本發(fā)明涉及一種應(yīng)用多傳感器陣列的電磁定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電磁定位系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在3D仿真及運動物體跟蹤方面，傳統(tǒng)的電磁定位系統(tǒng)，由于傳感器數(shù)量有限，同時因為環(huán)境電磁干擾比較多，從通信電磁信號，到電子產(chǎn)品的電磁干擾，包括大地的磁場干擾，都對于電磁測量和定位產(chǎn)生了很大的影響。

多傳感器陣列的方式可以實現(xiàn)對于被跟蹤對象的多點測量的同時，通過傳感器陣列本身的物理和幾何特性，根據(jù)多傳感器實測數(shù)據(jù)的融合，先估算每個傳感器計算出的位置坐標(biāo)，再通過多傳感器之間的固定位置和距離，校正由于受到干擾所造成的誤差，提高測量的精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)電磁定位系統(tǒng)中單個傳感器抗干擾能力差，測量精度低的缺點，提供了一種應(yīng)用多傳感器陣列的電磁定位系統(tǒng)，在無法校正和外部電磁干擾動態(tài)的情況下，及時通過物理位置的約束條件，實現(xiàn)空間坐標(biāo)的修正。

為了解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。

一種應(yīng)用多傳感器陣列的電磁定位系統(tǒng)，包括信號發(fā)射裝置，信號接收裝置，信號處理模塊；其中，所述的信號發(fā)射裝置，采用三軸磁場發(fā)生器結(jié)構(gòu)，所述的三軸磁場發(fā)生器結(jié)構(gòu)是由三個磁場源組成的多源系統(tǒng)，三個磁場源按照三個方向兩兩正交的的方式組合。

相比于單個磁場源的單源系統(tǒng)，可以較大的提高電磁系統(tǒng)的定位精度。

進(jìn)一步的，所述的磁場源，是由信號發(fā)生器提供正弦波發(fā)射信號，驅(qū)動電磁線圈，產(chǎn)生磁場分布，根據(jù)磁場分布模型計算目標(biāo)的空間位置參數(shù)，所述的電磁線圈可以根據(jù)測量范圍的大小，選擇不同的砸數(shù)，以達(dá)到滿足要求的磁場強(qiáng)度。

相比于直流驅(qū)動和交流驅(qū)動，能夠有效減小磁場中鐵物質(zhì)、外部靜態(tài)磁場以及渦流對測量的干擾。

進(jìn)一步的，所述的信號接收裝置，包括多傳感器陣列結(jié)構(gòu)、置位/復(fù)位電路、信號放大和濾波電路；所述的多傳感器陣列，是用集成的3的整數(shù)倍個磁阻傳感器，實現(xiàn)對目標(biāo)的定位和追蹤，即將傳感器和基件制作在同一個立體上實現(xiàn)多傳感器的測量。

更進(jìn)一步的，所述的多傳感器陣列，還可采用以正方體為基體和以棱形體為基體的結(jié)構(gòu)形式，以6個磁阻傳感器陣列為例，包括兩個三軸磁阻傳感器模塊；所述的三軸磁阻傳感器模塊，是由三個磁阻傳感器按照三個相互正交的方向進(jìn)行排列組成一個三軸正交的三軸傳感器，分別測量三個正交方向的磁場強(qiáng)度，即x軸、y軸、z軸的磁場強(qiáng)度，總共測得兩組目標(biāo)姿態(tài)的數(shù)據(jù)。

所述的多傳感器陣列，具有以下優(yōu)點：擴(kuò)大時空搜索范圍，提高目標(biāo)可探測性，改進(jìn)探測性能；提高時間或空間的分辨率，增加目標(biāo)特征矢量的維數(shù)，降低信息的不確定性，改善信息的置信度；增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯能力和自適應(yīng)能力；隨之而來的是降低推理的模糊程度，提高了決策能力，從而使整個系統(tǒng)的性能大大提高。

更進(jìn)一步的，所述的置位/復(fù)位電路采用AD620作為放大器，增益范圍為1-10000。

當(dāng)傳感器受到強(qiáng)電磁干擾導(dǎo)致傳感特性遭到改變時，能夠通過置位或復(fù)位脈沖產(chǎn)生一個瞬態(tài)的強(qiáng)恢復(fù)磁場來恢復(fù)或保持傳感器的特性；所述的信號放大和濾波電路，放大電路是將接收到的信號進(jìn)行放大處理，該電路只需一個外部電阻就可以設(shè)定增益，濾波電路是由高通濾波和低通濾波組成的帶通濾波處理電路，能夠有效減小噪聲信號的影響。

