[發明專利]一種用于電磁定位的裝置和方法

有效

• 申請號: 201310459474.8
• 申請日: 2013-10-04
• 公開（公告）號: CN103499810A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發明（設計）人: 孫曉穎;陳明智;白洋;陳建;燕學智;王慶龍;田野
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01S5/00
• 分類號: G01S5/00
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

技術領域

本發明涉及一種交流電磁定位裝置和方法，具體涉及一種采用同時發射方案的電磁定位裝置和基于四元數的電磁定位方法。

背景技術

近年來，隨著各種數據業務的快速發展，人們對定位及導航的需求逐步增加，尤其在航空飛行員駕駛、醫療手術、運動員模擬訓練、大型沉浸式游戲等方面，通常需要確定移動終端或者其持有者的位置姿態信息。目前常見的定位方式主要有超聲式、光電式和電磁式定位。

光電式定位通過對目標物體上特定光點的跟蹤和監視完成定位和捕捉任務。由于其需要對圖像進行分析處理，所以計算量比較大，對處理速度要求較高。

超聲式定位利用超聲波到特定位置的相位差或時間差來實現，但由于超聲波的反射、輻射等原因會造成誤差，且更新頻率較低，而且要求發射器和接收傳感器之間沒有阻擋，限制了應用范圍。

電磁式定位根據電磁感應原理，利用置于磁場中的傳感器所獲得的數據，基于接收信號與發射信號的耦合關系計算出目標的六個自由度參數。與上述兩種定位技術相比，電磁定位技術具有如下優點：

成本低、體積小、重量輕、便攜性較好；

不受視線阻擋的限制、活動范圍自由靈活，這是很多其它定位方式無法比擬的。例如對手部跟蹤定位，因為手可以搖晃、伸縮運動、有時被手臂或身體其它部分遮擋住。這時，其它的定位方式都無法實現定位，只有電磁定位可以實現。

此外，現有的時分制工作方式需在發射端分時發送驅動信號，發射端電路比同時發送方式復雜，并需保留一個空時間段，供接收端采集處理接收數據之用，增加了系統定位的時間，定位速度較慢。本發明采用同時驅動發射源工作的方式，發射端無需分時處理，簡化了硬件電路，接收端同時接收數據無需等待，避免了電路復雜、定位速度慢的問題，保證了定位的實時性。

電磁定位系統因其良好的定位效果及不受視線阻擋限制等優點而成為研究的熱點。Herbert?R.Jones在美國專利5,307,072中描述了一種電磁定位系統，使用非共心補償技術減少了線圈非共心引起的位置姿態定位誤差，但系統采用正弦信號分時驅動發射線圈工作的方式，定位時間較長。楊杰，鄒錦，李躍波，劉峰，潘征在題為“六自由度電磁跟蹤定位系統的設計研究”論文中，提出了一種基于檢波判相電路采集接收信號的電路設計方案，但接收信號處理考慮的不完善，不能應用于實際電路。殷勤，陳彬，汪瑩，楊波等人在題為“六自由度電磁跟蹤系統位置參數求解算法的改進”的論文中介紹了一種六自由度位置參數的改進算法，引入特征值和特征向量的概念來求解目標參數，但其算法存在奇異點問題，對精度有較大影響。

發明內容

本發明提供一種用于電磁定位裝置和方法，以解決現有時分制工作方式存在的電路復雜、實時性差的問題，并且解決了傳統矩陣定位算法中存在的奇異點問題，可實現全角度定位。

本發明采取的技術方案是：一種采用同時發射方案的電磁定位系統，其中接收天線、多路選擇電路、濾波放大電路、A/D轉換電路、數據處理及時序控制單元、D/A轉換電路、發射驅動電路、過壓保護電路、三軸發射源順序連接，其中數據處理及時序控制單元也與上位機相連接；

D/A轉換電路，與數據處理及時序控制單元相連接，向處理器DSP中寫入查表法程序，控制D/A產生連續的正弦驅動信號；

發射驅動電路，主要由幅度放大、功率放大電路組成，將最初的驅動信號進行放大，以驅動發射源工作；

本發明所述的三軸發射源，由三個相互正交并共心的線圈纏繞在骨架上并分別串聯相同阻值電阻、不同容值的電容組成，構成品質因數Q較高、帶寬較窄的RLC串聯諧振電路，電路可被一窄頻段內的頻率驅動，在三個不同頻率正弦信號的同時驅動下工作，每個串聯電路在其諧振頻率上產生諧振，以此向周圍空間輻射穩定且強度較強的電磁波，并且將驅動信號在電阻R上的分壓作為參考信號送至接收端；

過壓保護電路，防止過壓損壞內部芯片并起到靜電保護作用；

接收天線，與三軸發射源組成結構類似，由三個相互正交并共心的線圈組成，但與發射源體積大小不同，三軸接收天線不串聯電容，通過電磁感應接收三軸發射源輻射的電磁波；

多路選擇電路，由多路選擇開關構成，負責將接收天線接收的信號及發射端送來的參考信號進行分時選擇；

濾波放大電路，由儀表放大器和自動增益控制電路組成，將分時選擇后的信號依次進行濾波及幅度放大；

A/D轉換電路，將濾波放大后的模擬信號轉換為供后續處理的數字量；