CN1580802A - 空间三轴运动磁场模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间三轴运动磁场模拟装置，它的构成是：①一三轴磁模拟器是在一正方体固定框的三正交对称轴位置向内分别安设有螺线管，该三个螺线管的导线接入控制电缆接插口；②该控制电缆接插口通过一电缆与一程控恒流源连接；③一目标磁强计通过信号线与带有A/D采集卡的控制计算机相连；④该计算机的输出串行接口RS232通过导线接该程控恒流源。本发明具有体积小、重量轻、磁场模拟精度较高、安装定位难度小、移动方便以及可围绕磁模拟区域任意放置等特点。

Description

空间三轴运动磁场模拟装置

技术领域

本发明涉及磁场，有关空间变化磁场的仿真模拟设备，特别是一种基于矢量叠加和控制矩阵拟合自标定算法的空间三轴运动磁场模拟装置，可用于在小范围空间内仿真高精度运动磁场。

背景技术

在航天、空间科学等领域的科学研究与试验中，经常需要在地面模拟空间飞行器在轨道飞行过程中相对飞行器本体的变化磁场。为了激励目标磁敏感器产生预期的输出，目前典型的运动磁场模拟方法有两种：最直接的一种方式是用单轴线圈产生固定方向的磁场，将磁敏感器(又称磁强计)置于转台上，由转台的运动来改变磁场相对磁强计的方向进而获得相对敏感器的运动磁场。但这种模拟方式要求三轴无磁转台，设备相对昂贵，并且转台存在着转角范围限制和机械时延，精度不高。参见图1。

另一种方法正好相反：磁强计位置固定，以磁场的运动来获得相对运动磁场。采用无磁框架(如木质或铝质)搭构空间正交的三轴磁线圈，每个方向采用两个线框平行放置以获得较好的磁场线性度，各轴向通过电流分别控制产生X、Y和Z方向的预设运动磁场，参见文献[李金炼 自动模拟地磁场的人工磁场装置 福州大学学报Vol.25 No5 1997.10 P52～54]。如图2所示。但这种磁场模拟器体积较大，不便搬动，同时考虑地磁场的影响，必须保证三轴空间正交的精度、同轴线框间的平行度以及线框与试验当地磁场方向的特定关系，其框架的安装复杂繁琐，并且整个设备移动后，由于地磁场基底和线框状态的变化，三轴电流控制系数均需要重新调整，比较费时。相对第一种方法，实际是用安装上的复杂度替代了敏感器转台控制的复杂度。

实际应用中往往只需要在磁强计所在的小空间内产生模拟磁场就够了，并且最好能应用在磁敏感器已安装在整机上的情况。这对转台式或框架式的磁模拟器都是无能为力的。因此迫切需要一种方便移动，体积小巧，精度较高并且可以围绕磁模拟区域任意放置的空间三轴运动磁场模拟装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述已有技术存在的安装繁琐，定位难度大，不便对固联整机的磁强计施加作用的缺点，提供一种空间三轴运动磁场模拟装置，该装置应具有安装定位难度小、移动方便、体积小、重量轻、磁场模拟精度较高和可围绕磁模拟区域任意放置的优点。

本发明的技术构思是：采用小型通电螺线管代替线圈，采用一体化固联结构达到小型化目的，同时由计算机软件来拟合控制系数矩阵，用算法来简化安装的复杂性，无需再调整磁模拟器线框安装方向。

本发明的技术解决方案如下：

一种空间三轴运动磁场模拟装置，其特点在于它的构成是：

①.一三轴磁模拟器是在一正方体固定框的三正交对称轴位置向内分别安设有螺线管，该三个螺线管的导线接入控制电缆接插口；

②.该控制电缆接插口通过一电缆与一程控恒流源连接；

③.一目标磁强计通过信号线与带有A/D采集卡的控制计算机相连；

④.该计算机的输出串行接口RS232通过导线接该程控恒流源。

所述的三个螺线管轴线正交度＜5°，轴线间空间线距小于5毫米。

本发明空间三轴运动磁场模拟装置的制备方法，包括下列步骤：

①根据模拟磁场强度B，通过下式估算绕制螺线管的匝数、层数、体积：

$B=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_0=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0{{\mathrm{IR}}_i}^2}{2{({R_i}^2+{x_j}^2)}^{3/2}}$

