CN100581457C - 确定一个或多个目标的空间位置和/或方向的系统 - Google Patents

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Abstract

一种确定一个或多个目标的空间位置和/或方向的系统，包括光学和非光学子系统。前者包括安装在所述目标上的光源和检测光源能量的传感器，具有与其传感器成固定位置关系的光学子系统坐标系，传感器相对于其坐标系产生响应于所检测的光源能量的位置和/或方向信号。后者具有非光学坐标系，适于相对该坐标系产生所述目标的位置和/或方向信号。一种连接装置用于相对坐标系产生位置和/或方向信号。一种处理器确定所述目标的位置和/或方向。

Description

确定一个或多个目标的空间位置和/或方向的系统
一般地说本发明涉及一种能够确定三维(3D)物体或目标的空间位置和角度方向(即，姿势)的系统，更具体地说，涉及一种能够在指定的空间中实时地跟踪目标不考虑目标的刚性或可见度的系统。
如本领域中所公知，已研制出了很多不同的系统，这些系统能够在较小的时间量程上确定目标的空间位置和角度方位，由此能够实时地跟踪它们的运动。这些系统通常利用具有不同的能力和局限性的特定的物理现象等。一种系统是光学系统。这种光学系统通过敏感阵列比如电荷耦合器件(CCD)感测源辐射的电磁能量(即，自有源指点器中发射的光能或红外线能量或自无源指点器反射的光能或红外线能量)。这种光学系统能够在较高的采样频率下在较大的运行空间(通常为房间大小)中提供较高精度的空间和角度测量，但是它要求最少数量的指点器总是在CCD传感器的视域中。通过应用三角测量技术从所测得的可见指点器的位置确定被遮挡的点的位置可以部分地弥补这种视线的局限性。例如，可以将指点器固定到仪器或探头(比如外科探头)以便跟踪它们的端点。然而，这种探头必需是刚性。这种方法不能应用到而于柔性的探头比如导液管。
另一种类型的系统是非光学系统。这种系统包括磁系统、机械系统和超声系统。例如，Nowacki和Horbal的美国专利US5,197,476和US5,295,483公开了应用光学摄象机来跟踪超声扫描器或探头的位置，该超声扫描器或探头本身检测结石比如在人体内的肾结石。然而超声扫描器并不能确定所跟踪的目标的姿势。虽然磁系统并不存在在光学系统中所固有的视线问题，但是这种系统严重地受到外部目标干扰它们的磁场的影响，并且通常精度更低。机械系统应用机械器件比如关节式臂杆，并且不存在视线和磁系统干扰的问题，但是对于给定等级的精度这种系统昂贵得多。它们的精度受到由重力产生的力和扭矩的干扰，这种力或扭矩通常将它们限制在它们的运动范围所跨越的更小的操作空间中。此外，由于它们的运动受到可能与在它们的操作空间中的其它的目标的碰撞的限制，所以它们比其它的装置更加笨重。
在本领域中仍然公知的是，光学装置可以与非光学装置结合使用以克服光学装置的视线的局限性，但是这种结合不能方便地导出在分离的坐标系中给出的所测量的位置数据，因此要求通过用户校正装置对数据进行一致调整以确定在两种坐标系之间的所需的转换。Birkfellner等人在Concepts and Results in theDevelopment of a Hybrid Tracking System for CAS(Lecture Notes is ComputerScience：Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention-MICCAI’98，Vol.1496(1998)，pp.342-351)中描述了一种包括光学跟踪系统和直流脉冲电磁跟踪系统的系统。他们还描述了相对光学系统的参考坐标系校正和对准磁系统的局部坐标系的步骤。这种系统要求在完成长度校正和对准步骤之后磁场源保持固定，因此阻碍了场源运动到其它的可能所需的方便或适当的位置，因为仅当由于在光学系统的视线中的障碍物导致不能得到光学位置数据时它们的系统才从磁子系统中给出位置数据，所以实质上它还是一种被非光学系统加大了的光学系统。
Hansen的美国专利US5,831,260教导了一种具有磁子系统和光学子系统的混合式运动跟踪器。这种系统用于运动记录，它应用在被跟踪的人的关键位置上放置的传感器组件(该传感器组件具有磁场传感器和光学式光发射二极管(LED)源)来检测运动。在通常的操作中，由于光学子系统固有的较高的精度，所以它提供3D位置数据，而磁子系统提供方向数据；如果光源模糊不清，则磁子系统也能够提供位置数据。Hansen的系统类似于Birkfellner等人所描述的系统，它基本上是将商业上可买到的磁子系统与商业上可买到的光学子系统相结合起来，并应用商业上可买到的软件在子系统之间转换结果(虽然存在一些融合，比如应用光学子系统来补偿磁子系统降低信噪比)。因此，Hansen的系统具有在这些系统中固有的相同缺陷，它要求固定的磁场发射器和固定的光学传感器，而用户必需首先借助于长度校正和定位步骤对这些发射器和光学传感器的固定参考坐标系进行定位，由此排除了根据方便需要相对于另一个子系统对该子系统进行容易地再定位的可能。
