一种磁传感器定位方法技术

一种磁传感器定位方法，属于位置测量方法，解决现在磁传感器定位方法难以实现且精度不高的问题。本发明专利技术包括：（1）装置安装步骤，（2）数据采集步骤，（3）构建磁场强度函数步骤，（4）设定磁传感器位置原始值步骤，（5）构建三维空间矩形立方体步骤，（6）网格点搜索步骤，（7）优化搜索步骤，（8）参数更新步骤。本发明专利技术用于水下磁传感器定位精度可达0.2m，所需设备均为通用设备，不需要声纳、雷达等复杂设备；由于采用整个运动轨迹上的磁场强度信息，对环境磁场噪声的抗干扰能力强，不受地形、地貌、风、浪、流等自然环境因素的影响，可广泛用于水下定位、地下勘测、医学等领域，尤其适用于常规定位方法难以适用的场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于位置测量方法，具体涉及。
技术介绍
为了测量舰船磁场，需要在海底布放一些磁传感器。然而，准确、快速、方便地确定磁传感器在海底的布放位置却是一个难题。目前确定磁传感器在海底的布放位置，一般都是靠浮标标定，即将磁传感器系上浮标，放入海底，浮标露出水面的位置就代表了磁传感器的位置，但在海流的冲击作用下浮标很可能会发生较大偏移，因此这种方式标定出的磁传感器位置偏差会很大。隗燕琳、肖昌汉在“基于舰船矢量磁场的定位方法” 一文中，根据海底磁传感器测量的舰船磁场采用优化算法，可以得出舰船与磁传感器的相对位置，从而根据舰船位置可以确定磁传感器的位置；见《上海交通大学学报》，2009，43(8) =1216-1221 ;但该方法计算处理过程比较复杂，得出的磁传感器位置也非常粗略。张朝阳、肖昌汉在“海底布放磁传感器的磁定位方法的模拟实验研究”一文中，提出在磁传感器上安装通电螺线管线圈，在海面采用磁传感器测量线圈磁场，通过一定的优化算法确定通电螺线管位置，从而实现磁传感器的定位；见《上海交通大学学报》，2011，45(6) =826-830 ;但是这种方法需要在海面进行精确磁场测量，而这在实际工程上是难以实现的。Jonas Callmer, Martin Skoglund, Fredrik Gustafsson. 在 “Silentlocalization of underwater sensors using magnetometers，，一文中.将舰船磁场等效为单个磁极子产生的磁场，在舰船磁矩和磁传感器离水面的垂直距离已知的基础上，由磁场测量值和深度值来确定传感器与偶极子的相对位置的水平分量，即实现了磁传感器定位；见〈〈Eurasip Journal on Advances in signal processing〉〉，2009:1-8 ;这种方法需要预知舰船的精确磁矩，然而准确获取舰船磁矩的精确值是非常困难的，因此这种方法的定位效果较差。杨明明、刘大明、连丽婷、张朝阳在“用海面磁偶极子源定位海底矢量磁传感器”一文中，采用海面的通电线圈作为磁偶极子源来定位海底传感器。该方法将载流线圈用多个磁偶极子来等效，在综合深度测量值和磁感应强度矢量测量值的基础上将位置确定问题转换成以传感器位置为参变量的非线性无约束优化问题，并采用L-M算法求解该问题的加权最小二乘解，实现磁传感器定位；见《探测与控制学报》，2011, 33 (5) 41-45 ;但是载流线圈的搭载平台在海上容易受到海洋环境的影响，产生复杂的位移和姿态变化，会导致定位结果存在非常大的误差。
技术实现思路
本专利技术提供，解决现在磁传感器定位方法难以实现且精度不高的问题，以精确、可靠、方便地实现磁传感器的精确定位，满足舰船磁场测量等领域的需要。本专利技术所提供的，包括以下步骤(I)装置安装步骤在载体上安装电磁线圈、姿态方位测量装置和恒流电源，电磁线圈和姿态方位测量装置固连，电磁线圈和恒流电源通过电缆连接，将磁传感器和数据采集分析装置电信号连接；(2)数据采集步骤使载体从磁传感器附近通过，同时由恒流电源给电磁线圈通加恒定电流，电磁线圈产生磁矩M ;所述数据采集分析装置和姿态方位测量装置同步，按照相同的时间序列t，由姿态方位测量装置实时记录电磁线圈的运动轨迹c (t)和姿态a(t)，运动轨迹c (t)在直角坐标系中对应的三维坐标分别为父(0、￥(0、2(0，姿态&(0包括航向角a (t)、倾角β (t)、横摇角Y(t);由数据采集分析装置实时采集磁传感器感应的磁场强度测量值Bm (t)；(3)构建磁场强度函数步骤以电磁线圈的磁矩M、运动轨迹c (t)、姿态a(t)为已知量，以磁传感器位置P (Xs, Ys, Zs)为未知量,构建电磁线圈在磁传感器上产生的磁场强度函数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁传感器定位方法，包括以下步骤：（1）装置安装步骤：在载体上安装电磁线圈、姿态方位测量装置和恒流电源，电磁线圈和姿态方位测量装置固连，电磁线圈和恒流电源通过电缆连接；将磁传感器和数据采集分析装置电信号连接；（2）数据采集步骤：使载体从磁传感器附近通过，同时由恒流电源给电磁线圈通加恒定电流，电磁线圈产生磁矩M；所述数据采集分析装置和姿态方位测量装置同步，按照相同的时间序列t，由姿态方位测量装置实时记录电磁线圈的运动轨迹c(t)和姿态a(t)，运动轨迹c(t)在直角坐标系中对应的三维坐标分别为X(t)、Y(t)、Z(t)，姿态a(t)包括航向角α(t)、纵倾角β(t)、横摇角γ(t)；由数据采集分析装置实时采集磁传感器感应的磁场强度测量值Bm(t)；（3）构建磁场强度函数步骤：以电磁线圈的磁矩M、运动轨迹c(t)、姿态a(t)为已知量，以磁传感器位置P(Xs,Ys,Zs)为未知量，构建电磁线圈在磁传感器上产生的磁场强度函数：Bc(t)=μ04π×r2M-3r(r×M)r5×T,T=TY×TX×TZ，TY=cos(γ(t))0-sin(γ(t))010sin(γ(t))0cos(γ(t)),TX=1000cos(β(t))sin(β(t))0-sin(β(t))cosβ(t),TZ=cos(α(t))sin(α(t))0-sin(α(t))cos(α(t))0001,r=T×Xs-X(t)Ys-Y(t)Zs-Z(t),r=|r|，式中：μ0为空气磁导率；磁矩M为矢量，单位为A·m2；（4）设定磁传感器位置原始值步骤：求得数据采集分析装置实时采集磁场强度Bm(t)的最大值Bm(tmax)，其所对应时刻为tmax，将该时刻电磁线圈运动轨迹点c(tmax)的三维坐标值X(tmax)、Y(tmax)、Z(tmax)作为磁传感器位置原始值，置磁传感器位置P(Xs,Ys,Zs)=P0(X(tmax)、Y(tmax)，Z(tmax))；置系数变量Q=1；（5）构建三维空间矩形立方体步骤：以点P(Xs,Ys,Zs)为中心，构建一个三维空间矩形立方体，其X、Y、Z方向的边长分别为Q×I×R、Q×J×R、Q×K×R，1.5≤I、J、K≤3；R=(200×M／Bm(tmax))1/3，为电磁线圈在磁传感器上产生磁场最大值时二者之间距离，此时磁场Bm(tmax)的单位为nT；（6）网格点搜索步骤：将三维空间矩形立方体划分为I1×J1×K1的立体网格，I1、J1、K1分别取3～20，遍历所述立体网格的各网格点，将各网格点作为磁传感器位置P，计算在磁传感器上产生的磁场强度函数Bc(t)，并将其与对应的磁场强度测量值Bm(t)比较，找到磁场强度函数Bc(t)与磁场强度测量值Bm(t)二者之间差别最小的网格点P1(X1,Y1,Z1)；（7）优化搜索步骤：以P1(X1,Y1,Z1)为初始值，对磁传感器位置P进行优化搜索，得到优化点P2(X2,Y2,Z2)；（8）参数更新步骤：置磁传感器位置P(Xs,Ys,Zs)=P2(X2,Y2,Z2)，置系数变量Q=(0.1～0.95)Q；判断Q×I×R、Q×J×R和Q×K×R是否均小于磁传感器定位精度预定值，是则输出磁传感器位置P(Xs,Ys,Zs)，否则转步骤（5）。...

【技术特征摘要】
1.一种磁传感器定位方法，包括以下步骤 (1)装置安装步骤在载体上安装电磁线圈、姿态方位测量装置和恒流电源，电磁线圈和姿态方位测量装置固连，电磁线圈和恒流电源通过电缆连接；将磁传感器和数据采集分析装置电信号连接； (2)数据采集步骤 使载体从磁传感器附近通过，同时由恒流电源给电磁线圈通加恒定电流，电磁线圈产生磁矩M ； 所述数据采集分析装置和姿态方位测量装置同步，按照相同的时间序列t，由姿态方位测量装置实时记录电磁线圈的运动轨迹c (t)和姿态a(t)，运动轨迹c (t)在直角坐标系中对应的三维坐标分别为乂(0、￥(0、2(0，姿态&(0包括航向角a (t)、纵倾角β (t)、横摇角Y (t);由数据采集分析装置实时采集磁传感器感应的磁场强度测量值Bm (t)； (3)构建磁场强度函数步骤 以电磁线...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭成豹，刘大明，肖昌汉，洪泽宏，唐申生，刘胜道，赵文春，高俊吉，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
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