其中：m为螺线管线圈层数

      n为每层线圈的匝数

      R_i＝R_o+(i-1)d

      X_i＝X_o+(j-1)d

      d为导线直径；

      R_o是最内圈回路半径；

      X_o是离螺线管最近匝线圈平面距离；

②绕制螺线管，并将三个螺线管正交安装在正方体固定框上，该三个螺线管的轴线正交度＜5°，其轴线间空间线距小于5毫米；

③将各元部件通过导线连接，形成控制计算机通过A/D数据采集卡，对目标磁强计反馈采样，通过RS232串口驱动程控恒流源为三轴磁模拟器提供控制电流；

④分别对x、y、z螺线管单独通电，用磁强计测试模拟磁场，并画出控制电压与各轴磁强输出曲线图，检查数据线性度；

⑤通过下式的矢量线性叠加原理

    B_x＝k₁₁V_x+k₁₂V_y+k₁₃V_z+B_0x

    B_y＝k₂₁V_x+k₂₂V_y+k₂₃V_z+B_0y

    B_z＝k₃₁V_x+k₃₂V_y+k₃₃V_z+B_0z

每次仅控制改变一轴螺线管电流，另外两轴电流给为零，分别形成：

(1)令Vy＝0，Vz＝0，改变Vx，有

    Bx＝k₁₁Vx+Box

    By＝k₂₁Vx+Boy

    Bz＝k₃₁Vx+Boz

(2)令Vx＝0，Vz＝0，改变Vy，有

    Bx＝k₁₂Vy+Box

    By＝k₂₂Vy+Boy

    Bz＝k₃₂Vy+Boz

(3)令Vx＝0，Vy＝0，改变Vz，有

    Bx＝k₃₁Vz+Box

    By＝k₃₂Vz+Boy

    Bz＝k₃₃Vz+Boz

⑥根据最小二乘方法拟合确定⑤中的系数k₁₁～k₃₃，构建磁模拟控制矩阵

$A=\left[\begin{array}{ccc}{k}_{11}& k_{12}& k_{13}\\ k_{21}& k_{22}& k_{23}\\ k_{31}& k_{32}& k_{33}\end{array}\right];$

⑦求逆矩阵A-1；

⑧计算机根据A-1控制各线圈电压，对模拟磁场进行控制。

本发明装置最核心的部分是小型化的三轴磁模拟器和控制矩阵标定拟合算法。

本发明装置的工作过程是：首先拟合标定装置的控制系数，控制计算机通过串口输出若干组拟合电压，经程控恒流源对磁模拟器三轴施加电流控制，由目标磁敏感器检测产生的模拟磁场，并将其信号作为反馈采集进控制计算机，通过控制算法逐渐拟合出控制矩阵及抵销地磁场的基值电压。然后利用计算出的控制算法对磁模拟器进行预定的磁场模拟控制。

本发明较现有磁模拟方法有如下积极效果：

1.本发明作为一种运动磁场模拟装置，由于以磁场的运动替代了转台上敏感器的运动，可做到360度三维连续模拟，精度较高。省略了转台，从而减小了模拟磁器的空间体积、重量，做到小型化。

2.通过算法进一步简化了模拟器线框初始安装定位的难度，方便移动，可以围绕磁模拟区域任意放置，可以对已安装在整机上的磁敏感器进行磁模拟激励，有利于进行整机闭环仿真。

本发明具有广泛的应用价值、推广意义

1.在一定的空间范围内产生均匀磁场，可以是零磁场，也可以是某一设定磁场，为磁测量装置提供背景磁场。

2.针对需要仿真的目标在地球磁场空间内运动，包括平动或转动时，磁场相对目标不断变化，本发明可以在模拟空间产生相对目标自身的运动磁场，或特定的磁场。便于实现目标磁环境特性，包括干扰磁场的物理仿真。磁场可以是单分量磁场，也可以是两分量和三分量磁场。

