基于码分多址（CDM)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（Xl，yi，Z1)，分配得到 的金码记为<^=[。；（1)(^(2)(^(3)."(^(1)]1，其中(^(]_) = ±1(]_ = 1，2,3，...，]\{); (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； (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（〇,〇,〇)的位置（x，y，z)描述，姿态信 息由方位角a，俯仰角0，横滚角y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= 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)用球坐标表示为爲的:，磁通量B为式⑵中，y。= 4JrXlO7H/m，为真空的磁导率，与0 6分别为点P在球坐标系中r方向上与9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Blv; (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，匕为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），]\^是MX1的矩阵，写成矩阵表达式为 Mv =AXV (4) A为MX(N+1)的矩阵，XvS(N+l)X1的矩阵，即记Mvest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： Xvest= (AtA) 1A1Mvest (6) 通过式（6)计算的结果为Xvf3st= [Blvf3stB2vf3st 其中Blvf3st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 D',为式（8)中Std(Dv)与Std(Mvest)分别为队与Mvest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，= 丨(])Ac)(2)Ac丨(3) ???Ac丨(M)I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，M：)中的:Ac)U+l)S"+r，Cl(j)至IJCl(j+1)为"+1" 至时，AcfU+l)为"一1"，Cl(j)至IJCl(j+1)保持不变时，4，纪,，起分别为因Q，乂1，沉f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__为MXl的矩阵，写成矩阵表达式为Mf=AenilXvenil (10) 八_为MX(4N+1)的矩阵，Xvenu为（4N+1)X1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： X.=(Ar .AY1ArM (12) I_cmiVemi y emi v-emj: \ / 通过式（12)计算的结果为孓__=〇,"__w 比较式（6) 与式（12)的结果，若出现IXvest (j)-Xvmi (j)I彡l.OmG，则说明P点附近存在电磁感应干 扰，应利用式（12)得到的Xvaill进行之后的解算，否则应利用式（6)得到的Xvest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 Bix= 3k(x-Xi) (Z-ZiVri5 Biy= 3k(y-yi) (z-z^/r；5 (13) Biz =k[2 (z-z;) 2_(X-Xi)2_ (y-y;)2]/Vi5(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Bls = [Blsx，Blsy，BlsJT通过方向余弦矩阵转换到空间坐标系，具体计算公式为B1I^I.SVr31 (18) 式（17)构成含有N+3个未知数（x，y，z，0J的N个方程组，式（18)构成含有N个未知 数巧的N个方程组，其中Blsx=Blx-est或Blsx=Blx-eni，Blsy =Bly-est或Blsy=Bly-舰，Blsz =Blz^stSBlsz=B1zmi，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，分别求出巧的估计值.?，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，0J的估计值(mf),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点处的磁通量对E进行奇异值分解，得到 E=USVt (19) 由此得矩阵T的估计矩阵:？为若不存在两个及以上IR1I>〇.6mG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(&瓦7)，若存在两个及以上 R11彡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F1，并假SF1^R1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Sf的单位向量为我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Uf3, 9FiS向量乾与向量u之间的夹角。定义向量Iii，使得Ui =Bct XRt (2^) 选择IniI中最大的两个向量分别记为rv^nB，其单位向量分别为nAf；与nBf；，对应的磁 通量分别为劣与圯，对应的^分别记为9 &与9 B，则由此将卜与cos0 "及sin0Fl带入式（23)即可得到F工，从B1中减去F工后便得到P点 减少磁性材料干扰后的磁场即将5广'?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(J,瓦力。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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01C21/20
【公开号】CN105136149
【申请号】CN201510579142
【发明人】吴发林, 梁袁, 付勇, 赵剡
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月11日