RU2413957C2 - Method of determining linear position and orientation of mobile object - Google Patents
Method of determining linear position and orientation of mobile object Download PDFInfo
- Publication number
- RU2413957C2 RU2413957C2 RU2008136343/09A RU2008136343A RU2413957C2 RU 2413957 C2 RU2413957 C2 RU 2413957C2 RU 2008136343/09 A RU2008136343/09 A RU 2008136343/09A RU 2008136343 A RU2008136343 A RU 2008136343A RU 2413957 C2 RU2413957 C2 RU 2413957C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- current
- magnetic
- pulse
- pulses
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Navigation (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам исследования движения человека, оборудования или инструмента. Изобретение может быть использовано в биомеханике для изучения движений пациента, в строительства для управления направленным бурением, в системах виртуальной и дополненной реальности, компьютерных играх и в других областях науки и техники, связанных с измерениями движения.The invention relates to measuring equipment, in particular to means for studying the movement of a person, equipment or instrument. The invention can be used in biomechanics to study patient movements, in construction for directional drilling control, in virtual and augmented reality systems, computer games and in other fields of science and technology related to motion measurements.
Уровень техникиState of the art
Известна технология магнитного позиционирования (МП) подвижных объектов, основанная на генерировании магнитного поля с известным пространственным распределением в зоне перемещения подвижного объекта, измерении ортогональных компонент данного поля подвижным приемником и вычислении координат подвижного приемника в реальном времени, чаще всего путем итерационного сравнения измеренных значений поля с вычисляемыми значениями для предполагаемых координат подвижного приемника [1-5].The known technology of magnetic positioning (MP) of moving objects, based on the generation of a magnetic field with a known spatial distribution in the movement zone of the moving object, measuring the orthogonal components of this field with a moving receiver and calculating the coordinates of the moving receiver in real time, most often by iteratively comparing the measured field values with calculated values for the estimated coordinates of the moving receiver [1-5].
В мировой практике применяются два способа магнитного позиционирования подвижных объектов, отличающихся характером генерируемого магнитного поля:In world practice, two methods of magnetic positioning of moving objects that differ in the nature of the generated magnetic field are used:
1. Способ, использующий непрерывные синусоидальные магнитные поля ортогональной ориентации, генерируемые на разных частотах - АС-способ [1] от английского выражения "Alternating current" - переменный ток.1. A method using continuous sinusoidal magnetic fields of orthogonal orientation generated at different frequencies - AC method [1] from the English expression "Alternating current" - alternating current.
2. Способ, использующий импульсные магнитные поля чередующейся ориентации - DC-способ [2, 3], от английского выражения "Direct current" -постоянный ток.2. A method using pulsed magnetic fields of alternating orientation — the DC method [2, 3], from the English expression “Direct current” —direct current.
Использование синусоидального поля позволяет достичь большей частоты измерений за счет одновременности действия всех полей. Основным недостатком АС - способа является сильная зависимость точности позиционирования от наличия металла в окружающем интерьере. Синусоидальные магнитные поля наводят вихревые токи в металлических элементах, которые существенно влияют на измеряемые поля, и ограничивают применение метода в ряде областей, например в авиации, где в замкнутом объеме металлической кабины летательного аппарата невозможно получить требуемую точность позиционирования данным методом.Using a sinusoidal field allows to achieve a higher measurement frequency due to the simultaneous action of all fields. The main disadvantage of the AC - method is the strong dependence of positioning accuracy on the presence of metal in the surrounding interior. Sinusoidal magnetic fields induce eddy currents in metal elements, which significantly affect the measured fields, and limit the application of the method in a number of areas, for example, in aviation, where it is impossible to obtain the required positioning accuracy using this method in a closed volume of a metal cabin of an aircraft.
DC - способ чувствителен к магнитному полю Земли (МПЗ), которое векторно складывается на подвижном приемнике с каждым генерируемым импульсным полем. Поэтому для компенсации влияния МПЗ в последовательность генерируемых импульсов поля введена пауза, когда все источники выключены. Во время паузы подвижный приемник измеряет компоненты МПЗ в текущей ориентации, которые затем последовательно вычитаются из общих измеряемых сигналов с включенными источниками. Импульсное поле позволяет устранить влияние вихревых токов, наводимых в металлических элементах интерьера, на точность позиционирования.DC - the method is sensitive to the Earth's magnetic field (MF), which is vectorly added to the moving receiver with each generated pulsed field. Therefore, in order to compensate for the effect of the magnetic overcurrent, a pause is introduced in the sequence of generated field pulses when all sources are turned off. During a pause, the mobile receiver measures the MPS components in the current orientation, which are then sequentially subtracted from the total measured signals with the sources turned on. The pulse field allows you to eliminate the influence of eddy currents induced in the metal elements of the interior, on the accuracy of positioning.
Оба известных способа позволяют определять шесть координат подвижного объекта - три линейных координаты и три угла, определяющих ориентацию объекта - азимут, угол места и крен. Оба способа осуществляются при помощи одного или нескольких фиксированных в пространстве источников магнитного поля, а также подвижного приемника, подающего измеряемые сигналы в компьютер, где вычисляются текущие линейные и угловые координаты подвижного приемника относительно зафиксированных источников поля. Множество конфигураций систем МП, используемых в разных областях применения, отличается количеством источников и приемников магнитного поля и их конструктивным оформлением [4]. Наиболее распространенная конфигурация [3*3] включает три фиксированных в пространстве независимых источника магнитного поля и три ортогональных приемника на подвижном объекте. Совокупность источников составляет генератор магнитного поля, являющийся обязательной частью магнитной системы позиционирования, определяющей полный набор координат подвижного объекта - линейное положение и ориентацию. При этом однозначное позиционирование -вычисление координат подвижного объекта обеспечивается в любой точке вокруг генератора магнитного поля. При исключении одного источника у получившейся конфигурации [2*3] размер зоны однозначного позиционирования сокращается до одного квадранта, но устойчивая работа системы в этой зоне сохраняется.Both known methods allow you to determine the six coordinates of a moving object - three linear coordinates and three angles that determine the orientation of the object - azimuth, elevation and roll. Both methods are carried out using one or more spatially fixed magnetic field sources, as well as a movable receiver that delivers measured signals to a computer, where the current linear and angular coordinates of the movable receiver relative to the fixed field sources are calculated. Many configurations of MP systems used in various fields of application differ in the number of sources and receivers of the magnetic field and their design [4]. The most common configuration [3 * 3] includes three spatially independent independent magnetic field sources and three orthogonal receivers on a moving object. The combination of sources is a magnetic field generator, which is a mandatory part of the magnetic positioning system that determines the full set of coordinates of a moving object - linear position and orientation. In this case, unambiguous positioning - the calculation of the coordinates of a moving object is provided at any point around the magnetic field generator. If one source is excluded from the resulting configuration [2 * 3], the size of the unique positioning zone is reduced to one quadrant, but the stable operation of the system in this zone is maintained.