進(jìn)一步的，所述的信號處理模塊，采用TMS320F28355DSP的片上ADC對傳感器上輸出的模擬信號進(jìn)行采樣及實時處理，依次采集兩個三軸磁阻傳感器上的電壓信號，再經(jīng)過移植到DSP中的定位算法以及傳感器數(shù)據(jù)融合算法對目標(biāo)進(jìn)行定位；最后通過與上位機(jī)通信，將定位追蹤結(jié)果顯示到PC機(jī)上。

本發(fā)明創(chuàng)新的采用多傳感器立體式陣列結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點在于：

(1)提高了信息的可信度，利用多傳感器能夠更加準(zhǔn)確地獲得環(huán)境與目標(biāo)的某一特征或一組相關(guān)特征，整個系統(tǒng)所獲得的綜合信息與任何單一傳感器所獲得的信息相比，具有更高的精度和可靠性。

(2)增加了目標(biāo)特征矢量的維數(shù)，各個傳感器性能相互補(bǔ)充，收集到的信息中不相關(guān)的特征增加了，整個系統(tǒng)獲得了任何單個傳感器所不能獲得的獨立特征信息，可顯著提高系統(tǒng)的性能，使多傳感器系統(tǒng)不易受到自然現(xiàn)象的破壞或外界的千擾。

(3)降低了獲得信息的費用，與傳統(tǒng)的單個傳感器系統(tǒng)相比，在相同的時間內(nèi)，多傳感器系統(tǒng)能夠獲得更多的信息，從而降低了獲得信息的費用，這在測量運動速度快的目標(biāo)時尤為重要。

附圖說明

圖1總體結(jié)構(gòu)圖

圖2電磁定位模型圖

圖3多傳感器陣列結(jié)構(gòu)1

圖4多傳感器陣列結(jié)構(gòu)2

圖5多傳感器陣列結(jié)構(gòu)3

圖6多傳感器陣列結(jié)構(gòu)4

圖7多傳感器算法結(jié)構(gòu)圖

具體實施方式

以下結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明做更為詳細(xì)的說明，并以6個傳感器組成的立體陣列進(jìn)行說明和實例。

圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)圖，由磁源組成的信號發(fā)生裝置，產(chǎn)生需要的磁場強(qiáng)度模型，在信號接收裝置中，多傳感器陣列測量磁場強(qiáng)度，多個傳感器組成兩組三軸磁傳感器，每組三軸磁傳感器分別測得目標(biāo)的六自由度姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過放大和濾波電路對信號進(jìn)行初步處理后，通過DSP片內(nèi)ADC對信號進(jìn)行采集傳入DSP中，在DSP中通過定位算法以及傳感器融合算法得到目標(biāo)的姿態(tài)信息，最后DSP與上位機(jī)通信，在PC上顯示定位/追蹤結(jié)果。

圖2為電磁定位模型，點O(a,b,c)為電磁定位系統(tǒng)中發(fā)射線圈的圓心坐標(biāo)，H₀(m,n,p)為磁體的方向，則距發(fā)射線圈圓心距離為r處目標(biāo)P(x,y,z)磁場強(qiáng)度為其中B_T＝μIR²/4為常量，μ是空氣的磁導(dǎo)率，I為電流大小，R為發(fā)射線圈半徑，r＝(x-a,y-b,z-c)且m²+n²+p²＝1；將磁場強(qiáng)度B分解可得到目標(biāo)P(x,y,z)在x軸，y軸，z軸三個正交方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量B_x,B_y,B_z為：