依据本发明，提供一种确定一个或更多个目标的空间位置和/或方向的系统。该系统包括一种光学子系统和一种非光学子系统。该光学子系统包括安装在一个或更多个目标上的光学子系统光源和适合于检测光学子系统光源的能量的光学子系统传感器。光学子系统具有与光学子系统传感器成固定的位置关系的光学子系统坐标系。光学子系统传感器相对于光学子系统坐标系产生响应于所检测的光学子系统光源的能量的位置和/或方向信号。非光学子系统具有非光学坐标系并适合于相对于非光学子系统坐标系产生一个或更多个目标的位置和/或方向信号。一种连接装置用于相对于另一种光学或非光学子系统的坐标系产生表示所选择的一种光学或非光学子系统的位置和/或方向的位置和/或方向信号。一种处理器响应由连接装置和光学子系统和/或非光学子系统所产生的信号以相对于所选择的一种光学或非光学子系统的坐标系确定一个或更多个目标的位置和/或方向。
在本发明的一个实施例中，连接装置包括相对于非光学子系统的坐标系具有固定的位置关系的非光学子系统光源。光学子系统传感器适合于检测非光学子系统光源的能量并响应于非光学子系统光源相对于光学子系统坐标系所检测的能量产生位置和/或方向信号。该处理器响应于由光学和/或非光学子系统所产生的信号以相对于光学子系统坐标系确定一个或更多个目标的位置和/或方向。
在本发明的另一个实施例中，连接装置包括相对于光学子系统的坐标系具有固定的位置关系的非光学子系统传感器。光学子系统传感器适合于相对非光学子系统坐标系产生光学子系统的光源的位置和/或方向信号。该处理器响应于由光学子系统传感器和/或非光学子系统传感器所产生的信号以相对于非光学子系统坐标系确定一个或更多个目标的位置和/或方向。
应用这种结构，形成一种混合式光学/非光学跟踪系统，这种系统结合处理器一起运行，不管在目标可见时还是在目标不可见时，它都能够在整个系统的运行空间中测量并跟踪给定的3D目标的位置和姿势。此外，并不要求所跟踪的目标为刚性体，也可以跟踪非刚性体比如导液管。相对于当前的光学系统，本发明能够跟踪模糊的非刚性体的能力是一种重要的优点。将非光学器件结合到光学器件所带来的进一步优点在于特定的非光学器件。
混合式系统还具有的优点是在应用时它不要求进行校准和坐标系对准。此外，混合式系统仍然保持灵活的结构设置一它不需要将子系统部件刚性地锁定在某一位置以保持固定的相对间距。例如，可以根据需要在光学子系统的运行空间内重新设置非光学子系统以利用最佳的位置或避免影响其性能的干扰。
在混合式系统中固有的测量冗余使它们相对于构成它们的子系统具有进一步的优点。通常位置跟踪系统的精度在它们的整个运行空间中有极大的变化，这取决于宽度变化因素。精度的空间相关性在光学和非光学器件之间存在相当大的差别，对于给定的空间区域一般地一种器件比另一种器件精确得多。应用所测量的精度映射作为指南，可以设计混合式系统，对于给定的运行空间，这些混合式系统能够选择两个有效的测量值中的更精确的测量值，或应用适当的加权平均，与从光学和非光学子系统中所获得等效区域单独相比，延伸了具有所需的精度等级的整个区域。
在本发明的一个实施例中，非光学子系统是一种磁跟踪系统，而在本发明的另一个实施例中非光学子系统是一种机械跟踪。
在附图中以及下文的描述中将详细地描述本发明的一个或更多个实施例。通过该描述、附图以及权利要求本发明的其它特征、目的以及优点将会清楚。
附图1所示为依据本发明的混合式光学/非光学的磁系统的示意图，该系统适合于确定三维(3D)的物体或目标的空间位置和角度方向(即，姿势)。
附图1A所示为依据本发明的混合式光学/非光学的磁系统的一种变型实施例的示意图，该系统适合于确定三维(3D)的物体或目标的空间位置和角度方向(即，姿势)。
附图1B所示为依据本发明的混合式光学/非光学的磁系统的另一种变型实施例的示意图，该系统适合于确定三维(3D)的物体或目标的空间位置和角度方向(即，姿势)。
附图2所示为依据本发明的另一个实施例的混合式光学/非光学系统的示意图，该系统适合于确定三维(3D)的物体或目标的空间位置和角度方向(即，姿势)。
附图3所示为描述附图1A所示的混合式光学/非光学系统校正的方法流程图。
附图4A、4B和4C一起描述了附图1A所示的混合式光学/磁系统的基本操作方法的流程图。
在不同的附图中同样的附图标记表示类似的元件。
