磁場大小和方向均相同的兩空間對 稱位置點。
由傳感器陣列1測量得到傳感器11布置位置點處的背景磁場和目標(biāo)物體永磁塊的磁感 應(yīng)強度信號，傳輸?shù)叫盘柼幚砟K2中，經(jīng)過差分放大電路21、同相放大電路22、低通濾 波電路23、 A/D轉(zhuǎn)換24后，由PCI總線傳送至計算機內(nèi)存儲，如圖3所示。信號處理模塊 2由信號處理通路組成，每路信號處理通路均由差分放大電路21、同相放大電路22、低通濾 波電路23、 A/D轉(zhuǎn)換24組成。信號處理通路數(shù)與傳感器組數(shù)相等，每組傳感器組對應(yīng)一路 信號處理通路，共N組信號處理通路，N^5。第A組傳感器組12中被差分傳感器122和差 分傳感器121檢測到的背景磁場61和永磁塊磁場62的磁感應(yīng)強度信號u(,)a和u(,+w，傳送至 差分放大器的"+ "和"-"兩輸入端，如圖4所示。經(jīng)過差分放大電路21，將差分傳感器 121和被差分傳感器122檢測到的磁信號u(^和u(,+w相減，把傳感器組在差分傳感器 121和 被差分傳感器122位置點處檢測到的相等的高背景磁場61去除掉，保留下了弱小的永磁塊 磁場62的磁信號差值。傳感器組中兩傳感器位置處的磁信號相減后的差值，再經(jīng)過同相放 大電路22進行二次放大。經(jīng)過兩次放大的磁信號經(jīng)低通濾波23，將引入到磁檢測信號中的 高頻噪聲濾去，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換24后將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過PCI總線，傳送至 計算機內(nèi)。N路信號處理通路的連續(xù)20個磁感應(yīng)強度的差值存儲為i^(i^M，其中，n為傳 感器組相應(yīng)的敏感軸方向，nE(i丄k); A為傳感器陣列的組數(shù)，^=1，2，...，N， NS5。
數(shù)據(jù)處理及算法系統(tǒng)3對F進行數(shù)字信號處理，并采用高背景磁場下的差分磁定位算法， 計算得到永磁塊的三維位置和二維姿態(tài)，并顯示目標(biāo)物體的定位結(jié)果，如圖3所示為了提高整個磁定位系統(tǒng)的抗干擾性，去除外部磁場擾動對磁信號差值的影響，首先數(shù) 據(jù)處理及算法系統(tǒng)3將磁感應(yīng)強度差值F={f\}進行平均，得到處理之后的數(shù)據(jù)向量 F當(dāng)背景磁場61較之磁定位所用的永磁體的磁場強度62要高許多時，現(xiàn)有的磁定
位方法在使用時會遇到弱信號被強信號湮沒的問題，從而影響定位的準(zhǔn)確性。為此，針對高 背景磁場下的磁定位問題，本發(fā)明提出了一種差分磁定位算法。差分磁定位算法根據(jù)永磁塊 5在非磁性空間內(nèi)，如空氣，其空間磁場為靜態(tài)場，是一恒定分布。這樣，只要知道永磁塊 5空間磁場分布的相關(guān)參數(shù)，就可以得到永磁塊5在空間的磁場分布情況。為了計算永磁塊 5的磁場分布情況，首先要先得到永磁塊5的空間磁場數(shù)學(xué)模型，如多偶極子數(shù)學(xué)模型。當(dāng) 永磁塊5的尺寸遠小于檢測點到永磁塊中心的距離時，永磁塊5可以采用多偶極子數(shù)學(xué)模型。 在大地坐標(biāo)系下，永磁塊5的位置表示為(xj^)，采用方位角表示磁矩為附W伊)。永磁塊5 的位置和姿態(tài)信息可以表示為a(Jcj^",W。偶極子個數(shù)越多，越接近真實永磁塊的空間磁場 分布?？紤]到計算時間，本實施例采用三個偶極子模型。永磁塊5空間磁場分布的三偶極子 數(shù)學(xué)模型中，三個偶極子的磁矩均采用永磁塊5偶極子的磁矩代替，進一步對多偶極子數(shù)學(xué) 模型進行簡化，得到永磁塊5的三偶極子模型的空間磁感應(yīng)強度的數(shù)學(xué)表達式如公式(5)。
