基于磁信标的水平定向钻进导向技术研究

为了解决现有水平定向钻进导向方法测量精度低,定位深度浅,测量数据不连续以及受磁场干扰影响大的问题,提出一种基于磁信标的水平定向钻进导向定位方法,实现水平定向钻进的位置和姿态测量;设计了基于三阶磁梯度张量的测量阵列,通过仿真验证该方法可以消除地磁场的影响,实现位置测量;依据惯性导航理论,利用MEMS传感器、测量阵列位置信息和零速信息进行多源数据融合,对惯性导航解算出的姿态误差进行估计和修正,提高姿态测量精度。通过地面位置测量实验对基于三阶磁梯度张量的位置测量算法进行验证,位置测量结果的平均相对误差为4.57%;通过地面姿态测量实验对多源数据融合算法进行验证,结果表明,倾角误差在0.3°以内,工具面角误差在0.7°以内,方位角的误差值在1°以内,证明了提出的姿态测量算法的准确性和有效性。研究成果可以提高非开挖水平定向钻进适用范围、实时性和定位精度,为水平定向钻进导向技术自动化提供了理论基础。

基于磁偶极子的磁信标标定方法

针对磁信标产生的超低频磁场定位中磁信标磁场中心难以标定的问题,提出了一种基于磁偶极子磁感应强度分布特征的高精度磁信标标定方法。为描述磁信标在空间中任意位置产生的磁场分布情况,建立磁信标的等效磁偶极子模型,通过磁感应强度不同方向的分量与位置关系解算出磁信标线圈磁场的中心位置,利用自适应指数平滑算法减弱自身波动对磁感应信号的影响,实现对磁信标磁场中心的高精度标定。对标定方法进行有限元仿真,仿真结果显示,使用磁感应强度分布特征对磁场中心的标定精度在毫米级别,通过对标定前后定位精度的对比发现,标定后的磁信标定位精度得到有效提高。

基于低频磁信标的全天时自主定位方法

由于以GPS、北斗为代表的GNSS信号容易受到天气和位置的影响,单纯使用GNSS在某些条件下会有较大的定位误差,甚至无法提供定位服务。针对这种情况研究了基于低频磁信标的自主定位方法,分析了电磁学中的毕奥-萨伐尔定律等原理,建立了基于低频磁信标定位的系统模型,给出了分离式双信标定位方法。通过实验分析了信标安装的误差特性,最后通过仿真和实际实验验证了该定位方法的有效性,对于室内机器人导航、地下生物探索、水下跟踪定位等单独采用GNSS定位影响较大的场景下的自主定位与导航具有重要的工程应用价值。

高精度磁信标中心位置与姿态角标定方法

针对磁信标导航中磁信标实际产生磁场中心与姿态角难标定的问题,提出一种基于低频时变磁场特征矢量的高精度磁信标标定方法。首先根据磁信标在三维空间中的磁场模型,利用多个位置与姿态已知的磁强计对待标定磁信标进行测量,解算实际磁场中心位置。再根据磁场中心位置与磁强计测量到的磁场方向矢量解算实际磁场的坐标轴姿态角,实现对磁信标的高精度标定。仿真条件下,磁信标中心位置标定精度可达0.009 m,姿态角精度可达0.13°;在实际实验中,目标位置与姿态角解算精度相比传统方法分别提高了28.6%与62.8%,充分验证所提方法具有更高的可靠性与有效性。利用该方法标定后的磁信标为磁信标导航系统提供了更可靠、精确、适应性更强的时变磁场信号源。

基于磁信标的水下SLAM方法

水下同步定位与构图(SLAM)由于可在未知环境下实现长时间高精度导航估计,已成为近年来UUV自主导航的重要发展趋势之一。无人水下航行器(UUV)在运动过程中,以航行区域的背景地磁图为辅助提取磁信标磁场矢量和梯度特征。为增强SLAM技术在自然特征欠缺环境中的有效性,同时避免水下磁信标磁矩未知性对反演的影响,文中采用人工磁信标作为路标,为SLAM导航系统的状态更新提供观测信息。并采用张量欧拉反褶积(TED)和磁场梯度张量特征分析(EGT)相联合的反演方法对磁信标进行单点反演定位,在此基础上提出连续反演结果收敛性判定准则,准确提取磁信标与UUV之间的相对位置信息,进而构建SLAM系统的线性观测量。最后通过设计的3种磁信标分布场景对基于磁信标反演定位的SLAM系统性能开展了试验验证,基于试验结果分析了磁信标分布状态对系统性能的影响,表明了磁信标辅助方式在水下SLAM研究中的有效性。文中的研究可为UUV长航时水下安全隐蔽作业提供参考。

