基于磁传感器阵列的消化道微型诊疗装置定位跟踪方法

实时定位与跟踪是消化道微型诊疗装置实际应用中必须解决的关键问题。提出了一种基于三轴磁感传感器阵列的实时定位跟踪方法,使用磁偶极子模型作为永磁体的磁场分布模型,用4×4的三轴磁感传感器阵列检测永磁体的空间磁场,通过控制电路和USB接口适配器将检测出的信号传入计算机,最后由定位程序使用非线性最优化方法由磁场信号解出永磁体的位置和姿态信息。设计了磁定位系统,建立了三维实验平台,并开展了定位,模拟肠道轨迹跟踪和介质材料影响等实验。实验结果表明该系统能够对内置小型永磁体的电子胶囊的位置和姿态进行非接触测量,对于距离传感器阵列平面150mm的电子胶囊,平均定位精度小于7mm,平均定向精度小于6度,该系统能够对在距离传感器阵列平面80mm至250mm的模拟肠道内运动的电子胶囊实现轨迹跟踪,并且定位精度对人体、织物、塑料等非磁性介质不敏感。该系统基本能够满足消化道微型诊疗装置在体内的实时定位与连续跟踪的要求。     

应用磁传感器阵列定位跟踪消化道诊疗胶囊

为实现对消化道微型诊疗装置在人体内的实时定位与跟踪,建立了一种基于三轴磁传感器阵列的磁目标实时定位跟踪系统.该系统使用磁偶极子模型作为永磁体的磁场分布模型,用4×4的三轴磁传感器阵列检测固定在电子胶囊中的永磁体产生的磁场,通过控制电路和USB接口适配器,将检测出的磁场信号传入计算机,使用非线性最优化方法由磁场信号解出电子胶囊的位置和姿态信息,最后由定位软件实时显示定位结果并保存数据.实验结果表明,该系统对于距离传感器阵列平面150 mm的电子胶囊,平均定位精度＜7 mm,平均定向精度＜6°;同时,该系统能够对距离传感器阵列平面60～220 mm的模拟肠道内运动的电子胶囊实现实时跟踪;并且该系统对人体、织物、塑料等非磁性介质不敏感,基本上能够满足消化道微型诊疗装置在人体内的实时定位与连续跟踪的要求.     

高背景磁场下的差分磁定位算法及应用

为了有效去除高背景磁场对永磁体定位的磁干扰,本文提出了一种高背景磁场下的差分磁定位算法.在背景磁场大小和方向均相等的两位置点处布置一组磁传感器,每组传感器均采用差分放大电路,共八组通路.在高背景磁场下,运用差分磁定位算法反演永磁体的位置和姿态.并将该算法应用于外磁场导向的仿生微型机器人,设计了定位硬件系统.通过实验验证了此差分磁定位算法可以较好地反演该仿生微型机器人位置和姿态.     

体内微型诊疗装置磁定位简化模型的实验研究

无创定位技术是MEMS器械用于人体内诊疗过程的重要研究环节之一。这里在分析永磁体空间磁场分布规律的基础上,讨论了体内微型诊疗装置的磁定位技术;同时,通过实验研究和曲线拟和,对磁定位模型进行了简化,使磁定位的计算更快,检测传感器的放置更简单。实验结果表明,在一定误差范围内,该简化模型可以用于体内微型诊疗装置无创实时定位。     

基于矩形永磁体磁场信息的6自由度微位移精密测量

利用矩形永磁体自身有规律分布的磁场信息,提出一种使用霍尔传感器阵列作为传感检测模块的非线性计算测量方案。该方法可实现空间六自由度的微位移精密测量,并能保证测量轴间的严格数学正交特性。此方案利用矩形永磁体分布磁场与空间位置间的对应关系,建立永磁体的磁感应强度空间分布数学关系B(X),作为测量模型,并设计均匀布置的霍尔传感器阵列检测空间磁感应强度B。然后,基于运动连续性原理,采用顺序求解法对测量模型B(X)进行快速解算。通过高斯白噪声条件下的500次蒙特卡洛仿真验证了此方案的可行性。试验结果表明,在微位移10 mm测量范围内,XY平动测量误差标准差小于80μm,Z向2 mm垂直位移范围内测量误差标准差小于10μm,转动?/6范围内测量误差标准差小于5 mrad。     

