殷 勤,方虎生,王 東,沈新民

(陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院,南京 210014)

六自由度電磁跟蹤定位系統(tǒng)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律研制的空間跟蹤定位裝置,可實(shí)時(shí)地確定目標(biāo)的6個(gè)參數(shù)[1-2],在機(jī)載火控系統(tǒng)[3]、精密醫(yī)療器械[4-5]、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[6]、作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練[7]、管道缺陷無(wú)損檢測(cè)[8]等方面獲得了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)使用頻繁、精度較高的兩種電磁跟蹤成型產(chǎn)品是Ascension公司的Flock of Birds系列和Polhemus公司的3Space Fastrak系列。交流式六自由度電磁跟蹤定位系統(tǒng)一般采用三軸正交磁敏傳感器作為系統(tǒng)發(fā)射、接收天線?，F(xiàn)廣泛采用的是球形磁芯三軸載流圓環(huán)線圈形式的磁敏傳感器。由于其尺寸一般較小,有效輻射距離較近,無(wú)法滿足遠(yuǎn)距離精確跟蹤定位的要求,限制了其在合成孔徑雷達(dá)陣元誤差校正等其他方面的應(yīng)用[9]。

現(xiàn)在電磁定位系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究主要側(cè)重于定位模型算法精度和誤差矯正,尤其醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用研究比較廣泛,系統(tǒng)定位距離一般在1 m以內(nèi),對(duì)于更遠(yuǎn)距離的應(yīng)用研究開展較少。為了拓展系統(tǒng)應(yīng)用范圍,增加系統(tǒng)跟蹤定位的有效距離,在進(jìn)一步提高收發(fā)電路功率的基礎(chǔ)上,還需要對(duì)電磁跟蹤系統(tǒng)所使用的三軸正交磁敏傳感器進(jìn)行大型化設(shè)計(jì)。而在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),由于磁芯加工工藝的限制,進(jìn)一步增加球形磁芯尺寸的難度相當(dāng)大。同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)三軸正交均勻磁場(chǎng),需要對(duì)三軸線圈進(jìn)行嵌套,3個(gè)方向使用圓環(huán)線圈會(huì)很困難,其均勻空間會(huì)很小或者線圈將很龐大[10]。

針對(duì)球形磁芯圓環(huán)結(jié)構(gòu)三軸磁敏傳感器的不足,考慮立方體的幾何結(jié)構(gòu)有助于較為精確保證三軸線圈的正交性和共心性,提出了一種采用正方體磁芯載流方環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大型三軸磁敏傳感器的方案。首先分析了載流方環(huán)線圈空間磁場(chǎng)分布規(guī)律,驗(yàn)證其滿足偶極子模型基礎(chǔ)的電磁跟蹤定位系統(tǒng)建模原理。綜合考慮正方體磁芯載流方環(huán)磁敏傳感器的磁芯材料、線圈匝數(shù)、導(dǎo)線類型、繞制方式等影響因素,研制出一套大型三軸正交磁敏傳感器。利用設(shè)計(jì)的大型磁敏天線,進(jìn)行了電磁跟蹤系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),在較遠(yuǎn)距離上實(shí)現(xiàn)了跟蹤定位的功能,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)天線的實(shí)用性和有效性。

1 載流方環(huán)磁場(chǎng)分布

六自由度電磁跟蹤定位系統(tǒng)工作時(shí)采用時(shí)序激勵(lì)的方式,分別向三軸線圈依次饋以低頻正弦電流,三軸線圈依次產(chǎn)生磁場(chǎng)。由于任意時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)線圈工作,其數(shù)學(xué)模型可以等效為平面中的閉合載流環(huán)?，F(xiàn)采用載流方環(huán)線圈的形式,需分析其磁場(chǎng)分布情況,驗(yàn)證其是否滿足電磁跟蹤系統(tǒng)模型建立的基礎(chǔ)。

設(shè)一正方形電流環(huán),邊長(zhǎng)為2(a),如圖1所示。

圖1 方電流環(huán)示意圖

根據(jù)畢奧-沙伐定律可知,方電流環(huán)在P點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為[10-12]:

(1)

如圖1所示,有:

通過(guò)積分,可得上述4個(gè)分量的表達(dá)式,則載流方環(huán)的磁場(chǎng)表達(dá)式如下:

(2)

式中:B1,B2,B3,B4如下:

