電磁定位系統設計

包建孟　胡超　林衛星等

[摘 要] 為了實現空間較大范圍內的移動目標定位跟蹤，根據法拉第電磁感應定律，設計了一種電磁定位系統。此系統主要包括信號發射線圈和多軸接收線圈傳感單元兩部分。系統采用ST公司的ARM微控制器STM32F103來實現核心功能，并用特定的處理電路實現。功放電路對正弦信號進行放大，激勵發射線圈產生交變磁場。三軸傳感線圈感應磁場信號，得到三路模擬信號；采樣處理后，通過計算得到相關位置參數。系統可以定位離信號源數米范圍內的移動目標，滿足室內的定位需求。

[關鍵詞] 電磁定位；磁場發射線圈；三軸傳感線圈；嵌入式系統

中圖分類號：TP212.9 TP368.1 文獻標識碼：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

電磁定位技術具有無視距問題、操作簡單、多維度等優點，但也有容易受到環境中金屬及鐵磁性物質的干擾和操作范圍較小等缺點。目前，在瞄準、運動跟蹤、介入手術導航[1-2]、虛擬環境[3]和三維成像中有著較廣泛應用。電磁定位技術不僅可以得到物體的位置信息，還可以得到物體的姿態信息。物體的姿態信息也即物體對某一參考系具體的方位角。將電磁跟蹤技術應用于一般的定位系統中，可以很好的解決非線性視距問題，同時也能充分感知到移動目標的位置與姿態信息。

目前的定位技術主要有紅外定位、超聲定位、光學定位、慣性定位、機械定位、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]。每種定位技術有著各自的優缺點。定位的范圍、精度、場合也不同。電磁定位技術目前的應用主要集中于小范圍的定位跟蹤上，如手術機器人定位。本文針對室內大范圍的空間定位要求，設計基于嵌入式ARM（STM32F103）的電磁定位系統。

2 磁場分布與定位原理

3 系統設計

整個電磁定位系統硬件包括發射電路和接收處理電路兩部分。正弦波信號經功率放大后驅動發射線圈產生交變磁場。傳感線圈上接收到的電壓信號經過放大與濾波處理。最后微控制器STM32F103自帶ADC采集電壓信號并處理，可以計算得目標的位置參數。系統電路框圖如圖1所示。

3.1 發射電路

三路電壓信號最終通過微控制器STM32F103的ADC進行采集。微控制器STM32F103的ADC是12位的逐次逼近型模擬數字轉換器。它有18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源。將三路電壓與其三個ADC通道相連，按順序對三個通道的電壓信號依次進行轉換。為避免寄存器中的數據丟失，使用STM32微控制器的DMA（直接存儲器存取）功能。通過配置，單個通道的電壓采樣周期為7us，則三個通道的總采樣周期為21us。因為正弦波發射信號頻率為2kHz，所以一個正弦波周期內每個通道可以采樣約23個樣本點。電壓幅值可以通過系統軟件進行擬合計算得出。空間位置則可以由電壓幅值進一步推理得到，并可以在液晶屏上實時顯示。

4 系統實驗

電磁定位系統整體包括發射線圈、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時位置。將發射線圈固定，使接收傳感線圈在平面z=-0.12m上做定點運動。發射線圈的半徑為0.32m，事先可通過位置標定計算得BT1 = 12.7406，BT2 = 9.4333，BT3 = 7.2519。系統在測得三個正交傳感接收線圈上的電壓后，可進一步計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進行定位實驗，得到的實驗數據如表1及相應圖8所示。經計算，系統測得點與接收線圈實際所處位置的平均誤差為7.16cm。

5 結束語

系統采用ARM（STM32）微控制器，對信號的采集處理電路進行控制。發射電路與接收處理電路組成了本套電磁定位系統的主要硬件主體。系統可對較大范圍內的移動目標進行跟蹤定位，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，是定位系統精度的兩大關鍵。為了提高精度，需要繼續完善硬件電路及軟件。

參 考 文 獻

[1] 師曉宙，胡超，向望華，等. 用于骨科手術機器人的電磁定位方法[J]. 傳感技術學報，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. 虛擬現實系統中六自由度電磁跟蹤算法的改進[J]. 傳感技術學報，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. 一種用于消化道內微型裝置磁定位的非線性方法[J]. 儀器儀表學報，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驗驗證[J]. 儀器儀表學報，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 結束語

系統采用ARM（STM32）微控制器，對信號的采集處理電路進行控制。發射電路與接收處理電路組成了本套電磁定位系統的主要硬件主體。系統可對較大范圍內的移動目標進行跟蹤定位，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，是定位系統精度的兩大關鍵。為了提高精度，需要繼續完善硬件電路及軟件。

參 考 文 獻

[1] 師曉宙，胡超，向望華，等. 用于骨科手術機器人的電磁定位方法[J]. 傳感技術學報，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. 一種用于消化道內微型裝置磁定位的非線性方法[J]. 儀器儀表學報，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驗驗證[J]. 儀器儀表學報，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 結束語

系統采用ARM（STM32）微控制器，對信號的采集處理電路進行控制。發射電路與接收處理電路組成了本套電磁定位系統的主要硬件主體。系統可對較大范圍內的移動目標進行跟蹤定位，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，是定位系統精度的兩大關鍵。為了提高精度，需要繼續完善硬件電路及軟件。

參 考 文 獻

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[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. 虛擬現實系統中六自由度電磁跟蹤算法的改進[J]. 傳感技術學報，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. 一種用于消化道內微型裝置磁定位的非線性方法[J]. 儀器儀表學報，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驗驗證[J]. 儀器儀表學報，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.