3.可提供低频磁场源，为磁敏感测量装置提供磁场测量的物理环境。

4.可用于小型磁设备的调试，系统测试或生产验收。

附图说明

图1为第一种传统运动磁场模拟器示意图

图2为第二种传统运动磁场模拟器示意图

图3为本发明空间三轴运动磁场模拟装置连接示意图

图4是本发明三轴磁模拟器内部结构示意图

图5是本发明三轴磁模拟螺线管绕制关系示意图

图6是本发明磁模拟器X轴控制电压与磁强计X输出关系曲线。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

首先请参阅图3、图4，由图可知，本发明空间三轴运动磁场模拟装置构成如下：

①.一三轴磁模拟器1是在一正方体固定框11的三正交对称轴位置向内分别安设有螺丝管12、13、14，该三个螺线管12、13、14的导线接入控制电缆接插口15；

②.该控制电缆接插口15通过一电缆2与一程控恒流源3连接；

③.一目标磁强计7通过信号线6与带有A/D采集卡的控制计算机5相连；

④.该计算机5的输出串行接口RS232通过导线4接该程控恒流源3。

其中三轴磁模拟器的内部结构如图4所示，由三个正交安装的螺线管12、13、14和外固定框11以及控制电缆接插口15组成。

磁螺线管12、13、14的绕制依据如下：根据毕奥-沙伐尔定律可以求出载电流I，半径为R的圆形回路在其轴线上一点所引起的磁感应，见式(1)。扩展到m层，每层n匝的情况，见式(2)。

$B_0=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{IR}}^2}{2{(R^2+x^2)}^{3/2}}---\left(1\right)$

u0为磁导率，真空中为4π×10^-7亨利/米

x为距回路平面的距离

$B=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_0=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0{{\mathrm{IR}}_i}^2}{2{({R_i}^2+{x_j}^2)}^{3/2}}---\left(2\right)$

式中

R_i＝R₀+(i-1)d                    (3)

x_j＝x₀+(j-1)d                    (4)

d是导线直径，R₀是最内圈回路半径，x₀是离螺线管最近匝线圈平面距离；m为螺线管线圈层数；n为每层线圈的匝数。

将(3)(4)式带入(2)式便可根据需要模拟的磁场磁感应强度B的大小选择螺线管绕制的合适层数m与每层的匝数n，参阅图5；进一步考虑螺线管铜线的电阻率、线径还可以估算出螺线管的质量、功耗。

为了简化磁模拟器1在使用时的初始安置，本发明的设计允许磁模拟器1围绕磁强计7区域任意放置，不必要求磁模拟器1的磁轴一定与磁强计7的轴线重合，也无须考虑环境地磁场的方向。所有这些必须在软件控制算法中解决。

一般情况控制电压与模拟磁场的关系很可能是非线性的，需要繁杂的标定。不过幸运的是由于需要模拟的磁场区域较小，只要将磁强计7放置在螺线管12、13、14轴线附近便可以满足模拟磁场与控制电压(电流)的线性关系。那么三轴控制的叠加也成线性关系，本装置巧妙利用了这一性质。如式5所示。

具体算法描述为：

$\stackrel{\mathrm{\ω}}{B}=V_x\·{\stackrel{\mathrm{\ω}}{B}}_x+V_y\·{\stackrel{\mathrm{\ω}}{B}}_y+V_z\·{\stackrel{\mathrm{\ω}}{B}}_z+{\stackrel{\mathrm{\ω}}{B}}_0$

