本專利公開了一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統和方法。該系統包括電磁信號發射與接收模塊和主控制單元模塊。電磁信號發射與接收模塊由信號發生器和傳感器組成，信號發生器發射射頻準靜態磁場信號，傳感器用于感應磁場并生成相應的感應電壓。主控制單元模塊包含系統電子單元和計算機，負責信號的處理與定位計算。系統電子單元實時處理感應信號，計算目標位置和姿態，并與計算機通信以配置系統參數和確保高精度數據采集。該系統通過分析電磁擾動引起的信號變化，實現對鐵磁性材料及金屬目標的精確定位，適用于智能家居、安防監控和智慧醫療等領域，具有較低的安裝成本和強大的適用性，展現出顯著的推廣潛力。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于室內定位技術及電磁感應，涉及一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統和方法。
技術介紹
1、隨著現代社會的不斷進步，室內定位技術在各個領域中的應用變得愈加廣泛和重要。在現代城市中，人們的大量活動都在室內進行，使得室內定位的需求越來越強烈，主要體現在兩個方面，首先是對人們生活體驗的提升，例如在商場、醫院和倉庫等場景中高精度的定位技術能讓人們體驗到更舒適的導航與定位服務，提高效率。其次是人們的安全保障方面，例如礦井內的工作人員的導航與定位等場景，可以通過成熟的室內定位技術提升社會安全工作效率。這一切需求都要依賴于高精度的室內定位技術，精確室內定位作為一種保障人身安全和提高人們生活體驗的手段有著廣泛的需求和前景。
2、然而，現有的室內定位技術在復雜環境中的表現仍然存在諸多不足。傳統的定位方法如wi-fi、藍牙、超寬帶等，盡管在某些條件下可以提供較為穩定的定位服務，但在多路徑效應強烈、存在大量金屬結構或干擾的環境中，定位精度往往難以保證。此外，這些技術還面臨隱私保護不力、信號易受干擾以及設備依賴性強等問題，無法滿足日益增長的精確定位需求。因此，亟需一種新型的定位方法，能夠在復雜的室內環境中提供高精度、穩定且隱私友好的定位服務，以應對當前定位技術的局限性，滿足未來發展的需要。
技術實現思路
1、為了解決
技術介紹
中存在的問題，本專利技術的目的在于設計一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統和方法，能夠利用電磁信號的發射和接收，解決室內被動式電磁定位技術難題。
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p>2、本專利技術的技術方案如下：3、一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統，包括電磁信號發射模塊、電磁信號接收模塊和主控制單元模塊；所述電磁信號發射模塊包括信號發生器，用于發射準靜態磁場信號；所述電磁信號接收模塊包括若干傳感器，用于感應磁場并生成感應電壓；所述主控制單元模塊包括系統電子單元和計算機，用于實時處理感應信號并計算擾動源的位置和姿態。
4、進一步的，所述信號發生器由若干個相互正交的線圈組成，每個線圈產生沿不同軸向的磁場，所有磁場組合，形成覆蓋整個待測區域的三維磁場環境。
5、進一步的，所述傳感器由多個高靈敏度電磁感應線圈組成，能夠高靈敏度地感應磁場的微小變化，并通過產生感應電壓反饋信號。產生的電壓反饋信號將被實時傳輸到主控制單元，以進行后續的定位計算。
6、進一步的，所述系統電子單元包含生成和感應磁場、計算位置和方向、通過rs-232或usb接口連接到主機所需的軟硬件，用于控制信號發生器與傳感器之間的數據通信，并將來自傳感器的感應電壓信號傳輸至計算機進行處理。通過與計算機的通信接口配置系統參數，確保數據的高精度采集與處理。系統電子單元能夠動態調整信號發生器的輸出參數和傳感器的靈敏度，確保整個系統在不同的工作條件下保持高精度的數據采集與處理能力。這種配置允許系統對環境變化作出迅速反應，提高了定位的準確性和可靠性。
7、進一步的，所述計算機通過發送操作命令啟動或調整定位系統的工作狀態。具體地，計算機通過專用軟件界面，發送操作命令以啟動或調整定位系統工作狀態，并發出校準設置命令以確保定位系統在不同環境下的定位精度。此外，計算機能夠實時接收和顯示定位結果，提供用戶友好的界面來監控和分析干擾源的位置和姿態，便于用戶進行進一步的操作和決策。
