CN116625363A - 一种多通道六自由度电磁定位跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多通道六自由度电磁定位跟踪方法，包括：磁场发射端通过三轴发射天线分时发射三轴磁场信号；在磁场中包括至少一个磁场接收端；每个磁场接收端作为一个接收通道，通过三轴接收天线接收三轴磁场信号；测量发射天线的磁矩和电流相位信息以及每个接收天线的感应电压幅值和相位信息；基于发射天线的磁矩和电流相位信息，每个接收天线的感应电压幅值和相位信息计算得到每个接收天线在发射天线坐标系下的三自由度位置信息和三自由度姿态信息，并在计算过程中通过修正发射天线和接收天线的轴间不正交度，提高位置和姿态信息的准确度。本发明实现多个目标的实时定位跟踪，并有效提高了电磁定位跟踪的位置和姿态测量准确度。
Description
技术领域
本发明属于电磁定位技术领域，具体涉及一种多通道六自由度电磁定位跟踪方法。
背景技术
随着科技的不断发展，定位技术在辅助医疗、人机交互、运动检测分析等领域应用广泛。与超声式、光电式等定位装置相比，基于六自由度电磁定位技术设计的装置具有速度快、成本低、便携性好等优点。六自由度电磁定位装置追踪目标的运动轨迹的同时，还可以对目标姿态精确测量，最重要的是定位不受障碍物遮挡影响。这些优点使多目标六自由度电磁定位装置可以很好的满足研究需求。
但目前的六自由度电磁定位技术均是基于理想正交磁场的发射接收，而实际的磁场由于磁场发射天线和接收天线无法达到理想的正交状态，因此采用基于理想正交磁场在解决实际中的电磁定位会影响定位跟踪的精度。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在公开了一种多通道六自由度电磁定位跟踪方法，实现多通道的高精度电磁定位跟踪。
本发明公开了一种多通道六自由度电磁定位跟踪方法，包括：
磁场发射端通过三轴发射天线分时发射三轴磁场信号；在磁场中包括至少一个磁场接收端；每个磁场接收端作为一个接收通道，通过三轴接收天线接收三轴磁场信号；
测量发射天线的磁矩和电流相位信息以及每个接收天线的感应电压幅值和相位信息；
基于发射天线的磁矩和电流相位信息，每个接收天线的感应电压幅值和相位信息计算得到每个接收天线在发射天线坐标系下的三自由度位置信息和三自由度姿态信息，并在计算过程中通过修正发射天线和接收天线的轴间不正交度，提高位置和姿态信息的准确度。
进一步地，计算每个接收天线在发射天线坐标系下的三自由度位置信息和三自由度姿态信息的方法包括：
1)计算磁场接收端测量的磁场矢量矩阵；
2)修正发射天线和接收天线的轴间不正交度，得到正交坐标系下，发射天线的磁矩和磁场矢量矩阵；
3)根据正交坐标系下发射天线的磁矩和磁场矢量矩阵建立耦合方程，通过迭代求解计算磁场接收端的接收天线的位置和姿态；
所述耦合方程F'_Ri＝Lm*Rm*M'；其中，F'_Ri为正交坐标系下第i通道的磁场接收端测量的磁场矢量矩阵；M'为正交坐标系下发射天线的磁矩；Lm为所述磁场接收端的接收天线姿态矩阵，Rm为所述磁场接收端的接收天线和磁场发射端的发射天线的距离耦合矩阵。
进一步地，姿态矩阵Lm为：
式中，fYaw、fPitch、fRoll分别为接收天线的方位角、俯仰角、横滚角。
进一步地，距离耦合矩阵Rm为：
式中，rx、ry、rz分别为接收天线的X、Y、Z轴位置坐标；
进一步地，所述发射天线和接收天线的骨架均为三轴正交方型结构，在每一个轴上绕制漆包铜线；为消除由于天线骨架加工和漆包铜线绕制存在误差而引起的轴间不正交度；每个天线的正交坐标系向非正交磁轴坐标的转换矩阵为：其中，角度u1、u2、u3为实际天线的三个磁轴相对于理想正交的三个磁轴的不正交度。
