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。应用本发明专利技术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）。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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 "—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 "—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 "—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。本专利技术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4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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术所采用的技术方案是本专利技术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。本专利技术的 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 (N25)组传感器组测量得到包含 N (N25)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，本专利技术提 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5(or) = 5(x,y,z,e，p) (1)式(l)中，J5(")为目标物体永磁块的磁感应强度；Xj;,Z为目标物体永磁块的位置变量；0# 为目标物体永磁块的磁矩方位角变量；a=(XJ;，ZAW。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5A=, + 5' (2) 式(2)中，5A为高背景磁场下的磁感应强度；5(a)为目标物体永磁块的磁感应强度；5'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(xl,yl,zl) 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A:组传感器的被差分传感器/和差分传感器/+1 ，其中/=2/t-l 。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A:组传感器组中的被差分传感器/和差 分传感器/+1检测的传感器组敏感轴方向上的磁感应强度分别为5a,和5a,+1。在Sa,和SA/+I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&'和A+r，且A'-^+r。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a'和a+r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5A,和5AW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SA"(a) = 5(,)A(a)-B(考(a) (3)式(3)中，A,"a)为第A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；瑪w)i(a)为第A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；5"V")为第A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^1，2，...,>^， 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-= (4)式(4)中，B (a)为第A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，^1，2,3,...,N， 1^5; n本文档来自技高网...
【技术保护点】
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（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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：宋涛，王金光，王明，王喆，杨芩玉，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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