4兀
(附.")/\ (/ . r2 )/"2 (附.,3 )/*3附 柳 附
-------1--:--h---^----
(5)
r2 r33r'>2 >3
式(5)中，挑為永磁塊5的磁矩，附-(msin6teos伊,msin0sin伊，mcos(9),式中m為永磁塊5的 磁矩大小，永磁塊一旦確定，m的值為一已知值，(S伊)為永磁塊5的姿態(tài)信息；n、 /"2、。 為三個偶極子源點到檢測點的矢徑；n、 ^、 ^為三個偶極子源點到檢測點的距離；)Li。為真 空磁導(dǎo)率；n為圓周率。令i"為永磁塊中心點到檢測點的矢徑。r為永磁塊5中心點到檢測點 的距離。由r可以確定n、 r2、 / 3，如式(6)所示
^=r + L32 (6) 式(6)中，L21為偶極子2到偶極子1的矢徑；L32為偶極子3到偶極子2的矢徑。永磁塊
尺寸一旦確定，L^和L32即可確定。
在高背景磁場61下，為了去除傳感器中檢測到的強的背景磁場信號，保留弱的永磁體 磁場信號，選擇在背景磁場61的大小和方向均相等的兩位置點處布置一組磁傳感器組，在 目標(biāo)物體工作區(qū)域外部共N組傳感器組，2N個傳感器。其中第財卜1,2,…,N)組的被差分傳 感器122/和差分傳感器121/+1(/=211)的差分方式示意圖如圖2所示。被差分傳感器122/和 差分傳感器121!'+1分別布置在背景磁場61大小和方向相同的兩空間對稱位置點處。在永磁體磁場62和背景磁場61共同作用下，被差'分傳感器122/和差分傳感器121/+1 檢測的磁場強度分別為5^和fiAw。其中，背景磁場61分別為A'和B,+r，且A'-5,+r。差 分放大電路21將被差分傳感器122/和差分傳感器121z'+l檢測到的高背景磁場磁感應(yīng)強度
尿'和取+r作為共模信號被相減，從檢測信號中剔除出去，保留與永磁體5的磁感應(yīng)強度的
圖2中，被差分傳感器122/和差分傳感器121Z+1差分后得到傳感器組敏感軸方向的磁 感應(yīng)強度采用式(3)。圖2中及(;c,y,z)為永磁體5中心點的矢徑;/v,)'(x,》'；,')和/VD'(i,+r,乂+r, z,+r)分別為被差分傳感器122/和差分傳感器121/+1的中心矢徑，被差分傳感器122/和差分 傳感器121''十1布置的兩位置點一旦確定， )'和/"(w)'即為已知；/"(,)(;c,A,z,)和r(w)(;c,+u,+^w) 分別為永磁體中心到傳感器12U和傳感器122f+l中心的矢徑。即有
r(iy)=少* _ y
z) = Zi — Z
(7)
式(7)中，tl,2，…,2N; (xj;,2)為永磁塊中心點的位置坐標(biāo)。由式(6)， n、 r2、 /"3可以由/" 確定，因此，由式(6)和(7)可以得到/v /"2、 IV n、 /V /"3中的未知量僅為永磁塊中心點的位 置坐標(biāo)(xj，z)。
由上述推導(dǎo)，永磁體5三等效偶極子模型的空間等背景磁場的差分磁定位方程組，如(8) 式所示。
卩>-_-5 一、
-物-l闊
禮=物4;r廠5 2(')一5 廠 2闊
、廠5 —3(') _5 r 3('十1)
m sin夕cos p wcos^
(8)
式(8)中，矩陣A,的表達形式如式(8)所示
2
A沖W
2 一 2 ~州—
rWy)~(/Z)
《J
『1，2，3.