进一步地，通过对磁场接收端测量的磁场矢量矩阵进行接收天线的轴间不正交度修正得到正交坐标系的磁场矢量矩阵；
修正公式为：
式中，F'_Ri为第i通道的磁场接收端在正交坐标系的磁场矢量矩阵；FxTx'、FxTy'、FxTz'分别为该通道磁场接收端的接收天线在正交坐标系三轴上的磁场强度；FxTx、FyTy、FzTy分别为该通道磁场接收端的接收天线在非正交坐标系三轴上的测量磁场强度；P_Ri第i通道磁场接收端的接收天线的正交坐标系向非正交磁轴坐标的转换矩阵；“Inverse”为对矩阵取逆运算。
进一步地，通过对发射天线的磁矩进行轴间不正交度修正得到正交坐标系的磁矩；
修正公式为：M'＝Transpose(P_T)*M；
式中，M为发射天线实际非正交坐标系下的磁矩矩阵；P_T为发射天线的正交坐标系向非正交磁轴坐标的转换矩阵。
进一步地，所述计算磁场接收端测量的磁场矢量矩阵，包括：
1)根据接收天线三轴的调理电路增益、天线灵敏度和接收天线感应电压的幅值，计算接收天线所测磁场的磁场强度矩阵；
2)基于接收天线感应电压和发射天线激励电流的相位差确定接收天线所测磁场的符号矩阵；
3)磁场强度矩阵和磁场符号矩阵中相同位置的矩阵元分别相乘后可以得到所测磁场矢量的矩阵。
进一步地，在磁场发射端的每个发射轴的分时激励时间片内，采集当前发射轴的激励电流时域数据；对所得激励电流时域数据进行FFT计算获得当前发射轴的激励电流幅值和相位。
进一步地，磁场接收端通过ADC同步采集本磁场接收端的接收天线的感应电压的时域数据；对所得感应电压的时域数据进行FFT计算，获得接收天线的感应电压幅值和相位。
本发明至少可实现以下有益效果之一：
本发明可以同时测量多个通道接收端的位置和姿态，实现多个目标的实时定位跟踪。
本发明通过对发射天线和接收天线的轴间不正交度进行修正，有效提高了电磁定位跟踪的位置和姿态测量准确度。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中的多通道六自由度电磁定位跟踪方法流程图；
图2为本发明实施例中的发射天线骨架结构示意图；
图3为本发明实施例中的接收天线骨架结构示意图；
图4为本发明实施例中的位置信息和姿态信息计算方法流程图；
图5为本发明实施例中的天线的实际磁轴和理想正交三轴之间的坐标关系图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明的一个实施例公开了一种多通道六自由度电磁定位跟踪方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1磁场发射端通过三轴发射天线分时发射三轴磁场信号；在磁场中包括至少一个磁场接收端；每个磁场接收端作为一个接收通道，通过三轴接收天线接收三轴磁场信号；
步骤S2、测量发射天线的磁矩和电流相位信息以及每个接收天线的感应电压幅值和相位信息；
步骤S3、基于发射天线的磁矩和电流相位信息，以及每个接收天线的感应电压幅值和相位信息计算得到每个接收天线在发射天线坐标系下的三自由度位置信息和三自由度姿态信息，并在计算过程中通过修正发射天线和接收天线的轴间不正交度，提高位置和姿态信息的准确度。
具体的，磁场发射端的发射天线的骨架为三轴正交方型结构，如图2所示；在每一个轴上绕制漆包铜线并调谐后形成磁场发射天线，发射天线在发射激励电路的输出电流作用下在工作空间内形成偶极子磁场。
磁场发射端中的激励控制电路控制DDS产生激励发射天线所需的特征频率的初始正弦电压信号，该初始正弦电压信号经滤波和增益调节电路后产生所需幅值的低噪声单频正弦电压信号，该单频正弦信号经功率放大后流经发射电流采样电阻和三路发射开关后用于激励三轴发射天线；
磁场发射端激励控制电路按照X轴/Y轴/Z轴的顺序循环切换三路发射开关，实现三轴发射天线的分时激励发射三轴磁场信号。
