基于磁定位的颗粒运动轨迹监测系统及其定位方法

技术特征：
1.一种基于磁定位的颗粒运动轨迹监测系统，其特征在于，包括永磁体、信号接收装置、信号采集装置和数据处理装置，所述信号接收装置包括磁传感器和信号放大电路，用于接收永磁体发出的磁场信号并将其转变为电信号，同时对电信号进行放大处理；所述信号采集装置包括微控制器，用于负责磁传感器通道选择和队列式的数据存储及读取；所述数据处理装置用于对微控制器传输的数据进行处理，以及完成相关求解算法的实现，计算分析出定位点的位置和姿态信息；同时，在显示屏的人机界面上实时显示出当前磁体位置与方向，磁体运动轨迹和3d效果图。2.根据权利要求1所述的基于磁定位的颗粒运动轨迹监测系统，其特征在于，所述信号接收装置和所述信号采集装置为圆柱形的磁传感器阵列，所述圆柱形的磁传感器阵列包括若干块长条形电路板，所述长条形电路板上集成有若干个间距相等的磁传感器和一个微控制器，长条形电路板上设置有电源接口与通信接口，每个磁传感器均与外部电源电连接。3.根据权利要求2所述的基于磁定位的颗粒运动轨迹监测系统，其特征在于，所述若干块长条形电路板包括一块主控制电路板和若干块子电路板；所述主控制电路板上集成有若干个等距的磁传感器、两个通信芯片和一个微控制器；所述子电路板上集成有若干个等距的磁传感器、一个通信芯片和一个微控制器。4.根据权利要求3所述的基于磁定位的颗粒运动轨迹监测系统，其特征在于，所述主控制电路板上的微控制器与其所在电路板一一对应，所述微控制器通过spi总线采集其所在长条形电路板上所有磁传感器接收到的数据，同时，通过rs485总线收集其他子电路板上磁传感器接收到的数据；所述子电路板上的微控制器与其所在电路板一一对应，所述微控制器通过spi总线采集其所在长条形电路板上所有磁传感器接收到的数据，同时，通过rs485总线将子电路板上磁传感器接收到的数据打包传输至主控制电路板；所述微控制器上设置的对应长条形电路板的识别信息是16bit位的。5.根据权利要求1所述的基于磁定位的颗粒运动轨迹监测系统，其特征在于，所述信号接收装置中包含信号放大电路，所述信号放大电路用于对磁传感器接收到的信号进行放大处理；所述数据处理装置用于对主控制电路板上的微控制器采集到的数据进行二次曲线拟合滤波处理，并通过相关定位算法对经过滤波处理的数据进行反演计算，然后，得到所述永磁体的目标矢量坐标，根据目标矢量坐标生成永磁体的运动轨迹，最后，通过其定位结果显示部分，在显示屏的人机界面上实时显示出永磁体位置与方向，磁体运动轨迹和3d效果图。6.根据权利要求1所述的基于磁定位的颗粒运动轨迹监测系统，其特征在于，所述磁传感器为三轴磁传感器，该三轴磁传感器的数量至少为目标永磁体的2倍。7.一种根据权利要求1-6任意一项所述的基于磁定位的颗粒运动轨迹监测系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：a、获取磁传感器阵列上各传感器所处的空间位置，测量目标永磁体在各传感器位置产生的磁感应强度；b、利用各传感器位置产生的磁感应强度数据以及基于磁偶极子模型所得各传感器位置的理论磁感应强度数据，定义目标永磁体的误差目标函数，所述误差目标函数由永磁体
的位置和方向参数决定；c、利用粒子群优化算法寻找所述目标永磁体的位置和方向参数的近似解，使所述误差目标函数最小，并将此近似解作为非线性优化算法的初始种子值进行进一步优化求解；d、利用非线性优化算法寻找所述目标永磁体的位置和方向参数，使所述误差目标函数最小，此时，所述目标永磁体的位置和方向参数即为目标永磁体的定位数据。8.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述步骤a中，磁感应强度为目标永磁体在各传感器所在位置磁场产生的三个正交磁感应强度分量。9.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述步骤b中，基于磁偶极子模型所得某一磁传感器所在位置的理论磁感应强度的矢量表达式为：;其中：为永磁体中心点指向某一被测点的向量，为目标永磁体的磁矩方向，为目标永磁体的磁体常数，并且有：;将基于磁偶极子模型所得永磁体在场点处产生的理论磁感应强度表示为空间直角坐标系下的3个分量，所述步骤b和c中的误差目标函数分量计算如下：;其中：为第个磁传感器所在位置磁场的三个正交磁感应强度分量测量值，表示传感器阵列中磁传感器的数量,i表示第i个传感器；误差目标函数即等于上述三个误差分量之和，具体表示如下：;其中：分别表示x、y、z方向上每个磁力计测得的磁场信号与理论值之间差值的平方和；表示x、y、z三个方向上的误差之和。10.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述非线性优化算法采用levenberg
–
marquardt算法。

技术总结
本发明公开了一种基于磁定位的颗粒运动轨迹监测系统及其定位方法，包括永磁体、信号接收装置、信号采集装置和数据处理装置，所述信号接收装置包括磁传感器和信号放大电路，用于接收永磁体发出的磁场信号并将其转变为电信号，同时对电信号进行放大处理；所述信号采集装置包括微控制器，用于负责磁传感器通道选择和队列式的数据存储及读取；所述数据处理装置包括PC机以及软件，用于对微控制器传输的数据进行处理，以及完成相关求解算法的实现，计算分析出定位点的位置和姿态信息；同时，在显示屏的人机界面上实时显示出当前磁体位置与方向，磁体运动轨迹和3D效果图。磁体运动轨迹和3D效果图。磁体运动轨迹和3D效果图。


技术研发人员：方勇 姚玉相 何川 田扬 王宇博 豆留盼 卓彬 徐公允
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2023.08.10
技术公布日：2023/9/12