一种基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法、装置与系统

本发明涉及低频磁感应位姿联合估计，更具体地，涉及一种基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法、装置与系统。

背景技术：

1、随着人类生产空间的扩张和工业的发展，全球卫星定位系统越来越无法满足人类对于室内、地下、水下等复杂环境定位的需求。随着室内定位、医用内窥镜、管道故障检测等领域的兴起，亟需发展精确的局部位姿估计技术，以实现复杂环境下目标位置和姿态的精准感知。相比较于传统的电磁波定位技术，基于低频磁场的位姿感知技术受益于磁场信号的高穿透性、强抗干扰性、无需视距等优势，便于实现室内、地下、水下等复杂环境下高精度的目标位置和姿态感知。

2、现有的基于低频磁场的定位技术通常使用单向线圈作为锚节点，并假设目标的姿态已知。然而，在实际环境中目标的姿态通常是时变的，单向线圈锚节点与目标线圈之间的角度失配会引起接收电压的变化，从而造成目标距离的错误估计，降低目标定位精度。

技术实现思路

1、针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法、装置与系统，设计了三向锚线圈接收电压关于单向目标线圈位置及姿态的表达式及测量模型，可以有效提高目标定位精度。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法，应用于具有多个三向锚线圈和一个单向目标线圈的低频磁感应位姿联合估计系统，所述三向锚线圈是由x-、y-和z-三个完全相同且互相垂直的单向线圈组成的线圈，所述方法包括：

3、计算多个三向锚线圈的接收电压，并在单向目标线圈加载交变电流后，获取多个三向锚线圈的测量电压；所述接收电压表示为所述单向目标线圈位置和姿态的函数；

4、依据所述接收电压和所述测量电压，构造无约非线性最小二乘位姿估计问题，并采用梯度下降算法求解所述无约非线性最小二乘位姿估计问题，得到所述单向目标线圈的位姿。

5、进一步地，上述基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法还包括：

6、所述无约非线性最小二乘位姿估计问题表示为：

7、；

8、其中，是接收电压，是测量电压，是所述单向目标线圈中心坐标的估计值，是所述单向目标线圈的指向估计值，是所述三向锚线圈数。

9、进一步地，上述基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法还包括：

10、三向锚线圈的接收电压表示为：

11、；

12、其中，为所述三向锚线圈的电压测量常数，为所述单向目标线圈的磁场近场分量在第个所述三向锚线圈中产生的感应电压分量向量，为所述单向目标线圈的磁场远场分量在第个所述三向锚线圈中产生的感应电压分量向量，为三向所述三向锚线圈的方向矩阵，、和分别为三向所述三向锚线圈的x-、y-和z-向线圈的方向向量，为单向目标线圈与第个三向锚线圈中心点之间的距离，为单向目标线圈位置向量，为单向目标线圈的姿态向量，为第个三向锚线圈的位置向量；为单向目标线圈在第个三向锚线圈中心点处产生的近场分量矩阵，为单向目标线圈在第个三向锚线圈中心点处产生的远场分量矩阵，为单向目标线圈与第个三向锚线圈中心点连线的方向向量，为单向目标线圈波数。

13、进一步地，上述基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法还包括：

14、所述三向锚线圈的电压测量常数表示为：

15、；

16、其中为介质磁导率，为单向目标线圈面积，为单向目标线圈匝数，为单向目标线圈加载电流，为所述三向锚线圈表面积，为所述三向锚线圈匝数，为所述三向锚线圈负载匹配系数，为单向目标线圈系统频率。

17、进一步地，上述基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法还包括：

18、求解所述无约非线性最小二乘位姿估计问题时，计算位姿联合估计误差的克拉美劳下界，表示为：

19、；

20、fim为费舍尔信息矩阵，表达式如下：

21、；

22、其中，为个三向锚线圈的测量电压误差矩阵，为个三向锚线圈位姿联合估计的雅克比矩阵，表示为：

23、；

24、为单向目标线圈的位姿向量，并且有：

25、；

26、；

27、；

28、；

29、；

30、；

31、；

32、。

33、按照本发明的第二个方面，提供了一种基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计装置，应用于具有多个三向锚线圈和一个单向目标线圈的低频磁感应位姿联合估计系统，所述三向锚线圈是由x-、y-和z-三个完全相同且互相垂直的单向线圈组成的线圈，所述装置包括：

34、测量模块，用于测量多个三向锚线圈的测量电压；

35、计算模块，用于获取测量模块的测量结果，通过上述任一项所述方法的步骤，得到所述单向目标线圈的位姿。

36、按照本发明的第三个方面，提供了一种基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计系统，包括：

37、多个三向锚线圈和一个单向目标线圈，以及测量设备和计算机设备；其中：

38、所述三向锚线圈是由x-、y-和z-三个完全相同且互相垂直的单向线圈组成的线圈；

39、所述测量设备，用于测量多个三向锚线圈的测量电压；

40、所述计算机设备与所述测量设备相连，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述任一项所述方法的步骤。

41、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

42、（1）本发明提供的基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法，设计了三向锚线圈接收电压关于单向目标线圈位置及姿态的表达式及测量模型，可以有效提高目标定位精度。

43、（2）本发明提供的基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法，分析了该位姿估计方法的克拉美劳下界，用于定量衡量基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方案的系统精度。

技术特征：

1.一种基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法，应用于具有多个三向锚线圈和一个单向目标线圈的低频磁感应位姿联合估计系统，所述三向锚线圈是由x-、y-和z-三个完全相同且互相垂直的单向线圈组成的线圈，所述方法包括：

2.如权利要求1所述的基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法，其特征在于：

3.如权利要求1所述的基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法，其特征在于：

4.如权利要求3所述的基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法，其特征在于：

5.如权利要求4所述的基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法，其特征在于：

6.一种基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计装置，应用于具有多个三向锚线圈和一个单向目标线圈的低频磁感应位姿联合估计系统，所述三向锚线圈是由x-、y-和z-三个完全相同且互相垂直的单向线圈组成的线圈，所述装置包括：

7.一种基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计系统，包括：

技术总结本发明公开了一种基于三向锚线圈的低频磁感应位姿联合估计方法，包括：计算多个三向锚线圈的接收电压，并在单向目标线圈加载交变电流后，获取多个三向锚线圈的测量电压；依据接收电压和测量电压，构造无约非线性最小二乘位姿估计问题，并采用梯度下降算法求解无约非线性最小二乘位姿估计问题，得到单向目标线圈的位姿。本发明设计了三向锚线圈接收电压关于单向目标线圈位置及姿态的表达式及测量模型，可以有效提高目标定位精度。技术研发人员：张一昕,谢伟,黄健,程永靖,周晗,任云,闫凯受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27