Способы магнитного позиционирования

В связи с проблемами точного определения погрешностей, перед разработчиками магнитных систем позиционирования встала задача: нужно было, чтобы система работала без дорогостоящей процедуры калибровки кабины (это особенно важно для вертолетов). Первое техническое решение, реализующее новый метод магнитного позиционирования, было опубликовано в октябре 1986 года [8]. Изменения коснулись в основном режима работы системы, тогда как состав магнитной системы позиционирования и вычислительные процедуры остались прежними. В новом методе вместо синусоидального магнитного поля генерируется последовательность импульсов с крутыми фронтами и плоской вершиной. Метод стали называть DC (системы позиционирования импульсного тока). Наличие плоской вершины у каждого импульса поля позволяет ждать затухания вихревых токов до начала измерений - в этом и есть основная идея этого метода. DC-метод дает возможность привязки магнитных систем позиционирования к борту летательного аппарата без картографирования кабины [9].

В импульсных системах магнитного позиционирования источник аналогичен источнику, применяемому в системе переменного тока, а датчик - применяемому в системе постоянного тока.

Работа системы происходит циклами, следующими друг за другом с частотой, определяемой необходимым темпом выдачи информации нашлемной системой целеуказания. Каждый цикл состоит из четырех подциклов: в течение первых трех последовательно на каждую из трех катушек источника подаются импульсы тока прямоугольной формы, а в течение четвертого источник полностью обесточивается. При этом вводится задержка на время затухания вихревых токов, возникающих в проводящих конструкциях кабины вследствие переходных процессов и искажающих сигнал на выходе системы [8].

Датчик в середине каждого подцикла производит измерение магнитного поля так же, как при работе системы постоянного поля. При этом за первые три подцикла измеряют компоненты магнитного поля источника с учетом поля помех, а за четвертый - только поле помех. Сигналы поступают в блок управления, где компоненты поля помех отделяются от полезных сигналов, после чего решается задача позиционирования

Вычислительный алгоритм DC-метода подразумевает, что магнитное поле Земли постоянно на всем цикле работы системы. Однако на движущихся объектах магнитное поле Земли быстро меняет ориентацию в системе координат летательного аппарата - оно непостоянно в период измерений. Для повышения точности компенсации поля Земли при высоких угловых скоростях производят экстраполяцию значений магнитного поля Земли, используя результаты его предыдущих измерений. Чтобы правильно передавать форму импульсного магнитного поля, измерительный канал DC-системы должен иметь полосу пропускания от нуля до нескольких (>5) частот следования импульсов, т.е. минимум до 1-2 кГц. В этом случае магнитные помехи с частотой бортовой сети питания 400 Гц попадают в полосу пропускания приемника и служат источниками дополнительной погрешности измерений. Для защиты от помех применяют синхронное детектирование.

Измерения магнитного поля проводят дважды за период изменения напряжения питающей сети - сначала на положительной полуволне, а затем на отрицательной, ровно через полпериода [9]. Помеха при этом остается той же по модулю, но меняет знак, а полезный сигнал одинаков в обоих измерениях. Если теперь взять полусумму этих двух измерений, то влияние помехи исчезает [8]. Цифровая обработка сигналов также значительно повышает помехозащищенность DC-метода.

Кроме того в электромагнитной навигации можно пользоваться такой особенностью глобального магнитного поля Земли, как его «дипольный» характер. Это означает, что вектор градиента магнитного поля в отсутствие магнитных возмущающих тел имеет преимущественно вертикальное направление, незначительно изменяющееся в зависимости от широты. Это свойство представляется весьма важным, поскольку может служить основой для систем негравитационного представления вертикали. Еще большей привлекательностью для решения задач пеленгации и наведения обладает тензорный магнито-градиентометр, измеряющий компоненты тензора вектора индукции магнитного поля. Такой магнито-градиентометр позволяет не только строго определить направление на магнитный объект, но и направление его дипольного момента. Следует отметить, что в настоящее время средства магнитных измерений еще недостаточно точны и стабильны для использования в составе тензорного магнито-градиентометра, однако анализ тенденций развития показывает, что создание таких приборов возможно, а, следовательно, изучение и моделирование методов тензорных магнито-градиентных измерений важно для развития высокоточных систем обнаружения, пеленгации и наведения.

При применении электромагнитного поля в так называемой ближней навигации, системы электромагнитного позиционирования могут определять местоположение с чрезвычайно высокой точностью (около 1 мм и 0,2°) [7]. Недостатки - высокая стоимость, сильное влияние металлических предметов, а также короткий диапазон действия. Таким образом, магнитный метод позиционирования незаменим в медицине. Кроме того, он не требует прямой видимости между генератором поля и подвижным приемником. В медицине магнитный метод - вне конкуренции по возможностям позиционирования в закрытом трехмерном пространстве тела пациента. Точное положение инвазивного инструмента в трехмерном пространстве - необходимое условие многих современных медицинских процедур. Пример, иллюстрирующий требования к точности и надежности позиционирования - введение катетера в сердце. В медицине системы электромагнитного трекинга работают в относительно малой зоне: как правило, не более одного метра. Приемник таких систем позиционирования перемещают внутри тела пациента вместе с инвазивным инструментом. Чаще всего используют одноосные индукционные приемники. Электрическая пассивность такого приемника (отсутствие питающих токов и напряжений) - дополнительное преимущество для инвазивного применения. Генерирующие катушки размещают стационарно на разных расстояниях с минимальной симметрией. Типичная конфигурация содержит несколько групп двумерных излучателей (ортогональных катушек с общим центром) и одномерный приемник [7]. В последние годы возникло новое направление в медицинском применении магнитного позиционирования: в тело пациента внедряется пассивный маркер, который генерирует сигнал, позволяющий детектировать его присутствие и определять местоположение. Маркер представляет собой миниатюрный резонансный транспондер, возбуждаемый внешней системой, которая обнаруживает ответный сигнал маркера и вычисляет его координаты. Структура электромагнитной системы для хирургической навигации изображена на рисунке 2.

Другие стьтьи в тему

Регулятор мощности
На современном этапе научно-технического прогресса огромную роль играет развитие электроники. Электронная промышленность определяет научно-технический и экономический потенциал Республики Беларусь. В данную отрасль промышленности входит множество объединений, заводов, конструкторских ...

Разработка структурной схемы пункта управления частотной системы ТУ-ТС
Телемеханика - как отдельная область науки и техники выделилась сравнительно не давно. Но не смотря на свою относительную «молодость» сразу же начала развиваться стремительными темпами, охватывая все новые и новые отрасли промышленности и сельского хозяйства. Сегодня, мы уже даже не з ...