CN102778697A - 一种基于三轴磁阻传感器的铁磁性目标三维定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络目标定位领域的铁磁性目标三维定位方法，包括以下步骤：对采用的三轴磁阻传感器进行校准或标定；利用任意摆放的磁阻传感器获取传感器所处位置的环境磁场信号的输出，记为

判断任意摆放的磁阻传感器X、Y、Z轴的绝对指向；划分三轴磁阻传感器的球形探测区域；当目标进入磁阻传感器探测范围时，记磁阻传感器X、Y、Z三轴磁场信号的输出分别为

对与

的差值B_x 与的差值B_y，

与

的差值B_z进行滑动平均滤波处理；对经过滤波处理的三轴信号B_x、B_y、B_z的波峰、波谷进行判断；判断铁磁性目标的所在区域；估计目标位置。该方法不受传感器节点摆放方式与目标体积限制，不依赖于目标磁矩，简单便捷，成本低且便于实施。

Description

一种基于三轴磁阻传感器的铁磁性目标三维定位方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络目标定位领域的铁磁性目标三维定位方法，具体而言是一种利用三轴磁阻传感器对铁磁性运动目标进行三维定位的方法。

背景技术

无线传感器网络被认为是二十一世纪最重要的新兴技术之一。随着无线电通信技术、传感器技术、微机电系统技术、集成电路技术、分布式信息处理技术等技术的发展，使得大量廉价、智能的传感器设备通过无线通信组成无线传感器网络成为可能。在无线传感器网络的研究中，运动目标的定位技术一直是一个热点研究领域，其中对铁磁性目标的定位技术具有广泛的应用价值，如军事侦察、智能车辆、医疗等。

地球磁场在几公里范围内可视为均匀分布，当铁磁性物质经过磁阻传感器的探测区域时会对周围磁场产生扰动，磁阻传感器便可根据此扰动检测铁磁性物质。磁阻传感器有单轴、双轴和三轴之分，与单轴、双轴磁阻传感器相比，三轴磁阻传感器能够更加全面地感应地磁场的变化，通过对三个轴上的输出信号的分析，可以实现对铁磁性目标的三维定位。此外，双轴磁阻传感器在实际应用中对传感器节点摆放要求较高，定位结果容易受到地形等因素的影响，而任意摆放的三轴磁阻传感器可以根据固定指向的三轴磁阻传感器的输出，借助空间直角坐标系变换理论，可以判断出任意摆放的三轴磁阻传感器三个轴的指向。

目前对于目标定位的研究多为利用双轴磁阻传感器的二维定位，但是，二维定位只能应用在各传感器节点严格水平摆放的理想二维环境中，实际应用中，很难满足无线传感器网络中各个传感器节点完全处于同一水平面上。基于三轴磁阻传感器的三维定位，可以利用磁阻传感器获取三轴方向的磁场强度信号，这样可以减小传感器倾斜摆放对定位结果的影响，实现对目标更加准确的定位。对于三维定位算法的研究还处于起步与探索阶段，成果较少，国际上针对铁磁性目标的三维定位算法，主要是基于磁偶极子模型的定位算法，但是只有目标的尺寸远远小于目标和监测点间的距离时，铁磁性目标才可被看作磁偶极子，然而，实际应用中很难满足该条件。此外，基于磁偶极子的定位算法实现三维定位时需要知道目标的磁矩，而实际应用中，不同的目标其磁矩也不同，这就限制了基于磁偶极子模型的算法在三维定位时的应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述铁磁性目标定位的现有技术问题，提出一种不受传感器节点摆放方式限制，不依赖于目标磁矩，不受目标体积限制，简单便捷，成本低且便于实施的铁磁性目标三维定位方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

步骤一、对采用的三轴磁阻传感器进行校准或标定；

步骤二、利用任意摆放的三轴磁阻传感器获取传感器所处位置的环境磁场信号的输出，记为

步骤三、判断任意摆放的三轴磁阻传感器三个轴在空间的绝对指向；

步骤四、划分以三轴磁阻传感器为球心、以其探测距离为半径的球形探测区域，具体为：以三轴磁阻传感器为坐标原点，以三轴磁阻传感器的三个轴X、Y、Z的方向为空间直角坐标系的坐标轴X'、Y'、Z'的方向，建立空间直角坐标系O-X′Y′Z′，根据铁磁性目标进入三轴磁阻传感器探测区域时，三轴磁阻传感器三轴输出信号的不同特征，将三轴磁阻传感器的球形探测区域以空间直角坐标系的八个卦限为基准划分为8个区域：I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII，如图2所示；

