Využití uměle vytvořeného slabého magnetického pole pro navigaci ve 3D prostoru
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
A
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Abstract
Tato diplomová práce je zaměřena na využití uměle vytvořeného slabého magnetického pole pro navigaci v 3D prostoru. Teoretická část textu pojednává o obecných vlastnostech magnetického pole a jeho popisu. V další pasáži teoretické části je rozebrán přehled měřicích principů magnetického pole. Na základě různých typů měřicích principů je v práci zpracován přehled komerčně dostupných miniaturních snímačů pro měření magnetického pole s rozsahem do 10 mT. Speciálně se práce zaměřuje na magnetorezistivní princip a fluxgate snímače. Dále teoretická část obsahuje popis metod pro modelování magnetického pole jednoduchých permanentních magnetů a různých sestav magnetů. V neposlední řadě je v teoretické části proveden patentový průzkum zařízení, která se používají pro lokalizaci magnetů, které jsou instalovány do nitrodřeňového hřebu, který se používá při intramedulární stabilizaci mnohačetných zlomenin lidských kostí. Lokalizací magnetu v hřebu je možné přesně určit polohu upevňovacích otvorů. Praktická část práce obsahuje analýzu chování magnetického pole v okolí různých magnetických sestav, které byly vymodelovány v programu COMSOL Multiphysics využívající metodu konečných prvků. Modely byly vytvořeny se snahou blíže analyzovat chování magnetického pole v okolí magnetů a zároveň nalézt možné analytické funkce, pomocí kterých by bylo možné určit polohu magnetu v prostoru vůči snímací sondě. Výsledkem práce je analýza různých sestav, která obsahuje grafy různých závislostí a předpis polynomiálních funkcí, které tyto závislosti aproximují. Další částí práce je návrh sondy, která slouží k lokalizaci magnetického cíle. V práci jsou popsány dvě možné metody lokalizace. Pro diferenční metodu je vytvořen obsluhující software v prostředí LabVIEW. Sonda založená na této metodě je plně schopna lokalizovat magnet ve 2D rovině. Metoda prohledávání stavového prostoru je popsána pouze teoreticky.
This master's thesis focuses on the utilization of an artificially created weak magnetic field for navigation in 3D space. The theoretical part of this work deals with the general properties of the magnetic field and with its description. The next section of the theoretical part contains an overview of measuring principles for magnetic field measurements. Based on various types of measuring principles, the thesis elaborates on commercially available miniature sensors for magnetic field measurement with a measuring range up to 10 mT. The work focuses mainly on the magnetoresistive principle and fluxgate sensors. Furthermore, the theoretical part contains descriptions of methods for modeling the magnetic field of simple permanent magnets and various magnet assemblies. Lastly, the theoretical part involves a patent search of devices used for locating magnets that are installed in an intramedullary nail, which is used in intramedullary stabilization used on fractures of human bones. By locating the magnet in the nail, it is possible to precisely determine the position of the mounting holes. The practical part of the thesis deals with the analysis of magnetic field behavior in the vicinity of various magnetic assemblies, which were modeled in COMSOL Multiphysics using the finite element method. The models were created with the aim of analysing the behaviour of the magnetic field in the vicinity of the magnets and at the same time to find possible analytical functions that could be used to determine the position of the magnet in space relative to the probe. The result of this work is an analysis of various assemblies, which contains graphs of different dependencies and prescription of polynomial functions that approximate these dependencies. Another part of the thesis is the design of a probe that serves to locate the magnetic target. The work describes two possible methods of localization. For the differential method, a user interface in LabVIEW was created. The probe based on this method is fully capable of locating the magnet in the 2D plane. The state space search method is described only in theory.
This master's thesis focuses on the utilization of an artificially created weak magnetic field for navigation in 3D space. The theoretical part of this work deals with the general properties of the magnetic field and with its description. The next section of the theoretical part contains an overview of measuring principles for magnetic field measurements. Based on various types of measuring principles, the thesis elaborates on commercially available miniature sensors for magnetic field measurement with a measuring range up to 10 mT. The work focuses mainly on the magnetoresistive principle and fluxgate sensors. Furthermore, the theoretical part contains descriptions of methods for modeling the magnetic field of simple permanent magnets and various magnet assemblies. Lastly, the theoretical part involves a patent search of devices used for locating magnets that are installed in an intramedullary nail, which is used in intramedullary stabilization used on fractures of human bones. By locating the magnet in the nail, it is possible to precisely determine the position of the mounting holes. The practical part of the thesis deals with the analysis of magnetic field behavior in the vicinity of various magnetic assemblies, which were modeled in COMSOL Multiphysics using the finite element method. The models were created with the aim of analysing the behaviour of the magnetic field in the vicinity of the magnets and at the same time to find possible analytical functions that could be used to determine the position of the magnet in space relative to the probe. The result of this work is an analysis of various assemblies, which contains graphs of different dependencies and prescription of polynomial functions that approximate these dependencies. Another part of the thesis is the design of a probe that serves to locate the magnetic target. The work describes two possible methods of localization. For the differential method, a user interface in LabVIEW was created. The probe based on this method is fully capable of locating the magnet in the 2D plane. The state space search method is described only in theory.
Description
Keywords
Magnetické pole, snímače magnetického pole, magnetometry, Hallův jev, magnetorezistence, AMR, GMR, TMR, fluxgate, modelování magnetické pole, metoda konečných prvků, permanentní magnet, COMSOL Multiphysics, nitrodřeňový hřeb, zlomenina, navigační sonda, snímačové pole, LabVIEW, Matlab, kalibrace magnetometru, Magnetic field, sensors of magnetic field, magnetometers, Hall effect, magnetoresistance, AMR, GMR, TMR, fluxgate, modeling of magnetic field, finite element method, permanent magnet, COMSOL Multiphysics, intramedullary nail, fracture, localization probe, sensor array, LabVIEW, Matlab, magnetometer calibration
Citation
VÁŇA, D. Využití uměle vytvořeného slabého magnetického pole pro navigaci ve 3D prostoru [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2020.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Kybernetika, automatizace a měření
Comittee
doc. Ing. Bohumil Klíma, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Zdeněk Bradáč, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Pavel Václavek, Ph.D. (člen)
Ing. Zdeněk Havránek, Ph.D. (člen)
Ing. Miroslav Jirgl, Ph.D. (člen)
Ing. Radek Štohl, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2020-06-17
Defence
Student obhájil diplomovou práci. Komise neměla žádné námitky k řešené práci. V průběhu odborné rozpravy odpověděl na dotazy.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení