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空间磁信标定位系统的信源结构设计

仪器仪表学报 2020年第4期41卷 102-110页

作者：王润杨宾峰赵震管桦空军工程大学信息与导航学院西安710000

磁信标导航定位系统的信源主要有永磁体磁信标和通电螺线管磁信标两种,基于毕奥-萨伐尔定理提出了锥形组合结构和平面交叉组合结构的永磁体磁信标设计方案,通过与现有的单永磁体信标及正交永磁体信标进行对比,得出锥形组合结构磁信标在... 详细信息

磁信标导航定位系统的信源主要有永磁体磁信标和通电螺线管磁信标两种,基于毕奥-萨伐尔定理提出了锥形组合结构和平面交叉组合结构的永磁体磁信标设计方案,通过与现有的单永磁体信标及正交永磁体信标进行对比,得出锥形组合结构磁信标在与平面夹角为70°时产生的磁场信号性能最佳,在二维平面内能够明显提高信号的指向性;设计磁体夹角为60°的平面交叉组合信标,改善了现有信标存在信号盲区的问题并且提高了信号的传输距离。针对平面交叉组合旋转磁信标分析一元组合信标与二元阵列组合信标产生的磁场性能,仿真结果表明,在不同属性的传播介质中阵列布设信标产生的磁场信号鲁棒性更好。利用NdFeB永磁体材料搭建信号检测分析系统,在基线为5 m,信标旋转角度差值为0时,两种信标布设方法产生的最大误差分别为3.55 nT和5.80 nT,证明了所设计的磁信标结构的实用性,为磁导航定位系统的信号传输距离有限、信号提取困难等问题提供了有效地解决方案。

关键词：磁定位系统磁信标有限元分析优化设计

基于磁传感器阵列的无线胶囊内镜精确定位技术

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基于磁传感器阵列的无线胶囊内镜精确定位技术

作者：任宇鹏太原科技大学

学位级别：硕士

无线胶囊内镜的研发成功极大地减小了肠胃病患者做传统缆线式内窥镜检查时的痛苦,并能实现整个肠胃道的检查。检查中,精确获取胶囊在人体内的位置和方向信息对于医生准确诊断病人病灶组织的位置和大小有着至关重要的作用,同时也是进一... 详细信息

无线胶囊内镜的研发成功极大地减小了肠胃病患者做传统缆线式内窥镜检查时的痛苦,并能实现整个肠胃道的检查。检查中,精确获取胶囊在人体内的位置和方向信息对于医生准确诊断病人病灶组织的位置和大小有着至关重要的作用,同时也是进一步实现胶囊运动和胶囊姿态控制的关键技术,然而现有的胶囊定位技术却无法做到精确、快速、便捷的定位。本文研究胶囊磁定位方法,分析了磁体的磁场分布,修正了磁偶极子模型在近场不适用的问题,进而提出相应的修正模型。系统利用霍尼韦尔HMC1043磁阻传感器设计了适合人体形态的磁传感器阵列,检测磁体磁场,输出与磁场强度相对应的电压信号;使用AD623放大器对该电压信号进行差分放大;使用DG406模拟选通芯片将多路传感器信号送入K60 ARM嵌入式模块;K60对模拟信号进行16位A/D采样并做信号处理,将得到的数字信号通过串行接口送入PC机;PC机上运行C++定位算法软件计算胶囊的位置和方向参数,在显示器上显示结果和胶囊的运动轨迹。本文提出了两种方法来补偿人体和磁传感器阵列相对移动对胶囊定位结果造成的干扰。利用多目标定位法,在人体表面放置参考磁体目标,同时对体内定位目标和体表参考目标进行定位。以参考目标即人体建立坐标系,通过算法将胶囊的位置和方向信息转换到人体坐标系,实现干扰补偿。进一步研究了磁传感器的数量和分布方式对定位结果的影响。实验数据表明,胶囊的定位误差会随着磁传感器数量的增加而减小,但当磁传感器达到一定数量时,定位误差不再明显减小。同时,实验表明磁传感器均匀分布要比单侧集中分布的定位误差小。最终确定系统用24-32个传感器为合理选择;此时,平均定位误差在1.2mm左右,平均定向误差在1.1°左右。

关键词：胶囊内窥镜磁定位系统磁偶极子模型近场修正人体移动干扰补偿

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多目标磁定位技术的研究

多目标磁定位技术的研究

作者：邱肖肖哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

现代医学外科手术治疗特点之一是微创治疗。虽然现有的手术导航系统各方面发展已经比较成熟,但在实际手术中外科医生所遇到的问题并没有很好的解决。在手术导航系统中,常有视线的约束,如物体的遮挡、周围光线干扰、金属物体镜面反射等影... 详细信息

