CN113237477A - 一种用于地磁导航的仿生地磁传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于地磁导航的仿生地磁传感系统，主要包括软磁材料磁针(1)，传感器阵列(2)，参考传感器(3)，无磁骨架(4)，前置放大器(5)，前置放大器阵列(6)，数据采集卡(7)和数据处理单元(8)。本发明借鉴鸟类磁性颗粒与自由基对联合磁感受机制，软磁材料磁针(1)用来模仿磁性颗粒的聚磁效应，传感器阵列(2)用来模仿自由基对磁感受器；具有模仿生物直接感受地磁场的特性，将有可能大大简化地磁导航算法研究，扩展地磁导航的应用场景。

Description

一种用于地磁导航的仿生地磁传感系统

技术领域

本发明涉及一种用于地磁导航的仿生地磁传感系统，特别是一种利用生物体内磁性颗粒和自由基对联合磁感受机制并结合电子梯度计弱磁检测方法的新型磁传感系统。属于仿生技术、弱磁检测技术和地磁导航技术领域。

背景技术

地磁导航相对于传统的卫星定位系统和惯性导航具有抗电磁干扰和没有误差累积的优点而成为国内外研究热点。以往对于地磁导航的研究中，磁场检测方式多采用磁传感器(如：三轴磁通门)直接测量地磁场的三分量，并没有借鉴生物感知磁场的机制去直接检测地磁场信息。如何通过电子学方法建立仿生地磁场传感系统，能够像生物一样直接获得磁倾角或磁偏角信息来简化地磁场和运载体之间的相对位姿信息的监测还是尚未解决的问题。而生物是如何感受地磁场的，目前人们认为主要有两种机制：一种是基于磁性颗粒的磁感受机制。如昆虫(蜜蜂腹部)以及长途迁徙的动物(家鸽的喙部和鲑鱼的骨窦等)体内均有磁性颗粒的存在，可利用地磁场实现导航；另一种是基于自由基对的磁感受机制。该机制是利用光受体诱导形成的自由基对来感应磁场。基于自由基对的磁感受机制已经在一些鸟类的迁徙研究得到部分证实，但鸟类上喙部的磁性颗粒是否参与了地磁感应仍然是未解之谜，而这两种机制可能存在某种耦合。

发明人所在的研究团队前期研究结果表明家鸽体内磁性颗粒与自由基对存在联合磁感受机制。即：当地磁场发生变化时，家鸽体内的铁磁性颗粒将地磁场聚集，而能够更加敏感的感应到这部分变化量，并在磁性颗粒周围形成一个幅值变化的复合磁场。而磁场值的改变影响周围自由基对相互反应过程，导致单重态自由基对产物生成率的变化。也就是说自由基对产物生成率变化可以反应磁场值的变化。因此通过自由基对感受磁性颗粒周围磁场值的变化，而磁场值的变化可以反应出地磁场的变化。

另外地磁场在南北向的数值通常在30000nT(赤道附近)到70000nT(南北极附近)之间，当运载体沿南北向运动距离低于100米时，磁场变化值会低于0.4nT。而环境磁场的变化值在几纳特到几十纳特之间，远高于该变化值，因此需要采用一定的降噪技术对传感器测量到的数据进行处理，从中提取出有用的地磁场变化信息。

发明内容

有鉴于此，本发明借鉴鸟类的磁性颗粒与自由基对联合磁感受机制，提出一种用于地磁导航的仿生地磁传感系统，并采用弱磁场检测中电子梯度计技术对环境噪声进行抑制，提高磁场灵敏度。该系统具有模仿生物直接感受地磁场的特性，将有可能大大简化地磁导航算法研究，扩展地磁导航的应用场景，因此具有重要的科学意义和经济价值。

本发明是一种借鉴鸟类磁性颗粒与自由基对联合磁感受机制的仿生地磁传系统，该系统具有模仿生物直接感受地磁场的特性，大大简化地磁场和运载体之间的相对位姿信息的监测，可应用于地磁导航。

