CN101476860B - 一种高背景磁场下的磁定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种高背景磁场下的磁定位方法，由布置在两个空间对称位置点的传感器组检测背景磁场以及目标物体的永磁块磁场，采用差分放大电路将传感器组所检测的相等的背景磁场磁感应强度作为共模信号相减，剔除高背景磁场，得到传感器组中两传感器位置点处目标物体永磁块的磁感应强度差值。由N(N≥5)组传感器组测量得到包含N(N≥5)个磁感应强度差值的磁感应强度差值向量。采用差分磁定位算法，得到差分磁定位方程组。将差分磁定位方程组与实际测量所得的磁感应强度差值向量建立目标函数。求解目标函数，即可获得目标物体永磁块的三维位置和二维姿态。应用本发明定位方法的装置包括传感器阵列(1)、信号处理模块(2)和数据处理及算法系统(3)。

Description

一种高背景磁场下的磁定位方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高背景磁场下的磁定位方法及装置，特别涉及背景磁场的大小和方向均改变时目标物体的磁定位方法及装置。

背景技术

根据磁场的某种特定分布，计算目标物体位置或者姿态的方法为磁定位方法。随着现代工业技术的发展，利用磁场分布进行目标物体定位的应用场合越来越多。磁定位方式不仅可以应用在航海导航以及手术导航中，还可以完成浮标和水下装置的定位、钻井定位、航空定位、与GPS集成用于辆导航等各个方面。

一般来说，磁定位方法有两类：一类是磁源在目标物体外，即环境空间中产生或存在特定的已知磁场，目标物体检测自身位置的环境磁场信息从而进行定位，如在航海行车导航中，利用地磁场分布特点设计的磁罗盘，可以确定轮船和车辆的当前位置，完成定位的目的。中国专利200810102766.5“一种外场快速标定微型多传感器组合导航系统的方法”，提出了一种微型多传感器组合导航系统完成定位过程的方法，该系统包含二维倾角传感器、微型磁罗盘、3个硅MEMS陀螺仪以及3个硅MEMS加速度计，完成定位过程。

另一类是磁源在目标物体内，通过在目标物体外部检测磁源产生的磁场信息来进行定位，如在手术导航中，磁定位系统利用置入人体的微小磁块能够精确地定位患者体内物体的位置。如中国专利200710074398.3“一种跟踪体内微型装置的方法及系统”、中国专利200710045448.5“永磁定位式胃肠道pH值24小时无创监测系统”和中国专利200580005138.X“用于磁定位设备的测量值的校正”，均根据目标物体内产生的特定磁场分布进行目标物体的定位。中国专利200710074398.3“一种跟踪体内微型装置的方法及系统”通过人体外部的传感器阵列检测胶囊内部永磁体的磁场分布信息以及射频天线发射的信息，进行综合定位，能获得永磁体的6维位置和方向信息，其永磁块磁场分布模型采用等效偶极子模型。中国专利200580005138.X“用于磁定位设备的测量值的校正”中的目标物体内部的场发生器通过激励线圈的形式，产生所需的磁场信息。通过磁场传感器的信号测量得到空间某点的磁场幅值，计算得到目标物体的位置和方向信息。

本发明的磁定位属于磁源在目标体内的磁定位。现有的磁源在目标体内的磁定位方式均在地磁场环境中进行，没有涉及到高的背景磁场，特别是大小和方向均变化的背景磁场下的磁定位。当存在变化的高背景磁场时，以及背景磁场为旋转磁场时，现有的磁定位方式将不再适用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术无法适用大小和方向均有变化的高背景磁场环境的缺点，提出一种高背景磁场下跟踪目标物体的方法和装置。

本发明方法利用背景磁场大小和方向均相同的空间对称位置点处的磁场强度相减后所得的差值，以及永磁块空间磁场分布情况，采用差分磁定位算法，计算得到永磁块的位置和姿态，完成高背景磁场下的目标物体的定位。

本发明方法克服了现有方向和大小均有变化的高背景磁场对磁定位的干扰，可在大小和方向均有变化的高背景磁场下实时跟踪磁目标物体，并实时显示磁目标物体的运动轨迹、方向信息及运动速度，进行准确、可靠以及实时的目标物体定位。

