一種基於三軸磁阻傳感器的鐵磁性目標三維定位方法
2023-06-01 09:45:01
專利名稱：一種基於三軸磁阻傳感器的鐵磁性目標三維定位方法
技術領域：
本發明涉及一種無線傳感器網絡目標定位領域的鐵磁性目標三維定位方法，具體而言是一種利用三軸磁阻傳感器對鐵磁性運動目標進行三維定位的方法。
背景技術：
無線傳感器網絡被認為是二十一世紀最重要的新興技術之一。隨著無線電通信技術、傳感器技術、微機電系統技術、集成電路技術、分布式信息處理技術等技術的發展，使得大量廉價、智能的傳感器設備通過無線通信組成無線傳感器網絡成為可能。在無線傳感器網絡的研究中，運動目標的定位技術一直是一個熱點研究領域，其中對鐵磁性目標的定位技術具有廣泛的應用價值，如軍事偵察、智能車輛、醫療等。
地球磁場在幾公裡範圍內可視為均勻分布，當鐵磁性物質經過磁阻傳感器的探測區域時會對周圍磁場產生擾動，磁阻傳感器便可根據此擾動檢測鐵磁性物質。磁阻傳感器有單軸、雙軸和三軸之分，與單軸、雙軸磁阻傳感器相比，三軸磁阻傳感器能夠更加全面地感應地磁場的變化，通過對三個軸上的輸出信號的分析，可以實現對鐵磁性目標的三維定位。此外，雙軸磁阻傳感器在實際應用中對傳感器節點擺放要求較高，定位結果容易受到地形等因素的影響，而任意擺放的三軸磁阻傳感器可以根據固定指向的三軸磁阻傳感器的輸出，藉助空間直角坐標系變換理論，可以判斷出任意擺放的三軸磁阻傳感器三個軸的指向。目前對於目標定位的研究多為利用雙軸磁阻傳感器的二維定位，但是，二維定位只能應用在各傳感器節點嚴格水平擺放的理想二維環境中，實際應用中，很難滿足無線傳感器網絡中各個傳感器節點完全處於同一水平面上。基於三軸磁阻傳感器的三維定位，可以利用磁阻傳感器獲取三軸方向的磁場強度信號，這樣可以減小傳感器傾斜擺放對定位結果的影響，實現對目標更加準確的定位。對於三維定位算法的研究還處於起步與探索階段，成果較少，國際上針對鐵磁性目標的三維定位算法，主要是基於磁偶極子模型的定位算法，但是只有目標的尺寸遠遠小於目標和監測點間的距離時，鐵磁性目標才可被看作磁偶極子，然而，實際應用中很難滿足該條件。此外，基於磁偶極子的定位算法實現三維定位時需要知道目標的磁矩，而實際應用中，不同的目標其磁矩也不同，這就限制了基於磁偶極子模型的算法在三維定位時的應用。
發明內容
本發明的目的是針對上述鐵磁性目標定位的現有技術問題，提出一種不受傳感器節點擺放方式限制，不依賴於目標磁矩，不受目標體積限制，簡單便捷，成本低且便於實施的鐵磁性目標三維定位方法。本發明解決上述技術問題所採用的技術方案如下步驟一、對採用的三軸磁阻傳感器進行校準或標定；步驟二、利用任意擺放的三軸磁阻傳感器獲取傳感器所處位置的環境磁場信號的輸出，記為萬 、、B:,』
步驟三、判斷任意擺放的三軸磁阻傳感器三個軸在空間的絕對指向；步驟四、劃分以三軸磁阻傳感器為球心、以其探測距離為半徑的球形探測區域，具體為以三軸磁阻傳感器為坐標原點，以三軸磁阻傳感器的三個軸X、Y、Z的方向為空間直角坐標系的坐標軸x』、Y』、z』的方向，建立空間直角坐標系O-X' Y' V，根據鐵磁性目標進入三軸磁阻傳感器探測區域時，三軸磁阻傳感器三軸輸出信號的不同特徵，將三軸磁阻傳感器的球形探測區域以空間直角坐標系的八個卦限為基準劃分為8個區域1、II、III、IV、V、VI、VII、VIII，如圖 2 所示；步驟五、當鐵磁性目標進入三軸磁阻傳感器探測範圍時，記三軸磁阻傳感器Χ、Υ、Ζ三軸磁場信號的輸出分別為4、B B21-,步驟六、對^與的差值的差值的差值Bz進行滑動平均濾波處理；