本发明采用以下技术方案：

一种用于地磁导航的仿生地磁传感系统，主要包括软磁材料磁针1，传感器阵列2，参考传感器3，无磁骨架4，前置放大器5，前置放大器阵列6，数据采集卡7和数据处理单元8，借鉴鸟类磁性颗粒与自由基对联合磁感受机制，软磁材料磁针1用来模仿磁性颗粒的聚磁效应，传感器阵列2用来模仿自由基对磁感受器。

进一步地，软磁材料磁针1在传感器阵列2正前方，软磁材料磁针1和传感器阵列2平面保持垂直关系；传感器阵列2固定在无磁骨架4上，参考传感器3固定在传感器阵列2的正上方，传感器阵列2和参考传感器3的测量方向和软磁材料磁针1的轴线平行；优选地，软磁材料磁针1在传感器阵列2正前方的中心处。

进一步地，传感器阵列2和前置放大器阵列6连接，参考传感器3和前置放大器5连接；前置放大器5和前置放大器阵列6与数据采集卡7连接，最后数据采集卡7和数据处理单元8连接。

进一步地，软磁材料磁针1材质为高磁导率软磁材料；优选地，所述高磁导率软磁材料是电工纯铁、铁氧体、坡莫合金或硅钢材料；优选地，所述软磁材料磁针1形状为圆柱体或长方体。

进一步地，在软磁材料磁针1正前方布置一个磁传感器，并以这个磁传感器为圆心，均匀分布四个磁传感器，这五个磁传感器组成了传感器阵列2。

进一步地，数据处理单元8选取计算机或单片机完成数据处理任务。

进一步地，磁传感器可以选取巨磁电阻磁传感器、各项异性磁阻传感器、隧道磁阻传感器、磁通门传感器或光泵磁强计。

进一步地，仿生地磁传感系统的电子梯度计算法通过参考传感器3测量环境磁场，传感器阵列2的五个磁传感器分别和参考传感器3的测量值进行差分，设传感器阵列2中磁传感器i检测到的磁场为B_i(微特斯拉μT)，由磁针周围磁场B_Mi(μT)和环境磁场B_Ei(μT)组成，即：

B_i＝B_Mi+B_Ei,(i＝0,1…4) (1)

假设参考传感器检测到的磁场为B_r(μT)，根据电子梯度计原理可得传感器阵列测到磁场的一阶梯度B_Gi(μT)为：

B_Gi＝B_i-α_iB_r＝B_Mi+B_Ei-α_iB_r,(i＝0,1…4) (2)

其中α_i为电子梯度计补偿系数，通过选取的α_i值使得B_Ei-α_iB_r＝0，从而使电子梯度计测量到的B_Gi等于磁针周围的磁场B_Mi。

进一步地，仿生地磁传感系统的磁倾角计算利用处理后的数据绘制传感器阵列2测量到的软磁材料磁针1前方的磁场值与周围磁场磁倾角θ或磁偏角γ变化的曲线；根据该曲线得任意磁倾角θ或磁偏角γ与传感器阵列2的五个磁传感器测量到的数值B₀、B₁、B₂、B₃和B₄唯一的对应；实际使用仿生地磁传感系统测量地磁场时，根据B₀、B₁、B₂、B₃和B₄的数值并结合与磁倾角θ或磁偏角γ变化的曲线中各个值之间的关系确定磁倾角θ或磁偏角γ的大小；实现对地磁场信息的测量，并应用于地磁导航。

进一步地，α_i的值为：

(1)当环境磁场B为理想的均匀场，且所有磁场传感器测量值无偏差时，B_Ei＝B_r，要满足B_Ei-α_iB_r＝0，可得α_i＝1；优选地，所述的理想的均匀场为地磁场或远场的交变场；或

(2)当环境磁场B为理想的均匀场，但磁场传感器测量值有偏差时，即B_Ei≠B_r，要满足B_Ei-α_iB_r＝0，则需要调整补偿系数α_i，在理想的情况下

优选地，所述的理想的均匀场为地磁场或远场的交变场；或

(3)当环境磁场B为存在波动的均匀场，磁场传感器测量值有偏差时，则无法满足B_Ei-α_iB_r＝0的绝对条件，而需要设定一个阈值δ(nT)，即收敛条件，在此条件下补偿系数

