面向运动跟踪的电磁定位技术研究

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1、硕士学位论文面向运动跟踪的电磁定位技术研究作者姓名：李志飞指导教师:于峰崎研究员中国科学院深圳先进技术研究院周翊民副研究员中国科学院深圳先进技术研究院学位类别:工程硕士学科专业:计算机技术培养单位:中国科学院深圳先进技术研究院2018年10月StudyonElectromagneticPositioningforMotionTrackingAthesissubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentofther

2、equirementforthedegreeofMasterofEngineeringinComputerTechnologyByLiZhifeiSupervisor:ProfessorYuFengqiAssociateSupervisor:AssociateProfessorZhouYiminShenzhenInstitutesofAdvancedTechnologyChineseAcademyofSciencesOctober2018摘要摘要六自由度运动跟踪用于测量、跟踪、记录物体在三维空间运

3、动轨迹与姿态变化的高技术系统，是人机交互、虚拟现实系统、机器人远程遥控、互动式游戏、体育训练等多个应用领域的核心关键技术。本论文研究基于电磁感应的运动跟踪技术，与光学式跟踪技术和惯性导航技术相比，电磁式运动跟踪设备成本低廉、装配简单、良好穿透性，因为计算的是绝对位置，不存在误差累积问题。因而，电磁定位技术具备区别于传统跟踪技术的独特优势，具有很大的应用发展潜力以待挖掘。然而，电磁定位也存在跟踪范围小、金属/磁体干扰严重等问题，如何提高系统精度、实时性以及抗干扰能力仍是当前广泛研究的课题。本论文主要

4、研究的关键技术问题包括：1）载流线圈的磁场分布模型，它是快速精准解算六自由度参数的首要问题；2）电磁信号衰减严重，如何从微弱感应电压信号中解析位置耦合信息，这对滤波处理和解调的设计要求比较高；3）常用预校准技术依赖于人工标定，或需冗余异类定位设备辅助，自动高效的系统参数校准方法是电磁定位领域的难点。综合电磁学、数字信号处理、算法分析与电子电路设计等多类学科交叉知识，本论文研究交变磁场模型、新型6-DoF求解算法，探讨异步解调中的频率失配问题，辨识静态环境中所存在的参数偏差，并提出新颖系统校准方法，

5、研发具有实用价值的电磁运动跟踪系统，以可视化方式展示定位定姿结果。主要研究内容及特色可归纳如下：1、研究在准静态电磁场下同面非共轴发射线圈阵列的定位物理模型。本论文将针对发射线圈阵列的同平面布置方式，对比分析不同定位模型下磁场分布特性，达到同时兼顾计算实时性与近距精度的目的。2、探索快速计算运动节点空间状态变化的算法。建立等效模拟定位模型，研究高效计算最优位姿参数方法，对比几种典型求解方式的数值误差和收敛速度等性能指标。3、设计并实现电磁式跟踪电路系统。研究在准静态电磁场下电磁信号的接I摘要收与处

6、理技术，探讨频分激励的信号分离方法及其频率失配问题，集成信号发生器、同面发射线圈组、传感线圈与数据采集卡，搭建目标跟踪算法验证平台。4、提出静态环境下的系统参数自动校准方法。校准往往是一项复杂繁琐过程，讨论一种用于自动校正系统参数偏差的新方法，使用独立简单配置，构建并求解涉及所有参数的超定方程，以快速校准系统。本论文采用理论分析结合电路实现的研究手段，对电磁跟踪系统在提高精度、减小延时以及降低干扰的三大基础研究问题上提出新颖解决思路；从研究背景、定位物理模型、六自由度解算方程组、数字信号解调、参数

7、预校准以及平台实现与测试等方面阐述系统的研发过程，最后将所提出的方法和技术与现有的研究结果进行对比，证明其创新性和有效性。关键词：六自由度；电磁运动跟踪；最小二乘算法；数字异步解调；自动校准IIABSTRACTABSTRACTThesixdegreeoffreedom(6-DoF)motiontrackingisusedformeasuring,trackingandrecordingthemotiontrajectoryandattitudestatusofobjectsasaHigh-tech

8、systemin3Dspace,whichisconsideredtobeoneofthekeytechnologiesofhuman-computerinteraction,virtualrealitysystem,robotremotecontrol,interactivegames,sportstrainingandotherapplicationfields.Inthispaper,electromagneticsensingbasedtrackingtechnology(