六自由度电磁定位矢量信号收发技术研究

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六自由度电磁定位是一种利用电磁信号来确定目标物体位置与姿态的技术,它不但可以获得更完善的目标位置信息与姿态信息,还具有不受视线阻挡限制和在空间中移动方便等优点,广泛应用于虚拟现实、医疗器械、生物力学和运动分析等领域,是电磁定位领域的研究热点之一。六自由度电磁定位装置中的矢量信号收发技术是获得稳定、精确的目标信号的基础,对高精度定位装置开发具有重要意义。本文重点研究六自由度电磁定位系统中的矢量信号收发技术,根据电磁感应定律和旋转矩阵定位算法,制定了电磁定位收发装置的设计方案。通过分析信号的频率、幅值等特性,确定传感器的结构参数,设计了合理的发射和接收矢量传感器。设计并开发矢量信号收发电路,集成在DSP定位参数计算平台上进行性能测试。主要内容及贡献如下:(1)分析了磁偶极子模型以及法拉第电磁感应定律、毕-萨-拉定律、旋转矩阵定位算法的基本理论,在此基础上制定了六自由度电磁定位收发装置的实施方案。搭建六自由度电磁矢量信号收发装置,设计并实现了幅值放大电路、功率放大电路、信号选择电路和过压保护电路。发射端电路采用LM833芯片实现信号的幅值放大,放大倍数为2.5倍,SSM2211芯片实现功率放大,放大倍数可以达到2倍,采用SP721AG芯片实现对电路的过压保护,保护的电压范围最高可达30V。接收端电路同样经过一个SP721AG过压保护电路,再通过MAX4582芯片对接收信号进行分时选择,再经过一个仪表放大器INA163UA芯片进行滤波放大,放大倍数可以通过调节接入电路的电阻进行改变。根据收发电路的设计方案,焊接了PCB电路板,并对电路进行调测,最终得到理想的正弦信号。(2)设计并实现三轴正交感应线圈传感器,先通过理论计算获得传感器线圈匝数、直径等结构参数,再实际绕制并进行实验调测修正,最终确定发射传感器尺寸为10cm*10cm*10cm,计算三轴电感值分别为902H,837H和813H,接收传感器的尺寸为10mm*10mm*10mm,三轴电感值分别为29H,30H和31H,均采用无磁芯结构。(3)将上述电路集成到DSP定位参数计算平台,对六自由度电磁定位收发装置进行了整体实验测试,固定发射传感器位置,针对接收传感器选取10个不同的测试位置,获取坐标上的距离信息,通过改变固定位置的物体姿态,获取姿态信息,对比定位结果与目标实际位置、姿态得到定位误差,分析误差产生原因并提出改进措施。
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