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1、基于磁偶極子模型的三維定位技術(shù)研究2014余樂碩士電路與系統(tǒng)郭鋒教授ClassifiedIndex:TN722.3U.D.C:621.38SouthwestUniversityofScienceandTechnologyMasterDegreeThesisStudyonThree-dimensionalpositioningTechnologyBasedonthemagneticdipolemodelGrade:2014Candidate:yuleAcademicDegreeAppliedfor:MasterSpec
2、iality:CircuitandSystemSupervisor:ProfessorGuoFengMay.25,2017西南科技大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第I頁摘要基于磁偶極子模型對目標(biāo)的定位是一種具有高精度、多維度、無視線問題的定位技術(shù)，也稱為電磁定位技術(shù)。它不僅能定位出目標(biāo)點(diǎn)的空間位置信息(x,y,z)，而且還能定位出目標(biāo)點(diǎn)的姿態(tài)角(α,β,γ)。因此該技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療手術(shù)導(dǎo)航、移動(dòng)設(shè)備導(dǎo)航、機(jī)器人、虛擬實(shí)現(xiàn)等領(lǐng)域。根據(jù)對國內(nèi)外大量文獻(xiàn)與產(chǎn)品研究，電磁定位技術(shù)在國外已經(jīng)有相關(guān)成熟的產(chǎn)品，而反觀國內(nèi)現(xiàn)狀，還僅僅出于
3、理論研究與實(shí)驗(yàn)探索階段。本文的工作內(nèi)容主要分為四個(gè)方面:（1）首先，本文利用磁偶極子理論建立起電磁定位計(jì)算模型，再根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律建立起接收傳感器的感應(yīng)電動(dòng)勢與定位目標(biāo)點(diǎn)的位置和姿態(tài)6個(gè)未知參數(shù)之間的關(guān)系。由于磁偶極子模型在目標(biāo)點(diǎn)距離發(fā)射源比較遠(yuǎn)時(shí)，模型才能成立，所以本文就定位目標(biāo)點(diǎn)到發(fā)射源的距離對定位的誤差做出了分析。（2）其次，為了將電磁定位技術(shù)的工程應(yīng)用問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)問題。本文對求解電磁定位非線性方程組的相關(guān)算法進(jìn)行了研究，包括高斯-牛頓法、L-M算法、遺傳算法。利用數(shù)值分析軟件MATLAB對以上算法進(jìn)行
4、了仿真分析。（3）再次，設(shè)計(jì)一個(gè)電磁定位系統(tǒng)，同時(shí)完成了該系統(tǒng)中有關(guān)的硬件電路與軟件程序的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)大體分為三個(gè)部分，分別為發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)主要作用是建立起定位系統(tǒng)所需的磁場分布環(huán)境；接收系統(tǒng)的主要功能是把定位目標(biāo)點(diǎn)的電磁信號轉(zhuǎn)換為有用的電壓信號；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要功能是采集接收信號與參考信號，并利用NI公司的LabVIEW軟件平臺(tái)對采集的信號進(jìn)行數(shù)字濾波等處理。（4）最后，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行了測試。包括對目標(biāo)點(diǎn)的電壓波形的采集與顯示，以及采集信號數(shù)字濾波前后的波形顯示。對測試值與真實(shí)值
5、進(jìn)行了比較，當(dāng)發(fā)射信號頻率為1kHz，目標(biāo)點(diǎn)距離在12厘米到70厘米內(nèi)時(shí)，位置平均誤差在3.5厘米內(nèi)，姿態(tài)角平均誤差在10度內(nèi)，以及對誤差的來源做出了詳細(xì)的描述。關(guān)鍵詞：磁偶極子理論電磁定位非線性方程組的求解算法數(shù)據(jù)采集LabVIEW軟件平臺(tái)西南科技大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第II頁AbstractBasedonthemagneticdipolemodelisakindofpositioningtechniquewhichhashighprecision,multidimensionalandnon-visualprob
6、lem.italsoknownaselectromagneticpositioningtechnology.Itnotonlycanlocatethespatiallocationinformation(x,y,z)ofthetarget,butalsoitcanlocatesthepositionAngle(α,β,γ)ofthetargetpoint.Therefore,thistechniqueiswidelyusedinmedicaloperationnavigation,inmobiledevicenavi
7、gation,inrobot,invirtualimplementationandotherengineeringfields.Basedonalargenumberofliteratureathomeandabroad,electromagneticpositioningtechnologyhaverelatedmatureproductsabroad.onthecontrary,itstayattheoreticalresearchandexperimentalexplorationstageinourcount
8、ry.Theworkofthisarticleismainlydividedintofouraspects:(1)Firstofall,Inthispaper,theelectromagneticdipoletheoryisusedtoestablishtheelectromagneticpositioningmodel,andthenther
