室内电磁定位系统校准技术研究

摘要

新世纪以来，我国信息化和军队建设进入了新时代。为了从容应对现代战争，需要士兵具有较高的素质。这不仅对个人提出了严标准，同时也对日常训练提出了高要求，其中瞄准训练是一个必不可少的环节。瞄准训练核心是定位技术，定位精度往往决定训练效果的质量。 电磁定位系统目前广泛应用于虚拟现实和医疗手术导航中，电磁定位系统具有价格相对便宜、较大的工作范围和不受视线遮挡等优点。将电磁定位系统的接收传感器固定在瞄准设备上，训练时，传感器、瞄准设备随训练人员一起移动，传感器即可实时地跟踪瞄准设备的指向与位置。 然而电磁定位系统由于其本身的特性，容易受到外界金属导体以及其它电磁环境的干扰，产生较大的定位误差。课题要求在1.8m的范围内，位置坐标精度达到0.5cm，方向角精度达到0.5°。为了适应瞄准训练系统对于定位精度的要求，误差校准对于精度的保证起到了举足轻重的作用。为了实现对电磁定位系统的校准工作，从而满足瞄准训练系统的精度要求，本文的具体工作如下: 构建实验环境，进行实验设计与分析。首先论证方向角误差变化的规律，从而确定方向角误差的校准方法;其次进行数据采集，分析当前电磁定位系统误差的分布情况，建立位置和方向角的校准数据库;最后进行数据采集，通过统计发现40％的X坐标、13％的Y坐标和4％的Z坐标的精度达到课题指标，0％的方位角和12％的俯仰角的精度达到课题指标，所以校准是非常必要的。 针对传统多项式拟合方法直接对采样空间中的数据进行拟合，不考虑误差模型趋势特点以及校准后存在某些局部区域误差较大等缺点，研究对误差模型进行分段拟合，对误差进行校准。通过仿真发现，与传统二、三、四阶多项式拟合进行对比分析，提高了定位精度。并与本课题瞄准仿真训练精度要求进行分析，发现91％左右的位置坐标达到指标要求，95％的方向角达到指标要求。 为了进一步提高精度，针对本文提出的第一种方法校准之后仍存在远距离某些局部区域无法满足指标要求的问题，对传统的邻点插值算法进行改进，研究一种已经应用于地理和大气领域的克里金插值算法。首先对采样点进行Delaunay剖分;然后再对插值点进行搜索，确定其所在四面体;最后再对误差进行校准。通过与传统的反距离插值法和重心坐标插值法进行对比分析，克里金插值具有更高的校准精度，验证了算法的有效性。同时对采样间隔进行了量化，仿真发现，当采样间隔为5cm时，99％的位置坐标与方向角达到指标要求。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景和意义

1．2国内外研究现状

1．2．1瞄准仿真训练研究现状

1．2．2跟踪器空间数据获取研究现状

1．2．3误差校准方法研究现状

1．3论文研究内容

第2章电磁定位理论基础与误差分析

2．1电磁定位系统工作原理

2．2电磁定位系统计算模型

2．3电磁定位系统误差分析

2．3．1误差来源

2．3．2误差评价指标

2．4本章小结

第3章电磁定位校准实验

3．1电磁定位系统实验平台

3．1．1电磁定位系统设备介绍

3．1．2电磁定位系统实验环境搭建

3．2电磁定位校准实验设计与分析

3．2．1方向角误差分布规律探究实验与分析

3．2．2数据采集实验与误差分析

3．3本章小结

第4章基于分段多项式拟合的电磁定位校准

4．1多项式拟合理论

4．1．1传统多项式拟合理论

4．1．2分段多项式拟合理论

4．2基于分段多项式拟合方法与实现

4．2．1基于残差平方和最小的分段点的划分

4．2．2误差校准方法

4．3仿真结果及分析

4．4本章小结

第5章基于克里金插值的电磁定位校准

5．1空间Delaunay三角剖分理论

5．1．1 Delaunay三角剖分原则

5．1．2 Delaunay三角剖分经典算法

5．2点位置搜索算法理论

5．3克里金插值算法理论

5．4基于Delaunay的克里金插值校准方法与实现

5．4．1空间Delaunay三角形剖分方法与实现

5．4．2误差校准方法

5．5仿真结果及分析

5．6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