空间磁信标定位系统的信源结构设计

磁信标导航定位系统的信源主要有永磁体磁信标和通电螺线管磁信标两种,基于毕奥-萨伐尔定理提出了锥形组合结构和平面交叉组合结构的永磁体磁信标设计方案,通过与现有的单永磁体信标及正交永磁体信标进行对比,得出锥形组合结构磁信标在与平面夹角为70°时产生的磁场信号性能最佳,在二维平面内能够明显提高信号的指向性;设计磁体夹角为60°的平面交叉组合信标,改善了现有信标存在信号盲区的问题并且提高了信号的传输距离。针对平面交叉组合旋转磁信标分析一元组合信标与二元阵列组合信标产生的磁场性能,仿真结果表明,在不同属性的传播介质中阵列布设信标产生的磁场信号鲁棒性更好。利用NdFeB永磁体材料搭建信号检测分析系统,在基线为5 m,信标旋转角度差值为0时,两种信标布设方法产生的最大误差分别为3.55 nT和5.80 nT,证明了所设计的磁信标结构的实用性,为磁导航定位系统的信号传输距离有限、信号提取困难等问题提供了有效地解决方案。

基于双十字形测量结构的磁信标定位方法

为解决地磁场对磁信标定位影响较大的问题,首先提出了一种两点式磁梯度张量解算运动载体位置的定位算法,然后通过对定位算法进行分析,设计出测量两点磁梯度张量的双十字形测量结构,最后建立关于以位置坐标为参数的非线性方程,利用粒子群算法得出目标位置的最优解。仿真结果表明磁信标与运动载体在单一坐标轴上的距离大于25 m时,磁传感器精度和信标磁矩对定位误差影响较大,在环境磁噪声影响下,当信噪比低于80 dB时,定位误差显著增大,基于双十字形测量结构的磁信标定位方法可有效消除地磁场和其他恒定磁场的影响。

磁信标的三维磁场计算及优化设计

磁信标定位技术在现代定位领域中显示出越来越重要的作用,为确定磁信标的最佳设计结构,用Comsol Mutiphysics软件对不同结构的磁信标产生的三维磁场进行了有限元分析,讨论了磁信标的材料、结构、形状等参数不同时磁场强度的性能并对其进行优化设计。在此基础上分别研究了单、正交、阵列永磁体磁信标及单、正交螺线管磁信标的场强特性,使用MATLAB软件对不同结构磁信标的场强大小及稳定性进行了仿真模拟,得出对永磁体磁信标来说,正交组合磁信标产生的磁场稳定性更好,对螺线管来说,加磁芯的正交螺线管磁场强度稳定性较好,适用于高精度磁信标定位系统。不同阵列磁信标的最佳基线长度不同,产生的磁场强度约为组合磁信标的倍数,但随着距离的增加磁场变化率较大造成场强分布不稳定,适用于误差容错较高的磁信标定位系统。

一种基于置信评估的多磁信标选择方法及应用

针对灵巧无人平台系统携带的能源与计算资源有限,利用磁信标导航定位过程中可用磁信标过度冗余占用大量系统资源的问题,提出一种基于置信评估的多磁信标选择方法,考虑平衡导航定位精度与系统资源占用之间的关系,有效选择最少数量的磁信标最优组合,既减少系统资源的消耗,提高系统快速性,又能保证多磁信标导航定位的精度。首先根据目标处对各个磁信标的观测信息建立伪后验概率密度分布模型;再根据各磁信标的伪后验概率,实现对各个磁信标的置信评估并计算置信度;最后根据置信度依据磁信标数量约束条件,选择当前测量环境适合参与导航解算的最优磁信标组合。在实验结果中,利用所提出的方法,相对于较差的磁信标组合精度提高65.98%;而相对于仅依靠距离选择出的次优组合,精度提高约13.92%,且最优磁信标组合选择准确率高达91.5%。实验结果证明了所提出的方法可有效选择得到最优磁信标组合,保证定位精度并节约系统资源。

不依赖GPS的磁信标导航定位系统

研究了一种不依赖GPS的磁信标导航定位系统。在低频磁场和导航中,我们使用磁感应线圈作为信标。在此基础上,提出了基于扩展卡尔曼滤波和数据融合算法的定位方法,提高了系统的精度。通过仿真验证了该导航仪的导航定位方法,结果表明所提出的磁信标导航定位算法对GPS信号受限的许多环境(如室内机器人导航、地下物理勘探等)具有吸引力。