具体的，磁场接收端的接收天线的骨架为三轴正交方型结构，如图3所示；在每一个轴上绕制漆包铜线后形成磁场接收天线，磁场接收天线在磁场发射天线产生的交流磁场中感应产生微弱的交流电压信号，该交流电压信号包含了接收天线所处空间点处交流磁场的幅值和相位信息。
磁场接收端中接收调理电路对磁场接收天线感应的微弱交流电压信号进行调理放大后，由ADC进行模数转换和采集，所得数字电压信号在接收模块采样控制电路中完成接收感应交流电压的幅值和相位计算。
具体的，在步骤S2中，在磁场发射端的每个发射轴的分时激励时间片段内，采集当前发射轴的激励电流时域数据；对所得激励电流时域数据进行FFT计算获得当前发射轴的激励电流幅值和相位。
磁场发射端X轴、Y轴、Z轴分时激励时的电流幅值分别记为Ix、Iy、Iz，电流相位分别记为PhaIx、PhaIy、PhaIz。
基于所得电流幅值Ix、Iy、Iz，可以计算得到发射天线的X轴、Y轴、Z轴的磁矩如下：
Mx＝Ix*Areax,My＝Iy*Areay,Mz＝Iz*Areaz；
Areax、Areay、Areaz分别为X轴、Y轴、Z轴的线圈面积。
构建发射天线的磁矩矩阵M为：
电流相位矩阵PhaI为：
PhaI＝(PhaIx PhaIx PhaIx PhaIy PhaIy PhaIy PhaIz PhaIz PhaIz)。
每个接收通道的磁场接收端通过ADC同步采集本接收通道中三轴接收天线的感应电压的时域数据；对所得感应电压的时域数据进行FFT计算，获得接收天线的感应电压幅值和相位。
为方便叙述多个接收通道分别记为R1/R2/R3/…Ri…，则以R1通道为例(其他测量通道类似)，在发射天线完成一次循环激励后，可以得到R1通道各接收天线感应电压的幅值矩阵VoltR1和相位矩阵PhR1。
电压幅值矩阵：
VoltR1＝(VxTx VyTx VzTx VxTy VyTy VzTy VxTz VyTz VzTz)；
其中：
VxTx、VyTx、VzTx分别表示发射天线的X轴激励时，R1测量通道的X轴接收天线、Y轴接收天线、Z轴接收天线的感应电压幅值；
VxTy、VyTy、VzTy分别表示发射天线的Y轴激励时，R1测量通道的X轴接收天线、Y轴接收天线、Z轴接收天线的感应电压幅值；
VxTz、VyTz、VzTz分别表示发射天线的Z轴激励时，R1测量通道的X轴接收天线、Y轴接收天线、Z轴接收天线的感应电压幅值。
电压相位矩阵：
PhR1＝(PhxTx PhyTx PhzTx PhxTy PhyTy PhzTy PhxTz PhyTz PhzTz)；
其中：
PhxTx、PhyTx、PhzTx分别表示发射天线的X轴激励时，R1测量通道的X轴接收天线、Y轴接收天线、Z轴接收天线的感应电压的相位；
PhxTy、PhyTy、PhzTy分别表示发射天线的Y轴激励时，R1测量通道的X轴接收天线、Y轴接收天线、Z轴接收天线的感应电压的相位；
PhxTz、PhyTz、PhzTz分别表示发射天线的Z轴激励时，R1测量通道的X轴接收天线、Y轴接收天线、Z轴接收天线的感应电压的相位。
磁场发射端的发射天线磁矩和电流相位决定了任一时刻空间中任一点处磁场矢量的强度和方向，磁场接收端的接收天线感应电压的幅值测量结果VoltR1和相位测量结果PhR1表征了接收天线所在空间点的磁场矢量的强度和方向。基于发射天线的磁矩、电流相位信息和接收天线感应电压的幅值测量结果和相位测量结果即可以计算得到接收天线在发射天线坐标系下的位置和姿态信息。
具体的，如图4所示，在步骤S3中包括：
步骤S301、计算磁场接收端测量的磁场矢量矩阵；
包括：
1)根据接收天线X、Y、Z轴的调理电路增益、天线灵敏度和接收天线感应电压的幅值，计算接收天线所测磁场的磁场强度矩阵；
接收天线X、Y、Z轴的调理电路的增益分别记为GainRx、GainRy、GainRz，构建接收通道的增益矩阵：