基于MEMS传感器的旋转永磁体定位技术

基于地磁场的随钻测量系统具有问题:进行轨迹拟合时存在误差积累;在地磁场受干扰时无法进行准确定位.使用永磁体进行定位可以消除以上问题.利用永磁体的磁场模型,建立了旋转永磁体定位模型,利用MATLAB对模型的数学特性进行了分析.提出了基于旋转永磁体的曲线拟合定位算法,并给出了算法实现流程.基于3轴MEMS加速度计和3轴MEMS磁阻传感器搭建了测量系统,并在实验室环境下进行了模拟实验,定位精度达到cm量级.     

一种基于优化小波特征的非线性目标跟踪算法

提出了一种基于优化小波特征的,应用于复杂背景干扰环境中的非线性目标跟踪算法。选取Gabor小波网络来表征目标的空域特性,即运用一定数量的小波构成一个集合,利用优化方法优化小波参数,从而获得稳健的Gabor小波集合来表示目标特征。运用优化的非线性粒子滤波算法,使每个粒子表示目标特征的一组估计运动参数,并通过L-M优化方法使粒子向局部峰值点移动,呈现出"多峰"的跟踪形式。实验结果表明:该算法对光照、噪声不敏感,具有较强的抗局部遮挡能力,平均跟踪误差小于一个像素,与标准的非线性粒子滤波跟踪算法相比,平均跟踪误差减小了50%。     

磁弹性微型游泳机器人在外部干扰和复杂路径下的精确跟踪控制

基于磁弹性复合材料设计一种毫米级微型游泳机器人,利用三维亥姆霍兹线圈实现空间均匀磁场对机器人的无缆驱动,通过时变旋转磁场来改变机器人的运动姿态,从而实现机器人的游泳动作。介绍微型游泳机器人结构及制作流程,并利用Abaqus建立仿真模型,通过有限元仿真和试验对机器人的游泳特性进行对比分析,研究磁场频率、强度对游泳速度的影响。在此基础上,采用改进型视距导航控制方法提高游泳机器人的抗干扰能力,同时提出一种速度模糊自适应算法和头尾转换控制实现了对复杂规划路径的精确跟踪,试验结果表明,该算法能克服常规匀速视距导航控制易发生跟踪点丢失、无法再次回归跟踪路径等缺点,并能很好地减小路径跟踪误差,为磁控微型游泳机器人的精确控制提供了新思路。     

飞机叠层结构埋孔对接定位系统的设计与试验研究

为实现现代飞机叠层结构的高效精密制孔,设计了一种埋孔对接定位系统。结合叠层结构材料的非磁性特点,运用磁场定位原理和气压传动技术,对埋孔对接定位系统的机械、电气、控制等部分进行具体设计,并对环氧树脂与PVC组成的叠层试件进行了埋孔对接定位试验。在试件中选定的一组埋孔,置入相应的?8mm圆柱永磁体;调整霍尔传感器距离试件外侧表面5mm,并使其沿Z型路径进行扫描永磁体。一次扫描后检测孔距的最大误差为0.35mm;将所有圆柱永磁体均旋转过180°后再扫描,两次检测孔距的最大均值误差为0.13mm。研究结果表明,所设计的系统能够满足飞机叠层制孔的定位要求。     

消化道微诊疗装置的定位微粒群算法研究

为了对消化道内的微诊疗装置实现无创遥测跟踪,采用了多磁源的交流励磁定位新方法,在体外布置多个线圈,分时励磁产生交变磁场,通过无线磁传感器检测消化道内目标物所处的空间磁场,即可结合定位模型求解出目标方位。在方位求解中,针对高次非线性定位方程组变量多、不单调、具有多个局部极值点的特点,将方程组求解问题转化成非线性无约束寻优问题,创新地运用参数自调整的邻域微粒群优化定位算法对其求解。实验结果表明,定位算法具有不依赖于初值、精度高、收敛速度快的特点,成功解决了定位中多局部极值的高维优化问题,为定位方案的实现提供了理论依据。