本发明所采用的技术方案是：

本发明所定位的目标物体固定有永磁块，永磁块的空间磁场分布为一恒定值。本发明的方法为选择背景磁场大小和方向均相同的两位置点处布置传感器组，传感器组检测背景磁场以及目标物体永磁块的磁感应强度，采用差分放大电路将传感器组中差分传感器和被差分传感器所检测得到的相等的背景磁场磁感应强度作为共模信号相减，剔除高背景磁场，得到两传感器位置点处目标物体永磁块的磁感应强度差值；由N(N≥5)组传感器组测量得到包含N(N≥5)个磁感应强度差值的磁感应强度差值向量；采用差分磁定位算法，得到差分磁定位方程组；将包含目标物体永磁块位置和姿态变量的差分磁定位方程组与实际测量所得的磁感应强度差值向量建立目标函数；采用非线性优化算法求解目标函数，即可获得目标物体永磁块的三维位置和二维姿态，完成目标物体的定位过程。

所述的差分磁定位算法可以将目标物体定位中的大小和方向均有变化的高背景磁场的影响去除，实现高背景磁场下的目标物体的磁定位。当背景磁场较之磁定位所用的永磁体的磁场强度要高许多时，现有的磁定位方法在使用时会遇到弱信号被强信号湮没的问题，从而影响定位的准确性。为此，针对大小和方向均有变化的高背景磁场下的磁定位问题，本发明提出了一种差分磁定位算法。永磁块在非磁性空间内，如空气，其空间磁场为静态场，是一恒定分布。只要知道目标物体永磁块的空间磁场分布的相关参数，就可以得到目标物体的永磁块在空间的磁场分布情况。为了计算目标物体的永磁块的磁场分布情况，首先要先确定永磁块的空间磁场数学模型，如多偶极子模型。在大地坐标系下，确定目标物体永磁块的空间磁感应强度分布矢量为：

式(1)中，B(α)为目标物体永磁块的磁感应强度；x，y，z为目标物体永磁块的位置变量；为目标物体永磁块的磁矩方位角变量；

在高背景磁场下，目标物体永磁块和背景磁场的空间磁感应强度分布可以表示为：

B_A＝B(α)+B′           (2)

式(2)中，B_A为高背景磁场下的磁感应强度；B(α)为目标物体永磁块的磁感应强度；B′为高背景磁场的磁感应强度。

在高背景磁场下，传感器测量到的磁感应强度包含了强的背景磁场磁感应强度和弱小的目标物体永磁块磁感应强度。为了去除传感器中强的背景磁场信号，保留弱的永磁体磁场信号，在目标物体的工作区域外部，选择背景磁场的大小和方向均相等的两位置点A(x1，y1，z1)和B(x2，y2，z2)。A和B位置点一旦确定，两位置点的坐标即为已知。在位置点A和B处分别布置第k组传感器的被差分传感器i和差分传感器i+1，其中i＝2k-1。在永磁块磁场和背景磁场共同作用下，分别布置在A和B两位置点处的第k组传感器组中的被差分传感器i和差分传感器i+1检测的传感器组敏感轴方向上的磁感应强度分别为B_Ai和B_Ai+1。在B_Ai和B_Ai+1中，传感器组敏感轴方向上的背景磁场的磁感应强度分别为B_i′和B_i+1′，且B_i′＝B_i+1′。采用差分放大电路，使得两传感器检测到的高背景磁场的磁感应强度B_i′和B_i+1′作为共模信号被剔除，而与目标物体永磁块相关的磁场信息差值保留了下来。磁感应强度B_Ai和B_Ai+1相减后得到敏感轴方向的磁感应强度差值可以用两位置点处的目标物体永磁块的磁感应强度来表示：

$B_k^n\left(\mathrm{\α}\right)=B_{\left(i\right)k}\left(\mathrm{\α}\right)-B_{(i+1)k}\left(\mathrm{\α}\right)---\left(3\right)$

