CN108490390B - 一种移动磁源定位装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种移动磁源定位装置，用于检测固联于移动目标物体内的磁源的位置姿态。包括阵列模块、运动执行模块、接口模块和控制模块；其中阵列模块通过传感器阵列检测磁源磁场强度，并发送给所述控制模块；传感器阵列由五个以上磁场强度检测传感器组成；所述控制模块依据所述传感器阵列所检测的磁源磁场强度计算磁源的位置姿态信息；并通过所述运动执行模块带动所述阵列模块移动以跟踪磁源，使磁源始终处于设定的检测范围内，从而保证定位精度。所述接口模块提供了移动磁源定位装置的安装接口、内部信号之间的传输接口及电源供应接口等。

Description

一种移动磁源定位装置
技术领域
本发明涉及一种定位装置，具体涉及一种磁源定位装置。
背景技术
磁定位方法是利用磁场强度检测传感器检测磁场的空间分布，计算磁源位置和姿态。通常来说根据磁源位置的不同，磁定位方式分为两种，一是磁源不在目标物体上，目标物体通过自带磁场强度检测传感器检测自身位置处的磁场信号，确定磁源与目标物体和磁场强度检测传感器的相对位置关系，如利用地磁场确定物体位置；另一种是磁源在目标物体上，通过磁场强度检测传感器在目标物体外部检测磁源信息，确定目标物体和磁源与磁场强度检测传感器的相对位置和姿态。
在第二种方式中，通常采用固定式磁定位装置，用于对移动磁源进行定位时存在以下问题：磁定位装置的检测范围难以覆盖目标物体所需满足的运动范围；即便该装置的检测范围能够覆盖目标物体的运动范围，会使得定位装置将比较庞大、笨重，而且较多数目的磁场强度检测传感器将会降低算法的运算速度。
发明内容
有鉴于此：本发明提供一种移动磁源定位装置，用于检测固联于移动目标物体内的磁源的位置姿态，能够覆盖移动磁源的运动范围，使移动磁源始终处于传感器阵列的可检测范围。
所述的移动磁源定位装置：包括：阵列模块、运动执行模块、接口模块和控制模块；
所述阵列模块通过传感器阵列检测磁源磁场强度，并发送给所述控制模块；所述传感器阵列由五个以上磁场强度检测传感器组成；
所述控制模块依据所述传感器阵列所检测的磁源磁场强度计算磁源的位置姿态信息；并通过所述运动执行模块带动所述阵列模块移动以跟踪磁源，使所述磁源始终处于设定的检测范围内；
所述接口模块用于提供定位装置的电源接口和通信接口。
所述阵列模块还包括安装板以及设置在安装板上的稳压电源单元、通信接口转换单元、微处理器；所述传感器阵列分布在所述安装板上；
所述稳压电源器件用于将接入阵列模块的电源转化为所述微处理器和磁场强度检测传感器所需的输入电源；
所述通信接口转换单元用于将所述磁场强度检测传感器检测的磁场强度信号转换为设定格式后，传输至微处理器进行定时打包处理；之后再经过所述通信接口转换单元转换为设定格式后发送给所述控制模块。
有益效果：
(1)可移动的磁源定位装置能够增大检测范围，从而覆盖移动磁源的运动范围，使移动磁源始终处于传感器阵列的可检测范围；
(2)可移动的磁源定位装置可以跟踪移动磁源的运动，使得移动磁源始终处于精度较高的检测区域内，保证定位精度；
(3)由于磁定位装置具备运动能力，由此能够减少所需要的磁场强度检测传感器数目，从而提高定位算法的效率。
附图说明
图1为本发明的移动磁源定位装置结构示意图；
图2为阵列模块结构示意图；
图3-图5为本发明的运动执行模块及接口模块结构示意图；
图6为控制模块结构示意图。
其中：1-阵列模块、2-运动执行模块、3-接口模块、4-控制模块、5-稳压电源单元、6-通信接口转换单元、7-微处理器、8-磁场强度检测传感器、9-安装板、10-阵列模块转接板、11-三轴直线运动单元、12-封板、13-水平固定接口板、14-竖直固定接口板、15-万向移动支撑脚轮、16-第一通信接口、17-第一电源接口、18-第二电源接口、19-第二通信接口、21-Z轴直线运动安装座、23-Z轴移动平台、25-Y轴移动平台、26-Y轴直线运动单元安装座、27-底座、28-轴承座组件B、29-梯形螺母、30-梯形丝杆、31-轴承座组件A、32-联轴器、33-步进电机、34-信号处理器单元、35-运动控制器、36-USB通信接口、37-显示屏、38-操作按钮、39-供电接口、40通信接口
