电磁定位系统设计

包建孟　胡超　林卫星等

[摘 要] 为了实现空间较大范围内的移动目标定位跟踪，根据法拉第电磁感应定律，设计了一种电磁定位系统。此系统主要包括信号发射线圈和多轴接收线圈传感单元两部分。系统采用ST公司的ARM微控制器STM32F103来实现核心功能，并用特定的处理电路实现。功放电路对正弦信号进行放大，激励发射线圈产生交变磁场。三轴传感线圈感应磁场信号，得到三路模拟信号；采样处理后，通过计算得到相关位置参数。系统可以定位离信号源数米范围内的移动目标，满足室内的定位需求。

[关键词] 电磁定位；磁场发射线圈；三轴传感线圈；嵌入式系统

中图分类号：TP212.9 TP368.1 文献标识码：B 文章编号：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 简介

电磁定位技术具有无视距问题、操作简单、多维度等优点，但也有容易受到环境中金属及铁磁性物质的干扰和操作范围较小等缺点。目前，在瞄准、运动跟踪、介入手术导航[1-2]、虚拟环境[3]和三维成像中有着较广泛应用。电磁定位技术不仅可以得到物体的位置信息，还可以得到物体的姿态信息。物体的姿态信息也即物体对某一参考系具体的方位角。将电磁跟踪技术应用于一般的定位系统中，可以很好的解决非线性视距问题，同时也能充分感知到移动目标的位置与姿态信息。

目前的定位技术主要有红外定位、超声定位、光学定位、惯性定位、机械定位、RF定位和磁定位等。磁定位又分静磁定位[4-7]与电磁定位[8-9]。每种定位技术有着各自的优缺点。定位的范围、精度、场合也不同。电磁定位技术目前的应用主要集中于小范围的定位跟踪上，如手术机器人定位。本文针对室内大范围的空间定位要求，设计基于嵌入式ARM（STM32F103）的电磁定位系统。

2 磁场分布与定位原理

3 系统设计

整个电磁定位系统硬件包括发射电路和接收处理电路两部分。正弦波信号经功率放大后驱动发射线圈产生交变磁场。传感线圈上接收到的电压信号经过放大与滤波处理。最后微控制器STM32F103自带ADC采集电压信号并处理，可以计算得目标的位置参数。系统电路框图如图1所示。

3.1 发射电路

三路电压信号最终通过微控制器STM32F103的ADC进行采集。微控制器STM32F103的ADC是12位的逐次逼近型模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。将三路电压与其三个ADC通道相连，按顺序对三个通道的电压信号依次进行转换。为避免寄存器中的数据丢失，使用STM32微控制器的DMA（直接存储器存取）功能。通过配置，单个通道的电压采样周期为7us，则三个通道的总采样周期为21us。因为正弦波发射信号频率为2kHz，所以一个正弦波周期内每个通道可以采样约23个样本点。电压幅值可以通过系统软件进行拟合计算得出。空间位置则可以由电压幅值进一步推理得到，并可以在液晶屏上实时显示。

4 系统实验

电磁定位系统整体包括发射线圈、信号控制处理电路、接收传感线圈。界面显示功能可以在液晶屏上显示实时位置。将发射线圈固定，使接收传感线圈在平面z=-0.12m上做定点运动。发射线圈的半径为0.32m，事先可通过位置标定计算得BT1 = 12.7406，BT2 = 9.4333，BT3 = 7.2519。系统在测得三个正交传感接收线圈上的电压后，可进一步计算得到接收传感线圈所在位置。将传感线圈置于平面上多点进行定位实验，得到的实验数据如表1及相应图8所示。经计算，系统测得点与接收线圈实际所处位置的平均误差为7.16cm。

5 结束语

系统采用ARM（STM32）微控制器，对信号的采集处理电路进行控制。发射电路与接收处理电路组成了本套电磁定位系统的主要硬件主体。系统可对较大范围内的移动目标进行跟踪定位，满足大部分的定位需求。信号的有效提取及软件的后期处理，是定位系统精度的两大关键。为了提高精度，需要继续完善硬件电路及软件。

参 考 文 献

[1] 师晓宙，胡超，向望华，等. 用于骨科手术机器人的电磁定位方法[J]. 传感技术学报，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. 虚拟现实系统中六自由度电磁跟踪算法的改进[J]. 传感技术学报，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，郑小林，侯文生，等. 一种用于消化道内微型装置磁定位的非线性方法[J]. 仪器仪表学报，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] 吴旭东，侯文生，郑小林，等. 磁偶极子的定位模型及实验验证[J]. 仪器仪表学报，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 结束语

系统采用ARM（STM32）微控制器，对信号的采集处理电路进行控制。发射电路与接收处理电路组成了本套电磁定位系统的主要硬件主体。系统可对较大范围内的移动目标进行跟踪定位，满足大部分的定位需求。信号的有效提取及软件的后期处理，是定位系统精度的两大关键。为了提高精度，需要继续完善硬件电路及软件。

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[1] 师晓宙，胡超，向望华，等. 用于骨科手术机器人的电磁定位方法[J]. 传感技术学报，2011，24（11）：1569-1573.

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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] 吴旭东，侯文生，郑小林，等. 磁偶极子的定位模型及实验验证[J]. 仪器仪表学报，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 结束语

系统采用ARM（STM32）微控制器，对信号的采集处理电路进行控制。发射电路与接收处理电路组成了本套电磁定位系统的主要硬件主体。系统可对较大范围内的移动目标进行跟踪定位，满足大部分的定位需求。信号的有效提取及软件的后期处理，是定位系统精度的两大关键。为了提高精度，需要继续完善硬件电路及软件。

参 考 文 献

[1] 师晓宙，胡超，向望华，等. 用于骨科手术机器人的电磁定位方法[J]. 传感技术学报，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.

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[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，郑小林，侯文生，等. 一种用于消化道内微型装置磁定位的非线性方法[J]. 仪器仪表学报，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] 吴旭东，侯文生，郑小林，等. 磁偶极子的定位模型及实验验证[J]. 仪器仪表学报，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.