式(3)中，B_(i)k(α)为第k组传感器组中被差分传感器所在位置处的永磁块磁感应强度；B_(i+1)k(α)为第k组传感器组中差分传感器所在位置处的永磁块磁感应强度；Bⁿ _k(α)为第k组传感器组检测到的磁信号相减后其敏感轴方向上的磁感应强度差值，其中k＝1，2，...，N，N≥5；n为传感器组的敏感轴方向分量，n＝{i，j，k}。

对于具有N组传感器组的传感器阵列，其差分磁定位方程组为：

$B_d\left(\mathrm{\α}\right)=\left\{B_k^n\left(\mathrm{\α}\right)\right\}---\left(4\right)$

式(4)中，Bⁿ _k(α)为第k组传感器组在放大电路中共模相减后其敏感轴方向上的磁感应强度差值，k＝1，2，3，...，N，N≥5；n为传感器组的敏感轴方向分量，n＝{i，j，k}；B_d(α)为N组传感器组差分相减后其敏感轴方向上的磁感应强度的差值向量；式(4)为N组差分磁感应强度方程(3)所组成的差分磁定位方程组。上述非线性方程组中的未知量为目标物体永磁块的三维位置(x，y，z)和二维姿态

变量。

将包含永磁块位置和姿态变量

的差分磁定位方程组(4)与传感器组实际测量所得的磁感应强度差值之间建立关于未知变量的函数关系式，即目标函数f(α)。采用非线性优化算法求解目标函数f(α)，即可获得目标物体永磁块的三维位置(x，y，z)和二维姿态

完成定位过程。

本发明装置包括传感器阵列、信号处理模块、数据处理及算法系统。

所述的传感器阵列由单轴的GMR传感器或者霍尔传感器组成。两个传感器组成一传感器组，共N组传感器组，N≥5。在目标物体的工作区域外部的空间对称位置，选择背景磁场相等的两个位置点处布置一组传感器组，共有N组位置点。传感器组中的两个传感器的敏感轴方向一致，各传感器组的传感器敏感轴方向布置在三个两两垂直的方向上。传感器组的布置要覆盖目标物体运动的整个区域。传感器阵列一旦布置完成，即可获得各传感器的空间位置和敏感轴方向。传感器阵列测量各传感器位置点处的背景磁场和永磁块的磁感应强度，并将测量信号传输给信号处理模块。

所述的信号处理模块包括差分放大电路、同相放大电路、低通滤波、A/D转换单元、采样数据存储单元。传感器组的被差分传感器和差分传感器测量的磁场信号分别通入差分放大电路差分放大器的“+”和“-”两个输入端，通过差分放大电路，将两传感器测量的敏感轴方向上相等的背景磁场剔除，得到只含有永磁块磁场信息的差值信号。差值信号再经过同相放大电路进行二次放大。二次放大的差值信号经过低通滤波电路进行滤波。之后进行A/D转换单元送至计算机存储。一组传感器组均对应一路差分放大电路、同相放大电路、低通滤波以及A/D转换单元，每一路差分放大电路、同相放大电路、低通滤波以及A/D转换单元为一路信号处理通路，共有N路信号处理通路，N≥5。信号处理模块将传感器阵列测量的磁感应强度信号进行信号处理并存储。N路信号处理通路的多个采样点存储为F＝{Fⁿ _k}，其中，n为传感器组相应的敏感轴方向，n∈(i，j，k)；k为传感器阵列的组数，k＝1，2，...，N，N≥5。

数据处理及算法系统先将信号处理模块传送的各传感器组的差值数据F进行数据处理，得到 $\hat{F}=\left\{{\hat{F}}_k^n\right\}.$ 将目标物体的起始位置和姿态的估计值作为起始位置和姿态点的初始值，采用差分磁定位算法计算得到起始位置和姿态当前点的位置和姿态