步骤五、当铁磁性目标进入三轴磁阻传感器探测范围时，记三轴磁阻传感器X、Y、Z三轴磁场信号的输出分别为

步骤六、对

与

的差值B_x，

与

的差值B_y，

与

的差值B_z进行滑动平均滤波处理；

步骤七、对经过滑动平均滤波处理的三轴信号B_x、B_y、B_z的波峰、波谷进行判断；

步骤八、判断铁磁性目标的所在区域,判断的方法为：如果B_x、B_y、B_z均出现波峰，则铁磁性目标进入了区域I；如果B_x出现波谷，B_y出现波峰，B_z出现波峰，则铁磁性目标进入了区域II；如果B_x出现波谷，B_y出现波谷，B_z出现波峰，则铁磁性目标进入了区域III；如果B_x出现波峰，B_y出现波谷，B_z出现波峰，则铁磁性目标进入了区域IV；如果B_x出现波峰，B_y出现波峰，B_z出现波谷，则铁磁性目标进入了区域V；如果B_x出现波谷，B_y出现波峰，B_z出现波谷，则铁磁性目标进入了区域VI；如果B_x、B_y、B_z均出现波谷，则铁磁性目标进入了区域VII；如果B_x出现波峰，B_y出现波谷，B_z出现波谷，则铁磁性目标进入了区域VIII。

步骤九、当单传感器节点探测到目标时，取步骤八中所得区域对应的八分之一球面的中心为目标的位置；当有多个传感器探测到目标时，各个传感器分别按照前述步骤判断出目标所在区域，然后取各个区域的重叠部分中心作为目标的位置。

其中，由于地磁场在几公里范围内可视为均匀分布，步骤三中，以三轴磁阻传感器为坐标原点，南北方向为X轴，东西方向为Y轴，竖直方向为Z轴，建立空间直角坐标系O-XYZ作为基准坐标系，并规定X轴正方向指向南，Y轴正方向指向东，Z轴正方向竖直向上。利用按照基准坐标系O-XYZ摆放的三轴磁阻传感器获取的环境磁场的输出

与任意摆放的三轴磁阻传感器获取的环境磁场的输出

并借助空间直角坐标系变换理论，判断出三轴磁阻传感器的三个轴所在的坐标系O-X′Y′Z′相对于基准坐标系O-XYZ旋转的角度ξ_x、ξ_y、ξ_z，如图3所示，从而可以得出任意摆放的三轴磁阻传感器的三个轴的指向，其步骤如下：

（1）将校准后或标定后的三轴磁阻传感器放在水平面上，X轴指向南，Y轴指向东，Z轴竖直向上时，获取环境磁场的输出

（2）在三维空间直角坐标系中，具有相同原点的两坐标间的变换一般需要在三个坐标平面上，通过三次转换完成，设旋转次序为：绕OZ旋转ξ_z角，然后绕OY旋转ξ_y角，最后绕OX旋转ξ_x角。旋转的正方向为右手螺旋方向，即从旋转轴的正半轴向原点看是逆时针方向，则利用空间直角坐标系变换公式：