GainR1＝(GainRx GainRy GainRz GainRx GainRy GainRz GainRx GainRyGainRz)；
接收天线X、Y、Z轴的灵敏度分别记为SensRx、SensRy、SensRz，构建接收天线的灵敏度矩阵：
SensR1＝(SensRx SensRy SensRz SensRx SensRy SensRz SensRx SensRySensRz)；
接收天线感应电压的幅值测量结果VoltR1除以各自测量通道的增益和接收天线灵敏度，即得到接收天线所测磁场的磁场强度矩阵：
Fn_R1＝VoltR1./GainR1./SensR1。
2)基于接收天线感应电压和发射天线激励电流的相位差确定接收天线所测磁场的符号矩阵；
基于法拉第电磁感应定律，接收天线感应电压的相位相对发射天线激励电流的相位差值为“+90°”或“-90°”。因此，基于接收天线感应电压的相位信息和发射天线激励电流的相位信息确定接收天线所测磁场的符号矩阵如下：
Fsgn_R1＝sgn(sin(PhR1-PhaI))；
其中“sgn”表示对正弦函数的计算值取符号，计算值大于0，符号取“+1”，计算值小于0，符号取“-1”。
3)磁场强度矩阵和磁场符号矩阵中相同位置的矩阵元分别相乘后可以得到所测磁场矢量的矩阵。
所测磁场矢量的矩阵：F_R1＝Fn_R1.*Fsgn_R1；
F_R1具有如下形式：
F_R1＝(FxTx FyTx FzTx FxTy FyTy FzTy FxTz FyTz FzTz)。
步骤S302、修正发射天线和接收天线的轴间不正交度，得到正交坐标系下，发射天线的磁矩和接收天线的磁场矢量矩阵；
理想的发射天线和接收天线为正交三轴结构，但天线骨架加工和天线绕制必然存在误差，因此实际的发射天线和接收天线的磁轴不是理想的正交三轴结构，必然存在一定的轴间不正交度。天线的轴间不正交度严重影响电磁定位装置的定位精度，必须同时对发射天线和接收天线的轴间不正交度进行修正，将磁场测量矩阵转换为正交坐标系下的磁场测量矩阵才能保证定位导航精度。
天线的实际磁轴和理想正交三轴之间的关系如图4所示，设xyz为实际磁轴坐标系，x'y'z'为正交坐标系，用角度u1、u2、u3表征了实际天线三个磁轴相对于理想的正交的三个磁轴的不正交度。
发射天线和接收天线在选择天线骨架和天线绕制后，不正交度的角度u1、u2、u3确定，可通过测量的方式预先获得。
基于此，得到正交坐标系x'y'z'向非正交磁轴坐标系xyz的转换矩阵如下所示：
基于每个接收天线的正交坐标系x'y'z'向非正交磁轴坐标系xyz的转换矩阵，对接收天线测量的磁场强度进行轴间不正交度修正得到正交坐标系的磁场测量矩阵；
修正公式为：
式中，F'_Ri为第i通道的接收天线在正交坐标系的磁场测量矩阵；FxTx'、FxTy'、FxTz'分别为该通道的接收天线在正交坐标系三轴上的磁场强度；FxTx、FyTy、FzTy分别为该通道的接收天线在非正交坐标系三轴上的测量磁场强度；P_Ri第i通道的接收天线的正交坐标系向非正交磁轴坐标的转换矩阵；“Inverse”为对矩阵取逆运算；
R1通道的修正后的正交坐标系三轴上的磁场强度：
基于发射天线的正交坐标系x'y'z'向非正交磁轴坐标系xyz的转换矩阵，对发射天线的磁矩进行轴间不正交度修正得到正交坐标系的磁矩；
修正公式为：
式中，M为发射天线实际非正交坐标系下的磁矩矩阵；P_T为发射天线的正交坐标系向非正交磁轴坐标的转换矩阵；角度u1、u2、u3表征了实际发射天线三个磁轴相对于理想的正交的三个磁轴的不正交度。
步骤S303、根据正交坐标系下发射天线的磁矩和磁场矢量矩阵建立耦合方程，通过迭代求解计算磁场接收端的接收天线的位置和姿态；