的定位，根据上一点位置和姿态的计算值确定当前点的位置和姿态的优化算法的初始值，根据差分磁定位算法计算得到当前点的永磁块的位置和姿态

完成目标物体整个运动过程的定位。

本发明的积极效果是：

1.传感器阵列由传感器组组成，各传感器组均由差分传感器和被差分传感器所构成。传感器组布置在目标物体的工作区域外部，传感器组的两传感器布置在背景磁场的大小和方向均相同的两空间对称位置点处。传感器组中差分传感器和被差分传感器检测到背景磁场的磁感应强度是相等的，通过信号处理模块中的差分放大电路可以将传感器组中大小和方向均相等的背景磁场去除。传感器可采用GMR传感器或霍尔传感器。

2.采用差分磁定位算法，将磁定位的使用范围扩展到大小和方向均有变化的高背景磁场下的定位。因此，本发明可以应用于旋转磁场驱动的磁性微型机器人的磁定位。

3.通过传感器阵列及信号处理系统得到磁信号的差值，采用差分磁定位算法，将大小和方向均改变的高背景磁场信息剔除，保留了微小的目标物体永磁块磁场信息，克服了背景磁场的干扰，快速准确地得到目标物体的三维位置和二维姿态。使得在大小和方向均有变化的高背景磁场下的磁定位具有高的准确性。

附图说明

图1为传感器阵列的布置示意图，图中：6磁场，11传感器，12传感器组，121传感器组的差分传感器，122传感器组的被差分传感器；

图2为差分磁定位示意图，图中：121传感器组的差分传感器，122传感器组的被差分传感器，5永磁块，61背景磁场，62永磁块磁场；

图3为磁定位装置框图，图中：1传感器阵列，2信号处理模块，3数据处理及算法系统，11传感器，12传感器组，21差分放大电路，22同相放大电路，23低通滤波电路，24 A/D转换单元；

图4为差分放大电路示意图，图中：121传感器组的差分传感器，122传感器组的被差分传感器，21差分放大电路；

图5为本发明装置流程图；

图6为目标物体运动的实际轨迹及磁定位轨迹结果。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明用于大小和方向均改变的高背景磁场61下的目标物体的磁定位。目标物体内部固定有永磁块5。本发明包括传感器阵列1、信号处理模块2和数据处理及算法系统3，如图3所示。

所述的传感器阵列1中的传感器采用GMR或者霍尔单轴传感器，测量各传感器敏感轴方向的背景磁场和目标物体永磁块的磁感应强度，如图3所示。传感器阵列1由N组传感器组组成，N≥5。每组传感器组均由两个传感器构成，传感器组的数量多于或者等于5组，传感器总个数大于或等于10个。选择背景磁场大小和方向均相同的两空间对称位置点处，布置传感器组。各传感器组中的传感器敏感轴方向布置在三个两两垂直的方向上，每组传感器组中的两个传感器敏感轴的布置方向是一致的。传感器阵列1布置在工作区域外部，传感器组的布置位置和传感器敏感轴方向要覆盖目标物体运动的整个工作区域，使得永磁块在工作区域内任何位置和姿态均能被传感器阵列很好的检测。图1所示为传感器阵列1布置工作空间中的传感器组12的位置和敏感轴方向示意图。如图1所示，8组传感器组12①-⑧的位置为①-⑧所对应的实线和虚线所在的位置。实线表示的传感器11为传感器组12中的差分传感器121，虚线表示的传感器11为传感器组12中的被差分传感器122。差分传感器121和被差分传感器122组成一组传感器组12。在图1中，每组传感器组12的布置位置如数字①-⑧所对应的实线和虚线所在的位置。数字①-⑧分别对应的实线和虚线所在的位置点为背景磁场大小和方向均相同的两空间对称位置点，共8组背景磁场大小和方向均相同的两空间对称位置点。