待測目標(biāo)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后三軸傳感器三個正交的磁阻傳感器測得3個磁感應(yīng)強(qiáng)度為B'_x,B'_y,B'_z,定義旋轉(zhuǎn)矩陣R＝Rot(z,γ)Rot(y,β)Rot(x,α)，則有：其中Rot(x,α)為繞x軸旋轉(zhuǎn)角度α，Rot(y,β)和Rot(z,γ)同理；發(fā)射線圈在正弦信號的驅(qū)動下產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為由法拉第電磁感應(yīng)定律得：其中E為感應(yīng)電動勢，φ為磁通量，由此可得到三軸磁傳感器每個正交方向的磁阻傳感器產(chǎn)生的電壓幅值為：E_x＝-ωS_xB'_x、E_y＝-ωS_yB'_y、E_z＝-ωS_zB'_z，其中S_x、S_y、S_z為三個磁阻傳感器的線圈面積，由此便得到了三個磁阻傳感器感應(yīng)電磁信號與目標(biāo)的六自由度信息方程。

圖3為多傳感器陣列的第一種結(jié)構(gòu)，由6個磁阻傳感器組成，分別放在一個邊長為a的正方體每一個平面中心。幾何特征是兩個三軸磁傳感器的距離是固定的同時兩個三軸磁傳感器之間對應(yīng)的傳感器的距離是a，而且對應(yīng)傳感器相互平行。

圖4為多傳感器陣列的第二種結(jié)構(gòu)，由六個磁傳感器組成，分別放在邊長為a正方體相鄰邊的中點。兩個三軸磁傳感器在同一個平面上，幾何特征是這兩個三軸磁傳感器的空間為距離

圖5為多傳感器陣列的第三種結(jié)構(gòu)，由六個磁傳感器組成，分別放在邊長為a正方體每一個邊的中點，兩個三軸磁傳感器位于立方體的對角上，幾何特征兩個三軸磁傳感器坐標(biāo)系的原點的距離是固定的

圖6為多傳感器陣列的第四種結(jié)構(gòu)，與前三個結(jié)構(gòu)不同的是，該結(jié)構(gòu)是棱形體，由五個磁傳感器組成，兩個傳接收器復(fù)用一個傳感器。兩個接收器的幾何特征是共線，且距離為a。

所述的多傳感器陣列的四種結(jié)構(gòu)，無論采用幾個傳感器，但目的是一樣的，就是能夠保持空間的幾何特征，作為先驗知識對系統(tǒng)的測量結(jié)果或者說濾波結(jié)果進(jìn)行校正。

圖7為該多傳感器陣列兩個三軸磁傳感器測量數(shù)據(jù)融合所采用的算法結(jié)構(gòu)圖，是一種基于奇異值分解和粒子濾波結(jié)合的多傳感器數(shù)據(jù)處理算法。采用粒子濾波器得到每一個傳感器的狀態(tài)及方差的估計值，根據(jù)并估計出每個傳感器的狀態(tài)的權(quán)值。非系統(tǒng)運動規(guī)律在離散化狀態(tài)方程及測量方程的基礎(chǔ)上可模擬為：

y_k＝f(y_k-1,U_k,V_k) (1)

其中y_k是k時刻的狀態(tài)向量，U_k是k時刻的系統(tǒng)的輸入向量，V_k是均值為E[V_k]＝0過程噪聲，是第m個傳感器在k時刻的測量值，是均值為E[W_k]＝0測量噪聲。應(yīng)用到測量過程中可以得到的測量值估計出每一個傳感器的狀態(tài)向量y_k。對于多個傳感器的狀態(tài)的估計值可由以下的式子得到的估計：

是對第m各傳感器的狀態(tài)向量的估計值，是由N各傳感器的狀態(tài)的估計值得到的狀態(tài)向量的融合值，是的權(quán)值，且對每個傳感器的測量數(shù)據(jù)采用粒子濾波算法，得到每個傳感器的狀態(tài)的估計值及其方差選擇方差最小的傳感器的估計狀態(tài)變量作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量估計；經(jīng)過數(shù)據(jù)融合之后得到目標(biāo)初步的定位結(jié)果，再根據(jù)兩個三軸磁傳感器的幾何位置對結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行校正，得到最后結(jié)果。

多傳感器能夠更加充分幫助獲得更多有關(guān)工作磁場的實際分布信息，尤其是如果電磁環(huán)境相對復(fù)雜，技術(shù)導(dǎo)體干擾比較多的情況下對測量的過程中的干擾有良好的敏感性。增加一組測量數(shù)據(jù)，能夠很好的比對測量的誤差實時環(huán)境磁場的分布。環(huán)境對兩組傳感器的影響是相同的，可以通過算法消除環(huán)境的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。