8、一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位方法，利用上述基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統實現，包括以下步驟：
9、s1：信號發生器產生高頻準靜態磁場信號，形成覆蓋待測區域的三維磁場環境；
10、s2：通過傳感器感應磁場變化并生成相應的感應電壓；
11、s3：系統電子單元接收來自傳感器的感應電壓信號，并傳輸至計算機進行處理，計算機對接收到的數據進行對比分析，生成對照分析數據集和基礎數據集；所述對照分析數據集為待測環境中無擾動源的數據集，所述基礎數據集為待測環境中有擾動源的數據集；
12、s4：將基礎數據集劃分為訓練數據集和驗證數據集，利用訓練數據集中與對照分析數據集進行匹配，生成定位擬合公式；采用驗證數據集對定位擬合公式進行反饋驗證，通過多次迭代，調整和優化定位擬合公式，最終得到被動式目標定位算法，實現擾動源位置定位和跟蹤。
13、進一步的，傳感器通過捕獲擾動源移動過程中磁場變化，生成對應的感應電壓，系統電子單元將傳感器產生的感應電壓信號數字化，并傳輸至計算機進行處理。
14、進一步的，計算機接收來自系統電子單元的探測數據，根據是否有擾動源存在，將探測數據劃分為對照分析數據集和基礎數據集。
15、進一步的，信號發生器線圈參數與傳感器感應電壓v(t)的耦合關系式為：
16、
17、其中，
18、其中，μ0為真空中磁導率(μ0＝4π×10-7n/a2)，μr是磁芯的相對磁導率，a為圓形感應線圈的橫截面積，n為線圈匝數，b0為磁場磁感應強度的幅值，ω為空間磁場的角頻率，與正弦交流信號的角頻率相同。可以看出，在發射線圈參數確定時，感應線圈中的感應電壓由其自身的位姿參數決定，為空間磁場方向的單位矢量，位置參數包含在中，為感應線圈中軸線方向的單位向量，姿態參數包含在中，于是可以通過測定感應線圈中的感應電壓來求解感應線圈的位姿信息。
19、進一步的，所述生成定位擬合公式的具體方法為：
20、采用數據擬合算法，將訓練數據集中的擾動源位置數據與感應電壓的變化與對照分析數據集的數據進行匹配，生成定位擬合公式。該公式反映了擾動源在三維空間中的位置與傳感器感應電壓變化之間的關系。然后通過驗證數據集對初步定位擬合公式的擬合結果進行反饋驗證；即通過對比擬合結果與實際擾動源位置的差異，利用誤差回歸分析和迭代優化算法不斷調整模型參數，優化定位擬合公式。在反饋驗證達到預期精度要求后，計算機將根據修正后的定位結果和優化的定位擬合公式，生成最終的被動式目標定位算法。該被動式目標定位算法將集成到系統中，用于實時目標定位和跟蹤，適用于多種復雜環境下的定位需求。
21、與現有技術相比，本專利技術具有以下有益效果：
22、1.本專利技術提供了一種基于電磁擾動的被動式定位方法，實現了目標的無接觸檢測，減少了對目標的干擾，提高了監控靈活性和安全性。
23、2.本專利技術無需目標攜帶額外的定位裝置，減少了系統的硬件復雜度和能耗，提供了一種更加簡便且經濟高效的定位解決方案。
24、3.本專利技術能夠實時監測和定位被測目標的位置，提供連續的數據更新，有助于及時獲取關鍵的位置信息，適用于需要高頻率定位更新的應用場景。
25、4.本專利技術能夠在復雜的室內環境中穩定工作，不易受到外界信號干擾的影響，適用于多路徑效應顯著、金屬結構復雜的環境中，實現高精度的目標定位。
26、5.本專利技術適應性強，能夠根據不同的需求調整系統參數，實現廣泛的應用場景覆蓋。
27、6.本專利技術的系統安裝簡便，維護成本本文檔來自技高網
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【技術保護點】
1.一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統，其特征在于,包括電磁信號發射模塊(1)、電磁信號接收模塊(2)和主控制單元模塊(3)；所述電磁信號發射模塊(1)包括信號發生器(4)，用于發射準靜態磁場信號；所述電磁信號接收模塊(2)包括若干傳感器(6)，用于感應磁場并生成感應電壓；所述主控制單元模塊(3)包括系統電子單元(7)和計算機(8)，用于實時處理感應信號并計算擾動源的位置和姿態。