由传感器阵列1测量得到传感器11布置位置点处的背景磁场和目标物体永磁块的磁感应强度信号，传输到信号处理模块2中，经过差分放大电路21、同相放大电路22、低通滤波电路23、A/D转换24后，由PCI总线传送至计算机内存储，如图3所示。信号处理模块2由信号处理通路组成，每路信号处理通路均由差分放大电路21、同相放大电路22、低通滤波电路23、A/D转换24组成。信号处理通路数与传感器组数相等，每组传感器组对应一路信号处理通路，共N组信号处理通路，N≥5。第k组传感器组12中被差分传感器122和差分传感器121检测到的背景磁场61和永磁块磁场62的磁感应强度信号u_(i)k和u_(i+1)k，传送至差分放大器的“+”和“-”两输入端，如图4所示。经过差分放大电路21，将差分传感器121和被差分传感器122检测到的磁信号u_(i)k和u_(i+1)k相减，把传感器组在差分传感器121和被差分传感器122位置点处检测到的相等的高背景磁场61去除掉，保留下了弱小的永磁块磁场62的磁信号差值。传感器组中两传感器位置处的磁信号相减后的差值，再经过同相放大电路22进行二次放大。经过两次放大的磁信号经低通滤波23，将引入到磁检测信号中的高频噪声滤去，再经过A/D转换24后将模拟信号转换为数字信号，通过PCI总线，传送至计算机内。N路信号处理通路的连续20个磁感应强度的差值存储为F＝{Fⁿ _k}，其中，n为传感器组相应的敏感轴方向，n∈(i，j，k)；k为传感器阵列的组数，k＝1，2，...，N，N≥5。

数据处理及算法系统3对F进行数字信号处理，并采用高背景磁场下的差分磁定位算法，计算得到永磁块的三维位置和二维姿态，并显示目标物体的定位结果，如图3所示

为了提高整个磁定位系统的抗干扰性，去除外部磁场扰动对磁信号差值的影响，首先数据处理及算法系统3将磁感应强度差值F＝{Fⁿ _k}进行平均，得到处理之后的数据向量 $\hat{F}=\left\{{\hat{F}}_k^n\right\}.$ 当背景磁场61较之磁定位所用的永磁体的磁场强度62要高许多时，现有的磁定位方法在使用时会遇到弱信号被强信号湮没的问题，从而影响定位的准确性。为此，针对高背景磁场下的磁定位问题，本发明提出了一种差分磁定位算法。差分磁定位算法根据永磁块5在非磁性空间内，如空气，其空间磁场为静态场，是一恒定分布。这样，只要知道永磁块5空间磁场分布的相关参数，就可以得到永磁块5在空间的磁场分布情况。为了计算永磁块5的磁场分布情况，首先要先得到永磁块5的空间磁场数学模型，如多偶极子数学模型。当永磁块5的尺寸远小于检测点到永磁块中心的距离时，永磁块5可以采用多偶极子数学模型。在大地坐标系下，永磁块5的位置表示为(x，y，z)，采用方位角表示磁矩为永磁块5的位置和姿态信息可以表示为

偶极子个数越多，越接近真实永磁块的空间磁场分布。考虑到计算时间，本实施例采用三个偶极子模型。永磁块5空间磁场分布的三偶极子数学模型中，三个偶极子的磁矩均采用永磁块5偶极子的磁矩代替，进一步对多偶极子数学模型进行简化，得到永磁块5的三偶极子模型的空间磁感应强度的数学表达式如公式(5)。

$B\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[\frac{(m\·r_1)r_1}{{r_1}^5}+\frac{(m\·r_2)r_2}{{r_2}^5}+\frac{(m\·r_3)r_3}{{r_3}^5}-\frac{m}{3{r_1}^3}-\frac{m}{3{r_2}^3}-\frac{m}{3{r_3}^3}]---\left(5\right)$

式(5)中，m为永磁块5的磁矩，

式中m为永磁块5的磁矩大小，永磁块一旦确定，m的值为一已知值，为永磁块5的姿态信息；r₁、r₂、r₃为三个偶极子源点到检测点的矢径；r₁、r₂、r₃为三个偶极子源点到检测点的距离；μ₀为真空磁导率；π为圆周率。令r为永磁块中心点到检测点的矢径。r为永磁块5中心点到检测点的距离。由r可以确定r₁、r₂、r₃，如式(6)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1=r-L_{21}\\ r_3=r+L_{32}\\ r_2=r\end{array}\right.---\left(6\right)$