Выбор прототипаPrototype selection
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к настоящему изобретению является DC-способ, составляющий суть импульсной системы позиционирования и заключающийся в генерировании последовательности импульсных магнитных полей различной ориентации, разделении последовательности паузой, когда все источники выключены, измерении компонент каждого магнитного поля в точке наблюдения, вычислении координат подвижного тела. По сравнению с АС-способом DC-способ свободен от влияния вихревых полей, имеющих возможность затухнуть каждый раз в течение импульса поля до начала измерений, длительность которого выбирают по возможности большей, чем время затухания вихревых токов в окружающем интерьере.The closest in technical essence and the achieved result to the present invention is the DC method, which is the essence of a pulsed positioning system and consists in generating a sequence of pulsed magnetic fields of different orientations, dividing the sequence by a pause when all sources are turned off, measuring the components of each magnetic field at the observation point, calculating the coordinates of a moving body. Compared to the AC method, the DC method is free from the influence of eddy fields, which can attenuate each time during the field pulse before the start of measurements, the duration of which is chosen as long as possible than the decay time of eddy currents in the surrounding interior.
Для реализации известного способа-прототипа используется система магнитного позиционирования, структурная схема которой приведена на фиг.1, и включает в себя:To implement the known prototype method, a magnetic positioning system is used, the structural diagram of which is shown in figure 1, and includes:
- неподвижный в заданной системе координат XYZ генератор магнитного поля 1, содержащий, как правило, два или три источника магнитного поля с разной ориентацией, разнесенных в пространстве или чаще всего объединенных в одном конструктивном элементе - генераторе магнитного поля. В качестве источников магнитного поля применяются обмотки с током, имеющие разную ориентацию, например - по ортогональным осям неподвижной прямоугольной системы координат;- a
- подвижный приемник 2 - измерительное устройство, содержащее, как правило, два или три ортогональных датчика магнитного поля и жестко связанное с подвижным объектом, позиционирование которого ведется магнитной системой (на чертеже не показано);- movable receiver 2 - a measuring device containing, as a rule, two or three orthogonal magnetic field sensors and rigidly connected with a moving object, the positioning of which is carried out by a magnetic system (not shown in the drawing);
- контроллер 3, управляющий работой генератора магнитного поля;-
- аналого-цифровой интерфейс 4, преобразующий аналоговые сигналы от подвижного приемника в коды и вырабатывающий цифровые управляющие сигналы, необходимые для работы контроллера;- analog-digital interface 4, which converts the analog signals from the mobile receiver into codes and generates digital control signals necessary for the operation of the controller;
- вычислитель 5, управляющий работой всей системы и решающий математическую задачу нахождения координат подвижного приемника.-
Работа импульсной системы магнитного позиционирования поясняется графиками, приведенными на фиг.2.The operation of the pulsed magnetic positioning system is illustrated by the graphs shown in figure 2.
- По управляющим сигналам, получаемым от вычислителя через интерфейс, контроллер последовательно запитывает обмотки генератора магнитного поля импульсами тока с плоской вершиной Ix, Iy, Iz.- According to the control signals received from the calculator via the interface, the controller sequentially energizes the windings of the magnetic field generator with current pulses with a flat top Ix, Iy, Iz.
- Подвижный приемник, удаленный от генератора магнитного поля, каждый раз измеряет векторную сумму магнитного поля, генерируемого тем или иным источником и МПЗ в данной точке. В общем случае ориентация подвижного приемника на момент измерения неизвестна. Поэтому для выделения информационных полей, генерируемых источниками, необходимо компенсировать влияние МПЗ. Для измерения МПЗ, как видно из фиг.2, предназначена пауза после завершения последовательности работы источников поля. Во время паузы все источники выключены, токи по обмоткам не протекают. В этом случае подвижный приемник измеряет только компоненты МПЗ в текущей ориентации. Пауза токов, когда все источники выключены, является обязательным условием для правильного функционирования импульсной системы магнитного позиционирования. Таким образом, в системе магнитного позиционирования, содержащей 3 источника в генераторе магнитного поля и три датчика в приемнике, за полный цикл работы системы производится в общей сложности 12 измерений компонент магнитного поля в точке нахождения подвижного приемника - 3 раза по 3 измерения от каждого источника и еще три измерения во время паузы токов. Затем измеренные за время паузы токов компоненты МПЗ последовательно вычитаются из суммарных полей, полученных при включенных источниках магнитного поля. Полученные таким образом данные - 9 результатов вычитания свободны от влияния МПЗ и используются далее для вычисления координат подвижного приемника.- A mobile receiver, remote from the magnetic field generator, each time measures the vector sum of the magnetic field generated by one or another source and the magnetic field fault at this point. In general, the orientation of the mobile receiver at the time of measurement is unknown. Therefore, to highlight the information fields generated by sources, it is necessary to compensate for the influence of the MPZ. To measure the MPZ, as can be seen from figure 2, there is a pause after completing the sequence of field sources. During a pause, all sources are turned off, currents do not flow through the windings. In this case, the moving receiver measures only the components of the MPS in the current orientation. A pause of currents when all sources are turned off is a prerequisite for the correct functioning of a pulsed magnetic positioning system. Thus, in a magnetic positioning system containing 3 sources in a magnetic field generator and three sensors in a receiver, a total of 12 measurements of the magnetic field components at the location of the moving receiver are made for a full cycle of the system — 3
- После завершения полного периода работы источников поля и паузы предусматривается дополнительное время, необходимое для решения математической задачи вычисления координат подвижного приемника, как следует из фиг.2. Данная задача чаще всего сводится к решению системы нелинейных алгебраических уравнений, которое, как правило, производится итерационными численными методами сравнения измеряемых значений поля с величинами, получаемыми из математических моделей источников поля для предполагаемых координат приемника.- After completing the full period of operation of the field sources and the pause, additional time is required to solve the mathematical problem of calculating the coordinates of the moving receiver, as follows from figure 2. This problem most often comes down to solving a system of nonlinear algebraic equations, which, as a rule, is performed by iterative numerical methods for comparing the measured field values with the values obtained from mathematical models of field sources for the estimated coordinates of the receiver.