步驟七、對經過滑動平均濾波處理的三軸信號Bx、By、Bz的波峰、波谷進行判斷；步驟八、判斷鐵磁性目標的所在區域，判斷的方法為如果Bx、By、Bz均出現波峰，則鐵磁性目標進入了區域I ;如果Bx出現波谷，By出現波峰，Bz出現波峰，則鐵磁性目標進入了區域II ;如果Bx出現波谷，By出現波谷，Bzm現波峰，則鐵磁性目標進入了區域III ;如果Bx出現波峰，By出現波谷，Bz出現波峰，則鐵磁性目標進入了區域IV ;如果Bx出現波峰，By出現波峰，Bz出現波谷，則鐵磁性目標進入了區域V ;如果Bx出現波谷，By出現波峰，Bz出現波谷，則鐵磁性目標進入了區域VI ;如果Bx、By、Bz均出現波谷，則鐵磁性目標進入了區域VII ;如果Bx出現波峰，By出現波谷，Bz出現波谷，則鐵磁性目標進入了區域VIII。步驟九、當單傳感器節點探測到目標時，取步驟八中所得區域對應的八分之一球面的中心為目標的位置；當有多個傳感器探測到目標時，各個傳感器分別按照前述步驟判斷出目標所在區域，然後取各個區域的重疊部分中心作為目標的位置。其中，由於地磁場在幾公裡範圍內可視為均勻分布，步驟三中，以三軸磁阻傳感器為坐標原點，南北方向為X軸，東西方向為Y軸，豎直方向為Z軸,建立空間直角坐標系O-XYZ作為基準坐標系，並規定X軸正方向指向南，Y軸正方向指向東，Z軸正方向豎直向上。利用按照基準坐標系O-XYZ擺放的三軸磁阻傳感器獲取的環境磁場的輸出式。、\與任意擺放的三軸磁阻傳感器獲取的環境磁場的輸出^^、K、K，並藉助空間直角坐標系變換理論，判斷出三軸磁阻傳感器的三個軸所在的坐標系O-X' Y' V相對於基準坐標系O-XYZ旋轉的角度ξχ、ξρ ξζ，如圖3所示，從而可以得出任意擺放的三軸磁阻傳感器的三個軸的指向，其步驟如下(I)將校準後或標定後的三軸磁阻傳感器放在水平面上，X軸指向南，Y軸指向東，Z軸豎直向上時，獲取環境磁場的輸出足。、^ya、^z0 >(2)在三維空間直角坐標系中，具有相同原點的兩坐標間的變換一般需要在三個坐標平面上，通過三次轉換完成，設旋轉次序為繞OZ旋轉12角，然後繞OY旋轉1,角，最後繞OX旋轉ξχ角。旋轉的正方向為右手螺旋方向，即從旋轉軸的正半軸向原點看是逆時針方向，則利用空間直角坐標系變換公式
權利要求
1.一種基於三軸磁阻傳感器的鐵磁性目標三維定位方法，其特徵在於，包括如下步驟 步驟一、對採用的三軸磁阻傳感器進行校準或標定； 步驟二、利用任意擺放的三軸磁阻傳感器獲取傳感器所處位置的環境磁場信號的輸出，記為βχ。、A,.、iK.' 步驟三、判斷任意擺放的三軸磁阻傳感器三個軸在空間的絕對指向； 步驟四、劃分以三軸磁阻傳感器為球心、以其探測距離為半徑的球形探測區域，具體為以三軸磁阻傳感器為坐標原點，以三軸磁阻傳感器的三個軸X、Y、z的方向為空間直角坐標系的坐標軸x』、Y』、z』的方向，建立空間直角坐標系O-X' Y' V，根據鐵磁性目標進入三軸磁阻傳感器探測區域時，三軸磁阻傳感器三軸輸出信號的不同特徵，將三軸磁阻傳感器的球形探測區域以空間直角坐標系的八個卦限為基準劃分為8個區域1、II、III、IV、V, VI,VII, VIII ； 步驟五、當鐵磁性目標進入三軸磁阻傳感器探測範圍時，記三軸磁阻傳感器X、Y、Z三軸磁場信號的輸出分別為Bx1、,、B:; 步驟六、對B與^Ctl的差值8!