式中

V_x、V_y、V_z——加在三个螺线管12、13、14上的控制电压(标量)，可控；

——磁强计7测得的结果，上述几个磁场的叠加，可测。

——各轴单位控制电压在磁强计7放置点产生的磁场矢量；

——试验地点的环境磁场；

A——控制电压到磁强计测量值之间的模拟矩阵(3×3)。目标磁强计7和本磁模拟装置相对位置固定后，

是定值，A也就是常值矩阵。

求取模拟矩阵A以及环境基磁

的过程是：输出若干组(一般5～7组即可)控制电压

并测量相应的模拟磁场 根据线性最小二乘法估计可以拟合确定出控制系数矩阵A与 的具体值，具体计算也可以利用数学计算软件。线性最小二乘法拟合原理如下：

对于给定一组数据{(x_i，y_i)，i＝1，2，...，N}，希望采用线性多项式模型

         y(x)＝f(a，x)＝a₁x+a₂               (6)

对数据组进行描述，求取a₁，a₂使下式达到最小

${\left|\right|\mathrm{\δ}\left|\right|}_2^2=\min \left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-f(a,x_i))}^2\right)---\left(7\right)$

解为：

             ＝V^-1·y                   (8)

其中 $\stackrel{)}{a}=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\end{array}\right],$ $V=\left[\begin{array}{cc}{x}_1& 1\\ x_2& 1\\ M& M\\ x_N& 1\end{array}\right],$ $y=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ M\\ y_N\end{array}\right].$ 这里，V就是著名的Vandermonde矩阵。

A与B₀求出后，然后反解(5)式可以得到需要模拟的磁场与控制电压的对应关系，参见(9)式

$\stackrel{\mathrm{\ω}}{V}=A^{-1}\·(\stackrel{\mathrm{\ω}}{B}-{\stackrel{\mathrm{\ω}}{B}}_0)---\left(9\right)$

另外，多次实践证明如果磁环境较好(磁场稳定度小于额定误差量级)，可以只对模拟矩阵拟合标定一次后，直接进行开环控制，不必反馈。只有磁环境稳定度较差时可以把模拟矩阵当作时变函数，通过反馈进行实时拟合标定。

本发明的制作方法包括下列步骤：

第1步，根据(2)式估算的磁模拟器螺线管的匝数、层数、体积、功耗等参数绕制螺线管12、13、14，见图5，将三轴螺线管正交安装在图5所示的框架上，三个螺线管12、13、14的轴线正交度保证在5度以内，轴线间空间线距小于5mm即可，由后续算法补偿安装精度。

第2步，按一般控制系统搭建方式，控制计算机5通过A/D数据采集卡对目标磁强计7反馈采样，通过RS232串口驱动程控恒流源3为磁模拟器1提供控制电流。

第3步，以目标磁强计7各轴量程均为-50000nT～+50000nT为例，首先控制磁模拟器1的X轴输出，使目标磁强计7输出基本覆盖量程，另外两轴输出为零。如控制电压序列为：

V_x＝[-1 0 1 2 3 4]伏特，Vy＝0，Vz＝0

模拟产生的磁场B为表中灰色部分，B_x、B_y、B_z分别为目标磁强计7三轴的输出，目标磁强计7的放置不同，输出也会不同，此处数据仅为说明该方法。

序号1～n	控制电压Vx(mV)	磁敏感器测模拟磁场(10nT)
					Bx	By	Bz
		1	-1000	4910              130           -26853166              112           -26601415              98            -2648327               83            26272080              70            26053840              59            2568
2	0
		3	1000
4	2000
		5	3000
6	4000

第4步，分别画出控制电压与各轴磁敏感器输出的曲线图，检测采样数据线性度，参见图6。如果线性度不好，可能需要检查是否存在磁环境干扰。

第5步，在上文所述矢量线性叠加原理以及Vy＝0，Vz＝0的前提下，有

                       B_x＝k₁₁V_x+B_0x

                       B_y＝k₂₁V_x+B_0y

                       B_z＝k₃₁V_x+B_0z

利用(8)式最小二乘法拟合V_x与磁敏感器各轴输出间的线性关系，得到模拟矩阵A的第一列 和环境基磁场矢量

第6步，同理重复上述第3步～第5步，分别对磁模拟器Y轴、Z轴模拟矩阵列向量拟合，得到模拟矩阵A的第二列

和第三列

以及环境基磁场矢量

第7步，拼装模拟矩阵 $A=\left[\begin{array}{ccc}{k}_{11}& k_{12}& k_{13}\\ k_{21}& k_{22}& k_{23}\\ k_{31}& k_{32}& k_{33}\end{array}\right],$ 对A求矩阵的逆得到控制矩阵A^-1；为提高精度可以对环境基磁平均， 利用(9)式对模拟磁场进行控制。

