一种智能二维定位系统及方法与流程

1.本发明涉及二维定位技术领域，具体为一种智能二维定位系统及方法。


背景技术：

2.随着社会的进步和科技的不断发展，定位技术广泛应用于诸多领域。
3.运动过程中的定位方法有很多种方式：超声波定位、视频分析定位等，但在实验教学研究中以上的定位方式都有些问题是不好解决的；超声波定位的精度不高、采集频率不高及不同定位物体间的干扰问题；视频分析对背光和背景的要求较高而且是可视范围内的定位；磁定位很好解决了这些问题，磁定位具有精度高，体积小以及设备简单的优点，更重要的是对人体没有危害，磁场随着距离的增加衰减很快，不会出现不同组别之间的串扰问题，组装调试的时间大大降低，提高实验成功率及操作效率，因此，在实际研究探索过程中，很多学者通过使用大量磁传感器或磁传感器阵列的方式来提高定位精度，但是该种方法容易引入了传感器之间的个体误差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种智能二维定位系统及方法，以解决背景技术中所提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种智能二维定位系统，包括前面板、背板和圆柱体永磁体，所述前面板和背板之间设置有定位板pcb组件，所述定位板pcb组件上设置有霍尔元件矩阵和微控制单元，所述前面板和背板通过螺钉可拆卸式连接，所述前面板和背板的两侧分别设置有支架组件一和支架组件二；
6.所述前面板表面一侧的上下两侧均通过轨道固定件分别安装有平抛滑轨和斜抛轨道。
7.作为本发明的一种优选实施方式，还包括单摆组件，所述单摆组件包括杆体和铝棒，所述杆体通过若干管夹设置在背板的表面，所述铝棒固定安装在杆体的顶端，且朝接近前面板的一侧延申。
8.作为本发明的一种优选实施方式，所述圆柱体永磁体的直径为10mm，高度为10mm。
9.作为本发明的一种优选实施方式，所述霍尔元件矩阵的元件件间距为80mm。
10.一种智能二维定位方法，采用一种智能二维定位系统，包括以下步骤：
11.建立定位矩阵：准备24个霍尔元件，ho至h23，在定位板pcb组件上组成定位矩阵，其中，h0作为原点，h0至h18为y轴，h0至h5为x轴；
12.设置研究对象：准备一个圆柱体永磁铁，并将研究对象放在平抛滑轨或斜抛轨道的顶部；
13.控制研究对象运动：使得研究对象顺着轨道滑轨至定位板pcb组件前方；
14.坐标计算：利用微控制单元对矩阵中每个元件测试强度进行扫描，选取其中9个敏感元件作为定位基本点，根据磁偶极子模型进行数学运算，得出q点的坐标。
15.与现有技术相比，本发明提供了一种智能二维定位系统及方法，具备以下有益效果：
16.使用永磁体作为运动测试对象，对比脉冲电磁发射器，增加可靠性和稳定性，降低维护成本及生产成本；
17.系统采用永磁与霍尔敏感元件对比超声波的二维定位，在降低结构发杂性的同时，提高了同一个环境中多组设备同时使用的可能性，因为在超声波二维定位中，发射器的360
°
发射超声波很容易对邻组设备产生串扰；
18.对比频闪照相的方式大幅度降低成本和实验之前的调试工作，并且无背光需求。
附图说明
19.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
20.图1为本发明一种智能二维定位系统的正面立体示意图；
21.图2为本发明一种智能二维定位系统的后面立体示意图；
22.图3为本发明一种智能二维定位系统的定位矩阵表面示意图；
23.图4磁偶极子模型示意图；
24.图5为本发明一种智能二维定位方法的传感器旋转1周测得地磁场数据示意图；
25.图6为本发明中物体平抛曲线示意图。
26.图中：1、前面板；2、背板；3、圆柱体永磁体；4、定位板pcb组件；5、霍尔元件矩阵；6、微控制单元；7、支架组件一；8、支架组件二；9、平抛滑轨；10、斜抛轨道；11、杆体；12、铝棒；13、管夹。
具体实施方式
27.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种智能二维定位系统及方法做进一步详细的描述。
28.如图1-图5所示，本发明提供一种技术方案：一种智能二维定位系统，包括前面板1、背板2和圆柱体永磁体3，所述前面板1和背板2之间设置有定位板pcb组件4，所述定位板pcb组件4上设置有霍尔元件矩阵5和微控制单元6，所述前面板1和背板2通过螺钉可拆卸式连接，所述前面板1和背板2的两侧分别设置有支架组件一7和支架组件二8；
29.所述前面板1表面一侧的上下两侧均通过轨道固定件分别安装有平抛滑轨9和斜抛轨道10。
30.本实施例中，还包括单摆组件，所述单摆组件包括杆体11和铝棒12，所述杆体11通过若干管夹13设置在背板2的表面，所述铝棒12固定安装在杆体11的顶端，且朝接近前面板1的一侧延申。
31.本实施例中，所述圆柱体永磁体3的直径为10mm，高度为10mm。
32.本实施例中，所述霍尔元件矩阵5的元件件间距为80mm。
33.一种智能二维定位方法，采用一种智能二维定位系统，包括以下步骤：