通常的实际情况是第三种，也就是通过软件算法得到补偿系数α_i，此时需要设定一个阈值δ才能够使算法收敛。确定好补偿系数α_i后，就可以利用此电子梯度计抑制环境磁场，而测量到磁针周围微弱变化的磁场。

附图说明

图1是本发明仿生地磁传感系统的原理示意图；

图2是本发明仿生地磁传感系统的信号检测与处理示意图；

图3是本发明传感器阵列测量的磁场值与磁倾角θ的对应关系曲线。

图4是本发明传感器阵列测量的磁场值B₁和B₃的差值与磁倾角θ的变化曲线。

图5是本发明传感器阵列测量的磁场值与磁偏角γ的对应关系曲线。

图6是本发明传感器阵列测量的磁场值B₂和B₄的差值与磁偏角γ的变化曲线。

图中：1软磁材料磁针，2、传感器阵列，3参考传感器，4无磁骨架，5前置放大器，6前置放大器阵列，7数据采集卡，8数据处理单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述：

本发明是一种借鉴鸟类磁性颗粒与自由基对联合磁感受机制的仿生地磁传系统，主要包括：软磁材料磁针1，传感器阵列2，参考传感器3，无磁骨架4，前置放大器5，前置放大器阵列6，数据采集卡7和数据处理单元8。软磁材料磁针1用来模仿磁性颗粒的聚磁效应，传感器阵列2用来模仿自由基对磁感受器。

软磁材料磁针1的形状为圆柱体，直径4mm，长度12mm，材质为电工纯铁(相对磁导率为4000)。采用巨磁电阻GMR作为传感器阵列和参考传感器的磁场检测元件，软磁材料磁针1、传感器阵列2和参考传感器3的排布方式如图1所示。其中软磁材料磁针1正前方布置一个GMR磁传感器，距离为3mm，其检测到的磁场为B₀，以这个磁传感器为圆心，半径3mm的圆上均匀分布四个GMR磁传感器，测量到磁场分别为B₁、B₂、B₃和B₄，这五个GMR磁传感器组成了传感器阵列2。传感器阵列2固定在无磁骨架3上，参考传感器3固定在传感器阵列2的正上方，测量到的磁场为B_r。软磁材料磁针1和传感器阵列2平面保持垂直关系。传感器阵列2和参考传感器3的测量方向和软磁材料磁针1的轴线平行。

传感器阵列2和前置放大器阵列6连接，参考传感器3和前置放大器5连接；前置放大器5和前置放大器阵列6与数据采集卡7连接，最后数据采集卡7和数据处理单元8连接。

采用电压灵敏前置放大器构建前置放大器5和前置放大器阵列6，分别对参考传感器3和传感器阵列2测量到的磁场信号进行放大。放大后的信号通过数据采集卡7进行模拟/数字(AD)信号转换，这里数据采集卡7选取16位8路USB接口AD采集卡。数据采集卡7通过USB接口与数据处理单元8连接，将采集到的磁场数据存入数据处理单元8，等待处理。数据处理单元8选用计算机。

本发明的工作过程如下：

这里举一个模拟仿真的实例。如图1所示，首先将软磁材料磁针1、传感器阵列2和参考传感器3置于磁场角度可调的模拟磁场装置内，磁场强度50μT，磁场方向沿YOZ平面，角度从-90°到+90°变化来模拟地磁场的磁倾角θ的变化过程。磁场方向沿XOY平面，角度从-180°到+180°变化来模拟地磁场的磁偏角γ的变化过程。将传感器阵列2和前置放大器阵列6连接，将参考传感器3和前置放大器5连接。前置放大器5和前置放大器阵列6与数据采集卡7连接，最后数据采集卡7和数据处理单元8连接。

