论文部分内容阅读
六自由度电磁定位技术能够不受视线阻挡限制,获取被测目标的六自由度定位信息,形象地描述目标的运动状态,在虚拟现实、辅助医疗、运动状态监测分析等领域具有重要应用价值。目前国内所使用的产品都是国外品牌,尚缺乏成熟的自主研发的六自由度电磁定位产品。本文研究六自由度电磁定位算法及其在DSP平台上的实现方案,并集成发射、接收装置开发出原理样机,为开发六自由度电磁定位相关产品提供参考。本文的主要工作内容如下:(1)在分析六自由度电磁定位系统组成及电磁定位基本原理的基础上,给出六自由度电磁定位的空间坐标模型及磁场矢量计算模型,研究旋转矩阵、欧拉角、四元数三种经典电磁定位算法并分别进行仿真,通过对仿真结果定量、定性的分析总结了各算法运算量及特点,选择旋转矩阵算法作为六自由度电磁定位实用化算法的理论基础。(2)设计六自由度电磁定位装置信号处理流程并仿真分析了发射信号与接收信号的特性。核心处理单元产生三路频率不同的正弦驱动信号,三路驱动信号经幅度、功率放大后同时驱动发射源工作,并且将驱动信号的分压作为参考信号传递至接收单元;接收天线通过电磁感应接收空间中的电磁信号,分时选择接收信号、发射驱动参考信号,并对信号进行滤波放大,再利用模数转换电路将信号转换为核心处理单元可以处理的数据;将数据送至核心处理单元,利用旋转矩阵算法计算位置与姿态参数,最后通过串口将求解的定位信息发送给PC机显示单元。根据此流程设计并实现了六自由度电磁定位装置核心处理单元的硬件电路。(3)依据所提出的六自由度电磁定位算法实用化方案设计了装置软件程序。此方案首先采样接收信号,采用阈值检测方法选取采样后信号中参考信号的起点;将参考信号与接收信号相乘,依次对每轴接收信号进行同步解调;设计数字低通滤波器处理同步解调后的信号,提取所需信号并做FFT;依据发射信号的不同频率将FFT后数据拟合成接收矩阵,再采用旋转矩阵算法求解六自由度参数;最后利用开发的上位机软件在界面中显示目标的空间位置与姿态信息。(4)集成信号发射单元、接收单元,搭建了完整的六自由度电磁定位装置。对定位装置进行测试实验,通过测试波形验证了算法实用化方案的处理效果,同时由定位结果总结了装置的性能指标:所设计的六自由度电磁定位装置可在半径1.2m的球形空间内定位,定位刷新频率为38Hz,距离平均误差为1.5cm,姿态角平均误差为7度。本文的主要贡献与创新包括:(1)提出一种基于DSP的六自由度电磁定位算法实用化方案,通过仿真验证了该方案的可行性及有效性,用C语言实现了方案中的接收信号采样、阈值检测、同步解调、低通滤波、FFT、旋转矩阵定位算法、串口通信等程序,并利用Visual Studio2010软件、基于MFC框架开发了上位机显示软件。(2)设计一种六自由度电磁定位信号处理方案。该方案利用核心处理单元产生三路频率不同的正弦驱动信号,三路信号同时驱动三轴发射源工作。在正弦信号持续激励下发射的电磁波稳定且强度较强,可有效保证定位范围。由于此方案不需要对发射源做分时处理,三轴接收天线同时接收数据无需等待,因此简化了硬件电路,避免了传统时分制电磁定位装置电路复杂、定位速度慢的问题,保证了定位的实时性。(3)设计并实现了六自由度电磁定位装置核心处理单元的硬件电路,包括DSP最小系统、升压电路、A/D转换电路、D/A转换电路、串口通信电路的设计,最后集成信号发射、接收单元,开发出六自由度电磁定位装置原理样机。装置测试结果表明所设计的电磁定位装置实现了六自由度电磁定位功能,为六自由度电磁定位技术中的信号处理及装置设计提供了方案,有一定的应用参考价值。