34.建立定位矩阵：准备24个霍尔元件，ho至h23，在定位板pcb组件上组成定位矩阵，其中，h0作为原点，h0至h18为y轴，h0至h5为x轴；
35.设置研究对象：准备一个圆柱体永磁铁3，将研究对象放在平抛滑轨或斜抛轨道的顶部；
36.控制研究对象运动：研究对象顺着滑轨运动至定位板pcb组件前方；
37.坐标计算：利用微控制单元6对矩阵中每个元件测试强度进行扫描，选取其中9个敏感元件作为定位基本点，如图3所示，研究对象在图3中q点，那么选取h8、h9、h10、h14、h15、h16、h20、h21、h22的坐标对q点进行复合定位，根据磁偶极子模型进行数学运算，得出q点的坐标，具体过程如下：
38.如图4所示，设坐标系中有一长度为h，半径为r的圆柱永磁体，圆柱永磁体位置坐标为(a，b，c)，观测点坐标为p(x，y，z)，永磁体到观测点p的矢径为r＝(x-a)i+(y-b)j+(z-c)k，|r|＝(x-a)2+(y-b)2+(z-c)2。m(n，p，q)为磁矩矢量，且满足条件n2+p2+q2＝1。mt为永磁体的总磁矩，是表征磁场强度的常数，且对于一个具体的磁性材料，其值可以作为已知量。μ0＝4π
×
10-7
t
·
m/a为真空磁导率。根据磁偶极子模型，
39.观测点处的b的3个分量为：
[0040][0041][0042][0043]
因为n2+p2+q2＝1，所以式中有5个未知参数(a、b、c、n、p)。使用三轴磁传感器旋转，连续在n个确定点处进行检测，可以列出3n个方程。空间中存在多个磁目标时，观测点处的磁信号为各个单独磁目标产生信号的矢量叠加，当满足n≥磁目标个数的2倍时，就能由方程组解出所有未知数。
[0044]
磁偶极子模型的数学表达形式为高阶非线性方程组，需要使用优化算法对其求解。如何选择合适的优化算法求解高阶非线性方程组，需考虑以下因素：
①
良好的求解精度；
②
运算时间短。levenberg-marquardt(lm)算法是应用非常广泛的非线性最小二乘算法，该算法是一种介于牛顿法和梯度下降法之间的优化方法，能够有效地处理冗余参数问题，并且减小算法陷入局部极小值的可能性，所以lm算法适用于三维重建和运动与结构计算等领域。虽然lm算法求解最优解时速度快，但是在实际运用过程中，该算法在真正执行开始前需要一组初值作为第一次的最优解，然后进入优化迭代过程中，为了获取较优的初值，将模拟退火算法的部分思想融合进lm算法中，提出了改进后的lm算法。即用待求解的未知数的取值范围乘以0～1之间的随机数作为lm算法的初值，实验证明，优化后的lm算法能够更好地求解到全局最优解。
[0045]
本发明中永磁体产生的磁场强度大约在100高斯的数量级，为了准确得到磁目标的信号，必须对其他的磁场干扰进行补偿，其中地磁场是一个主要的干扰成分。由于地表磁场强度大约是0.4～0.6高斯，且随着测量地点和传感器的朝向不同而产生变化，地表磁场对磁定位的准确度会造成一定影响。
[0046]
为了有效补偿磁传感器旋转检测过程中的干扰，考虑到地表磁场在短时间内的变化可以忽略，本文采用如下方法进行补偿：
[0047]
在未放置磁源时，驱动步进电机带动磁传感器进行旋转检测，预先记录旋转角度以及检测到的磁感应强度值，得到地磁场对传感器测量影响的数据后，将旋转1周的磁传感器电压与旋转，角度的关系作图，如图5所示。
[0048]
在使用磁传感器旋转方式检测磁目标之前，需要对获取的地磁场数据进行分析并存表，使数据更加贴近真实情况，有利于磁目标的精确定位。
[0049]
本系统使用一个隧道磁阻效应传感器(即霍尔传感器)，通过旋转的方式获取多组检测数据，达到同时使用大量磁传感器组成检测阵列的效果。与此同时，区别于阵列式磁传感器检测系统，旋转检测磁定位系统不存在传感器之间的个体误差；另外，本系统使用的信号处理电路只用于处理单个磁传感器的输出信号，在硬件方面也做到了精简高效。因此旋转检测方式使得系统的定位精度也有所提高。
[0050]
q点作为抛体研究对象的时候，在h0-h23的基准定位点，每个霍尔都对q点感知磁性的强弱及方向，就产生了多个基准点对同一个位置的复合运算定位结果，多个数据进行同时校验，就能去除计算数据离散大的点，从而磁定位增加了定位精度，减小了个体误差。
[0051]
本研究现已基本实现两个磁源的定位，后续可以将两个磁源的矢量叠加视作为一个磁源，将第3个磁源与等效后的磁源定位化简为两个磁目标的定位，从而实现3个磁源的定位。
[0052]
为证明本发明的效果，采用上位机软件进行数据测试，如图6所示，本曲线是物体平抛运动的效果一段曲线，表明物体在平抛中的实际坐标点，在日常生活中我们知道物体抛体运动，下落的速度是很快的，我们要捕捉实时坐标点，采集速度要非常快，采集速度要1ms一个刷新阵列，即在1ms中能得出24个定位点的磁性测试强弱，这个采集速度是非常高的，是频闪照相和超声波定位根本无法企及的速度。
[0053]
本发明以1khz的速率刷新24个磁传感器，并实时将采样数据上报给上位机，上位机将采样数据通过算法计算出当前一帧磁极点的位置，通过采样多个点，即可绘制出磁极点的运动轨迹。
[0054]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

