Теория и принципы построения
датчиков, приборов и систем
УДК 521.96.528.022.61
ПЕРВАЯ ОТЕЧЕСТВЕННАЯ СИСТЕМА МАГНИТНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
М. В. Желамский
Приведены результаты физического запуска первой отечественной полномасштабной системы магнитного позиционирования, проведенного в полном объеме технических требований. Система предназначена для определения линейного положения и ориентации подвижного объекта в неподвижной системе координат. Разработанная система решает две основных задачи позиционирования: поиск цели при малом диапазоне линейных перемещений объекта и задачу навигации — определение линейных координат при удалении подвижного объекта от начального положения. Описаны структура разработанной системы, связи между ее компонентами. Приведены основные технические характеристики, а также экспериментальные результаты, полученные при линейном перемещении приемника и при его движении по кольцевой траектории. Сделан вывод о необходимости индивидуальной калибровки системы для достижения предельной точности позиционирования. Дан перечень дальнейших работ, проводимых после физического запуска системы.
ВВЕДЕНИЕ
Магнитное позиционирование (МП) подвижных объектов — высоконаучная технология, появившаяся за рубежом в 1970-х гг. прошлого века и успешно развивающаяся там в ряде областей науки и техники [1—6]. Эта технология позволяет определять линейное положение и ориентацию подвижного объекта в неподвижной системе координат. Суть технологии МП состоит в генерировании детерминированного магнитного поля в заданной зоне перемещения и измерении компонент этого поля подвижным приемником. Результаты магнитных измерений сравниваются с вычисленными значениями для предполагаемого положения и ориентации приемника, что позволяет путем итерационной процедуры определять текущие координаты подвижного объекта, жестко связанного с приемником.
В РФ нет отечественного производителя магнитных систем позиционирования, несмот-
ря на наличие обширного потенциального рынка от биомеханических систем до инвазив-ной медицины, строительных технологий и авиационных систем целеуказания. В данной работе даны результаты испытаний макетного образца первой отечественной полномасштабной системы магнитного позиционирования и перечень необходимых первоочередных работ.
В общем случае все многообразие применений магнитного позиционирования [4—6] может быть сведено к двум основным типам задач:
— поиску цели, когда основное значение имеет определение ориентации подвижного объекта при малом диапазоне линейных перемещений (дополненная реальность, авиационное целеуказание);
— задаче навигации, т. е. определению линейных координат подвижного объекта при его направленном перемещении — удалении от начального положения (подземная навигация, инвазивная медицина).
Наиболее сложной в реализации является комбинация двух указанных задач, например, в биомеханике и спортивном тренинге, когда свободные движения человека при большом радиусе поворота в широких диапазонах влекут за собой изменение всех шести координат [5, 6]. Перечисленные первичные применения определили характер работы и испытаний разработанного образца, результаты которых приведены ниже.
СОСТАВ СИСТЕМЫ
Состав разработанной системы приведен на рис. 1. Система содержит в себе:
— устройство измерительное подвижное УИП — приемник, устанавливаемый на объект позиционирования;
— генератор магнитного поля ГМП, фиксированный в неподвижной системе координат; как правило, центр ГМП совмещен с началом прямоугольной системы координат, в которой ведется позиционирование;
2
Бепзогэ & Бузгетв • № 1.2009
Рис. 1. Иерархическая структурная схема системы магнитного позиционирования "М1ТЕСН-3.1"
— контроллер, обеспечивающий работу элементов системы;
— управляющий персональный компьютер с адаптированным системным блоком (АСБ) и специализированным програм-мно-математическим обеспечением (ПМО);
— компьютер потребителя (КП), получающий данные позиционирования в реальном масштабе времени по последовательному интерфейсу.
Подвижный приемник изображен на рис. 2. При решении задачи позиционирования движений человека подвижный приемник может быть установлен на любой части тела оператора, причем он подключается к контроллеру длинным сигнальным кабелем, не ограничивающим движения оператора. При выполнении задачи целеуказания УИП устанавливается на голове оператора посредством шлема или другого устройства, обеспечивающего жесткую связь приемника с направлением линии визирования на выбираемую цель [4].
На рис. 3 показан генератор магнитного поля, ориентированный на решение биомеханической задачи с радиусом действия до 3 м. При позиционировании свободных движений человека целесообразно установить ГМП на немагнитной подставке высотой до 1,5 м от пола. Так как генерируемые магнитные поля могут влиять на ра-
боту электронно-лучевых дисплеев при расстоянии менее 1 м, то ГМП подключается к контроллеру длинным кабелем, позволяющим вынести электронные средства из зоны влияния генератора. На LCD-дисплей и другое вычислительное оборудование система не влияет. Для выполнения других задач генератор поля может иметь габариты как меньшие (для целеуказания), так и большие (для дальней навигации).