2.根據權利要求1所述的一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統，其特征在于，所述信號發生器(4)由若干個相互正交的線圈(5)組成，每個線圈產生沿不同軸向的磁場，所有磁場組合，形成覆蓋整個待測區域的三維磁場環境。
3.根據權利要求1所述的一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統，其特征在于，所述傳感器(6)由多個電磁感應線圈組成，能夠感應磁場變化并生成感應電壓。
4.根據權利要求1所述的一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統，其特征在于，所述系統電子單元用于控制信號發生器與傳感器之間的數據通信，并將來自傳感器的感應電壓信號傳輸至計算機進行處理。
5.根據權利要求1所述的一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統，其特征在于，所述計算機通過發送操作命令啟動或調整定位系統的工作狀態。
6.一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位方法，其特征在于，利用如權利要求1-5任一項所述的基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統實現，包括以下步驟：
7.根據權利要求6所述的一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位方法，其特征在于，傳感器通過捕獲擾動源移動過程中磁場變化，生成對應的感應電壓，系統電子單元將傳感器產生的感應電壓信號數字化，并傳輸至計算機進行處理。
8.根據權利要求6所述的一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位方法，其特征在于，計算機接收來自系統電子單元的探測數據，根據是否有擾動源存在，將探測數據劃分為對照分析數據集和基礎數據集。
9.根據權利要求6所述的一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位方法，其特征在于，信號發生器線圈參數與傳感器感應電壓v(t)的耦合關系式為：
10.根據權利要求6所述的一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位方法，其特征在于，所述生成定位擬合公式的具體方法為：
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【技術特征摘要】
1.一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統，其特征在于,包括電磁信號發射模塊(1)、電磁信號接收模塊(2)和主控制單元模塊(3)；所述電磁信號發射模塊(1)包括信號發生器(4)，用于發射準靜態磁場信號；所述電磁信號接收模塊(2)包括若干傳感器(6)，用于感應磁場并生成感應電壓；所述主控制單元模塊(3)包括系統電子單元(7)和計算機(8)，用于實時處理感應信號并計算擾動源的位置和姿態。
2.根據權利要求1所述的一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統，其特征在于，所述信號發生器(4)由若干個相互正交的線圈(5)組成，每個線圈產生沿不同軸向的磁場，所有磁場組合，形成覆蓋整個待測區域的三維磁場環境。
3.根據權利要求1所述的一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統，其特征在于，所述傳感器(6)由多個電磁感應線圈組成，能夠感應磁場變化并生成感應電壓。
4.根據權利要求1所述的一種基于電磁擾動定位的擾動源位置定位系統，其特征在于，所述系統電子單元用于控制信號發生器與傳感器之間的數據通信，并將來自傳感器的感應電壓信號傳輸至計算機進行處理。
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【專利技術屬性】
技術研發人員：張曼，戴嘉成，皇甫江濤，湯之儀，李偉，唐軍，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：
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