现代医学外科手术治疗特点之一是微创治疗。虽然现有的手术导航系统各方面发展已经比较成熟,但在实际手术中外科医生所遇到的问题并没有很好的解决。在手术导航系统中,常有视线的约束,如物体的遮挡、周围光线干扰、金属物体镜面反射等影响,导致跟踪数据丢失、产生严重错误及伪目标等问题。微创手术中,对目标的定位跟踪,尤其是体内的跟踪,需要一种无线无源定位系统来实现。与传统的手术导航系统相比,磁定位跟踪系统具有目标体积小,无视线约束,精度高等优点。所以本课题设计了一种多目标磁定位系统,并研制样机,开展实验研究。本课题通过对圆柱磁体磁场建模,分析和比较了两种不同的磁场模型。基于网格法对传感器的布局策略进行优化。基于磁模型和布局优化结果,建立了磁传感器布局阵列,设计和搭建了多目标磁定位系统。通过对多目标磁定位技术的应用的探索,实现了目标的6Do F定位和微型机器人的实时定位与驱动。通过将两个一样的磁铁以磁极相反的方式组合成定位目标,实现了目标的6Do F定位,并通过实验验证了该6Do F定位方法的有效性。为了得到更好的定位效果,通过采用两个不同大小的磁铁和基于两个磁铁间约束关系,对上述6Do F定位方法进行了改进。通过实验验证了改进方法的有效性,并采用不同的磁铁对进行实验,检测磁铁的大小对定位误差的影响。通过将主动磁铁和被驱动磁铁都当作定位目标的方法,实现了微型机器人的实时定位与导航。磁驱动试验验证了在该实验平台上,可以实现磁铁的4Do F驱动和5Do F定位。导航模拟实验和驱动定点实验验证了该方法的有效性。

关键词：磁定位系统传感器布局优化算法 6DoF定位导航

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无线胶囊内镜的精确定位跟踪技术

无线胶囊内镜的精确定位跟踪技术

作者：尤晓赫浙江大学

学位级别：硕士

在肠胃道检测过程中,传统缆线式内窥镜会带给患者极大的痛苦。无线胶囊内镜的研发不仅减轻了患者的痛苦,也实现了肠胃道的检查。使用无线胶囊内镜检查时,需要精确获取胶囊在人体内部的位置参数和方向参数,从而得到通过胶囊内镜拍摄到的... 详细信息

在肠胃道检测过程中,传统缆线式内窥镜会带给患者极大的痛苦。无线胶囊内镜的研发不仅减轻了患者的痛苦,也实现了肠胃道的检查。使用无线胶囊内镜检查时,需要精确获取胶囊在人体内部的位置参数和方向参数,从而得到通过胶囊内镜拍摄到的病灶组织的位置参数和方向参数。这些参数方便了医生准确诊断病情。能够对胶囊进行精确、快速定位是关键性问题。本文研究了磁定位算法,对磁定位算法中近场误差和人体干扰误差进行修正,提出了六维混合磁定位算法,从而有效地解决了这些问题。本文采用的磁感应强度分布模型是基于磁偶极子模型建立的,模型采用的求解方法是LM最优化算法。本文使用的磁定位系统,包括了硬件部分和软件部分。硬件部分包括了磁传感器阵列、信号放大电路、K60嵌入式模块;软件部分包括了上位机磁定位软件程序。首先,为了消除磁偶极子模型的近场误差,本文提出近场定位算法。该方法使得从全局坐标系变换到磁体坐标系的磁感应强度的计算值和测量值误差最小化。其次,为了消除人体移动时对磁定位结果产生的干扰误差,本文提出了将目标永磁体的磁定位结果转换到参考坐标系(即人体坐标系)的方法。该方法在人体外部表面上设置了两个参考目标永磁体,基于这两个参考目标永磁体建立参考坐标系,再将定位结果转换到该坐标系下。从而减少人体移动的干扰误差。最后,由于磁定位算法对于圆柱型的永磁体只能实现五维参数磁定位(包括了三维位置坐标参数和两维方向向量参数),并不能得到目标永磁体自身的旋转角度参数。本文提出了采用图像定位与磁定位相结合的六维混合定位算法。该算法在实现永磁体五维参数磁定位的同时,也可以得到永磁体自转角度的参数。以此实现了永磁体的六维位姿磁定位。同时实验结果表明,该方法也比磁定位方法更为精确。

关键词：无线胶囊内窥镜磁定位系统磁偶极子模型近场修正人体移动干扰误差修正六维混合定位算法

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基于AMR传感器的磁定位技术研究

物联网技术 2017年第5期7卷 18-19页

作者：蔡希昌马令芹北方工业大学电子信息工程学院北京100144

随着科技的发展,医疗器械开始向微型化、智能化发展,而这也为很多疾病的无创诊疗打下了坚实的基础~[1]。磁性胶囊正是实现消化道疾病无创诊疗的一个成功应用,胶囊的定位技术是该系统的关键之一。文中重点介绍的基于AMR传感器的磁定位算... 详细信息

随着科技的发展,医疗器械开始向微型化、智能化发展,而这也为很多疾病的无创诊疗打下了坚实的基础~[1]。磁性胶囊正是实现消化道疾病无创诊疗的一个成功应用,胶囊的定位技术是该系统的关键之一。文中重点介绍的基于AMR传感器的磁定位算法满足了系统要求。3×4 AMR的立体磁定位系统具有测量误差小,定位准确等优点。作者在完成理论算法的基础上,进行了硬件磁定位系统模型的搭建,通过实时测量进一步验证了算法的准确性。

关键词：定位算法 AMR 传感器磁定位系统