Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

ОСОБЕННОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ МОБИЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ХОЛЛА

Авторы:
Город:
Владивосток
ВУЗ:
Дата:
09 марта 2016г.

Ключевые слова: геомагнитное позиционирование, акселерометр, гироскоп, датчик Холла, эффект Холла, девиация магнитного поля.

Уникальность и постоянство структуры магнитного поля Земли позволяет использовать его количественные значения в качестве опорного сигнала, аналогичного сигналам орбитальных GPS спутников, WiFi точек или базовых станциям сотовой связи, которые на сегодняшний день используются для позиционирования объектов на поверхности Земли. Магнитное поле Земли постоянно на всей ее поверхности и пронизывает все надводные, подводные подземные и наземные объекты, а его силовые линии  всегда ориентированы на географические полюсы Земли. Данное его свойство реализовано в магнитном компасе и уже на протяжение нескольких сотен лет используется людьми для ориентации на местности.

Доступные на сегодняшний день практически в каждом смартфоне мобильные датчики–акселерометр, гироскоп и датчик магнитного поля позволяют с достаточной точностью измерять количественные характеристики магнитного поля Земли, позиционировать положение смартфона в пространстве, а также отслеживать его перемещение. Это позволяет дает возможность навигацию во всех местах на поверхности Земли, включая и те, где плохое или совсем отсутствует покрытие WiFi сетью, и невозможно получить сигнал со спутника или базовой станции, т.е внутри зданий.

Даже несмотря на то, что природное магнитное поле Земли меняется со временем, о чем говорит смещение магнитных полюсов земли относительно географических, происходит это медленно, общий рисунок поля можно считать постоянным и достаточным для того чтобы применить его для позиционирования объекта в пространстве Встроенный в практически каждый современный смартфон датчик магнитного поля представляет собой Датчик Холла, принцип работы которого основан на Эффекте Холла - явлении возникновения разности потенциалов при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Если через полупроводниковую пластину в направлении перпендикулярном силовым линиям магнитного поля H пропустить ток, то на противоположных направлению тока краях пластины возникнет ЭДС.

Датчики Холла обеспечивают линейность, достаточную чувствительность, динамический диапазон для ручных устройств с функциями детектирования геомагнитного поля.

Один из самых распространенных мобильных магнитных датчиков - AK8973S, японской компании AKM, представляет собой монолитный кремниевый 3-осевой компас на основе сенсорной структуры Холла с круговым ИМК (интегрированным магнит концентратором), под которым по периферии размещены восемь спаренных элементов Холла (Рисунок 1). Сенсорная структура сформирована четырьмя ячейками крестообразного массива с фазовым смещением в 90°.

Элементы Холла измеряют магнитное поле в направлениях X и Y. Магнитное поле в направлении Z пересчитывается из измеренных значений.

𝑋1  = 𝑎𝐵𝑥  + 𝑐𝐵𝑧 ,

𝑋2  = −𝑎𝐵𝑥  + 𝑐𝐵𝑧 ,

𝐵𝑥  = (𝑋1 − 𝑋2)/2a,

𝐵𝑧  = (𝑋1 + 𝑋2)/2c.

Измерительный диапазон данного датчика Холла составляет ±2000 мкТл. Для сравнения железный объект весом примерно 0.5 м, на расстоянии 3 м изменяет магнитное поле на 0.001мкТл. О влиянии металл на магнитное поле Земли будет сказано ниже.

На Рисунке 2 показана блок – диаграмма датчикаAK8973S.



Секвенсор контролирует измерения, производимые посредством 3-осевогомагнитного датчика, и температуры. Датчик включает 8-битный ЦАП для компенсации магнитного смещения и 8-битный АЦП. 8- битный цифровой выход (с 12-битным эквивалентным разрешением, достигнутым посредством комбинации ЦАП и АЦП) с индивидуальной регулировкой данных (чувствительности) доступен через последовательный интерфейс I2C. Целевые применения компасов от AKM —системы навигации потребительских электронных устройств, игровые контроллеры. За пределами компасов магнитные датчики AKM допускают бесконтактные измерения линейного и углового положения, тока. Бесконтактные измерения механического положения с использованием малого магнита обеспечивают высокую надежность и большой срок службы устройства. Датчики Холла AKM предлагаются в широком диапазоне типов корпусов для соответствия различным требованиям, рабочие характеристики (чувствительность и т. п.)

На сегодняшний день топ пяти производителей мобильных датчиков мобильного поля составляют компании Asahi Kasei Microsystems (AKM), Allegro, MicroSystems, Inc., Infineon Technologies, Micronas и Melexis N.   V

Измеренные с помощью описанных датчиков величины индукции магнитного поля, связываются с координатной сеткой, а именно каждой точке с координатами (X;Y;Z) ставится в соответствие значение индукции магнитного поля в данной точке. На основе этих данных строится так называемая магнитная карта местности, которая накладывается на геоинформационную систему и далее осуществляется процесс позиционирования объекта в пространстве.

На Рисунке 3 изображен пример работы приложения на базе системы Android использующего полученные с помощью магнитного датчика AK8973S значения индукции магнитного поля в качестве опорного сигнала для позиционирования.



Графики, снятые с помощью приложения Sensor Kinetics при перемещении датчика из точки A в точку B течении 18 секунд показывают, что значения индукции магнитного поля измеренные в трех проекциях на координатную плоскость различны, и уникальны в отдельно взятый момент времени, что позволяет использовать их в качестве опорных значений магнитной карты для позиционирования объекта на карте помещения

Таким образом, для любого места на поверхности Земли может быть составлена уникальная магнитная карта местности с опорными точками. Это позволяет осуществлять позиционирование объектов в местах недоступных для GPS спутников.

Особое значение технология геомагнитного позиционирования имеет для зданий и со сложной архитектурой и многоуровневой планировкой, например,  таких как кампус  Дальневосточного федерального Университета. Позиционирование и  ориентирование внутри такого здания  становится сложной  задачей  без использования геоинформационной системы. Здесь первоочередной задачей является составления, анализ и редактирования магнитных карт зданий. Также несмотря на относительное постоянство естественного магнитного поля необходимо учитывать влияние металлоконструкций, вызывающих локальное искажение направления силовых линий магнитного поля и девиацию величины магнитной индукции.

 

Список литературы

1.     Jaewoo Chung, Matt Donahoe, Chris Schmandt, Ig-Jae Kim, Pedram Razavai, Micaela Wiseman//Indoor Location Sensing Using Geo-Magnetism

2.     YanyingGu; Lo, A.; Niemegeers, I.; , "A survey of indoor positioning systems for wireless personal networks, // Communications Surveys & Tutorials, IEEE , vol.11, no.1, pp.13-32, First Quarter 2009

3.     Сысоева С., Датчики магнитного поля. Спектр высокообъемной продукции от ведущих поставщиков // Компоненты и технологии. – 2012.- № 1