一种圆线圈磁场定位装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电磁学和室内定位领域，具体涉及一种圆线圈磁场室内定位装置和方 法。
【背景技术】
[0002] 随着全球定位系统（GPS)应用的普及，人们已经习惯在室外利用GPS来享受定位 和导航服务，但GPS在复杂的室内环境中不能提供较高的定位精度，从而不能满足人们对 室内定位日益增长的需求。因此，室内定位技术有着广阔的应用前景。现有的室内定位技术 主要有红外定位技术，超声波定位技术，超宽带定位技术以及无线局域网络技术等。然而， 这些方法常常受到非视距和多路径的影响而无法完成对目标的定位工作。另外，基于地磁 信息的定位技术虽然不受视线阻挡的限制，但前期要采集大量的磁场信息并建立相应的指 纹库，才能在定位时完成匹配工作。该方法不仅需要存储大量的数据，在环境信息变更时需 要更新相应的指纹库，而且还容易受到电磁干扰，所以可靠性较低。
【发明内容】
[0003] 本发明提供一种圆线圈磁场室内定位装置和方法，以解决室内定位的非视距问 题，并解决利用磁场定位需要构建指纹库以及容易受到电磁干扰的问题。
[0004] 本发明采取的技术方案为：
[0005] -种圆线圈磁场室内定位系统，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；
[0006] 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；
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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，优选地，将待测空间平面分成多个矩形面，在这 些矩形面的四个顶点分别放置圆线圈，且圆线圈平行于同一水平面；
[0011] 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 的电流值大小反馈给数据处理及控制单元；
[0012] 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 到的电流值进行滤波及幅度放大；
[0013] 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；
[0014] 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；
[0015] 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。
[0016] 本发明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算法程序下载到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以及滤波放大电路和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。 [0017] 本发明的一种圆线圈磁场定位方法，包括下列步骤：
[0018] (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，优选地，空间 直角坐标系的X轴与y轴构成的平面平行于水平面；
[0019] (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L，N个圆线圈需要约#个不同的金码，设定金码 周期为M >#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, y;，Zi)，分配 得到的金码记为&=[(^(1)(^(2)(^(3)."(^(1)]1'，其中(^(」）=±1(」=1，2,3，...，]\{) ;
[0020] (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（OHz-IOOkHz) 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；
[0021] (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；
[0022] 所述位置和姿态的求解算法，其特征是，包含以下步骤：
[0023] (1)用矩阵表示待测目标的位置和姿态参数；
[0024] 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，横滚角β，俯仰角γ描述，姿态角可由姿态矩阵T表示，T为正交矩阵；
[0025]
[0026] (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 = π R2,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)用球坐标表示为认外，磁通量B为
[0027]
.(2)
[0028] 式⑵中，μ。= 4 π X 10 7H/m，为真空的磁导率，与Θ ^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B lv;
[0029] (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：
[0030]
(3：)
[0031] 式（3)中，1\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），M v是MX 1的矩阵，写成矩阵表达式为
[0032] Mv=AXv (4)
[0033] A 为 MX (N+1)的矩阵，XvS (N+l) X 1 的矩阵，即
[0034]
[0035] 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：
[0036]
[0037] 通过式（6)计算的结果为
，其中Blv eJ勺值 越大，则说明第i个线圈距离P点越近；
[0038] (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DvS
[0039]
[0040] 并定义品质因数Q为
[0041]
C8)
[0042] 式⑶中std (Dv)与std (Mv J分别为M ,_^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；
[0043] (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；
[0044] (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
[0045]
(9)
[0046] 式（9)中，
是根据C1中的码片变化 而产生序列，具体规则定义为，Cl(j)到(^(」+1)为"-1"到"+1"时，Ml中的Ac^ + l)为