(9)
式(9)中，g為偶極子數(shù)。傳感器布置的位置和永磁塊材料、尺寸確定后，式(8)中方程組 中除a(jcj,z,《伊)為未知量外，其它量均為已知量。
11由磁感應(yīng)強度的差值F = 和差分磁定位方程(8)計算得到的永磁塊'磁感應(yīng)強度的差
值向量Bd(a)，在最小二乘意義下確定最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)/(a^argminl盧-A(60。將目標(biāo)物
體的起始位置和姿態(tài)的估計值oc()(;cc),;;c^c^(^())作為起始位置和姿態(tài)點的初始值，根據(jù)目標(biāo)函 數(shù)y(a)和非線性優(yōu)化算法，計算得到起始位置和姿態(tài)od(jq,"力,^,w)。
數(shù)據(jù)處理及算法系統(tǒng)3根據(jù)連續(xù)的兩個定位位置、姿態(tài)和兩個定位時間，計算出目標(biāo)物體的 運行速度。根據(jù)運行速度和計算的前 一 目標(biāo)物體定位點的位置和姿態(tài)
anM(Xm.,，H,Zm.Wm.Wm.,)，合理確定當(dāng)前目標(biāo)物體定位點的初始位置和姿態(tài)，根據(jù)差分磁定 位算法計算得到目標(biāo)物體當(dāng)前點的位置和姿態(tài)OCm(;^J^Zn^n^m)。 圖5為本發(fā)明磁定位裝置流程圖。
圖6為目標(biāo)物體運動的實際軌跡及磁定位軌跡結(jié)果，從定位結(jié)果中可以看出，本發(fā)明的 可以較好的在大小和方向均變化的高背景磁場下跟蹤定位目標(biāo)物體。
如圖5所示，本發(fā)明磁定位裝置進行定位的具體工作流程如下-
步驟1.根據(jù)工作區(qū)域選定傳感器陣列的組數(shù)N，要求N^5，確定傳感器陣列l(wèi);
步驟2.在工作區(qū)域外部，選取N組背景磁場61大小和方向均相同的兩個空間對稱位置 點，位置點的選定使得其能覆蓋目標(biāo)物體的全部工作區(qū)域；
步驟3.在N組位置點上布置N組傳感器組12，每組傳感器組中傳感器的敏感軸方向一 致，并且傳感器陣列中的各傳感器組要求在三個兩兩垂直的方向上布置；
步驟4.傳感器陣列一旦布置完成，即可獲得各個傳感器ll布置的位置和敏感軸方向， 作為已知值；
步驟5.利用傳感器陣列1檢測包含永磁塊5和背景磁場的磁感應(yīng)強度信號，N組傳感器 組12將檢測到的磁感應(yīng)強度信號傳送給N路信號處理通路，信號處理通路中的差分放大電 路21，將傳感器組12中的差分傳感器121和被差分傳感器122的檢測磁信號作差分放大， 將傳感器組中差分傳感器121和被差分傳感器122兩位置處的相等的背景磁場61作為共模 信號相減，去除了背景磁場信號61的磁感應(yīng)強度《，得到永磁塊62的磁感應(yīng)強度的差值信 號；
步驟6.經(jīng)過差分放大電路21的信號再由同相放大22、低通濾波23、 A/D轉(zhuǎn)換24，將 差分磁信號經(jīng)過硬件處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳送至計算機存儲；
步驟7.將采樣后存儲的磁信號差值數(shù)據(jù)選取連續(xù)的20個數(shù)據(jù),，取平均值后，作為差
分磁定位算法的檢測信號,；
步驟8.根據(jù)多偶極子模型的差分磁定位公式(8)得到及(a)，其中^Cf,/,z,為永磁塊5的位置和姿態(tài)信息;
步驟9.估計起始位置和姿態(tài)的一個初始值ou"。，y。，z。， 6。， 0。)，采用差分磁定位算 法，確定目標(biāo)函數(shù)/(a)，采用非線性優(yōu)化算法計算得到起始位置和姿態(tài)oc,(A凡^
