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《天津大学》 2012年
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电磁定位系统的研究和实现

师晓宙  
【摘要】:针对计算机辅助骨科手术系统(CAOS)中的定位精度、系统稳定性、可操作性、成本等问题,以及骨科手术的复杂性和多变性,本系统提出了电磁定位的方法。 该方法根据比奥-萨伐尔定律,以交流线圈为发射源,以接收线圈作为定位目标,根据电磁感应定律,接收线圈会产生相应的感应电动势。通过计算得出磁场的空间分布,进而推导出包含目标位置和方向信息的方程组,利用最优化的非线性算法来解方程,从而得到一个稳定的、实时的定位方法。 该定位系统包括信号发射部分、信号接收部分、信号提取部分、计算和显示部分。我们建立了磁偶极子的分布模型,并通过LM算法进行计算,然后针对该系统进行了仿真实验,验证了系统的可行性并且计算出发射部分的具体参数。根据系统需要设计了相应的发射和接收电路,同时采取了计算结果拟合、系统参数标定等方法,进一步提高系统的精度。利用VC++软件编写了系统的计算和显示程序,通过对定位目标的实际跟踪测量,得到该系统的定位精度:位置误差平均小于1mm,方向误差平均小于1°。 电磁定位系统精度为毫米级,而且体积小、价格低、不易受外界干扰,除了在计算机辅助骨科手术系统中有着很好的应用之外,也可以广泛的应用于军事目标定位、虚拟现实、遥控钻井等领域。
【关键词】:电磁定位 磁偶极子 LM算法 电磁感应
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:R318.6;TP391.7
【目录】:
  • 摘要3-4
  • ABSTRACT4-7
  • 第一章 绪论7-17
  • 1.1 课题的研究背景和意义7-8
  • 1.2 精确定位技术介绍8-11
  • 1.3 磁定位技术的国内外研究现状11-15
  • 1.4 本文研究目标和主要内容15-17
  • 1.4.1 研究目标15-16
  • 1.4.2 主要内容16
  • 1.4.3 文章结构16-17
  • 第二章 电磁定位系统原理17-26
  • 2.1 比奥-萨伐尔定律17-18
  • 2.2 磁偶极子模型18-21
  • 2.3 电磁感应定律21
  • 2.4 电磁定位的计算模型21-26
  • 第三章 电磁定位的计算方法和系统仿真26-34
  • 3.1 LM 算法26-29
  • 3.2 发射线圈位置的仿真29-31
  • 3.3 发射线圈个数的仿真31-34
  • 第四章 电磁定位系统的实现34-43
  • 4.1 信号发射部分34-36
  • 4.2 信号接收部分36-37
  • 4.3 信号提取拟合37-40
  • 4.4 计算结果拟合40-43
  • 第五章 定位系统的标定43-49
  • 5.1 感应系数标定43-44
  • 5.2 发射线圈方向标定44-45
  • 5.3 发射线圈整体标定45-49
  • 第六章 实验结果49-54
  • 6.1 软件流程49-50
  • 6.2 实验结果50-54
  • 6.2.1 定位系统硬件部分50-51
  • 6.2.2 定位系统软件部分51
  • 6.2.3 定位结果51-54
  • 第七章 总结与展望54-55
  • 7.1 工作总结54
  • 7.2 工作展望54-55
  • 参考文献55-58
  • 发表论文和参加科研情况说明58-59
  • 致谢59

【参考文献】
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