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供一种能够实现移动磁源定位的移动磁源检测装置。
如图1所示，该移动磁源检测装置包括：阵列模块1、运动执行模块2、接口模块3和控制模块4。其中阵列模块1安装在运动执行模块2上，能够在运动执行模块2的带动下移动，实现跟踪磁源运动的功能。固接在运动执行模块2外部的接口模块3主要提供装置与外部环境和设备的机械接口和电气接口。控制模块用于实现运动执行模块2的运动控制和阵列模块1反馈的信号的处理。
如图2所示，阵列模块1包括安装板9以及设置在安装板9上的用于安装检测移动磁源磁场的电子元器件，具体包括:稳压电源单元5、通信接口转换单元6、微处理器7、由四个以上磁场强度检测传感器8组成的传感器阵列。其中稳压电源器件5用于将接入阵列模块1的低压电源进行稳压，并转化为微处理器7和磁场强度检测传感器8所要求的输入电源。
磁场强度检测传感器8用于检测磁源磁场强度，多个磁场强度检测传感器8按照不同的预定位置安装在安装板9上，形成传感器阵列。磁场强度检测传感器8的分布方式可以为在同一平面内按照矩形或者圆形阵列分布；也可以在空间中按照长方体、部分球面或者球体进行分布。磁场强度检测传感器8的数量以能提供不少于5个磁场强度检测数据为准。本实施例中在安装板9上以矩形阵列分布方式安装了十六个磁场强度检测传感器8。
磁场强度检测传感器8获取的磁场强度信号经过通信接口转换单元6转换为微处理器7所要求的格式后，传输至微处理器7进行定时打包处理；之后再经过通信接口转换单元6转换为控制模块3中信号处理器单元34需要的格式后输出至信号处理器单元34。
如图3-图5所示，运动执行模块2包括底座27以及安装在底座27上的阵列模块转接板10、三轴直线运动单元11和封板12，定义底座27所在平面为xy平面(通常底座27所在平面为水平面)，垂直于xy平面的方向为z向，阵列模块1平行于底座27。阵列模块1通过阵列模块转接板10与三轴直线运动单元11相连，使三轴直线运动单元11能够带动阵列模块1在X、Y、Z三个方向进行直线运动，实现跟踪磁源运动的功能。封板12为设置在底座27四周和上表面用于安装接口模块3的面板。
三轴直线运动单元11包括X轴直线运动单元、Y轴直线运动单元和Z轴直线运动单元，三个直线运动单元的基本结构相同，驱动方式也相同，驱动形式均采用步进电机通过联轴器带动梯形丝杠转动，进而带动与梯形丝杠配合的梯形螺母平移，从而带动与梯形螺母固接的移动平台在导轨滑块副上完成直线运动。三个直线运动单元中均设置有光电限位开关及机械限位开关，以保证运动过程中的安全性。
具体如图4和图5所示，每个直线运动单元均包括：安装座、步进电机、梯形丝杠、梯形螺母、移动平台和导轨滑块副。以X轴直线运动单元为例，底座27作为X轴直线运动单元的安装座，步进电机33固定在底座27上，步进电机33的输出轴通过联轴器32与梯形丝杠30固接，梯形丝杆30的一端固定在轴承座组件B31，另一端浮动安装在轴承座组件B28上。X轴移动平台与梯形螺母29固接，梯形螺母29与梯形丝杠30配合形成丝杠螺母副。同时在底座27上设置有沿X向的导轨，梯形螺母29与设置在导轨上的滑块固接，对X轴移动平台的移动起导向作用。
Y轴直线运动单元、Z轴直线运动单元的结构与X轴直线运动单元相同，其中Y轴直线运动单元安装座26固定在X轴移动平台上，Z轴直线运动安装座21固定在Y轴移动平台25上，阵列模块转接板10固接在Z轴移动平台23上，即阵列模块转接板10的一端与阵列模块1固接，另一端与Z轴移动平台23固接。由此，当X轴直线运动单元移动时，带动Y轴直线运动单元、Z轴直线运动单元和阵列模块1沿X向移动；Y轴直线运动单元移动时，带动Z轴直线运动和阵列模块1沿Y向移动；Z轴直线运动移动时，直接带动阵列模块1沿Z向移动。
控制模块4用于实现运动执行模块2的运动控制和阵列模块1反馈的信号的处理。如图6所示，控制模块4包括：运动控制器35、信号处理器单元34和外部电源。外部电源用于为运动控制器35及计信号处理器单元34供电。