￡，&1與5；1的差值8,，521與^的差值Bz進行滑動平均濾波處理； 步驟七、對經過滑動平均濾波處理的三軸信號Bx、By、Bz的波峰、波谷進行判斷； 步驟八、判斷鐵磁性目標的所在區域，判斷的方法為如果Bx、By、Bz均出現波峰，則鐵磁性目標進入了區域I ;如果Bx出現波谷，By出現波峰，Bz出現波峰，則鐵磁性目標進入了區域II ;如果Bx出現波谷，By出現波谷，Bz出現波峰，則鐵磁性目標進入了區域III ;如果Bx出現波峰，By出現波谷，Bz出現波峰，則鐵磁性目標進入了區域IV;如果Bx出現波峰，By出現波峰，Bz出現波谷，則鐵磁性目標進入了區域V ;如果Bx出現波谷，By出現波峰，Bz出現波谷，則鐵磁性目標進入了區域VI ;如果Bx、By、Bz均出現波谷，則鐵磁性目標進入了區域VII ;如果Bx出現波峰，By出現波谷，Bz出現波谷，則鐵磁性目標進入了區域VIII。
步驟九、當單傳感器節點探測到目標時，取步驟八中所得區域對應的八分之一球面的中心為目標的位置；當有多個傳感器探測到目標時，各個傳感器分別按照前述步驟判斷出目標所在區域，然後取各個區域的重疊部分中心作為目標的位置。
2.如權利要求I所述的基於三軸磁阻傳感器的鐵磁性目標三維定位方法，其特徵在於所述步驟三中判斷任意擺放的三軸磁阻傳感器三個軸的指向，以三軸磁阻傳感器為坐標原點，南北方向為X軸，東西方向為Y軸，豎直方向為Z軸，建立空間直角坐標系O-XYZ作為基準坐標系，並規定X軸正方向指向南，Y軸正方向指向東，Z軸正方向豎直向上。利用按照基準坐標系O-XYZ擺放的三軸磁阻傳感器獲取的環境磁場的輸出尾^、Byo, &與任意擺放的三軸磁阻傳感器獲取的環境磁場的輸[I 〃 ^y,.、 ，並藉助空間直角坐標系變換理論，判斷出三軸磁阻傳感器的三個軸所在的坐標系O-X' Y' V相對於基準坐標系O-XYZ旋轉的角度ξχ、ξρ ξζ，從而可以得出任意擺放的三軸磁阻傳感器的三個軸的指向，其步驟如下 (I)將校準後或標定後的三軸磁阻傳感器放在水平面上，X軸指向南，Y軸指向東，Z軸豎直向上時，獲取環境磁場的輸出、^z0 ；(2)在三維空間直角坐標系中，具有相同原點的兩坐標間的變換一般需要在三個坐標平面上，通過三次轉換完成，設旋轉次序為繞OZ旋轉12角，然後繞OY旋轉1,角，最後繞OX旋轉ξχ角。旋轉的正方向為右手螺旋方向，即從旋轉軸的正半軸向原點看是逆時針方向，則利用空間直角坐標系變換公式
全文摘要
本發明涉及一種無線傳感器網絡目標定位領域的鐵磁性目標三維定位方法，包括以下步驟對採用的三軸磁阻傳感器進行校準或標定；利用任意擺放的磁阻傳感器獲取傳感器所處位置的環境磁場信號的輸出，記為判斷任意擺放的磁阻傳感器X、Y、Z軸的絕對指向；劃分三軸磁阻傳感器的球形探測區域；當目標進入磁阻傳感器探測範圍時，記磁阻傳感器X、Y、Z三軸磁場信號的輸出分別為對與的差值Bx與的差值By，與的差值Bz進行滑動平均濾波處理；對經過濾波處理的三軸信號Bx、By、Bz的波峰、波谷進行判斷；判斷鐵磁性目標的所在區域；估計目標位置。該方法不受傳感器節點擺放方式與目標體積限制，不依賴於目標磁矩，簡單便捷，成本低且便於實施。
文檔編號H04W84/18GK102778697SQ20121019697
公開日2012年11月14日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者尼文斌, 楊波, 羅晶, 韓華濤 申請人:北京航空航天大學