- Серия последовательных импульсов тока питания отдельных источников магнитного поля показана на фиг.2 для случая генератора магнитного поля, состоящего из трех источников. В этом случае девять независимых измерений обеспечивают единственное решение математической задачи позиционирования во всем объеме зоны перемещения. В некоторых случаях при ограничении объема перемещения подвижного приемника возможно использование двух источников поля вместо трех. Тогда, соответственно, будет и два импульса тока в последовательности вместо трех импульсов, как показано на фиг.2 для генератора с тремя источниками. Соответственно, и число независимых измерений в данном случае составит шесть, вместо девяти.- A series of consecutive pulses of the supply current of individual magnetic field sources is shown in figure 2 for the case of a magnetic field generator consisting of three sources. In this case, nine independent measurements provide the only solution to the mathematical problem of positioning in the entire volume of the displacement zone. In some cases, when limiting the volume of movement of the movable receiver, it is possible to use two field sources instead of three. Then, accordingly, there will be two current pulses in the sequence instead of three pulses, as shown in figure 2 for a generator with three sources. Accordingly, the number of independent measurements in this case will be six, instead of nine.
- После решения математической задачи последовательность работы источников тока генератора магнитного поля повторяется, обеспечивая тем самым непрерывно-дискретную работу импульсной магнитной системы позиционирования.- After solving the mathematical problem, the sequence of work of the current sources of the magnetic field generator is repeated, thereby ensuring the continuous-discrete operation of the pulsed magnetic positioning system.
Недостатки известного способа магнитного позиционирования, выбранного в качестве прототипа, заключаются в следующем.The disadvantages of the known method of magnetic positioning, selected as a prototype, are as follows.
1. Понижение уровня измеряемых полей в DC-системе по сравнению с АС-системой в связи с переходом на однополярные импульсы тока. Использование однополярного тока возбуждения в DC-системе вдвое снижает размах принимаемого сигнала по сравнению с АС-методом, где генерируется двухполярное, знакопеременное поле синусоидальной формы. Снижение размаха поля ведет к уменьшению дальности действия системы позиционирования при заданной точности позиционирования и уровне шумов приемника.1. Lowering the level of the measured fields in the DC system compared to the AC system in connection with the transition to unipolar current pulses. The use of a unipolar field current in a DC system halves the received signal in comparison with the AC method, where a bipolar, alternating sinusoidal field is generated. A decrease in the field amplitude leads to a decrease in the range of the positioning system at a given positioning accuracy and receiver noise level.
2. Понижение стабильности работы системы. Пауза в последовательности токов нарушает регулярную работу устройства электропитания системы, которое вынуждено работать в прерывистом режиме. Данное обстоятельство ведет к появлению дополнительной нестабильности в работе системы магнитного позиционирования, т.к. первый импульс тока в последовательности каждый раз приходится на переходный процесс источника питания, что создает неравные условия для формирования плоской вершины разных импульсов тока. Необходимость решения данной задачи заставляет усложнять схему и алгоритм работы силовой части системы позиционирования.2. Lowering the stability of the system. A pause in the sequence of currents disrupts the regular operation of the system’s power supply device, which is forced to operate intermittently. This circumstance leads to the appearance of additional instability in the operation of the magnetic positioning system, since the first current pulse in the sequence each time falls on the transient process of the power source, which creates unequal conditions for the formation of a flat top of different current pulses. The need to solve this problem makes it difficult to complicate the scheme and algorithm of the power part of the positioning system.
3. Повышение динамической погрешности позиционирования. Информация, получаемая во время паузы токов, используется для обработки каждого импульса тока в последовательности для компенсации влияния МПЗ. Но за период между соседними паузами сигналы МПЗ не постоянны, т.к. подвижный приемник может менять свою ориентацию. Поэтому точность компенсации влияния МПЗ в прототипе не одинакова для разных импульсов из-за относительно большого времени между соседними паузами. Данное обстоятельство создает дополнительную динамическую погрешность позиционирования, особенно с учетом того, что МПЗ может быть много больше рабочего поля, создаваемого системой. В частности, при удалении подвижного приемника от генератора поля амплитуда рабочего поля становится много меньше величины МПЗ. В результате снижаются динамические свойства системы позиционирования, понижается точность позиционирования движущихся объектов. При этом точность компенсации МПЗ на больших расстояниях приобретает первостепенное значение даже для статических измерений.3. Increasing the dynamic positioning error. Information obtained during a pause of currents is used to process each current pulse in a sequence to compensate for the effect of the overcurrent protection. But for the period between adjacent pauses, the MPZ signals are not constant, because the mobile receiver can change its orientation. Therefore, the accuracy of compensating for the influence of MPZ in the prototype is not the same for different pulses due to the relatively long time between adjacent pauses. This circumstance creates an additional dynamic positioning error, especially taking into account the fact that the MPZ can be much larger than the working field created by the system. In particular, when the moving receiver is removed from the field generator, the amplitude of the working field becomes much less than the value of the magnetic overcurrent. As a result, the dynamic properties of the positioning system are reduced, and the accuracy of positioning of moving objects is reduced. At the same time, the accuracy of compensation of MPZ at large distances is of paramount importance even for static measurements.