其中信号处理器单元34接收阵列模块1中传感器阵列所检测的磁场强度信号，然后通过列文伯格或马奎等非线性优化算法(LM算法)计算得出移动磁源的位置姿态信息，所述的位置姿态信息指在三维坐标系下移动磁源相对于传感器阵列中心的距离和角度。同时信号处理器单元34用于向运动控制器35发送运动控制指令，以控制运动执行模块2的运动。
运动控制器35用于控制运动执行模块2中的三个直线运动单元运动。信号处理器单元34将运动指令传输给运动控制器35，进而控制运动执行模块2的运动，具体为：信号处理器单元34内设置有磁场强度范围值，该磁场强度范围值为传感器阵列对移动磁源的可检测范围或检测精度较高的区域，传感器阵列的检测信号经处理后实时发送给信号处理器单元34，当移动磁源超出传感器阵列的可检测范围或者不在阵列精度较高的区域内，即传感器阵列所检测到的磁场强度不在设定的磁场强度范围内时，信号处理器单元34将运动指令发送给运动控制器35，该运动指令中包括运动方向，其中在XY平面内运动方向(即沿X轴或Y轴的位移)的依据为传感器阵列中磁场强度最强的方向，在Z轴的运动依据为使得传感器阵列所测最大磁场强度模值保持恒定的方向(由此保证传感器阵列与移动磁源保持在同一高度或高度差固定)。运动控制器35依据该运动指令控制运动执行模块2运动，进而带动安装于其上的阵列模块1向对应的方向运动，以趋近或跟踪移动磁源，保证定位精度。当传感器阵列所检测到的磁场强度重新处于设定的磁场强度范围内后，信号处理器单元34向运动控制器35发送停止运动的指令。同时运动控制器35将运动执行模块2发送的当前位置信息反馈到信号处理器单元34。
本实施例中，运动控制器35包括：可选择的显示屏37、可选择的操作按钮38、供电接口39(一个或多个)、通信接口40(一个或多个)及内置于其中的控制卡、处理器等。显示屏37可以实时显示X/Y/Z轴直线运动单元相对于初始位置的位移信息，可选择的操作按钮38可以手动控制X/Y/Z轴直线运动单元的运动，实现初始位置的调整等功能。供电接口39通过电缆与接口模块的第一电源接口17连接，进而为运动执行模块供电；通信接口40通过线缆与接口模块的第一电气接口16连接，进而与运动执行模块进行信号传输。
信号处理器单元34包括USB通信接口36及内置于其中的处理器，阵列模块1可以通过USB通信接口36与计算机34进行信号传输。
接口模块3主要提供装置与外部环境和设备的机械接口和电气接口。如图3所示，机械接口主要包括水平固定接口板13和竖直固定接口板14，可以实现装置内的阵列模块1以直立方式或者横卧方式安装在其它设备上，还可以在装置底部安装万向移动支撑脚轮15，实现装置的整体运动。电气接口包括第一电源接口17、第一通信接口16，第一电源接口17和第一通信接口16用于运动执行模块2中电机及限位开关的供电和信号传输。
此外，接口模块还包括第二电源接口18和第二通信接口19，用于阵列模块1的供电和信号传输。供电电源接入第二电源接口18，再通过电压转换单元，转换为低电压电源，接入阵列模块1，进而通过稳压电源器件5，为阵列模块1内元器件供电。通过第二通信接口19，阵列模块1将获得的信号按照设定的格式传输到控制系统模块4内的计算机34，实现信号的传输。
进一步的，阵列模块1除了采用上述有线方式进行供电和信号传输外，还可以采用自身供电及无线信号传输的方式。阵列模块1可以在安装板9上加装电源模块，实现自供电。同时可以通过加装无线传输模块，将信号以无线方式发送到信号处理器单元34，实现信号的传输。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种移动磁源定位装置，其特征在于：包括：阵列模块(1)、运动执行模块(2)、接口模块(3)和控制模块(4)；
所述阵列模块(1)通过传感器阵列检测磁源磁场强度，并发送给所述控制模块(4)；所述传感器阵列由五个以上磁场强度检测传感器(8)组成；
所述控制模块(4)依据所述传感器阵列所检测的磁源磁场强度计算磁源的位置姿态信息；并通过所述运动执行模块(2)带动所述阵列模块(1)移动以跟踪磁源，使所述磁源始终处于设定的检测范围内；
所述接口模块(3)用于提供定位装置的电源接口和通信接口；