式(6)中，L₂₁为偶极子2到偶极子1的矢径；L₃₂为偶极子3到偶极子2的矢径。永磁块尺寸一旦确定，L₂₁和L₃₂即可确定。

在高背景磁场61下，为了去除传感器中检测到的强的背景磁场信号，保留弱的永磁体磁场信号，选择在背景磁场61的大小和方向均相等的两位置点处布置一组磁传感器组，在目标物体工作区域外部共N组传感器组，2N个传感器。其中第k(k＝1，2，…，N)组的被差分传感器122i和差分传感器121i+1(i＝2k-1)的差分方式示意图如图2所示。被差分传感器122i和差分传感器121i+1分别布置在背景磁场61大小和方向相同的两空间对称位置点处。

在永磁体磁场62和背景磁场61共同作用下，被差分传感器122i和差分传感器121i+1检测的磁场强度分别为B_Ai和B_Ai+1。其中，背景磁场61分别为B_i′和B_i+1′，且B_i′＝B_i+1′。差分放大电路21将被差分传感器122i和差分传感器121i+1检测到的高背景磁场磁感应强度B_i′和B_i+1′作为共模信号被相减，从检测信号中剔除出去，保留与永磁体5的磁感应强度的差值。

图2中，被差分传感器122i和差分传感器121i+1差分后得到传感器组敏感轴方向的磁感应强度采用式(3)。图2中R(x，y，z)为永磁体5中心点的矢径；r_(i)′(x_i′，y_i′，z_i′)和r_(i+1)′(x_i+1′，y_i+1′，z_i+1′)分别为被差分传感器122i和差分传感器121i+1的中心矢径，被差分传感器122i和差分传感器121i+1布置的两位置点一旦确定，r_(i)′和r_(i+1)′即为已知；r_(i)(x_i，y_i，z_i)和r_(i+1)(x_i+1，y_i+1，z_i+1)分别为永磁体中心到传感器121i和传感器122i+1中心的矢径。即有：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{\left(\mathrm{kx}\right)}=x_k^{\′}-x\\ r_{\left(\mathrm{ky}\right)}=y_k^{\′}-y\\ r_{\left(\mathrm{kz}\right)}=z_k^{\′}-z\end{array}\right.---\left(7\right)$

式(7)中，k＝1，2，...，2N；(x，y，z)为永磁块中心点的位置坐标。由式(6)，r₁、r₂、r₃可以由r确定，因此，由式(6)和(7)可以得到r₁、r₂、r₃。r₁、r₂、r₃中的未知量仅为永磁块中心点的位置坐标(x，y，z)。

由上述推导，永磁体5三等效偶极子模型的空间等背景磁场的差分磁定位方程组，如(8)式所示。

式(8)中，矩阵A_i的表达形式如式(8)所示。

$A_i={\left\{A_q\right\}}_i=\left\{{\left[\begin{array}{ccc}{r}_{q\left(\mathrm{ix}\right)}^2-{r_{q\left(i\right)}}^2& r_{q\left(\mathrm{ix}\right)}{r}_{q\left(\mathrm{iy}\right)}& r_{q\left(\mathrm{ix}\right)}{r}_{q\left(\mathrm{iz}\right)}\\ r_{q\left(\mathrm{ix}\right)}{r}_{q\left(\mathrm{iy}\right)}& r_{q\left(\mathrm{iy}\right)}^2-{r_{q\left(i\right)}}^2& r_{q\left(\mathrm{iy}\right)}{r}_{q\left(\mathrm{iz}\right)}\\ r_{q\left(\mathrm{ix}\right)}{r}_{q\left(\mathrm{iz}\right)}& r_{q\left(\mathrm{iy}\right)}{r}_{q\left(\mathrm{iz}\right)}& r_{q\left(\mathrm{iz}\right)}^2\end{array}\right]}_q\right\},q=\mathrm{1,2,3}.---\left(9\right)$

式(9)中，q为偶极子数。传感器布置的位置和永磁块材料、尺寸确定后，式(8)中方程组中除

为未知量外，其它量均为已知量。

由磁感应强度的差值 $\hat{F}=\left\{{\hat{F}}_k^n\right\}$ 和差分磁定位方程(8)计算得到的永磁块磁感应强度的差值向量B_d(α)，在最小二乘意义下确定最优化目标函数 $f\left(\mathrm{\α}\right)=\arg \min {\left|\right|\hat{F}-B_d\left(\mathrm{\α}\right)\left|\right|}_F^2.$ 将目标物体的起始位置和姿态的估计值