$\left[\begin{array}{c}{B^{\′}}_{x_0}\\ B_{y_0}^{\′}\\ B_{z_0}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\ξ}}_z\cos {\mathrm{\ξ}}_y& \cos {\mathrm{\ξ}}_x\sin {\mathrm{\ξ}}_z+\sin {\mathrm{\ξ}}_x\sin {\mathrm{\ξ}}_y\cos {\mathrm{\ξ}}_z& \sin {\mathrm{\ξ}}_x{\sin \mathrm{\ξ}}_z-\cos {\mathrm{\ξ}}_x\sin {\mathrm{\ξ}}_y\cos {\mathrm{\ξ}}_z\\ -\cos {\mathrm{\ξ}}_y\sin {\mathrm{\ξ}}_z& \cos {\mathrm{\ξ}}_x\cos {\mathrm{\ξ}}_z-\sin {\mathrm{\ξ}}_x\sin {\mathrm{\ξ}}_y\cos {\mathrm{\ξ}}_z& \sin {\mathrm{\ξ}}_x\cos {\mathrm{\ξ}}_z+\cos {\mathrm{\ξ}}_x\sin {\mathrm{\ξ}}_y\sin {\mathrm{\ξ}}_z\\ \sin {\mathrm{\ξ}}_y& -\sin {\mathrm{\ξ}}_x\cos {\mathrm{\ξ}}_y& \cos {\mathrm{\ξ}}_x\cos {\mathrm{\ξ}}_y\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{B}_{x_0}\\ B_{y_0}\\ B_{z_0}\end{array}\right]$

通过求解上式所示的非线性方程组得到ξ_x、ξ_y、ξ_z的值，从而可以得出任意摆放的三轴磁阻传感器的三个轴的指向。

本发明提供了一种基于三轴磁阻传感器的铁磁性目标定位方法。该方法简单便捷，不仅可以实现二维平面定位，而且可以实现三维空间定位，当使用多个传感器节点时，具有较高的定位准确度；不受传感器节点摆放方式限制；不依赖于目标磁矩且不受目标体积限制；抗干扰能力强，不易受自然环境变化的影响，具有一定的应用价值。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明方法的三维空间定位区域划分图；

图3是基准坐标系O-XYZ与传感器的三个轴所在坐标系O-X′Y′Z′之间的转换；

图4是铁块实验示意图，三轴磁阻传感器在原点O，倾斜摆放，三个轴的指向如图所示，铁块沿轨迹1从卦限VII运动到卦限VIII，铁块沿轨迹2由卦限IV运动到卦限I；

图5是铁块沿图4中的轨迹1运动的一次实验结果；

图6是铁块沿图4中的轨迹2运动的一次实验结果；

图7是对家用轿车定位实验的实验设置示意图；

图8是图7所示实验设置的一次实验结果；

图9是将图7中的三轴磁阻传感器抬高,使其高于车辆时的一次实验结果。

具体实施方式

如图1所示，本发明的方法包括如下几个步骤：

步骤一、在步骤101中，对采用的三轴磁阻传感器进行校准或标定；

步骤二、在步骤102中，利用任意摆放的三轴磁阻传感器获取传感器所处位置的环境磁场信号的输出，记为

步骤三、在步骤103中，判断任意摆放的三轴磁阻传感器三个轴的指向；

步骤四、在步骤104中，划分以三轴磁阻传感器为球心、以其探测距离为半径的球形探测区域，具体为：以三轴磁阻传感器为坐标原点，以三轴磁阻传感器的三个轴X、Y、Z的方向为空间直角坐标系的坐标轴X′、Y'、Z′的方向，建立空间直角坐标系O-X′Y′Z′，根据铁磁性目标进入三轴磁阻传感器探测区域时，三轴磁阻传感器三轴输出信号的不同特征，将三轴磁阻传感器的球形探测区域以空间直角坐标系的八个卦限为基准划分为8个区域：I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII，如图2所示；

步骤五、在步骤105中，当铁磁性目标进入三轴磁阻传感器探测范围时，记三轴磁阻传感器X、Y、Z三轴磁场信号的输出分别为

步骤六、在步骤106中，对

与

的差值B_x，

与

的差值B_y，

与

的差值B_z进行滑动平均滤波处理；

步骤七、在步骤107中，对经过滑动平均滤波处理的三轴信号B_x、B_y、B_z的波峰、波谷进行判断；

步骤八、在步骤108中，判断铁磁性目标的所在区域,判断的方法为：如果B_x、B_y、B_z均出现波峰，则铁磁性目标进入了区域I；如果B_x出现波谷，B_y出现波峰，B_z出现波峰，则铁磁性目标进入了区域II；如果B_x出现波谷，B_y出现波谷，B_z出现波峰，则铁磁性目标进入了区域III；如果B_x出现波峰，B_y出现波谷，B_z出现波峰，则铁磁性目标进入了区域IV；如果B_x出现波峰，B_y出现波峰，B_z出现波谷，则铁磁性目标进入了区域V；如果B_x出现波谷，B_y出现波峰，B_z出现波谷，则铁磁性目标进入了区域VI；如果B_x、B_y、B_z均出现波谷，则铁磁性目标进入了区域VII；如果B_x出现波峰，B_y出现波谷，B_z出现波谷，则铁磁性目标进入了区域VIII。