4. Пониженная частота обновления выходных данных системы позиционирования. Вычисления координат подвижного объекта ведутся с частотой повторения паузы, что в 3-4 раза ниже частоты следования импульсов магнитного поля.4. Reduced refresh rate of positioning system output. The coordinates of a moving object are calculated with a pause repetition rate, which is 3-4 times lower than the repetition rate of magnetic field pulses.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задачами, на решение которых направлено данное изобретение, являются:The tasks to which this invention is directed are:
- увеличение дальности действия системы позиционирования,- increase the range of the positioning system,
- повышение стабильности работы системы,- improving the stability of the system,
- снижение динамической погрешности позиционирования,- reduction in dynamic positioning error,
- повышение частоты обновления координат подвижного объекта.- increasing the frequency of updating the coordinates of a moving object.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в увеличении дальности, стабильности, снижении динамической погрешности и повышении частоты обновления выходных данных при магнитном позиционировании подвижных объектов.The technical result achieved by using the present invention is to increase the range, stability, reduce dynamic error and increase the refresh rate of the output data when magnetically positioning moving objects.
Поставленная задача с достижением упомянутого выше результата решается тем, что предложен способ магнитного позиционирования подвижных объектов, описанный ниже.The problem with the achievement of the above result is solved by the fact that the proposed method of magnetic positioning of moving objects, described below.
Для повышения дальности действия системы согласно изобретению предлагается питать обмотки источников магнитного поля двухполярными импульсами тока с плоскими вершинами, что удвоит размах поля на подвижном приемнике и, соответственно, размах измеряемого сигнала, используемого в расчетах координат подвижного приемника. Влияние собственных шумов подвижного приемника уменьшается при этом не менее чем в 1.41 раза, т.к. шумы складываются квадратично, а информационные сигналы - линейно. Соответственно растет дальность действия системы.To increase the range of the system according to the invention, it is proposed to feed the windings of the magnetic field sources with bipolar current pulses with flat tops, which will double the field amplitude at the mobile receiver and, accordingly, the measured signal amplitude used in calculating the coordinates of the mobile receiver. The influence of the intrinsic noise of the mobile receiver is reduced by at least 1.41 times, because noises add up quadratically, and information signals linearly. Accordingly, the range of the system is growing.
Кроме того, в данном случае исчезает необходимость специально компенсировать влияние МПЗ, т.к. компенсация происходит автоматически за счет того, что величина поля, генерируемого конкретным источником в точку нахождения приемника, получается как разность величин, измеренных для каждой полярности тока возбуждения данного источника. При этом дополнительно увеличивается точность компенсации влияния МПЗ, т.к. составляющая измеряемых сигналов, вызванных МПЗ, более одинакова для обеих полярностей и лучше компенсируется при вычитании.In addition, in this case, the need to specifically compensate for the effect of the MPZ disappears, since compensation occurs automatically due to the fact that the field generated by a particular source at the location of the receiver is obtained as the difference between the values measured for each polarity of the excitation current of this source. At the same time, the accuracy of compensation of the influence of the MPZ is further increased, the component of the measured signals caused by the MES is more the same for both polarities and is better compensated by subtraction.
Количество измерений при этом сокращается с 12-ти до 9-ти для системы с тремя источниками и тремя приемниками.The number of measurements is reduced from 12 to 9 for a system with three sources and three receivers.
Разнополярные импульсы тока можно генерировать непосредственно друг за другом, что является основным режимом работы системы позиционирования согласно изобретению. При этом интервал времени между ними может быть сокращен до величины гораздо меньшей, чем интервал между паузами в прототипе, что согласно изобретению позволяет уменьшить динамическую погрешность позиционирования за счет увеличения точности компенсации МПЗ.Bipolar current pulses can be generated directly one after another, which is the main mode of operation of the positioning system according to the invention. In this case, the time interval between them can be reduced to a value much smaller than the interval between pauses in the prototype, which according to the invention allows to reduce the dynamic positioning error by increasing the accuracy of compensation MPZ.
Для повышения стабильности и точности работы системы согласно изобретению предлагается исключить паузу токов. В прототипе для завершения цикла измерений нужна пауза токов, без которой невозможно вычислить амплитуды рабочих полей и координат подвижного приемника. При переходе на двухполярные импульсы тока необходимость в паузе отпадает, что создает практически непрерывный режим работы устройства электропитания системы, повышает надежность и стабильность работы системы позиционирования, упрощает схему.To increase the stability and accuracy of the system according to the invention it is proposed to exclude the pause of currents. In the prototype, to complete the measurement cycle, a pause of currents is needed, without which it is impossible to calculate the amplitudes of the working fields and coordinates of the moving receiver. When switching to bipolar current pulses, there is no need for a pause, which creates an almost continuous mode of operation of the system’s power supply device, increases the reliability and stability of the positioning system, and simplifies the circuit.
Для увеличения частоты обновления выходных данных и снижения динамической погрешности позиционирования согласно изобретению предлагается производить вычисление координат после каждого частного цикла переключения источника магнитного поля, не дожидаясь завершения всей последовательности, составляющей период работы системы позиционирования. При этом для вычислений каждый раз будет использоваться текущая серия из предшествующих импульсов тока, которых может быть шесть или четыре в зависимости от конфигурации зоны перемещения подвижного объекта. Величина МПЗ в данном случае компенсируется наилучшим образом каждый раз для пары разнополярных импульсов, следующих друг за другом. Т.к. величина МПЗ чаще всего намного превышает рабочее поле, то точность его компенсации сильнее влияет на результирующую точность позиционирования, чем динамические изменения рабочего поля.In order to increase the refresh rate of the output data and reduce the dynamic positioning error, it is proposed according to the invention to calculate the coordinates after each particular switching cycle of the magnetic field source, without waiting for the completion of the entire sequence that constitutes the period of operation of the positioning system. In this case, the current series of previous current pulses, which can be six or four, depending on the configuration of the moving zone of the moving object, will be used for calculations each time. In this case, the MFZ value is compensated in the best way each time for a pair of unipolar pulses following one after another. Because Since the magnitude of the MPZ is often much larger than the working field, the accuracy of its compensation affects the resulting positioning accuracy more strongly than dynamic changes in the working field.