Контроллер соединен с адаптированным системным блоком управляющего компьютера и может быть расположен в непосредственной близости от него. Компьютер потребителя (Notebook) соединен с АСБ кабелем Ehternet и может быть удален на значительное расстояние.
Рис. 2. Подвижный приемник в сравнении с батарейкой типа "Крона"
l
Рис. 3, Генератор магнитного поля для решения биомеханической задачи в тренажерном зале
Амплитуда генерируемых магнитных полей находится на уровне долей магнитного поля Земли (МПЗ), что определяет безопасность системы для человека. Напряжения, действующие внутри системы, не превышают пиковых значений напряжения питающей сети (310 В). Развязка элементов системы по отношению к питающей сети выдерживает напряжение 4 кВ. Подвижный приемник имеет потенциал корпуса компьютера.
Основные технические характеристики системы
Число вычисляемых координат подвижного приемника: только линейные. . 3 линейные координаты и углы Эйлера. . Диапазоны функционирования системы по углам ориентации подвижного объекта, град:
по азимуту и крену по углу места .... Диапазоны углов видимости подвижного объекта из центра неподвижной системы координат по азимуту
и углу места.......
Разрешающая способность позиционирования:
по линейным координатам, мм, не ху-
же ............. ±1
по углам ориентации, град, не хуже. ±0,1 Собственная точность позиционирования в свободном пространстве*: по линейным координатам, мм, не хуже ............. ±5
по углам ориентации, град, не хуже. ±0,5 Частота обновления выходной информации, Гц.......... 25...50
Температурный диапазон, °С......... 10...40
Объем генератора магнитного поля (ориентация на задачу биомеханики), л. . . . 27 Объем подвижного приемника(может быть уменьшен), см- 30 Объем контроллера, щ
не более.......... 8
Расстояние от контроллера до ГМП, м, не менее.......... 6
±180 ±90
±180
Расстояние от контроллера до подвижного приемника, м, не
менее............. 10
Интерфейс к потребителю ............. Ethernet
Операционная система ............... Windows ХР
реального времени
Напряжение питания,
В (Гц)............ 220 (50)
Потребляемая мощность (кроме компьютеров), Вт......... 100
Дальность действия системы с заданной точностью и частотой измерений......... Сфера радиусом I...1.5 м от центра
гмп
(см. рис. 3.)
0,7 Я 0,6
| 0,5 к
а
§ 0,4 а
& °'3 <D
ИЗ
в 0,2 с?
0,1
—д— —А— —д—
0,462 0.498 0,541 0.59 0,643 0,699 0,757 0,817 0,879 0,942 1,007 1,07 Дальность от центра ГПМ, м
Рис. 4. Вычисляемые системой линейные координаты подвижного объекта в зависимости от задаваемого удаления от ГМП при линейном движении УИП по заданному направлению:
□ — продольное удаление, 0 — поперечное смещение, А — высота
* Примечание. Приведенные параметры точности позиционирования в соответствии с мировой практикой [1] даются ддя справки (в статике, при радиальном перемещении УИП с постоянной ориентацией в зоне, не далее 750 мм от центра ГМП). Интегральная точность в диа-пазоне координат подвижного объекта определяется индивидуально условиями каждой конкретной задачи.
ПРОВЕДЕНИЕЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Испытания системы проводились в неподвижном помещении кирпичного дома с железобетонными перекрытиями. ГМП находился в центре неподвижной системы координат на высоте ~700 мм от пола. Линейные перемещения УИП контролировались по сетке миллиметровой бумаги, наклеенной на плоские поверхности. Угловые перемещения задавались по нивелиру Н-10 N06752.
На рис. 4, 5 приведены статические зависимости линейных координат и углов ориентации подвижного объекта при его линейном перемещении в неподвижной системе координат. Начальное значение угла места —5°, крена 2°.
Между дискретными положениями УИП система осуществляет автоматическое сопровождение подвижного объекта в процессе его перемеще-
15
10
к к и
cs
К
а
° -5
|
>>-10
-15
—+
— —--- —rw ___1— -h-
0,462 0,498 —о— 0,541 —х— 0,59 —х— 0,643 —X— 0,699 0,757 0,817 0,879 0,942 1,007 1,07
х— —X— —X— "--X— —X
Дальность от центра ГПМ, м
Рис, 5. Вычисляемые системой углы ориентации подвижного объекта в зависимости от задаваемого удаления от ГМП при линейном плоскопараллельном движении УИП по заданному направлению:
О — азимут, Ш — угол места, + — крен
ния между точками. Скорость перемещения не превышала 1000 мм/с во избежание срыва сопровождения. В данном случае осуществляется плоскопараллельное перемещение по заданному направлению без изменения ориентации подвижного приемника. Тестовое движение производится по биссектрисе угла между осями Xи Кдекарто-вой системы координат на постоянной высоте, равной 405 мм. Движение происходило из точки начального захвата с координатами х = 0,15; у = 0,15; г = 0,405 в точку с координата
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.