首先数据处理单元8利用电子梯度计算法公式(2)对传感器阵列2和参考传感器3测量到的数据进行噪声抑制处理，得到降噪后的软磁材料磁针1前方磁场数据。

仿生地磁传感系统的电子梯度计算法通过参考传感器3测量环境磁场，传感器阵列2的五个磁传感器分别和参考传感器3的测量值进行差分，设传感器阵列2中磁传感器i检测到的磁场为B_i，由磁针周围磁场B_Mi和环境磁场B_Ei组成，即：

B_i＝B_Mi+B_Ei,(i＝0,1…4) (1)

假设参考传感器检测到的磁场为B_r，根据电子梯度计原理可得传感器阵列测到磁场的一阶梯度B_Gi为：

B_Gi＝B_i-α_iB_r＝B_Mi+B_Ei-α_iB_r,(i＝0,1…4) (2)

其中α_i为电子梯度计补偿系数，通过选取适当的α_i值使得B_Ei-α_iB_r＝0，从而使电子梯度计测量到的B_Gi等于磁针周围的磁场B_Mi。

为了标定α_i的值，需要先移除软磁材料磁针1，此时传感器阵列2和参考传感器3测量的磁场值均为环境磁场，在此条件下，α_i的值可以分如下几种情况讨论：

(1)当环境磁场B为理想的均匀场或远场的交变场(如深海、荒漠或深山的电磁环境)，且所有磁场传感器测量值无偏差时，即B_Ei＝B_r，要满足B_Ei-α_iB_r＝0，此时α_i＝1；

(2)当环境磁场B同样为第(1)种情况，但磁场传感器测量值有偏差时，即B_Ei≠B_r，要满足B_Ei-α_iB_r＝0，此时

(3)当环境磁场B为存在波动的均匀场(如市区电磁环境)，磁场传感器测量值有偏差时，此时B_Ei-α_iB_r的值无法为零而存在一定的变化量，如果本发明角度测量的精度达到0.01°，则需要仿生地磁传感系统的磁场测量精度为4nT，设定收敛条件δ∈[-4nT,4nT]，在此条件下补偿系数

接下来利用处理后的数据绘制传感器阵列2测量到的磁场值与磁倾角θ变化的曲线，如图3所示，图3中，任意磁倾角θ与传感器阵列2的五个磁传感器测量到的数值B₀、B₁、B₂、B₃和B₄存在唯一的对应关系，且B₂和B₄的曲线重合。图4为B₁和B₃的差值曲线，当差值为正时说明磁倾角θ为负，当差值为负时说明磁倾角θ为正。绘制传感器阵列2测量到的磁场值与磁偏角γ变化的曲线，如图5所示。图5中，磁偏角γ与传感器阵列2的五个磁传感器测量到的数值B₀、B₁、B₂、B₃和B₄存在唯一的对应关系，且B₁和B₃的曲线重合。图6为B₂和B₄的差值曲线，当差值为负时说明磁偏角γ为负，当差值为正时说明磁偏角γ为正。

最后，当实际使用仿生地磁传感系统测量地磁场时，可根据B₀、B₁、B₂、B₃和B₄的数值并结合图3～图6中各个值之间的关系确定磁倾角θ或磁偏角γ的大小和正负。实现对磁倾角和磁偏角的测量，并应用于地磁导航。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于地磁导航的仿生地磁传感系统，主要包括软磁材料磁针(1)，传感器阵列(2)，参考传感器(3)，无磁骨架(4)，前置放大器(5)，前置放大器阵列(6)，数据采集卡(7)和数据处理单元(8)，其特征在于：借鉴鸟类磁性颗粒与自由基对联合磁感受机制，软磁材料磁针(1)用来模仿磁性颗粒的聚磁效应，传感器阵列(2)用来模仿自由基对磁感受器。

2.按照权利要求1所述的仿生地磁传感系统，其特征在于：软磁材料磁针(1)在传感器阵列(2)正前方，软磁材料磁针(1)和传感器阵列(2)平面保持垂直关系；传感器阵列(2)固定在无磁骨架(4)上，参考传感器(3)固定在传感器阵列(2)的正上方，传感器阵列(2)和参考传感器(3)的测量方向和软磁材料磁针(1)的轴线平行；优选地，软磁材料磁针(1)在传感器阵列(2)正前方的中心处。