基于螺线管磁信标的定位系统研究

水平定向钻进技术作为近年来我国发展非常迅速的一种工程实践技术在许多领域中得到了广泛的应用,例如在石油勘探、地矿挖掘、城市排水、管道铺设等方面都发挥着至关重要的作用。水平定向技术属于非开挖技术领域,所谓非开挖技术是指相较于传统的地面挖沟槽的施工方式改为了地底钻孔的施工方式。这种方式存在的问题是钻头在较长以及较深的位置施工时,钻头由于地层种种因素的影响,导致了工程师无法有效的控制钻进轨迹,这时就需要采用水平定向钻进技术来使钻进轨迹不会偏离一开始所设计的钻进轨迹。如果不进行纠偏的话,往往会导致工程师不得不放弃已施工的地面钻孔、重新设计钻孔轨迹、延误工期、大大增加了施工成本等。可以看出水平定向技术的关键在于在钻进工程中对钻头位置的实时定位导向。本文针对钻头定位问题,提出了一种基于螺线管的地面磁信标实时定位方法,该方法定位精度及效率高,受环境干扰小,适用范围广。

基于萤火虫算法的磁信标自主定位方法

传统定位和跟踪应用(如雷达和GPS等)受天气、地域的限制,无法适应室内、地下、水下等应用场合,对此研究了一种低频磁信标定位方法,可穿透土壤、岩石、海水、建筑物和许多其他类型的介质,不受恶劣的天气条件或昼夜变化的直接影响,在许多室内和室外环境中应用十分方便。针对传统磁信标定位存在的问题,分析了分离式磁信标定位的原理,给出了萤火虫算法在磁信标定位中的数学模型,提出了一种基于萤火虫算法的磁信标自主定位方法,该方法适应性更强,更易于工程实现,最后通过仿真和实验验证了该方法的可行性。

基于旋转永磁信标的相位式空间目标定向机理及实验研究

提出一种将相位式空间目标定位机理应用到人工磁信标导航的方法。为提高人工磁信标导航的定位精度,引入相位式测角的思想。实验验证过程中,首先对单个永磁体和组合型永磁体的性能进行对比分析,得出组合体性能更好。然后通过仿真分析出磁力仪在不同方位、姿态情况下测得磁信号的相位信息与方位间的关系,说明了通过测量磁信号进行相位式空间目标定位机理的可行性。最后利用实验仪器进行实际测量,进一步验证了理论的有效性。

肝肿瘤精准放疗前磁粒子信标植入的可行性研究

目的探讨肝脏恶性肿瘤精准放疗前磁粒子信标植入的可行性。方法2019年4月至5月,江苏省肿瘤医院放疗科对2例肝脏恶性肿瘤患者在行肝脏病灶放射治疗前,在CT引导下行肝肿瘤旁磁粒子信标植入术。观察患者磁粒子信标植入效果及不良反应发生情况。结果2例手术均成功完成,手术中磁粒子信标顺利植入肝实质内病灶旁预定靶点处。术中无明显出血,术后即刻CT扫描肝包膜下无出血,患者无明显疼痛等不适,术后无发热。术后第5天定位CT检查示仅1枚信标轻微移位,余信标无移位,CT图像无明显金属伪影。2例患者放疗结束后行肝脏3.0T MRI检查示信标处磁敏感伪影较明显,影响局部肝脏组织的观察。结论肝脏磁粒子信标植入术安全可行。信标植入后短期内在肝实质内有小范围移位的可能,故定位CT检查建议在信标植入4天后,待信标固定后再进行。信标植入后行CT扫描无明显金属伪影,后期随访建议首选CT检查,MRI检查磁敏感伪影较明显,会影响局部疗效评估及发现新小病灶。

基于多磁信标的指纹匹配定位算法

针对室内、地下以及障碍物较多的复杂环境中,可用导航源匮乏问题,本文提出一种利用低频时变磁场实现目标高精度位置与姿态解算的解决方案。传统时变磁场定位方法要求磁信标坐标系与目标坐标系一致且无法解算目标相对姿态角信息,同时精度普遍较差。本文提出的方案在解决传统方案的局限性基础上,又提出一种基于指纹匹配的改进方案,具有穿透性好、鲁棒性强且精度高的特点。首先根据空间中测量磁场计算磁信标接收信号强度RSSI(Received Signal Strength Indicator)拟合直线,根据指纹匹配原理估计目标位置;再根据测量磁场方向矢量模型,反演解算目标姿态角信息,实现目标位置与姿态信息解算过程,研究并分析了磁信标导航系统误差来源及解决方案;最后通过对比实验,验证本文提出的算法在实验条件下,位置估计误差期望为0.069 m,姿态角估计误差期望为2.3°,且误差不随时间积累,相对于传统的磁信标导航方案具有明显优势,具有较高的工程应用价值。