技术特征：
1.一种智能二维定位系统，其特征在于：包括前面板、背板和圆柱体永磁体，所述前面板和背板之间设置有定位板pcb组件，所述定位板pcb组件上设置有霍尔元件矩阵和微控制单元，所述前面板和背板通过螺钉可拆卸式连接，所述前面板和背板的两侧分别设置有支架组件一和支架组件二；所述前面板表面一侧的上下两侧均通过轨道固定件分别安装有平抛滑轨和斜抛轨道。2.根据权利要求1所述的一种智能二维定位系统，其特征在于：还包括单摆组件，所述单摆组件包括杆体和铝棒，所述杆体通过若干管夹设置在背板的表面，所述铝棒固定安装在杆体的顶端，且朝接近前面板的一侧延申。3.根据权利要求1所述的一种智能二维定位系统，其特征在于：所述圆柱体永磁体的直径为10mm，高度为10mm。4.根据权利要求1所述的一种智能二维定位系统，其特征在于：所述霍尔元件矩阵的元件件间距为80mm。5.一种智能二维定位方法，采用权利要求1-4任一项所述的一种智能二维定位系统，其特征在于：包括以下步骤：建立定位矩阵：准备24个霍尔元件，ho至h23，在定位板pcb组件上组成定位矩阵，其中，h0作为原点，h0至h18为y轴，h0至h5为x轴；设置研究对象：准备一个圆柱体永磁铁，将研究对象放在平抛滑轨或斜抛轨道的顶部；控制研究对象运动：使得研究对象顺着轨道滑轨至定位板pcb组件前方；坐标计算：利用微控制单元6对矩阵中每个元件测试强度进行扫描，选取其中9个敏感元件作为定位基本点，根据磁偶极子模型进行数学运算，得出q点的坐标。

技术总结
本发明涉及二维定位技术领域，公开了一种智能二维定位系统，包括前面板、背板和圆柱体永磁体，所述前面板和背板之间设置有定位板PCB组件，所述定位板PCB组件上设置有霍尔元件矩阵和微控制单元，所述前面板和背板通过螺钉可拆卸式连接，所述前面板和背板的两侧分别设置有支架组件一和支架组件二；所述前面板表面一侧的上下两侧均通过轨道固定件分别安装有平抛滑轨和斜抛轨道。本发明使用永磁体作为运动测试对象，对比脉冲电磁发射器，增加可靠性和稳定性，降低维护成本及生产成本。降低维护成本及生产成本。降低维护成本及生产成本。


技术研发人员：和法鹏 丁振金 杨荣志
受保护的技术使用者：江苏信德通科技有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/22