Перечень чертежейList of drawings
Далее изобретение будет подробно пояснено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены:The invention will now be explained in detail with reference to the accompanying drawings, in which:
На фиг.3 - график следования двухполярных импульсов тока для варианта, когда периодически меняется полярность каждого импульса тока через соответствующую обмотку источника (пример реализации способа 1). Figure 3 is a graph of the sequence of bipolar current pulses for the option when the polarity of each current pulse through the corresponding winding of the source periodically changes (example implementation of method 1).
На фиг.4 - график следования двухполярных импульсов тока для варианта, когда переключается полярность всей серии импульсов тока через три обмотки источников магнитного поля (пример реализации способа 2). Figure 4 is a graph of the sequence of bipolar current pulses for the option when the polarity of the entire series of current pulses is switched through three windings of magnetic field sources (example of the implementation of method 2).
На фиг.5 - пример структурной схемы устройства, предназначенного для реализации предлагаемого способа магнитного позиционирования.Figure 5 is an example of a structural diagram of a device designed to implement the proposed method of magnetic positioning.
Как следует из фиг.3 и 4, каждая обмотка генератора магнитного поля возбуждается последовательно двумя импульсами одинаковой амплитуды, но разных полярностей. Причем группировать импульсы можно двумя путями:As follows from figure 3 and 4, each winding of the magnetic field generator is excited sequentially by two pulses of the same amplitude, but of different polarities. Moreover, pulses can be grouped in two ways:
- переключать полярность импульсов тока для каждого источника поля последовательно и сразу друг за другом, запитывая каждый источник двумя импульсами тока разной полярности;- switch the polarity of the current pulses for each field source sequentially and immediately one after another, feeding each source with two current pulses of different polarity;
- импульсы одной полярности объединить в общую группу, сначала пропустить через обмотки источников все импульсы одной полярности, затем переключить полярность импульсов тока и пропустить через обмотки серию импульсов тока обратной полярности.- combine pulses of the same polarity into a common group, first pass through the windings of the sources all pulses of the same polarity, then switch the polarity of the current pulses and pass through the windings a series of current pulses of reverse polarity.
Именно два таких разных способа группировки импульсов тока приведены на фиг.3 и 4 соответственно.It is two such different ways of grouping current pulses are shown in figure 3 and 4, respectively.
Можно видеть, что в обоих вариантах два сигнала на подвижном приемнике, созданные следующими друг за другом разнополярными импульсами тока через единичный источник поля, содержат вклад МПЗ. Например, на фиг.3:It can be seen that in both cases the two signals at the mobile receiver, created by successive opposite-polarity current pulses through a single field source, contain the contribution of the MFZ. For example, in figure 3:
В1+=K*1x+1+ВМПЗ,In 1+ = K * 1 x + 1 + In MPZ ,
B1-=K*1x-1+ВМПЗ, B 1- = K * 1 x-1 + V MPZ,
Bs=В1+-В1-=K*(Ix+1+Ix-1),B s = B 1+ -B 1- = K * (I x + 1 + I x-1 ),
где Ix+1 - величина положительного импульса тока через обмотку источника поля "X",where I x + 1 is the value of the positive current pulse through the winding of the field source "X",
Ix-1 - величина отрицательного импульса тока через обмотку источника поля "X",I x-1 - the magnitude of the negative current pulse through the winding of the field source "X",
В1+ - суммарное магнитное поле, измеряемое одним из датчиков подвижного приемника за время действия положительного импульса тока в обмотке источника поля "X",In 1+ - the total magnetic field measured by one of the sensors of the moving receiver during the action of a positive current pulse in the winding of the field source "X",
В1- - суммарное магнитное поле, измеряемое тем же датчиком подвижного приемника за время действия отрицательного импульса тока в обмотке того же источника поля "X",In 1- - the total magnetic field measured by the same sensor of the moving receiver during the action of the negative current pulse in the winding of the same field source "X",
K - коэффициент пропорциональности, определяемый координатами подвижного приемника и его магнитной чувствительностью,K is the coefficient of proportionality, determined by the coordinates of the moving receiver and its magnetic sensitivity,
ВМПЗ - проекция магнитного поля Земли на текущее положение подвижного приемника,In MPZ - the projection of the Earth's magnetic field on the current position of the moving receiver,
Bs - сигнальное поле, поступающее в вычислительный код.B s is the signal field entering the computational code.
Таким образом, попарное вычитание сигналов с каждого датчика подвижного приемника для разных направлений токов в обмотках источников поля приводит к компенсации влияния магнитного поля Земли и удваивает измеряемое информационное магнитное поле. В результате возрастает дальность работы системы позиционирования.Thus, the pairwise subtraction of signals from each sensor of the mobile receiver for different current directions in the windings of the field sources compensates for the influence of the Earth's magnetic field and doubles the measured magnetic information field. As a result, the range of the positioning system increases.
Для нахождения всех координат подвижного приемника в конфигурации [3*3] необходимо использовать данные, полученные за шесть предыдущих импульсов тока, что дает девять независимых измерений магнитных полей. В конфигурации [2*3] таких измерений будет шесть, а число импульсов тока в полном цикле измерений равно четырем.To find all the coordinates of the mobile receiver in the configuration [3 * 3], it is necessary to use the data obtained from the six previous current pulses, which gives nine independent measurements of magnetic fields. In the configuration [2 * 3] there will be six such measurements, and the number of current pulses in the full measurement cycle is four.
