嵌入式的六維位姿電磁定位系統(tǒng)

　　電磁定位相比于其它定位方法，可實(shí)現(xiàn)定位目標(biāo)六維位姿參數(shù)的跟蹤，具有精度高、快速、無(wú)視線遮擋問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛的應(yīng)用于室內(nèi)自動(dòng)車(chē)、水上運(yùn)動(dòng)物體和手術(shù)機(jī)器人等運(yùn)動(dòng)物體的導(dǎo)航。伴隨計(jì)算機(jī)科學(xué)及微電子學(xué)的發(fā)展，基于嵌入式系統(tǒng)的定位技術(shù)受到了極大關(guān)注。尤其在一些對(duì)定位速度和精度要求較高的特殊場(chǎng)合，對(duì)基于嵌入式系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的需求日益迫切。

　　本文提出電磁定位方法，利用線圈之間磁場(chǎng)耦合確定目標(biāo)物體位置和方向參數(shù)，主要依據(jù)電磁感應(yīng)原理和磁偶極子模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先，定位系統(tǒng)向發(fā)射線圈施加正弦交變信號(hào)，使其周?chē)a(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。系統(tǒng)中作為定位目標(biāo)的接收線圈感應(yīng)出相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)與發(fā)射和接收線圈之間的相對(duì)位置與方向有關(guān)。通過(guò)將該電磁場(chǎng)的空間分布模型化為磁偶極子模型，接收線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與其自身六維位姿參數(shù)有關(guān)，形成函數(shù)方程組。進(jìn)而，通線性解析算法解算這些方程組，可得到接收線圈的位置和方向參數(shù)，完成對(duì)定位目標(biāo)六維位姿參數(shù)的求解。

　　本文完成了以嵌入式系統(tǒng)為核心的電磁定位系統(tǒng)，主要包括高頻電磁信號(hào)發(fā)射單元、高頻電磁信號(hào)接收單元、接收信號(hào)的提取處理單元以及結(jié)果顯示單元。飛思卡爾嵌入式芯片MK60實(shí)現(xiàn)定位系統(tǒng)的核心控制功能，完成信號(hào)通道選擇、信號(hào)放大以及信號(hào)提取和處理部分。信號(hào)發(fā)射器產(chǎn)生正弦交流信號(hào)，通過(guò)功率放大及濾波電路后，激勵(lì)三維正交發(fā)射線圈產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。三維正交接收線圈感應(yīng)電磁場(chǎng)信號(hào)，其接收信號(hào)通過(guò)信號(hào)放大、帶通濾波以及弱信號(hào)處理后，MK60芯片進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)處理；最終終端顯示定位結(jié)果。

　　設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了正弦信號(hào)提取、變頻正弦信號(hào)幅值與相位參數(shù)計(jì)算的快速算法，實(shí)現(xiàn)了基于疊加原理的微弱交變信號(hào)檢測(cè)與提取方法，均提升了該系統(tǒng)的定位量程和準(zhǔn)確度。在空間內(nèi)搭建系統(tǒng)標(biāo)定和檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)定位系統(tǒng)的耦合系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，進(jìn)一步對(duì)該系統(tǒng)的定位精度和實(shí)時(shí)性進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證；仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該定位系統(tǒng)能夠?qū)σ欢ǚ秶鷥?nèi)的目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)定位與跟蹤。
?