Claims (3)

1、一种空间三轴运动磁场模拟装置，其特征在于它的构成是：

①.一三轴磁模拟器(1)是在一正方体固定框(11)的三正交对称轴位置向内分别安设有螺线管(12、13、14)，该三个螺线管(12、13、14)的导线接入控制电缆接插口(15)；

②.该控制电缆接插口(15)通过一电缆(2)与一程控恒流源(3)连接；

③.一目标磁强计(7)通过信号线(6)与带有A/D采集卡的控制计算机(5)相连；

④.该计算机(5)的输出串行接口RS232通过导线(4)接该程控恒流源(3)。

2、根据权利要求1所述的空间三轴运动磁场模拟装置，其特征在于：所述的三个螺线管(12、13、14)轴线正交度保证在5°以内，轴线间空间线距小于5毫米。

3、根据权利要求1或2所述的空间三轴运动磁场模拟装置(含控制算法)的制备方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：

①根据模拟磁场强度B，通过下式计算螺线管(12、13、14)的匝数、层数、体积：

$B=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_0=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I{R_i}^2}{2{({R_i}^2+{x_j}^2)}^{3/2}}$

式中：R_i＝R_o+(i-1)d

      X_i＝X_o+(j-1)d

      M为螺线管线圈的层数；

      n为每层线圈的匝数；

      d为导线直径；

      R_o是最内圈回路半径；

      X_o是离螺线管最近一匝线圈平面距离；

②绕制螺线管，并将三个螺线管(12、13、14)正交安装在正方体固定框上，三个螺线管(12、13、14)的轴线正交度＜5°，其轴线间空间线距小于5毫米；

③将各元部件通过导线连接，形成控制计算机(5)通过A/D数据采集卡，对目标磁强计(7)的反馈采样，通过RS232串口驱动程控恒流源(3)为三轴磁模拟器(1)提供控制电流；

④分别对x、y、z螺线管(12、13、14)单独通电，磁强计(7)测试模拟磁场，并画出控制电压与各轴磁强输出曲线圈，检查数据线性度；

⑤通过下式矢量线性叠加原理

         B_x＝k₁₁V_x+k₁₂V_y+k₁₃V_z+B_0x

         B_y＝k₂₁V_x+k₂₂V_y+k₂₃V_z+B_0y

         B_z＝k₃₁V_x+k₃₂V_y+k₃₃V_z+B_0z

每次仅控制改变一轴螺线管电流，另外两轴电流给为零，分别形成：

(1)令Vy＝0，Vz＝0，改变Vx，有

    Bx＝k₁₁Vx+Box

    By＝k₂₁Vx+Boy

    Bz＝k₃₁Vx+Boz

(2)令Vx＝0，Vz＝0，改变Vy，有

    Bx＝k₁₂Vy+Box

    By＝k₂₂Vy+Boy

    Bz＝k₃₂Vy+Boz

(3)令Vx＝0，Vy＝0，改变Vz，有

    Bx＝k₃₁Vz+Box

    By＝k₃₂Vz+Boy

    Bz＝k₃₃Vz+Boz

⑥根据最小二乘方法拟合确定⑤中的系数k11～k33，构建磁模拟矩阵

$A=\left[\begin{array}{ccc}{k}_{11}& k_{12}& k_{13}\\ k_{21}& k_{22}& k_{23}\\ k_{31}& k_{32}& k_{33}\end{array}\right];$

⑦求逆矩阵A^-1；

⑧计算机(5)根据A^-1控制各线圈电压，对模拟磁场进行控制。

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