步骤九、在步骤109中，当单传感器节点探测到目标时，取步骤八中所得区域对应的八分之一球面的中心为目标的位置；当有多个传感器探测到目标时，各个传感器分别按照前述步骤判断出目标所在区域，然后取各个区域的重叠部分中心作为目标的位置。

实施例1：

图4所示是对直径为15cm，厚2cm的圆柱形铁块进行三维定位的实验示意图，图5、图6所示分别是铁块沿图4中的轨迹1、轨迹2运动时的两次实验结果。首先判断三轴磁阻传感器三个轴的指向，传感器按照基准坐标系摆放即X轴指向南，Y轴指向东，Z轴竖直向上时获取环境磁场的输出为：

传感器按照图4所示方式摆放时获取环境磁场的输出为：

由步骤三可得ξ_x=31.6°，ξ_y=0°，ξ_z=0°，所以，图4中三轴磁阻传感器三个轴的指向为：X轴指向南，Y轴指向东偏上30°，Z轴指向上偏西30°。

如图5所示，三轴磁阻传感器的输出曲线中，B_x先出现波谷然后出现波峰，B_y出现波谷，B_z出现波谷，由此可判断铁块由先出现在图2中的区域VII，然后进入了区域VIII。如图6所示，三轴磁阻传感器的输出曲线中，B_x出现波峰，B_y先出现波谷然后出现波峰，B_z出现波峰，由此可判断铁块先出现在图2中的区域IV，然后进入了区域I。两次实验结果均与铁块的实际运动相符合。

实施例2：

图7所示是对家用轿车进行定位的实验设置。三轴磁阻传感器放在地面上，X、Y、Z轴方向定义如图所示，车辆由西向东行驶。

图8所示是图7所示实验装置的一次具体实验结果，B_x先出现波谷然后出现波峰，B_y出现波峰，B_z出现波峰，由此可判断车辆由区域II进入了区域I。

图9所示是将图7所示实验装置中的三轴磁阻传感器抬高，使其高于车辆时的一次实验结果，B_x先出现波谷然后出现波峰，B_y出现波峰，B_z出现波谷，由此可判断车辆由区域VI进入了区域V。

Claims (2)

1.一种基于三轴磁阻传感器的铁磁性目标三维定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、对采用的三轴磁阻传感器进行校准或标定；

步骤二、利用任意摆放的三轴磁阻传感器获取传感器所处位置的环境磁场信号的输出，记为

步骤三、判断任意摆放的三轴磁阻传感器三个轴在空间的绝对指向；

步骤四、划分以三轴磁阻传感器为球心、以其探测距离为半径的球形探测区域，具体为：以三轴磁阻传感器为坐标原点，以三轴磁阻传感器的三个轴X、Y、Z的方向为空间直角坐标系的坐标轴X'、Y'、Z'的方向，建立空间直角坐标系O-X′Y′Z′，根据铁磁性目标进入三轴磁阻传感器探测区域时，三轴磁阻传感器三轴输出信号的不同特征，将三轴磁阻传感器的球形探测区域以空间直角坐标系的八个卦限为基准划分为8个区域：I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII；

步骤五、当铁磁性目标进入三轴磁阻传感器探测范围时，记三轴磁阻传感器X、Y、Z三轴磁场信号的输出分别为

步骤六、对与

的差值B_x，

与

的差值B_y，

与

的差值B_z进行滑动平均滤波处理；

步骤七、对经过滑动平均滤波处理的三轴信号B_x、B_y、B_z的波峰、波谷进行判断；

步骤八、判断铁磁性目标的所在区域，判断的方法为：如果B_x、B_y、B_z均出现波峰，则铁磁性目标进入了区域I；如果B_x出现波谷，B_y出现波峰，B_z出现波峰，则铁磁性目标进入了区域II；如果B_x出现波谷，B_y出现波谷，B_z出现波峰，则铁磁性目标进入了区域III；如果B_x出现波峰，B_y出现波谷，B_z出现波峰，则铁磁性目标进入了区域IV；如果B_x出现波峰，B_y出现波峰，B_z出现波谷，则铁磁性目标进入了区域V；如果B_x出现波谷，B_y出现波峰，B_z出现波谷，则铁磁性目标进入了区域VI；如果B_x、B_y、B_z均出现波谷，则铁磁性目标进入了区域VII；如果B_x出现波峰，B_y出现波谷，B_z出现波谷，则铁磁性目标进入了区域VIII。