所述耦合方程F'_Ri＝Lm*Rm*M'；其中，F'_Ri为正交坐标系下第i通道的磁场接收端测量的磁场矢量矩阵；M'为正交坐标系下发射天线的磁矩；Lm为所述磁场接收端的接收天线姿态矩阵，Rm为所述磁场接收端的接收天线和磁场发射端的发射天线的距离耦合矩阵。
具体的，以R1通道为例，完成发射天线和接收天线的轴间不正交度后，在正交坐标系下，接收天线测得的磁场F'_R1和发射天线的磁矩M'之间满足如下耦合方程：
F'_R1＝Lm*Rm*M'；
其中矩阵Lm为接收天线的姿态矩阵，包含了接收天线的姿态信息，矩阵Rm为接收天线和发射天线的距离耦合矩阵，包含了接收天线的在发射天线正交坐标系下的坐标信息。
具体的，接收天线的方位角、俯仰角和横滚角分别记为fYaw、fPitch和fRoll，则姿态矩阵Lm可以由下式计算得到：
接收天线的位置坐标分别记为rx、ry、rz，则距离耦合矩阵可以表示成如下形式：
其中
将姿态矩阵Lm和距离耦合矩阵Rm代入接收天线磁场和发射天线磁矩的耦合方程，采用求解非线性方程组的经典迭代算法(例如梯度下降法)即可迭代求解得到接收器的位置和姿态信息。从而实现对接收通道R1的磁场接收端的六自由度电磁定位跟踪。
对于其他的测量通道，均可以采用本实施例的方法计算得到每个通道接收天线在正交坐标系下的三轴位置和三轴姿态信息。
综上所述，本发明实施例可以同时测量多个通道接收端的位置和姿态，实现多个目标的实时定位跟踪。并通过对发射天线和接收天线的轴间不正交度进行修正，有效提高了电磁定位跟踪的位置和姿态测量准确度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多通道六自由度电磁定位跟踪方法，其特征在于，包括：
磁场发射端通过三轴发射天线分时发射三轴磁场信号；在磁场中包括至少一个磁场接收端；每个磁场接收端作为一个接收通道，通过三轴接收天线接收三轴磁场信号；
测量发射天线的磁矩和电流相位信息以及每个接收天线的感应电压幅值和相位信息；
基于发射天线的磁矩和电流相位信息，以及每个接收天线的感应电压幅值和相位信息计算得到每个接收天线在发射天线坐标系下的三自由度位置信息和三自由度姿态信息，并在计算过程中通过修正发射天线和接收天线的轴间不正交度，提高位置和姿态信息的准确度。
2.根据权利要求1所述的多通道六自由度电磁定位跟踪方法，其特征在于，计算每个接收天线在发射天线坐标系下的三自由度位置信息和三自由度姿态信息的方法包括：
1)计算磁场接收端测量的磁场矢量矩阵；
2)修正发射天线和接收天线的轴间不正交度，得到正交坐标系下，发射天线的磁矩和磁场矢量矩阵；
3)根据正交坐标系下发射天线的磁矩和磁场矢量矩阵建立耦合方程，通过迭代求解计算磁场接收端的接收天线的位置和姿态；
所述耦合方程F'_Ri＝Lm*Rm*M'；其中，F'_Ri为正交坐标系下第i通道的磁场接收端测量的磁场矢量矩阵；M'为正交坐标系下发射天线的磁矩；Lm为所述磁场接收端的接收天线姿态矩阵，Rm为所述磁场接收端的接收天线和磁场发射端的发射天线的距离耦合矩阵。
3.根据权利要求2所述的多通道六自由度电磁定位跟踪方法，其特征在于，姿态矩阵Lm为：
式中，fYaw、fPitch、fRoll分别为接收天线的方位角、俯仰角、横滚角。
4.根据权利要求2所述的多通道六自由度电磁定位跟踪方法，其特征在于，距离耦合矩阵Rm为：
式中，rx、ry、rz分别为接收天线的X、Y、Z轴位置坐标；
5.根据权利要求1所述的多通道六自由度电磁定位跟踪方法，其特征在于，所述发射天线和接收天线的骨架均为三轴正交方型结构，在每一个轴上绕制漆包铜线；为消除由于天线骨架加工和漆包铜线绕制存在误差而引起的轴间不正交度；每个天线的正交坐标系向非正交磁轴坐标的转换矩阵为：其中，角度u1、u2、u3为实际天线的三个磁轴相对于理想正交的三个磁轴的不正交度。