步驟IO.根據(jù)目標(biāo)物體的運動速度和計算得到的目標(biāo)物體上一點定位的位置和姿態(tài) 人力A-,),確定目標(biāo)物體當(dāng)前定位點的初始值cx'
步驟ll.采用差分磁定位算法，確定目標(biāo)函數(shù)/(a)，采用非線性優(yōu)化算法計算得到永磁 塊的當(dāng)前位置和姿態(tài)ou",14 l
步驟12.屏幕顯示三維顯示永磁塊的空間位置和姿態(tài)，以及顯示目標(biāo)物體的運動軌跡及 實時的運動速度；
步驟13.重復(fù)步驟10-12，直到完成目標(biāo)物體的定位。
1權(quán)利要求
1、一種高背景磁場下的磁定位方法，其特征在于，布置在背景磁場大小和方向均相同的兩個空間對稱位置點的傳感器組檢測背景磁場以及目標(biāo)物體的永磁塊磁場，采用差分放大電路將傳感器組中差分傳感器和被差分傳感器檢測得到的相等的背景磁場磁感應(yīng)強度作為共模信號相減，剔除高背景磁場，得到傳感器組中兩傳感器位置點處目標(biāo)物體永磁塊的磁感應(yīng)強度差值；由N(N≥5)組傳感器組測量得到包含N(N≥5)個磁感應(yīng)強度差值的磁感應(yīng)強度差值向量；采用差分磁定位算法，得到差分磁定位方程組；將包含目標(biāo)物體永磁塊位置和姿態(tài)變量的差分磁定位方程組與實際測量所得的磁感應(yīng)強度差值向量建立目標(biāo)函數(shù)；采用非線性優(yōu)化算法求解目標(biāo)函數(shù)，即可獲得目標(biāo)物體永磁塊的三維位置和二維姿態(tài)，完成目標(biāo)物體的定位過程。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高背景磁場下的磁定位方法，其特征在于，所述的差分磁定位 算法為根據(jù)在高背景磁場下傳感器組檢測得到的磁感應(yīng)強度差值信號只包含目標(biāo)物體永磁 塊的磁場信號，得到磁感應(yīng)強度的差值方程A"(")鳴)"")-"峰(") (3)式(3)中，厲Ua)為第A組傳感器組中被差分傳感器所在位置處的永磁塊磁感應(yīng)強度；A+,)《a)為第A:組傳感器組中差分傳感器所在位置處的永磁塊磁感應(yīng)強度；"《a)為第A組傳 感器組檢測到的磁信號相減后其敏感軸方向上.的磁感應(yīng)強度差值，tl，2,…，N,N^5; n為敏 感軸的方向分量，n={g，k}; oK^)^, )，其中;cj^為目標(biāo)物體永磁塊的位置變量， 為 目標(biāo)物體永磁塊的磁矩方位角變量；N組傳感器組的傳感器陣列的差分磁定位方程組為5 = (4)式(4)中，5Ya)為第A組傳感器組在放大電路中共模相減后其敏感軸方向上的磁感應(yīng) 強度差值，卜1,2,3，…，N; n為傳感器組的敏感軸方向分量，n={ij，k};仏(a)為N組傳感器組 差分相減后其敏感軸方向上的磁感應(yīng)強度向量；將包含目標(biāo)物體永磁塊位置和姿態(tài)變量 0c^，z，《伊)的差分磁定位方程組(4)與實際測量所得的磁感應(yīng)強度差值向量建立目標(biāo)函數(shù)y("); 采用非線性優(yōu)化算法求解目標(biāo)函數(shù)Aa)，即可獲得目標(biāo)物體永磁塊的三維位置(x,;^)和二維姿 態(tài)(《伊)，完成定位過程。