面向室内场景的惯性磁感应定位方法

针对卫星拒止的室内导航问题,在现有磁信标定位技术的基础上,通过分析低频旋转磁场的特点,建立了一种不受传感器姿态和磁信标磁矩信息影响的磁感应矢量夹角观测模型,并结合MEMS惯性导航的误差模型提出了一种以磁感应矢量夹角的正余弦值为量测信息的惯性磁感应动态定位方法,避免了磁传感器姿态误差和磁矩误差对定位结果的影响。利用实验室的双轴磁信标实验系统进行静态测试,验证了磁感应定位模型具有不受传感器姿态、环境中遮挡物以及磁矩影响的特点;通过数值仿真的方式对基于无迹卡尔曼滤波(UKF)的惯性磁感应定位方法进行验证,结果表明该方法能有效地抑制惯性导航的发散,且位置最大误差小于0.75 m,满足大多数室内场景下的高精度导航定位需求。

基于磁梯度张量的旋转永磁体定位技术

为解决现有无线导航定位系统在一些特殊场合定位精度不高甚至出现无法使用等问题,根据磁场信号穿透力强、可全天候工作的优势,提出了一种基于磁梯度张量(magnetic gradient tensor,MGT)的旋转永磁体三维定位技术。首先,利用旋转单永磁体作为磁信标产生固定频率的正弦磁场信号,在接收端依据信号特征采用总体最小二乘法提取信号。然后,利用Matlab软件对接收到的信号进行数据处理,解算出MGT及磁场强度的大小,通过建立数学模型求得位置信息。最后,在3种旋转频率下对所提出的方法进行实验验证,在45 m内的平均定位误差为0.24 m。分析表明,该方法能够有效降低环境磁场的干扰,具有隐蔽性、实时性等优点,在地下钻进系统、水下航行器运行等领域具有较好的发展前景。

不受姿态误差影响的惯性/磁感应融合定位方法

针对传统电磁信标导航定位系统中由惯性元件解算磁传感器姿态误差导致定位性能下降问题,提出了一种不受传感器姿态影响的改进惯性/磁感应定位融合定位方法,避免了姿态误差对定位结果的影响。首先,基于磁信标磁场分布规律与特征矢量构建了与传感器姿态无关的非线性磁感应定位模型;然后,结合惯性元件对载体目标的状态估计提出了改进的惯性/磁感应定位模型,降低了累计误差、提高了定位精度与结果的输出速度;最后,利用无迹卡尔曼滤波(UKF)对融合数据进行处理,实现对动态目标的位置估计。分别通过实验和仿真验证了不受姿态影响的磁感应定位模型以及惯性/磁感应定位方法的有效性。实验结果表明磁感应定位模型能够不受传感器姿态误差的影响实现定位;数值仿真结果表明惯性元件解算姿态辅助磁信标定位方法的最大误差为7.29 m,基于改进的惯性/磁感应融合定位方法最大误差0.77 m。

SmartMag定向钻进高精度中靶系统及其应用

SmartMag定向钻进高精度中靶系统是在地面经过数千次的试验后,于2009年首次进行工业性实验。结果表明,在已应用的23对对接井中,SmartMag系统性能良好、精确度高,对引导对接起到了至关重要的作用。介绍了该系统的结构原理和技术指标,总结了应用经验和技巧。

石油钻进中平行水平井垂直距离测定方法研究

针对蒸汽辅助重力泄油(SAGD)中注气井和产油井垂直距离的测距问题,提出了通过磁通门感应旋转磁信标中产生的交变磁场来进行垂直距离测距.并利用磁通门三轴感应输出值来计算2井眼之间的垂直距离,使注汽井和产油井的井眼轨迹保持在一定的范围内.由于钻具铁磁性材料会对距离测量产生误差,用当地磁场来对干扰磁场进行距离测量的校正,实验测量表明,该校正方法能在磁性材料干扰的环境下获得准确的垂直距离,具有简单、有效、实用的特征.