所述运动执行模块(2)包括底座(27)以及安装在底座(27)上的阵列模块转接板(10)和三轴直线运动单元(11)，定义所述底座(27)所在平面为xy平面，垂直于xy平面的方向为z向；
所述阵列模块(1)通过所述阵列模块转接板(10)与三轴直线运动单元(11)相连，通过所述三轴直线运动单元(11)带动阵列模块(1)在X、Y、Z三个方向进行直线运动，以跟踪磁源；
所述控制模块(4)中设置有运动控制器(35)和信号处理器单元(34)，所述运动控制器(35)依据信号处理器单元(34)的运动指令控制运动执行模块(2)中的三个直线运动单元运动，具体为：
所述信号处理器单元(34)内设置有磁场强度范围值，该磁场强度范围值为传感器阵列对移动磁源的可检测范围或处于设定检测精度的区域，传感器阵列的检测信号经处理后实时发送给信号处理器单元(34)，当传感器阵列所检测到的磁场强度不在设定的磁场强度范围内时，所述信号处理器单元(34)将运动指令发送给运动控制器(35)，该运动指令中包括运动方向，其中在XY平面内运动方向的依据为传感器阵列中磁场强度最强的方向，在Z轴的运动依据为使得传感器阵列所测最大磁场强度模值保持恒定的方向，由此保证传感器阵列与移动磁源保持在同一高度或高度差固定；所述运动控制器(35)依据该运动指令控制运动执行模块(2)运动，进而带动安装于其上的阵列模块(1)向对应的方向运动，以跟踪移动磁源，保证定位精度；当传感器阵列所检测到的磁场强度重新处于设定的磁场强度范围内后，所述信号处理器单元(34)向运动控制器(35)发送停止运动的指令；同时运动控制器(35)将运动执行模块(2)发送的当前位置信息反馈到信号处理器单元(34)；
所述三轴直线运动单元(11)包括：X轴直线运动单元、Y轴直线运动单元和Z轴直线运动单元，三个直线运动单元均采用通过步进电机带动梯形丝杠转动，进而带动与梯形丝杠配合的梯形螺母平移，从而带动与梯形螺母固接的移动平台在导轨滑块副上移动的方式完成直线运动；三个直线运动单元中均设置有光电限位开关及机械限位开关，以保证运动过程中的安全性；
其中所述底座(27)为X轴直线运动单元的安装座，Y轴直线运动单元安装座(26)固定在X轴移动平台上，Z轴直线运动安装座(21)固定在Y轴移动平台(25)上，所述阵列模块转接板(10)一端与阵列模块(1)固接，另一端与Z轴移动平台(23)固接。
2.如权利要求1所述的移动磁源定位装置，其特征在于：所述阵列模块(1)还包括安装板(9)以及设置在安装板(9)上的稳压电源单元(5)、通信接口转换单元(6)、微处理器(7)；所述传感器阵列分布在所述安装板(9)上；
所述稳压电源器件(5)用于将接入阵列模块(1)的电源转化为所述微处理器(7)和磁场强度检测传感器(8)所需的输入电源；
所述通信接口转换单元(6)用于将所述磁场强度检测传感器(8)检测的磁场强度信号转换为设定格式后，传输至微处理器(7)进行定时打包处理；之后再经过所述通信接口转换单元(6)转换为设定格式后发送给所述控制模块(3)。
3.如权利要求1所述的移动磁源定位装置，其特征在于：所述传感器阵列为平面阵列或空间阵列，当所述传感器阵列为平面阵列时，同一平面内的四个方位上各至少设置一个磁场强度检测传感器(8)；当所述传感器阵列为空间阵列时，空间四个方位及高度方向上各至少设置一个磁场强度检测传感器(8)。
4.如权利要求3所述的移动磁源定位装置，其特征在于：所述传感器阵列为矩形阵列、圆形阵列或其它平面阵列；或为长方体、球体或其它空间阵列。
5.如权利要求1所述的移动磁源定位装置，其特征在于：所述底座(27)底部安装有用于使定位装置能够整体移动的万向移动支撑脚轮(15)。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的移动磁源定位装置，其特征在于：所述运动控制器(35)包括：用于实时显示三个直线运动单元相对于初始位置位移信息的显示屏(37)、用于手动控制三个直线运动单元的操作按钮(38)、用于为所述运动执行模块(2)供电的供电接口(39)以及用于与运动执行模块(2)进行信号传输的通信接口(40)，所述供电接口(39)通过电缆与接口模块(3)的电源接口连接。
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