Как можно видеть из сравнения графиков, приведенных на фиг.2 и 3, при той же длительности импульса тока частота смены выходной информации возрастает в 3 раза для конфигурации [3*3] по сравнению с прототипом. В конфигурации [2*3] частота смены выходной информации, частота обновления координат подвижного объекта возрастает не менее, чем в два раза. С ростом частоты смены выходных данных уменьшается перемещение подвижного объекта между соседними вычислениями координат при заданной скорости линейных или угловых перемещений. Сближение координат подвижного объекта в соседних точках траектории ведет, соответственно, к снижению числа итераций численных вычислений, необходимых для обеспечения заданной точности позиционирования. Данное обстоятельство, в свою очередь, ведет к уменьшению времени единичных вычислений, что способствует дальнейшему повышению частоты смены выходной информации или частоты дискретизации траектории подвижного объекта.As can be seen from a comparison of the graphs shown in figure 2 and 3, for the same current pulse duration, the frequency of changing the output information increases 3 times for the configuration [3 * 3] compared with the prototype. In the configuration [2 * 3], the frequency of changing the output information, the frequency of updating the coordinates of a moving object increases by at least two times. With an increase in the frequency of changing the output data, the movement of a moving object between adjacent coordinate calculations decreases at a given speed of linear or angular displacements. The convergence of the coordinates of a moving object at neighboring points of the trajectory leads, respectively, to a decrease in the number of iterations of numerical calculations necessary to ensure a given positioning accuracy. This circumstance, in turn, leads to a decrease in the time of single calculations, which contributes to a further increase in the frequency of changing the output information or the sampling frequency of the trajectory of a moving object.
Процесс переключения тока завершается выходом на плоскую вершину импульса, после чего производится измерение текущих сигналов с датчиков подвижного приемника. Одновременно с измерением производится вычисление координат приемника, используя серию предшествующих сигналов.The current switching process ends with the output to the flat peak of the pulse, after which the current signals from the sensors of the mobile receiver are measured. Simultaneously with the measurement, the receiver coordinates are calculated using a series of previous signals.
Например, на плоской части импульса Iy+2 (фиг.3) проводится измерение сигналов с датчиков подвижного приемника, и одновременно решается математическая задача определения координат с использованием сигналов, полученных ранее во время импульсов тока Ix-2, Ix+2, Iz-1, Iz+1, Iy+1, Iy-1. Аналогично для другого способа группировки импульсов тока (фиг.4) на плоской части, например, импульса Iz+2 измеряются текущие сигналы с датчиков, и решается математическая задача по предыдущим значениям, полученным во время импульсов. Iy+2, Ix+2, Iz-1, Iy-1, Ix-1, Iz+1.For example, on the flat part of the pulse I y + 2 (Fig. 3), the signals from the sensors of the mobile receiver are measured, and at the same time, the mathematical problem of determining the coordinates is solved using the signals received earlier during the current pulses I x-2 , I x + 2 , I z-1 , I z + 1 , I y + 1 , I y-1 . Similarly, for another method of grouping the current pulses (Fig. 4), on the flat part, for example, the pulse I z + 2, the current signals from the sensors are measured, and the mathematical problem is solved according to the previous values obtained during the pulses. I y + 2 , I x + 2 , I z-1 , I y-1 , I x-1 , I z + 1 .
Современные вычислительные средства позволяют проводить измерения, не используя ресурсы основного процессора, который может использоваться в это же время для решения математической задачи (режим DMA - Direct Memory Access). Измеряемая информация в этом случае записывается в оперативную память вычислителя, минуя основной процессор.Modern computing tools allow you to take measurements without using the resources of the main processor, which can be used at the same time to solve a mathematical problem (DMA mode - Direct Memory Access). In this case, the measured information is recorded in the RAM of the calculator, bypassing the main processor.
Снижение динамической погрешности позиционирования происходит за счет более точной компенсации влияния МПЗ, получаемой в результате сокращения интервала времени между соседними измерениями. Действительно, интервал между импульсами Ix-2, Ix+2 на фиг.3 гораздо меньше, чем между паузой и импульсом Ix на фиг.2. Таким образом, значение МПЗ за указанный интервал времени меняется на меньшую величину, что и обеспечивает большую точность компенсации МПЗ.The reduction of the dynamic positioning error occurs due to more accurate compensation of the influence of the magnetic overcurrent obtained as a result of a reduction in the time interval between adjacent measurements. Indeed, the interval between pulses I x-2 , I x + 2 in figure 3 is much smaller than between the pause and pulse Ix in figure 2. Thus, the value of MPZ for the indicated time interval changes by a smaller amount, which ensures greater accuracy of compensation of MPZ.
Исключение паузы между сериями импульсов тока ведет к повышению стабильности работы системы.The exclusion of a pause between series of current pulses leads to increased stability of the system.
На фиг.4 показана последовательность двухполярных импульсов тока для второго варианта реализации заявляемого способа, когда переключается полярность всей серии импульсов тока через три обмотки источников магнитного поля.Figure 4 shows the sequence of bipolar current pulses for the second embodiment of the proposed method, when the polarity of the entire series of current pulses is switched through three windings of magnetic field sources.
Таким образом, последовательность, показанная на фиг.3, наиболее эффективна для позиционирования быстрых движений, например для измерений движений человека. Фиг.4, соответственно, показывает последовательность с более простой реализацией, которая может быть применена для квазистатического позиционирования, например в подземной навигации и других областях науки и техники.Thus, the sequence shown in FIG. 3 is most effective for positioning fast movements, for example for measuring human movements. Figure 4, respectively, shows a sequence with a simpler implementation that can be applied for quasistatic positioning, for example, in underground navigation and other fields of science and technology.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Заявленный способ может быть осуществлен, например, при помощи устройства, структурная схема которого приведена на фиг.5.The claimed method can be implemented, for example, using a device whose structural diagram is shown in Fig.5.