電磁跟蹤定位系統(tǒng)是以磁偶極子模型為基礎(chǔ)建立系統(tǒng)跟蹤定位模型的,現(xiàn)廣泛采用的為載流圓環(huán)形式磁偶極子模型,根據(jù)上述計(jì)算的載流方環(huán)磁場(chǎng)表達(dá)式,可以對(duì)載流圓環(huán)、方環(huán)線圈二者空間磁場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)置載流方環(huán)線圈和圓環(huán)線圈面積相等,通以相同的激勵(lì)電流,對(duì)二者的磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真,圖2顯示了磁場(chǎng)分量Bx隨距離的變化規(guī)律,圖3顯示磁場(chǎng)分量By隨距離的變換規(guī)律,圖4顯示了磁場(chǎng)強(qiáng)度分量Hr隨角度θ的變化規(guī)律,圖5就二者方向圖進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

圖4 Hr隨角度θ變化規(guī)律

由以上比較結(jié)果可知,當(dāng)場(chǎng)點(diǎn)距離源點(diǎn)的定位距離滿足R>10a時(shí),載流方環(huán)線圈磁場(chǎng)變化規(guī)律滿足圓環(huán)線圈磁場(chǎng)變化規(guī)律,符合電磁跟蹤系統(tǒng)磁偶極子定位模型建立原理,因此可以采用載流方環(huán)形式設(shè)計(jì)磁敏傳感器。

圖2 Bx隨距離R變化規(guī)律

圖3 By隨距離R變化規(guī)律

圖5 方向圖比較

2 三軸正交磁敏傳感器設(shè)計(jì)

三軸正交磁敏傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)涉及線圈匝數(shù)、導(dǎo)線線徑、線圈激勵(lì)電流、激勵(lì)電流頻率、磁芯導(dǎo)磁率等有關(guān)。其中電磁定位系統(tǒng)中線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈匝數(shù)、線徑、激勵(lì)電流大小和頻率均成正比關(guān)系。但是考慮到設(shè)計(jì)加工的實(shí)際情況,需要綜合考慮各項(xiàng)因素,科學(xué)合理設(shè)計(jì)上述參數(shù)。

2.1 磁芯設(shè)計(jì)

為了提高磁敏傳感器的有效工作范圍,可以從增大磁芯尺寸和提高磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率μr兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

三軸磁敏傳感器磁芯一般采用軟磁鐵氧體材料。鐵氧體的性能并不僅僅由其化學(xué)成分及晶體結(jié)構(gòu)決定的,還需要研究和控制它們的密度、晶粒尺寸、氣孔率以及它們?cè)诰Я?nèi)部和晶粒之間的分布等。因此,設(shè)計(jì)加工高性能大功率鐵氧體材料,配方是基礎(chǔ)、燒結(jié)是關(guān)鍵。為了保證燒結(jié)透徹,鐵氧體材料內(nèi)部性能均勻,大型立方體磁芯是難以一次燒結(jié)成形的。本方案采用由小型長(zhǎng)方體形磁芯通過(guò)無(wú)縫黏合技術(shù)組裝成大型立方體磁芯。實(shí)際設(shè)計(jì)中,燒結(jié)的長(zhǎng)方體磁芯塊尺寸為100 mm×100 mm×25 mm。通過(guò)磨加工處理后采用黏合技術(shù),組裝成200 mm×200 mm×200 mm的立方體磁芯供后續(xù)設(shè)計(jì)使用。

磁芯材料選用軟磁鐵氧體材料,對(duì)其性能的要求主要有:起始磁導(dǎo)率高;損耗低;截至頻率高;對(duì)于溫度、振動(dòng)和時(shí)效的穩(wěn)定性高;其B-H關(guān)系應(yīng)為良好的線性,體積、重量盡量小,磁芯材料均勻無(wú)缺陷。通過(guò)比較,選用南京金寧三環(huán)富士電氣有限公司的錳鋅軟磁鐵氧體材料6H20。該材料具有低磁芯損耗、高飽和磁通密度、性能優(yōu)、價(jià)格低、應(yīng)用廣的特點(diǎn),其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 低損耗鐵氧體材料

2.2 三軸載流線圈的設(shè)計(jì)

線圈繞制匝數(shù)的選擇要考慮兩方面的問(wèn)題:匝數(shù)多,靈敏度高,對(duì)于提高測(cè)量精度和減小體積重量有利,但對(duì)于給定尺寸的磁芯而言,線圈寬度受到限制,匝數(shù)過(guò)多導(dǎo)致層數(shù)過(guò)多,給繞制帶來(lái)困難,線圈繞制不規(guī)則影響正交性,又影響測(cè)量精度。同時(shí),線圈的電阻與匝數(shù)成正比關(guān)系,電感與匝數(shù)成平方關(guān)系,天線匝數(shù)的增加,電感將大于電阻變化,影響磁敏傳感器的動(dòng)態(tài)范圍[13]。

