包建孟　胡超　林衛(wèi)星等

[摘 要] 為了實(shí)現(xiàn)空間較大范圍內(nèi)的移動目標(biāo)定位跟蹤，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，設(shè)計(jì)了一種電磁定位系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要包括信號發(fā)射線圈和多軸接收線圈傳感單元兩部分。系統(tǒng)采用ST公司的ARM微控制器STM32F103來實(shí)現(xiàn)核心功能，并用特定的處理電路實(shí)現(xiàn)。功放電路對正弦信號進(jìn)行放大，激勵發(fā)射線圈產(chǎn)生交變磁場。三軸傳感線圈感應(yīng)磁場信號，得到三路模擬信號；采樣處理后，通過計(jì)算得到相關(guān)位置參數(shù)。系統(tǒng)可以定位離信號源數(shù)米范圍內(nèi)的移動目標(biāo)，滿足室內(nèi)的定位需求。

[關(guān)鍵詞] 電磁定位；磁場發(fā)射線圈；三軸傳感線圈；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號：TP212.9 TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095-5200（2014）05-011-04

[Abstract] According to Faradays law of electromagnetic induction，an electromagnetic positioning system was designed to realize the positioning of the motion object in wide range. This system uses transmitting coils for signal sources and multi-axial coils as the receiving sensors. The system was realized based on STM32F103，an ARM micro-controller of ST，as well as signal processing circuits. Sinusoidal signal is amplified through the power amplifier circuit to stimulate emitting coil，and a specific frequency magnetic field is built. After the three-axial sensor coils sample the magnetic field，the positional parameter can be calculated by the embedded system. The moving objects can be localized within the range of several meters between the transmitter and the receivers，and satisfactory accuracy is obtained. This system meets the needs for majority of indoor positioning applications.

[Key words] Electromagnetic positioning；Field emitting coil；Three-axial sensor coils；Embedded system

1 簡介

電磁定位技術(shù)具有無視距問題、操作簡單、多維度等優(yōu)點(diǎn)，但也有容易受到環(huán)境中金屬及鐵磁性物質(zhì)的干擾和操作范圍較小等缺點(diǎn)。目前，在瞄準(zhǔn)、運(yùn)動跟蹤、介入手術(shù)導(dǎo)航[1-2]、虛擬環(huán)境[3]和三維成像中有著較廣泛應(yīng)用。電磁定位技術(shù)不僅可以得到物體的位置信息，還可以得到物體的姿態(tài)信息。物體的姿態(tài)信息也即物體對某一參考系具體的方位角。將電磁跟蹤技術(shù)應(yīng)用于一般的定位系統(tǒng)中，可以很好的解決非線性視距問題，同時(shí)也能充分感知到移動目標(biāo)的位置與姿態(tài)信息。

目前的定位技術(shù)主要有紅外定位、超聲定位、光學(xué)定位、慣性定位、機(jī)械定位、RF定位和磁定位等。磁定位又分靜磁定位[4-7]與電磁定位[8-9]。每種定位技術(shù)有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。定位的范圍、精度、場合也不同。電磁定位技術(shù)目前的應(yīng)用主要集中于小范圍的定位跟蹤上，如手術(shù)機(jī)器人定位。本文針對室內(nèi)大范圍的空間定位要求，設(shè)計(jì)基于嵌入式ARM（STM32F103）的電磁定位系統(tǒng)。

2 磁場分布與定位原理

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)電磁定位系統(tǒng)硬件包括發(fā)射電路和接收處理電路兩部分。正弦波信號經(jīng)功率放大后驅(qū)動發(fā)射線圈產(chǎn)生交變磁場。傳感線圈上接收到的電壓信號經(jīng)過放大與濾波處理。最后微控制器STM32F103自帶ADC采集電壓信號并處理，可以計(jì)算得目標(biāo)的位置參數(shù)。系統(tǒng)電路框圖如圖1所示。

3.1 發(fā)射電路

三路電壓信號最終通過微控制器STM32F103的ADC進(jìn)行采集。微控制器STM32F103的ADC是12位的逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有18個(gè)通道，可測量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號源。將三路電壓與其三個(gè)ADC通道相連，按順序?qū)θ齻€(gè)通道的電壓信號依次進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為避免寄存器中的數(shù)據(jù)丟失，使用STM32微控制器的DMA（直接存儲器存?。┕δ?。通過配置，單個(gè)通道的電壓采樣周期為7us，則三個(gè)通道的總采樣周期為21us。因?yàn)檎也òl(fā)射信號頻率為2kHz，所以一個(gè)正弦波周期內(nèi)每個(gè)通道可以采樣約23個(gè)樣本點(diǎn)。電壓幅值可以通過系統(tǒng)軟件進(jìn)行擬合計(jì)算得出?？臻g位置則可以由電壓幅值進(jìn)一步推理得到，并可以在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

電磁定位系統(tǒng)整體包括發(fā)射線圈、信號控制處理電路、接收傳感線圈。界面顯示功能可以在液晶屏上顯示實(shí)時(shí)位置。將發(fā)射線圈固定，使接收傳感線圈在平面z=-0.12m上做定點(diǎn)運(yùn)動。發(fā)射線圈的半徑為0.32m，事先可通過位置標(biāo)定計(jì)算得BT1 = 12.7406，BT2 = 9.4333，BT3 = 7.2519。系統(tǒng)在測得三個(gè)正交傳感接收線圈上的電壓后，可進(jìn)一步計(jì)算得到接收傳感線圈所在位置。將傳感線圈置于平面上多點(diǎn)進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1及相應(yīng)圖8所示。經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)測得點(diǎn)與接收線圈實(shí)際所處位置的平均誤差為7.16cm。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)采用ARM（STM32）微控制器，對信號的采集處理電路進(jìn)行控制。發(fā)射電路與接收處理電路組成了本套電磁定位系統(tǒng)的主要硬件主體。系統(tǒng)可對較大范圍內(nèi)的移動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位，滿足大部分的定位需求。信號的有效提取及軟件的后期處理，是定位系統(tǒng)精度的兩大關(guān)鍵。為了提高精度，需要繼續(xù)完善硬件電路及軟件。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 師曉宙，胡超，向望華，等. 用于骨科手術(shù)機(jī)器人的電磁定位方法[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24（11）：1569-1573.

