基于磁传感器阵列的无线跟踪定位技术及其应用研究

摘要

在肠胃道检查中,无线胶囊内窥镜的位置和方向信息是非常重要的。为了得到胶囊内窥镜的位置和姿态信息,设计了磁定位系统。磁定位原理是利用人体的磁导率非常接近空气的磁导率,人体对永磁体磁场的分布基本没有影响。与GPS定位、视觉定位、ZigBee定位、声音定位相比,磁定位具有定位精度高、操作简单、对人体无伤害等特点。本文提出了一种利用三轴磁传感器阵列跟踪胶囊内窥镜的定位算法。在算法中,我们首先使用一个线性算法得到定位目标初始位置的参数,将这些参数用来作为定位算法在非线性算法中的初值,非线性算法用此减小目标函数的误差来计算得到更精确的位置参数。此算法结合了线性算法运行效率高和非线性算法计算结果精确性高的优点。磁定位系统是由一个用来收集胶囊内部永磁铁磁场强度的磁传感器阵列组成。在本文中,通过优化安排传感器在人体周围空间的位置以提高跟踪精度。通过仿真不同的传感器阵列结构,得到采用合适的传感器阵列可以显著提高系统的跟踪精度。本文设计了磁定位硬件电路,包括霍尼韦尔三轴传感器阵列、高性能模拟多路转换器、低噪声放大电路、16位A/D转换器以及ARM控制器。为了进一步提高传感器的输出精度,采用了传感器偏置调节电路和置位复位电路。

目录

中文摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 课题的研究意义和研究内容

1.1.1 课题的研究意义

1.1.2 课题的研究内容

1.2 无线跟踪定位技术的国内外研究现状

1.2.1 GPS 定位

1.2.2 视觉定位

1.2.3 ZigBee 定位

1.2.4 声音定位

1.2.5 磁场定位

1.3 磁场定位技术的国内外研究现状

1.3.1 磁场定位技术的国外研究现状

1.3.2 磁场定位技术的国内研究现状

1.4 论文的组织结构

2 磁场定位理论及其算法研究

2.1 毕奥－萨伐尔定律

2.2 磁偶极子模型

2.3 磁场定位算法

2.3.1 磁场定位非线性算法

2.3.2 磁场定位线性算法

2.3.3 线性和非线性综合算法

2.4 本章小结

3 传感器阵列结构设计及优化

3.1 传感器数量

3.2 永磁体位置

3.3 传感器结构优化

3.3.1 二平面磁场传感器阵列

3.3.2 四平面磁场传感器阵列

3.4 本章小结

4 磁场定位系统硬件设计

4.1 HMC1043 磁场传感器

4.1.1 磁传感器偏置调节电路设计

4.1.2 磁传感器置位/复位电路设计

4.1.3 磁传感器实际电路

4.2 多路切换电路设计及分析

4.3 放大电路的设计

4.3.1 放大器倍数的确定

4.3.2 参考电压漂移

4.3.3 放大器偏置调零

4.4 模数转换电路的设计

4.5 LCD 显示屏电路设计

4.6 微处理器的选择

4.7 本章小结

5 磁定位系统的应用与效果

5.1 磁定位系统的应用

5.2 磁定位系统的精度

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续展望

致谢

参考文献

附录