線圈匝數(shù)的選擇還與線徑有關(guān)。一般,采用較細(xì)的線徑允許繞更多的匝數(shù),但線徑太細(xì),功率損耗就大,所以線徑粗細(xì)的選擇主要取決于損耗和功率容量。

綜合考慮磁敏傳感器的靈活性、大小、體積、重量、動(dòng)態(tài)范圍和制作工藝等方面的因素,采用0.2 mm的漆包銅線繞制,匝數(shù)為200。采用雙層(偶數(shù)層)繞制方案,交叉繞制,保證居中,有利于提高三軸正交性。線圈根部引出線進(jìn)行絞制,減少耦合噪聲的影響。

圖6 大型三軸立方型磁敏傳感器

在上述理論分析和方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,研制了一套三軸磁敏傳感器,如圖6所示,結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示,并對(duì)該磁敏傳感器的性能進(jìn)行了測(cè)試,可以滿足實(shí)驗(yàn)需求。

表2 性能參數(shù)

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為了增加系統(tǒng)的有效定位距離,滿足特殊應(yīng)用領(lǐng)域的需求(例如合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)陣元位置校正),研制了大型三軸立方體磁芯天線。受課題研究進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)條件的限制,并考慮未來(lái)的應(yīng)用中主要是針對(duì)發(fā)射天線進(jìn)行大型化設(shè)計(jì),因此進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí),發(fā)射天線采用大型三軸磁芯天線,接收天線仍采用小型球形磁芯天線置于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接收天線支架上,實(shí)驗(yàn)布局如圖7所示。

圖7 大型三軸磁敏傳感器實(shí)驗(yàn)布局

圖8 系統(tǒng)總控軟件

為了實(shí)時(shí)采集計(jì)算機(jī)異步通信串口傳輸?shù)碾姶鸥櫹到y(tǒng)接收矩陣,調(diào)用參數(shù)求解算法計(jì)算目標(biāo)定位參數(shù),設(shè)計(jì)了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)的總控軟件,軟件界面如圖8所示。通過(guò)總控軟件,計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集接收電路按時(shí)序傳輸?shù)娜S接收信號(hào),組成接收矩陣,調(diào)用基于MATLAB語(yǔ)言編寫的參數(shù)求解算法,計(jì)算定位目標(biāo)的六自由度參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示,兩次實(shí)驗(yàn)距離參數(shù)分別為:R1=2.56 m、R2=4.1 m。

表3 大型三軸磁芯天線實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果個(gè)別參數(shù)的誤差雖然相對(duì)偏大,但是考慮到其已經(jīng)成功將定位距離提高到4 m左右,大大提高了系統(tǒng)的定位距離,初步實(shí)現(xiàn)了在遠(yuǎn)距離跟蹤定位,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的大型三軸正交磁敏傳感器的可行性。實(shí)驗(yàn)誤差主要有以下幾方面的原因:一是受實(shí)驗(yàn)條件的限制,無(wú)法像近距離定位那樣設(shè)計(jì)精度較高的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的理論目標(biāo)參數(shù)根據(jù)實(shí)際測(cè)量進(jìn)行換算,客觀上容易導(dǎo)致誤差增大;二是發(fā)射天線附近的穩(wěn)壓電源對(duì)激勵(lì)磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生干擾,導(dǎo)致參數(shù)精度降低;三是大型三軸磁芯天線阻抗相對(duì)較大,研制的發(fā)射電路功率放大模塊功率難以滿足要求,導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)偏低,噪聲的干擾較大。

4 結(jié)論

本文在分析載流方環(huán)線圈空間磁場(chǎng)分布規(guī)律的基礎(chǔ)上,提出了一種大型三軸正交磁敏傳感器的設(shè)計(jì)方案,綜合考慮磁芯材料、線圈匝數(shù)、導(dǎo)線類型、繞制方式等影響因素,設(shè)計(jì)加工了一套大型三軸磁敏傳感器,進(jìn)行了電磁跟蹤系統(tǒng)遠(yuǎn)距離定位實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了研制的大型磁敏傳感器實(shí)用性和有效性。下一步可以從改善實(shí)驗(yàn)條件、改進(jìn)功率放大電路、設(shè)計(jì)精度較高的大型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等方面著手,以增加系統(tǒng)有效定位距離,提高定位精度,擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。

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