电磁定位

在智能车竞赛中，有一个电磁组，通过检测安置在赛道中的电磁线协助车模在赛道上进行定位。Andrew Markham（计算机科学家和工程师）在9月19日的牛津大学 Oxford Sparks网站发表的一篇博文给出了基于电磁电位的更多的应用。下面让我们来看看吧。

定位：****Positioning定位就是测量某一设备所在地点位置或者位置的变化。 当今流行的定位解决方案就是基于全球定位系统，比如GPS，Galileo，北斗等。GPS是基于地球卫星的定位系统。通过设备接收到卫星发送到地面电磁波信号，利用电磁波的到达时间估计出所在地面位置。GPS使用非常高的电磁波频率（1.1GHz），波长大约在几个厘米。他们会被固体所屏蔽、反射，比如在建筑物、人体、或者植被等。这也就是为何在建筑物的地下室无法使用GPS，包括手机等的原因。下面所介绍的工作就是研究如果在地下、建筑物、水泥掩体内如何进行精确定位，为此使用了电磁感应定位技术。

背景知识电磁感应定位技术的基本原理非常简单，高中课程中就会讲到：在金属线圈中通有交变电流便可以在周围产生交变磁场，它可以使用附近的其它线圈感应出交变感应电动势，这个原理在电机、发电机、扬声器中都被使用， 在早期的无线电广播，特斯拉无线电能传送中也是用了相似的系统。为何在室内定位中重新使用这些古老的技术呢？

电磁感应有一些优势，可以应用在电磁波无法到达的地方。例如，它可以穿透很多固体媒介，比如土壤、水、人体、水泥、岩石等，被吸收衰减极小。电磁场是矢量场，也就是说在空间每一点的磁场都有方向和强度。例如一个条形磁铁，它有南北极，这也决定了磁通量的方向。

电磁感应磁场是一个近似静态磁场，没有多径传输效应。像WiFi信号，或者手机信号就会受到多级传输影响，使得在一个地点的场强会发生变化。

此外，电磁感应磁场信号在产生和检测方面非常简单。

当然电磁感应信号用于定位也有缺点，比如金属，特别是铁磁金属会使得磁场变形，这使得在富含金属环境内定位变得比较困难。另外，电磁感应磁场随着距离衰减比较快，磁场强度随着距离的三次方衰减，电磁波强度是随着距离的二次方衰减。

在牛津大学，对于电磁感应用于定位方面的研究进行了十几年，最初起源于Raab在1979年的研究工作。基于此的3D定位，姿态技术在不同应用中都有了开创性的研究，使用到了传感器新的设计、弱信号检测和位置估计的新算法。

獾：****Badgers第一个基于电磁定位的应用领域是开发了世界上第一个用于跟踪洞穴动物的地下定位系统【SENSYS2010】。在牛津野生保护研究单位的科学家基于几十年来对于地穴动物獾的理解，在David Macdonald教授的带领下展示了这种对獾的定位新技术。

每个獾带有各自的项圈，记录了调制磁场强度的变化，通过物理原理，我们可以将测量数据恢复出獾的3D定位信息，从而提供了獾在地下活动行为的丰富信息。这个技术使得以往无法精确定位地穴动物的位置的情况得到解决。通过獾的活动位置数据反过来可以建立獾的洞穴内部结构并可以形象显示出来。

矿井、岩洞中的定位与洞穴动物定位相比，对于矿井、岩洞中的人员和设备进行定位和通信也是类似的问题。这个技术可以应用在平常作业，或者紧急救援情况。这里的挑战是操作距离长，通常可以达到30米，并缺乏基础设施。

我们使用了三个垂直线圈，同时完成电磁信号的发送和接受，从而可以测量得到3D矢量场。同时也提高了通道内的数据传输的带宽。现在已经开发出了在30米岩石矿洞内的精确定位和通信验证系统。通过增加设备，实现信号接力可以进一步提高工作范围。

轨道工作安全在英国每天有上千工人在维护保养这铁路基础设施。因此也需要能够在GPS无法使用的场合能够提供工人位置信息，从而可以使得工作在铁轨附近危险地带的工人能够得到及时的警示和管理。

使用电磁感应和惯性测量相结合的技术，开发了轨道工人定位系统，可以在开阔地带、涵洞、地下、桥下等地点的轨道工人进行定位。如果工人越过了工作的安全区域，系统会向工人和管理人员发送警报信息。

消防队员定位当消防人员进入着火建筑物，他们面临着高温和浓烟的干扰，这会使得他们迷失方向，安全导航受到威胁。

在最新的方案中，我们结合了多种传感器技术，包括热成像、惯性测距、电磁感应定位等，可以在火场中提高精确可靠的定位。

项目目标是为事件处置人员和救援人员提供精确室内位置信息和实时轨迹跟踪信息。建筑物内的结构信息可以不事先获得。电磁感应信号所获得到绝对定位信息还可以与其他传感器信息进行融合。

建筑工程结构深入嵌埋感知在微观尺度，我们面临不同的问题。比如，探索是否可以使用电磁感应技术检测水泥结构中的裂痕和应力。国家的交通基础设施中，包括很多桥梁、铁路、隧道等，需要定期进行安全检查和维护。

一个脑洞的想法，就是将一些传感器直接嵌入在这些建筑物的水泥中，从而使得它们具有智能。具体一点，就是使用三个相互正交的线圈，它们既可以当做发射器，也可以当做接收器，从而可以测量出它们相对附件测量设备的位置和方位。

当混凝土构件发生变形时，这些距离方向数据发生变化，就可以重构出结构变化的网格图像。为了可以获得测量设备中的数据，仍然使用了低频磁场信号来对数据进行编码，这样他们可以在设备中进行传递，一直送到数据基站进行汇总。

这个方案中最麻烦的工程挑战是传感器的电源。由于需要长时间工作，不能够指望使用电池可以工作十几年 。为此，我们计划使用钢筋混凝土中的加强钢筋来传送电磁能量，为测量传感器提供电能。在每个传感器使用相同的感应线圈来获得无线电能。

在2016年我们建立起可以验证基本原理的原型系统。再过几年，该系统中的传感器可以形成集成芯片，从而完成最终设计目标。

小结这个时代技术在发生翻天覆地的变化，包括器件的小型化、新材料、计算机的算力等方面。前面介绍的工作，当然也用到了这些最先进的技术，但主要的原理还是非常基础的，在高中的电磁科学实验中就学到了。这也说明一个道理，有的时候非常基础的技术（Low-Tech）比起很多高科技（High-Tech）更实用。

通过上面Andrew Markham的介绍，也为智能车竞赛电磁组的比赛内容提供了新的思路。

^{参考文献：}

^{https://www.oxfordsparks.ox.ac.uk/content/positioning-challenging-environments?utm_source=ox.ac.uk&utm_medium=referra}

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