[2] Li Mao，Song Shuang，Hu Chao，et al. A Novel Method of 6-DoF Electromagnetic Navigation System for Surgical Robot[C]. In Proceeding of the 8th World Congress on Intelligent Control and Automation，2010，2163-2167.

[3] 徐彤，王涌天. 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中六自由度電磁跟蹤算法的改進(jìn)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2000，（3）：204-210.

[4] Hu Chao，Meng M. Q. H. and Mandal M. Efficient Magnetic Localization and Orientation Technique for Capsule Endoscopy[J]. International Journal of Information Acquisition，2005，2（1）：23-36.

[5] Hu Chao，Meng M. Q. H. and Mandal M. A Linear Algorithm for Tracing Magnet Position and Orientation by using Three-Axis Magnetic Sensors[C]. IEEE Transactions on Magnetics，2007，43（12）：4096-4101.

[6] Yang Wan-an，Hu Chao，Meng M. Q. H，et al. A New 6D Magnetic Localization Technique for Wireless Capsule Endoscope Based on a Rectangle Magnet[J]. Chinese Journal of Electronics，2010，19（2）：360-364.

[7] 李金，鄭小林，侯文生，等. 一種用于消化道內(nèi)微型裝置磁定位的非線性方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30（3）：895-897.

[8] Wang Xiao-jing，Song Shuang，Hu Chao. The Extraction Technology of Weak coupling AC Signal in an Electromagnetic Localization System[C]. Proceedings of the 2010 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics，2010，1170-1175.

[9] 吳旭東，侯文生，鄭小林，等. 磁偶極子的定位模型及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（2）：895-897.

[10] Hu Chao，Song Shuang，Wang Xiao-jing，et al. A Novel Positioning and Orientation System Based on 3-Axis Magnetic Coils[C]. IEEE Transactions on Magnetics，2012，48（7）：2211～2219.

5 結(jié)束語

系統(tǒng)采用ARM（STM32）微控制器，對信號的采集處理電路進(jìn)行控制。發(fā)射電路與接收處理電路組成了本套電磁定位系統(tǒng)的主要硬件主體。系統(tǒng)可對較大范圍內(nèi)的移動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位，滿足大部分的定位需求。信號的有效提取及軟件的后期處理，是定位系統(tǒng)精度的兩大關(guān)鍵。為了提高精度，需要繼續(xù)完善硬件電路及軟件。

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[8] Wang Xiao-jing，Song Shuang，Hu Chao. The Extraction Technology of Weak coupling AC Signal in an Electromagnetic Localization System[C]. Proceedings of the 2010 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics，2010，1170-1175.

[9] 吳旭東，侯文生，鄭小林，等. 磁偶極子的定位模型及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（2）：895-897.

[10] Hu Chao，Song Shuang，Wang Xiao-jing，et al. A Novel Positioning and Orientation System Based on 3-Axis Magnetic Coils[C]. IEEE Transactions on Magnetics，2012，48（7）：2211～2219.

5 結(jié)束語

系統(tǒng)采用ARM（STM32）微控制器，對信號的采集處理電路進(jìn)行控制。發(fā)射電路與接收處理電路組成了本套電磁定位系統(tǒng)的主要硬件主體。系統(tǒng)可對較大范圍內(nèi)的移動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位，滿足大部分的定位需求。信號的有效提取及軟件的后期處理，是定位系統(tǒng)精度的兩大關(guān)鍵。為了提高精度，需要繼續(xù)完善硬件電路及軟件。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 師曉宙，胡超，向望華，等. 用于骨科手術(shù)機(jī)器人的電磁定位方法[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24（11）：1569-1573.

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[5] Hu Chao，Meng M. Q. H. and Mandal M. A Linear Algorithm for Tracing Magnet Position and Orientation by using Three-Axis Magnetic Sensors[C]. IEEE Transactions on Magnetics，2007，43（12）：4096-4101.

[6] Yang Wan-an，Hu Chao，Meng M. Q. H，et al. A New 6D Magnetic Localization Technique for Wireless Capsule Endoscope Based on a Rectangle Magnet[J]. Chinese Journal of Electronics，2010，19（2）：360-364.

[7] 李金，鄭小林，侯文生，等. 一種用于消化道內(nèi)微型裝置磁定位的非線性方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30（3）：895-897.

[8] Wang Xiao-jing，Song Shuang，Hu Chao. The Extraction Technology of Weak coupling AC Signal in an Electromagnetic Localization System[C]. Proceedings of the 2010 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics，2010，1170-1175.

[9] 吳旭東，侯文生，鄭小林，等. 磁偶極子的定位模型及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（2）：895-897.

[10] Hu Chao，Song Shuang，Wang Xiao-jing，et al. A Novel Positioning and Orientation System Based on 3-Axis Magnetic Coils[C]. IEEE Transactions on Magnetics，2012，48（7）：2211～2219.