Устройство включает три идентичных цепи, каждая из которых содержит коммутатор тока 1, инвертор направления тока 2 и обмотку источника магнитного поля 3, включенные последовательно. Три указанных цепи, собранные параллельно друг другу, подключены к источнику импульсного тока 5. Обмотки имеют разную ориентацию в генераторе поля, благодаря чему обеспечивается генерирование последовательности импульсных магнитных полей различной ориентации в окружающем пространстве.The device includes three identical circuits, each of which contains a
Каждый коммутатор тока и инвертор направления тока имеют управляющие входы, воздействие на которые меняет их состояние - включено/выключено для коммутатора и прямое/обратное направление для инвертора. Таким образом, меняя уровни сигналов на управляющих входах, появляется возможность подключать к источнику тока ту или иную обмотку генератора магнитного поля из трех предусмотренных, с прямым или обратным направлением импульсного тока. Управляющий вход имеется и у источника тока, по сигналу на который формируется импульс тока требуемой длительности и величины. Управляющие сигналы формируются на программном уровне в вычислителе 7 и через аналого-цифровой преобразователь 6 подаются на коммутаторы, инверторы и источник тока. Сигналы от подвижного приемника 4 вводятся в вычислитель также через аналого-цифровой преобразователь.Each current switch and current direction inverter have control inputs, the impact on which changes their state - on / off for the switch and forward / reverse direction for the inverter. Thus, changing the signal levels at the control inputs, it becomes possible to connect one or another winding of the magnetic field generator to the current source from the three provided, with the forward or reverse direction of the pulse current. A control input is also available at the current source, by a signal to which a current pulse of the required duration and magnitude is formed. The control signals are generated at the software level in the
Работает устройство следующим образом. Программно-математическое обеспечение, записанное в память вычислителя, определяет последовательность и длительность подключения каждой обмотки генератора магнитного поля к источнику импульсного тока. При поступлении сигнала на управляющий вход выбранного коммутатора тока устанавливается его проводящее состояние. Одновременно другим сигналом устанавливается требуемое направление тока соответствующего инвертора тока. После проведенных подготовительных операций следующий управляющий сигнал запускает генератор тока, который возбуждает подготовленную обмотку источника поля импульсом тока, требуемой полярности и длительности. После завершения первого импульса происходит снятие управляющего сигнала с входа используемого инвертора тока, в результате чего он меняет направление тока в своей обмотке на обратное. Повторный управляющий сигнал на источник импульсного тока запускает второй импульс тока в подключенную обмотку генератора поля, но уже обратной полярности. После завершения второго импульса тока снимается управляющий сигнал с использованного коммутатора тока, и цикл повторяется для второй и третьей обмоток генератора поля. Таким образом, каждый источник магнитного поля работает дважды подряд с разными направлениями тока, что соответствует последовательности, изображенной на фиг.3. Описываемое устройство может реализовывать и другие последовательности, например, как изображено на фиг.4. Здесь сначала все обмотки возбуждаются импульсами одной полярности, а затем - все обмотки возбуждаются импульсами обратной полярности.The device operates as follows. The software and mathematical software recorded in the memory of the calculator determines the sequence and duration of the connection of each winding of the magnetic field generator to the pulse current source. When a signal arrives at the control input of the selected current switch, its conductive state is established. At the same time, another signal sets the required current direction of the corresponding current inverter. After the preparatory operations are carried out, the next control signal starts the current generator, which excites the prepared winding of the field source with a current pulse of the required polarity and duration. After the completion of the first pulse, the control signal is removed from the input of the current inverter used, as a result of which it reverses the direction of the current in its winding. A second control signal to the pulse current source launches a second current pulse into the connected winding of the field generator, but of reverse polarity. After the completion of the second current pulse, the control signal is removed from the used current switch, and the cycle is repeated for the second and third windings of the field generator. Thus, each magnetic field source operates twice in a row with different current directions, which corresponds to the sequence depicted in Fig.3. The described device can implement other sequences, for example, as shown in Fig.4. Here, at first all windings are excited by pulses of the same polarity, and then all windings are excited by pulses of the opposite polarity.
На площадке каждого импульса тока сигналы от подвижного приемника преобразуются в коды в аналого-цифровом интерфейсе и поступают в вычислитель для решения математической задачи нахождения текущих координат подвижного приемника. Измерения сигналов производятся одновременно с вычислениями, не затрагивая ресурса процессора вычислителя. Процессор в это время считает координаты по предварительным измерениям, а измеряемые данные в это же время поступают в память вычислителя, где накапливаются для последующих вычислений.At the site of each current pulse, the signals from the mobile receiver are converted into codes in the analog-to-digital interface and fed to the computer to solve the mathematical problem of finding the current coordinates of the mobile receiver. Measurements of signals are made simultaneously with the calculations, without affecting the resource of the processor of the calculator. The processor at this time considers the coordinates according to preliminary measurements, and the measured data at the same time enters the memory of the calculator, where it is accumulated for subsequent calculations.
При ограничении зоны перемещения подвижного приемника используются только две обмотки генератора поля, при этом коммутаторов тока и инверторов также используется два, а не три, как в описанном выше случае неограниченного перемещения подвижного приемника.When limiting the zone of movement of the moving receiver, only two windings of the field generator are used, while the current switches and inverters also use two, not three, as in the case of unlimited movement of the moving receiver described above.
Типичная длительность единичного импульса тока составляет единицы миллисекунд, что превышает время затухания вихревых токов, наводимых импульсной системой в электропроводящих элементах интерьера зоны перемещения. Для длительности импульса 2 мс полный цикл работы системы позиционирования для конфигурации [3*3] составляет 2*6=12 мс, что нетрудно видеть из фиг.4. Время решения математической задачи составит также 2 мс, а частота смены выходной информации в этом случае составит более 250 Гц, что превышает данную величину для известных мировых аналогов. За 2 мс вариации МПЗ имеют гораздо меньшую величину, чем за целый период работы системы прототипа.A typical duration of a single current pulse is a few milliseconds, which exceeds the decay time of the eddy currents induced by the pulse system in the electrically conductive elements of the interior of the movement zone. For a pulse duration of 2 ms, the full cycle of the positioning system for the configuration [3 * 3] is 2 * 6 = 12 ms, which is easy to see from Fig. 4. The time to solve the mathematical problem will also be 2 ms, and the frequency of the change in the output information in this case will be more than 250 Hz, which exceeds this value for the known world analogues. For 2 ms, the MPZ variations are much smaller than for the entire period of the prototype system.
