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《宁波大学》 2017年
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基于嵌入式系统的六维位姿电磁定位系统

宋长祝  
【摘要】:电磁定位相比于其它定位方法,可实现定位目标六维位姿参数的跟踪,具有精度高、快速、无视线遮挡问题等优点。被广泛的应用于室内自动车、水上运动物体和手术机器人等运动物体的导航。伴随计算机科学及微电子学的发展,基于嵌入式系统的定位技术受到了极大关注。尤其在一些对定位速度和精度要求较高的特殊场合,对基于嵌入式系统的精准定位系统的需求日益迫切。本文提出电磁定位方法,利用线圈之间磁场耦合确定目标物体位置和方向参数,主要依据电磁感应原理和磁偶极子模型来实现。首先,定位系统向发射线圈施加正弦交变信号,使其周围产生交变的电磁场。系统中作为定位目标的接收线圈感应出相应的感应电动势,该电动势与发射和接收线圈之间的相对位置与方向有关。通过将该电磁场的空间分布模型化为磁偶极子模型,接收线圈的感应电动势与其自身六维位姿参数有关,形成函数方程组。进而,通线性解析算法解算这些方程组,可得到接收线圈的位置和方向参数,完成对定位目标六维位姿参数的求解。本文完成了以嵌入式系统为核心的电磁定位系统,主要包括高频电磁信号发射单元、高频电磁信号接收单元、接收信号的提取处理单元以及结果显示单元。飞思卡尔嵌入式芯片MK60实现定位系统的核心控制功能,完成信号通道选择、信号放大以及信号提取和处理部分。信号发射器产生正弦交流信号,通过功率放大及滤波电路后,激励三维正交发射线圈产生交变的电磁场。三维正交接收线圈感应电磁场信号,其接收信号通过信号放大、带通滤波以及弱信号处理后,MK60芯片进行采样和数据处理;最终终端显示定位结果。设计的嵌入式系统实现了正弦信号提取、变频正弦信号幅值与相位参数计算的快速算法,实现了基于叠加原理的微弱交变信号检测与提取方法,均提升了该系统的定位量程和准确度。在空间内搭建系统标定和检测平台,对定位系统的耦合系数进行了标定,进一步对该系统的定位精度和实时性进行测试和验证;仿真及实验结果表明,该定位系统能够对一定范围内的目标进行准确的实时定位与跟踪。
【学位授予单位】:宁波大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP368.1;O441

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