6.根据权利要求5所述的多通道六自由度电磁定位跟踪方法，其特征在于，
通过对磁场接收端测量的磁场矢量矩阵进行接收天线的轴间不正交度修正得到正交坐标系的磁场矢量矩阵；
修正公式为：
式中，F'_Ri为第i通道的磁场接收端在正交坐标系的磁场矢量矩阵；FxTx'、FxTy'、FxTz'分别为该通道磁场接收端的接收天线在正交坐标系三轴上的磁场强度；FxTx、FyTy、FzTy分别为该通道磁场接收端的接收天线在非正交坐标系三轴上的测量磁场强度；P_Ri第i通道磁场接收端的接收天线的正交坐标系向非正交磁轴坐标的转换矩阵；“Inverse”为对矩阵取逆运算。
7.根据权利要求5所述的六自由度电磁定位跟踪方法，其特征在于，
通过对发射天线的磁矩进行轴间不正交度修正得到正交坐标系的磁矩；
修正公式为：M'＝Transpose(P_T)*M；
式中，M为发射天线实际非正交坐标系下的磁矩矩阵；P_T为发射天线的正交坐标系向非正交磁轴坐标的转换矩阵。
8.根据权利要求1所述的六自由度电磁定位跟踪方法，其特征在于，所述计算磁场接收端测量的磁场矢量矩阵，包括：
1)根据接收天线三轴的调理电路增益、天线灵敏度和接收天线感应电压的幅值，计算接收天线所测磁场的磁场强度矩阵；
2)基于接收天线感应电压和发射天线激励电流的相位差确定接收天线所测磁场的符号矩阵；
3)磁场强度矩阵和磁场符号矩阵中相同位置的矩阵元分别相乘后可以得到所测磁场矢量的矩阵。
9.根据权利要求1所述的六自由度电磁定位跟踪方法，其特征在于，在磁场发射端的每个发射轴的分时激励时间片内，采集当前发射轴的激励电流时域数据；对所得激励电流时域数据进行FFT计算获得当前发射轴的激励电流幅值和相位。
10.根据权利要求1所述的六自由度电磁定位跟踪方法，其特征在于，磁场接收端通过ADC同步采集本磁场接收端的接收天线的感应电压的时域数据；对所得感应电压的时域数据进行FFT计算，获得接收天线的感应电压幅值和相位。
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| CN202210133040.8A CN116625363A (zh) | 2022-02-14 | 2022-02-14 | 一种多通道六自由度电磁定位跟踪方法 |
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| CN202210133040.8A CN116625363A (zh) | 2022-02-14 | 2022-02-14 | 一种多通道六自由度电磁定位跟踪方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117008174A (zh) * | 2023-10-07 | 2023-11-07 | 中国西安卫星测控中心 | 一种基于gnss的测控天线不正交度测量方法及装置 |
-
2022
- 2022-02-14 CN CN202210133040.8A patent/CN116625363A/zh active Pending
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| CN117008174A (zh) * | 2023-10-07 | 2023-11-07 | 中国西安卫星测控中心 | 一种基于gnss的测控天线不正交度测量方法及装置 |
| CN117008174B (zh) * | 2023-10-07 | 2024-03-01 | 中国西安卫星测控中心 | 一种基于gnss的测控天线不正交度测量方法及装置 |
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