步骤九、当单传感器节点探测到目标时，取步骤八中所得区域对应的八分之一球面的中心为目标的位置；当有多个传感器探测到目标时，各个传感器分别按照前述步骤判断出目标所在区域，然后取各个区域的重叠部分中心作为目标的位置。

2.如权利要求1所述的基于三轴磁阻传感器的铁磁性目标三维定位方法，其特征在于：所述步骤三中判断任意摆放的三轴磁阻传感器三个轴的指向，以三轴磁阻传感器为坐标原点，南北方向为X轴，东西方向为Y轴，竖直方向为Z轴，建立空间直角坐标系O-XYZ作为基准坐标系，并规定X轴正方向指向南，Y轴正方向指向东，Z轴正方向竖直向上。利用按照基准坐标系O-XYZ摆放的三轴磁阻传感器获取的环境磁场的输出

与任意摆放的三轴磁阻传感器获取的环境磁场的输出

并借助空间直角坐标系变换理论，判断出三轴磁阻传感器的三个轴所在的坐标系O-X′Y′Z′相对于基准坐标系O-XYZ旋转的角度ξ_x、ξ_y、ξ_z，从而可以得出任意摆放的三轴磁阻传感器的三个轴的指向，其步骤如下：

（1）将校准后或标定后的三轴磁阻传感器放在水平面上，X轴指向南，Y轴指向东，Z轴竖直向上时，获取环境磁场的输出

（2）在三维空间直角坐标系中，具有相同原点的两坐标间的变换一般需要在三个坐标平面上，通过三次转换完成，设旋转次序为：绕OZ旋转ξ_z角，然后绕OY旋转ξ_y角，最后绕OX旋转ξ_x角。旋转的正方向为右手螺旋方向，即从旋转轴的正半轴向原点看是逆时针方向，则利用空间直角坐标系变换公式：

$\left[\begin{array}{c}{B^{\′}}_{x_0}\\ B_{y_0}^{\′}\\ B_{z_0}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\ξ}}_z\cos {\mathrm{\ξ}}_y& \cos {\mathrm{\ξ}}_x\sin {\mathrm{\ξ}}_z+\sin {\mathrm{\ξ}}_x\sin {\mathrm{\ξ}}_y\cos {\mathrm{\ξ}}_z& \sin {\mathrm{\ξ}}_x{\sin \mathrm{\ξ}}_z-\cos {\mathrm{\ξ}}_x\sin {\mathrm{\ξ}}_y\cos {\mathrm{\ξ}}_z\\ -\cos {\mathrm{\ξ}}_y\sin {\mathrm{\ξ}}_z& \cos {\mathrm{\ξ}}_x\cos {\mathrm{\ξ}}_z-\sin {\mathrm{\ξ}}_x\sin {\mathrm{\ξ}}_y\cos {\mathrm{\ξ}}_z& \sin {\mathrm{\ξ}}_x\cos {\mathrm{\ξ}}_z+\cos {\mathrm{\ξ}}_x\sin {\mathrm{\ξ}}_y\sin {\mathrm{\ξ}}_z\\ \sin {\mathrm{\ξ}}_y& -\sin {\mathrm{\ξ}}_x\cos {\mathrm{\ξ}}_y& \cos {\mathrm{\ξ}}_x\cos {\mathrm{\ξ}}_y\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{B}_{x_0}\\ B_{y_0}\\ B_{z_0}\end{array}\right]$

通过求解上式所示的非线性方程组得到ξ_x、ξ_y、ξ_z的值，从而可以得出任意摆放的三轴磁阻传感器的三个轴的指向。

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