3、 應(yīng)用權(quán)利要求1所述的高背景磁場下的磁定位方法的裝置，其特征在于，所述裝置 包括傳感器陣列(1)、信號處理模塊(2)和數(shù)據(jù)處理及算法系統(tǒng)(3);傳感器陣列(1)檢測到的背景磁場和永磁塊的磁感應(yīng)強度信號經(jīng)過差分放大電路(21 )，將差分傳感器(121) 和被差分傳感器(122)檢測到的磁信號相減，去除傳感器組在兩個傳感器(11)位置點處 檢測到的高背景磁場(61)，保留含有弱小的永磁塊磁場(62)的磁信號；傳感器組中兩傳感器(11)位置處的磁信號相減后的差值，再經(jīng)過同相放大電路(22)進行二次放大；經(jīng)過兩次放大的磁信號經(jīng)低通濾波(23)，將引入到磁檢測信號中的高頻噪聲濾去，再經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換(24)后將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過PCI總線，傳送至計算機內(nèi)；數(shù)據(jù)處理及算 法系統(tǒng)(3)將采樣后存儲的磁信號差值數(shù)據(jù)選取連續(xù)的多個數(shù)據(jù)尸取平均值，作為差分磁定位算法的檢測信號盧；根據(jù)目標(biāo)物體永磁塊磁場分布數(shù)學(xué)模型的差分磁定位公式(4)得 到N組傳感器組差分相減后其敏感軸方向上的磁感應(yīng)強度的差值向量Wd(a)，由差分磁定位算法和本發(fā)明裝置測量所得的磁感應(yīng)強度差值確定目標(biāo)函數(shù)y(a);采用非線性優(yōu)化算法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)y(力，計算得到永磁塊的位置和姿態(tài)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高背景磁場下的磁定位方法的裝置，其特征在于，傳感器陣 列(1)由N組傳感器組組成，每組傳感器組均由兩個傳感器(IO構(gòu)成，傳感器組的數(shù)量 多于或者等于5組，傳感器總個數(shù)大于或等于10個；選擇背景磁場相等的兩空間對稱位置 點處，布置一組傳感器組；各傳感器組中的傳感器敏感軸方向布置在三個兩兩垂直的方向上， 每組傳感器組中的兩個傳感器敏感軸的布置方向一致；傳感器陣列(1)布置在工作區(qū)域外 部，傳感器組的布置位置和傳感器敏感軸方向覆蓋目標(biāo)物體運動的整個區(qū)域。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高背景磁場下的磁定位方法的裝置，其特征在于，信號處理 模塊(2)由信號處理通路組成，每路信號處理通路均由差分放大電路(21)、同相放大電路(22)、低通濾波電路(23)、 A/D轉(zhuǎn)換(24)組成；每組傳感器組對應(yīng)一路信號處理通路。
全文摘要
一種高背景磁場下的磁定位方法，由布置在兩個空間對稱位置點的傳感器組檢測背景磁場以及目標(biāo)物體的永磁塊磁場，采用差分放大電路將傳感器組所檢測的相等的背景磁場磁感應(yīng)強度作為共模信號相減，剔除高背景磁場，得到傳感器組中兩傳感器位置點處目標(biāo)物體永磁塊的磁感應(yīng)強度差值。由N(N≥5)組傳感器組測量得到包含N(N≥5)個磁感應(yīng)強度差值的磁感應(yīng)強度差值向量。采用差分磁定位算法，得到差分磁定位方程組。將差分磁定位方程組與實際測量所得的磁感應(yīng)強度差值向量建立目標(biāo)函數(shù)。求解目標(biāo)函數(shù)，即可獲得目標(biāo)物體永磁塊的三維位置和二維姿態(tài)。應(yīng)用本發(fā)明定位方法的裝置包括傳感器陣列(1)、信號處理模塊(2)和數(shù)據(jù)處理及算法系統(tǒng)(3)。
文檔編號G01B7/00GK101476860SQ20091007682
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月22日
發(fā)明者濤 宋, 楊芩玉, 喆 王, 明 王, 王金光 申請人:中國科學(xué)院電工研究所