作为起始位置和姿态点的初始值，根据目标函数f(α)和非线性优化算法，计算得到起始位置和姿态

数据处理及算法系统3根据连续的两个定位位置、姿态和两个定位时间，计算出目标物体的运行速度。根据运行速度和计算的前一目标物体定位点的位置和姿态

合理确定当前目标物体定位点的初始位置和姿态，根据差分磁定位算法计算得到目标物体当前点的位置和姿态

图5为本发明磁定位装置流程图。

图6为目标物体运动的实际轨迹及磁定位轨迹结果，从定位结果中可以看出，本发明的可以较好的在大小和方向均变化的高背景磁场下跟踪定位目标物体。

如图5所示，本发明磁定位装置进行定位的具体工作流程如下：

步骤1.根据工作区域选定传感器阵列的组数N，要求N≥5，确定传感器阵列1；

步骤2.在工作区域外部，选取N组背景磁场61大小和方向均相同的两个空间对称位置点，位置点的选定使得其能覆盖目标物体的全部工作区域；

步骤3.在N组位置点上布置N组传感器组12，每组传感器组中传感器的敏感轴方向一致，并且传感器阵列中的各传感器组要求在三个两两垂直的方向上布置；

步骤4.传感器阵列一旦布置完成，即可获得各个传感器11布置的位置和敏感轴方向，作为已知值；

步骤5.利用传感器阵列1检测包含永磁块5和背景磁场的磁感应强度信号，N组传感器组12将检测到的磁感应强度信号传送给N路信号处理通路，信号处理通路中的差分放大电路21，将传感器组12中的差分传感器121和被差分传感器122的检测磁信号作差分放大，将传感器组中差分传感器121和被差分传感器122两位置处的相等的背景磁场61作为共模信号相减，去除了背景磁场信号61的磁感应强度B′，得到永磁块62的磁感应强度的差值信号；

步骤6.经过差分放大电路21的信号再由同相放大22、低通滤波23、A/D转换24，将差分磁信号经过硬件处理转换为数字信号，传送至计算机存储；

步骤7.将采样后存储的磁信号差值数据选取连续的20个数据F，取平均值后，作为差分磁定位算法的检测信号

步骤8.根据多偶极子模型的差分磁定位公式(8)得到B_d(α)，其中α＝(x，y，z，θ，φ)为永磁块5的位置和姿态信息；

步骤9.估计起始位置和姿态的一个初始值α₀(x₀，y₀，z₀，θ₀，φ₀)，采用差分磁定位算法，确定目标函数f(α)，采用非线性优化算法计算得到起始位置和姿态α₁(x₁，y₁，z₁，θ₁，φ₁)；

步骤10.根据目标物体的运动速度和计算得到的目标物体上一点定位的位置和姿态α_m-1(x_m-1，y_m-1，z_m-1，θ_m-1，φ_m-1)，确定目标物体当前定位点的初始值α′_m(x′_m，y′_m，z′_m，θ′_m，φ′_m)；

步骤11.采用差分磁定位算法，确定目标函数f(α)，采用非线性优化算法计算得到永磁块的当前位置和姿态α_m(x_m，y_m，z_m，θ_m，φ_m)；

步骤12.屏幕显示三维显示永磁块的空间位置和姿态，以及显示目标物体的运动轨迹及实时的运动速度；

步骤13.重复步骤10-12，直到完成目标物体的定位。

Claims (4)

1.一种高背景磁场下的磁定位方法，其特征在于，布置在背景磁场大小和方向均相同的两个空间对称位置点的传感器组检测背景磁场以及目标物体的永磁块磁场，采用差分放大电路将传感器组中差分传感器和被差分传感器检测得到的相等的背景磁场磁感应强度作为共模信号相减，剔除高背景磁场，得到传感器组中两传感器位置点处目标物体永磁块的磁感应强度差值；由N组传感器组测量得到包含N个磁感应强度差值的磁感应强度差值向量，N≥5；采用差分磁定位算法，得到差分磁定位方程组；将包含目标物体永磁块位置和姿态变量的差分磁定位方程组与实际测量所得的磁感应强度差值向量建立目标函数；采用非线性优化算法求解目标函数，即可获得目标物体永磁块的三维位置和二维姿态，完成目标物体的定位过程；