Источники информацииInformation sources
1. Raab F.H. Remote object position locater. - Патент N 4054881, США, G01S 3/02, The Austin Company, 1977.1. Raab F.H. Remote object position locater. - Patent N 4054881, USA,
2. Blood E.B. Device for quantitatively measuring the relative position and orientation of two bodies in the presence of metals utilizing direct current magnetic fields. - Патент США 4849692, США, G01B 7/14, Ascension Technology Corporation, 1989.2. Blood E.B. Device for quantitatively measuring the relative position and orientation of two bodies in the presence of metals utilizing direct current magnetic fields. - US patent 4849692, USA,
3. М.В.Желамский Магнитное позиционирование в нашлемных системах. Электроника - НТВ №7 2006 г.3. MV Zhelamsky Magnetic positioning in helmet-mounted systems. Electronics - NTV No. 7 2006
4. М.Желамский Электромагнитное позиционирование - преимущества и области применения. Электроника - НТВ. №3 2007 г.4. M.Zhelamsky Electromagnetic positioning - advantages and applications. Electronics - NTV. No. 3 of 2007
5. М.Желамский Магнитное позиционирование в системах виртуальной и дополненной реальности Электроника - НТВ. №5 2007 г.5. M.Zhelamsky Magnetic positioning in virtual and augmented reality systems Electronics - NTV. No. 5 of 2007
Claims (1)
генерируют последовательно во времени двухполярные импульсы магнитных полей разной пространственной ориентации;
измеряют ортогональные компоненты магнитного поля на вершине импульса каждой полярности каждого двухполярного импульса магнитного поля каждой пространственной ориентации на подвижном объекте;
компенсируют влияние магнитного поля Земли путем попарного вычитания компонент магнитных полей, измеренных во время действия разных полярностей каждого двухполярного импульса магнитного поля;
сохраняют скомпенсированные измеренные компоненты магнитных полей;
вычисляют текущие координаты подвижного приемника после каждого переключения ориентации магнитного поля, используя текущие скомпенсированные компоненты магнитного поля, а также сохраненные скомпенсированные компоненты магнитного поля, полученные во время действия предыдущих двухполярных импульсов магнитного поля другой ориентации по отношению к текущему двухполярному импульсу, составляющих повторяющийся период генерирования импульсного магнитного поля. The method of positioning a moving object in a fixed coordinate system, which consists in the fact that
bipolar pulses of magnetic fields of different spatial orientations are generated sequentially in time;
measuring the orthogonal components of the magnetic field at the top of the pulse of each polarity of each bipolar magnetic field pulse of each spatial orientation on a moving object;
compensate for the effect of the Earth’s magnetic field by pairwise subtracting the components of the magnetic fields measured during the action of different polarities of each bipolar magnetic field pulse;
keep the compensated measured components of magnetic fields;
calculate the current coordinates of the moving receiver after each switching of the magnetic field orientation using the current compensated components of the magnetic field, as well as the stored compensated components of the magnetic field obtained during the action of the previous bipolar magnetic field pulses of a different orientation with respect to the current bipolar pulse constituting a repeating pulse generating period magnetic field.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008136343/09A RU2413957C2 (en) | 2008-09-09 | 2008-09-09 | Method of determining linear position and orientation of mobile object |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008136343/09A RU2413957C2 (en) | 2008-09-09 | 2008-09-09 | Method of determining linear position and orientation of mobile object |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008136343A RU2008136343A (en) | 2010-03-20 |
| RU2413957C2 true RU2413957C2 (en) | 2011-03-10 |
Family
ID=42136873
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008136343/09A RU2413957C2 (en) | 2008-09-09 | 2008-09-09 | Method of determining linear position and orientation of mobile object |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2413957C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2709787C1 (en) * | 2019-05-27 | 2019-12-20 | Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" | Method of detecting objects with an on-board detector with compensation for variations of magnetic fields |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012037452A2 (en) * | 2010-09-17 | 2012-03-22 | Baker Hughes Incorporated | Reservoir navigation using magnetic field of dc currents |
-
2008
- 2008-09-09 RU RU2008136343/09A patent/RU2413957C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2709787C1 (en) * | 2019-05-27 | 2019-12-20 | Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" | Method of detecting objects with an on-board detector with compensation for variations of magnetic fields |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008136343A (en) | 2010-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5453686A (en) | Pulsed-DC position and orientation measurement system | |
| JP6019504B2 (en) | Traveling direction estimation apparatus and traveling direction estimation method for moving body | |
| JPH08512125A (en) | Method and apparatus for measuring the position and orientation of an object in the presence of interfering metals | |
| RU2566427C1 (en) | Method of determination of temperature dependences of scaling factors, zero shifts and array of orientation of axes of sensitivity of laser gyroscopes and pendulum accelerometers as part of inertial measuring unit at bench tests | |
| CN101750187B (en) | Two-dimensional location method of moving platform based on magnetic steel array | |
| JP6191145B2 (en) | Offset estimation apparatus and program | |
| US6484131B1 (en) | Localization and tracking system | |
| KR20160067052A (en) | Motion tracking system using one or more magnetic fields | |
| RU2413957C2 (en) | Method of determining linear position and orientation of mobile object | |
| JP2008045899A (en) | Magnetic field distribution measuring apparatus | |
| CN103955002B (en) | Magnetic dipole target location measuring method based on magnetic anomaly first derivative | |
| JP2013096724A (en) | State estimation device | |
| JP2006146930A (en) | Step counting device and counting method | |
| Conati | Real-time measurement of three-dimensional multiple rigid body motion | |
| Holmes | Theoretical development of laboratory techniques for magnetic measurement of large objects | |
| JP5498209B2 (en) | Magnetic field detector | |
| Wang | An efficient coordinate frame calibration method for 3-D measurement by multiple camera systems | |
| JP2013088162A (en) | State estimation apparatus | |
| Çark et al. | 3D electromagnetic positioning optimization by means of deep learning | |
| KR101948017B1 (en) | 3d coordinate acquisition method | |
| RU2629539C1 (en) | Method of measurement of magnetic course of mobile object | |
| Pronenko et al. | Electromagnetic compatibility analysis for small satellites: Method and instrumentation | |
| JP6149791B2 (en) | Center of gravity estimation device and center of gravity estimation method | |
| Liu et al. | Study on an experimental AC electromagnetic tracking system | |
| RU2085850C1 (en) | System of course and vertical and method determining magnetic course |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160910 |