3.按照权利要求1所述的仿生地磁传感系统，其特征在于：传感器阵列(2)和前置放大器阵列(6)连接，参考传感器(3)和前置放大器(5)连接；前置放大器(5)和前置放大器阵列(6)与数据采集卡(7)连接，最后数据采集卡(7)和数据处理单元(8)连接。

4.按照权利要求1所述的仿生地磁传感系统，其特征在于：软磁材料磁针(1)材质为高磁导率软磁材料；优选地，所述高磁导率软磁材料是电工纯铁、铁氧体、坡莫合金或硅钢材料；优选地，所述软磁材料磁针(1)形状为圆柱体或长方体。

5.按照权利要求1所述的仿生地磁传感系统，其特征在于：在软磁材料磁针(1)正前方布置一个磁传感器，并以这个磁传感器为圆心，均匀分布四个磁传感器，这五个磁传感器组成了传感器阵列(2)。

6.按照权利要求1所述的仿生地磁传感系统，其特征在于：数据处理单元(8)选取计算机或单片机完成数据处理任务。

7.按照权利要求5所述的仿生地磁传感系统，其特征在于：磁传感器选取巨磁电阻磁传感器、各项异性磁阻传感器、隧道磁阻传感器、磁通门传感器或光泵磁强计。

8.按照权利要求1所述的仿生地磁传感系统，其特征在于：仿生地磁传感系统的电子梯度计算法通过参考传感器(3)测量环境磁场，传感器阵列(2)的五个磁传感器分别和参考传感器(3)的测量值进行差分，设传感器阵列(2)中磁传感器i检测到的磁场为B_i，由磁针周围磁场B_Mi和环境磁场B_Ei组成，即：

B_i＝B_Mi+B_Ei，(i＝0，1…4) (1)

假设参考传感器检测到的磁场为B_r，根据电子梯度计原理可得传感器阵列测到磁场的一阶梯度B_Gi为：

B_Gi＝B_i-α_iB_r＝B_Mi+B_Ei-α_iB_r，(i＝0，1…4) (2)

其中α_i为电子梯度计补偿系数，通过选取的α_i值使得B_Ei-α_iB_r＝0，从而使电子梯度计测量到的B_Gi等于磁针周围的磁场B_Mi，其中B_i单位为μT；B_Mi单位为μT；B_Ei单位为μT；B_r单位为μT；B_Gi单位为μT。

9.按照权利要求1所述的仿生地磁传感系统，其特征在于：仿生地磁传感系统的磁倾角计算利用处理后的数据绘制传感器阵列(2)测量到的软磁材料磁针(1)前方的磁场值与周围磁场磁倾角θ或磁偏角γ变化的曲线；根据该曲线得任意磁倾角θ或磁偏角γ与传感器阵列(2)的五个磁传感器测量到的数值B₀、B₁、B₂、B₃和B₄唯一的对应；实际使用仿生地磁传感系统测量地磁场时，根据B₀、B₁、B₂、B₃和B₄的数值并结合与磁倾角θ或磁偏角γ变化的曲线中各个值之间的关系确定磁倾角θ或磁偏角γ的大小；实现对地磁场信息的测量，并应用于地磁导航。

10.按照权利要求8所述的仿生地磁传感系统，其特征在于：α_i的值为：(1)当环境磁场B为理想的均匀场，且所有磁场传感器测量值无偏差时，B_Ei＝B_r，要满足B_Ei-α_iB_r＝0，可得α_i＝1；优选地，所述的理想的均匀场为地磁场或远场的交变场；或

(2)当环境磁场B为理想的均匀场，但磁场传感器测量值有偏差时，即B_Ei≠B_r，要满足B_Ei-α_iB_r＝0，则需要调整补偿系数α_i，在理想的情况下

优选地，所述的理想的均匀场为地磁场或远场的交变场；或

(3)当环境磁场B为存在波动的均匀场，磁场传感器测量值有偏差时，则无法满足B_Ei-α_iB_r＝0的绝对条件，而需要设定一个阈值δ，即收敛条件，在此条件下补偿系数

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