所述的差分磁定位算法为：根据在高背景磁场下传感器组检测得到的磁感应强度差值信号只包含目标物体永磁块的磁场信号，得到磁感应强度的差值方程：

式(3)中，B_(i)k(α)为第k组传感器组中被差分传感器所在位置点处的永磁块磁感应强度；B_(i+1)k(α)为第k组传感器组中差分传感器所在位置点处的永磁块磁感应强度；Bⁿ _k(α)为第k组传感器组检测到的磁信号相减后其敏感轴方向上的磁感应强度差值，k＝1，2，…，N，N≥5；n为敏感轴的方向分量，n＝{i，j，k}； 其中x，y，z为目标物体永磁块的位置变量， 

为目标物体永磁块的磁矩方位角变量；

N组传感器组的传感器阵列的差分磁定位方程组为：

式(4)中，Bⁿ _k(α)为第k组传感器组在放大电路中共模相减后其敏感轴方向上的磁感应强度差值，k＝1，2，3，...，N；n为传感器组的敏感轴方向分量，n＝{i，j，k}；B_d(α)为N组传感器组差分相减后其敏感轴方向上的磁感应强度差值向量；将包含目标物体永磁块位置和姿态变量 

的差分磁定位方程组(4)与实际测量所得的磁感应强度差值向量建立目标函数f(α)；采用非线性优化算法求解目标函数f(α)，即可获得目标物体永磁块的三维位置(x，y，z)和二维姿态 

完成定位过程。

2.应用权利要求1所述的高背景磁场下的磁定位方法的装置，其特征在于，所述装置包括传感器阵列(1)、信号处理模块(2)和数据处理及算法系统(3)；传感器阵列(1)检测到的背景磁场和永磁块的磁感应强度信号经过差分放大电路(21)，将差分传感器(121)和被差分传感器(122)检测到的磁信号相减，去除传感器组在两个传感器(11)位置点处 检测到的高背景磁场(61)，保留含有弱小的永磁块磁场(62)的磁信号；传感器组中两传感器(11)位置点处的磁信号相减后的差值，再经过同相放大电路(22)进行二次放大；经过两次放大的磁信号经低通滤波(23)，将引入到磁检测信号中的高频噪声滤去，再经过A/D转换(24)后将模拟信号转换为数字信号，通过PCI总线，传送至计算机内；数据处理及算法系统(3)将采样后存储的磁信号差值数据选取连续的多个数据F取平均值，作为差分磁定位算法的检测信号 根据目标物体永磁块磁场分布数学模型的差分磁定位公式(4)得到N组传感器组差分相减后其敏感轴方向上的磁感应强度的差值向量B_d(α)，由差分磁定位算法和所述装置测量所得的磁感应强度差值确定目标函数f(α)；采用非线性优化算法优化目标函数f(α)，计算得到永磁块的位置和姿态。

3.根据权利要求2所述的高背景磁场下的磁定位方法的装置，其特征在于，传感器阵列(1)由N组传感器组组成，每组传感器组均由两个传感器(11)构成，传感器组的数量多于或者等于5组，传感器总个数大于或等于10个；选择背景磁场相等的两空间对称位置点处，布置一组传感器组；各传感器组中的传感器敏感轴方向布置在三个两两垂直的方向上，每组传感器组中的两个传感器敏感轴的布置方向一致；传感器阵列(1)布置在工作区域外部，传感器组的布置位置和传感器敏感轴方向覆盖目标物体运动的整个区域。

4.根据权利要求3所述的高背景磁场下的磁定位方法的装置，其特征在于，信号处理模块(2)由信号处理通路组成，每路信号处理通路均由差分放大电路(21)、同相放大电路(22)、低通滤波电路(23)、A/D转换(24)组成；每组传感器组对应一路信号处理通路。 

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