现在参考附图1和2，我们给出确定一个或更多的目标的位置和/或方向的系统的两个实施例。在每个实施例中，系统10，10’分别包括相应的非光学子系统12，12’和’相应的光学子系统14，14’。在系统10(附图1)中，非光学子系统12是一种磁跟踪系统，而在系统10’(附图2)中，非光学子系统12’是一种机械跟踪系统。在这两种系统10，10’中，光学子系统14，14’分别包括安装在一个目标(这里为目标18)上的光学子系统光源(这里为三个光源16a、16b和16c)和适合于检测光学子系统光源16a、16b和16c的能量的传感器20。光学子系统14具有相对传感器20具有固定的位置关系的光学子系统坐标系XO、YO、ZO。传感器20相对于光学子系统坐标系XO、YO、ZO产生响应于从光学子系统光源16a、16b和16c中所检测到的能量的位置和/或方向信号。
非光学子系统12，12’每个都分别具有所示的非光学子系统坐标系XM、YM、ZM和XA、YA、ZA，每个非光学子系统都适合于分别相对于非光学子系统坐标系XM、YM、ZM和XA、YA、ZA分别产生另一个目标22，22’的的位置和/或方向信号。非光学子系统12，12’也包括非光学子系统光源，如图所示这里分别为相对非光学子系统坐标系XM、YM、ZM和XA、YA、ZA具有固定的位置关系的许多连接着的指点器24，24’。光学子系统14，14’的传感器20，20’适合于检测分别来自非光学子系统光源24，24’的能量并产生响应于所检测的相对于光学子系统坐标系XO、YO、ZO的非光学子系统的能量的位置和/或方向信号。因此，非光学子系统坐标系XM、YM、ZM和XA、YA、ZA相对于光学子系统坐标系XO、YO、ZO的空间位置可以通过传感器20检测并处理由非光学子系统光源24所产生的能量来确定，该传感器相对于光学子系统坐标系XO、YO、ZO是一种固定的关系。这里处理器26，26’是主计算机，它响应由传感器20，20’所产生的信号并确定目标18，22和18’，22’相对于光学子系统坐标系XO、YO、ZO的位置和/或方向。
因此，从上面的描述中可以看出，在附图1和2中的光源24，24’和传感器34，34’分别形成一种连接装置，该连接装置相对于光学或非光学子系统中所选择的一种子系统的坐标系(这里是光学坐标系XO、YO、ZO)产生表示另一种光学或非光学子系统中所选择的一种子系统(这里分别为非光学坐标系XM、YM、ZM和XA、YA、ZA)的位置和/或方向的位置和/或方向信号。
在两个实施例中，混合式系统10，10’包括连接到光学子系统14的单个非光学子系统12，12’。这仅是便于说明的目的，可以理解的是这种混合式系统可以是更普通的结构，以便具有超过一种类型的非光学子系统的混合式系统可以以适当的方式等效地连接到光学子系统。
现在更详细地参考附图1，所示为混合式光学/非光学跟踪系统10。这里，如上文所指出，非光学子系统12是一个磁位置跟踪系统非光学子系统12通过处理器26以及在非光学子系统光源24和传感器20之间的光链路耦合到跟踪系统的光学子系统14。磁系统人们已经很熟悉，并且已经研制出了几种变型。为说明的目的，在这里跟踪系统10的非光学(这里为磁)子系统12包括磁场发生器28，该磁场发生器28由适当设置的电磁感应线圈(未示)组成，该线圈起空间磁场坐标系的作用(即，它相对于非光学子系统坐标系XM、YM、ZM是固定的)。非光学子系统12包括较小的移动感应传感器线圈30，该线圈连接到所跟踪的目标22。应该理解的是，很容易采用其它的变型。非光学子系统12还包括如图所示连接到处理器26、磁场发生器28和线圈30的磁系统控制单元32。
更具体地说，磁场发生器28确定磁场坐标系(XM、YM、ZM)。磁场发生器28有足够的线圈并适当设置以产生源磁场。较小的传感器线圈30连接到目标22，这里是一种柔性元件(比如能够插入到导液管中的器件)。从它到由磁场发生器28所产生的源磁场中的磁耦合确定线圈30的位置和角度方向(即，姿势)。磁系统控制单元32控制磁场发生器28并从磁传感器(这里为线圈30)中接收信号。
需指出的是，磁场发生器28产生一序列或一组(这里为6种)不同的空间磁场形状或分布，传感器线圈30感测每种磁场形状或分布。每个序列使传感器线圈30产生信号序列。通过处理该信号序列能够确定线圈30的姿势，由此能够确定线圈30所安装的目标22相对于的与磁场发生器28具有固定的关系的磁场(非光学)坐标系XM、YM、ZM的姿势。如上所述，许多非光学子系统光源24(即，发射器)安装在(即固定在)磁场发生器28上，由此与磁场(非光学)坐标系XM、YM、ZM成固定的位置关系。
类似地，光学跟踪系统比如光学子系统14也是大家所熟悉的，已经研制出了几种变型。此外，为了说明，这里的光学子系统14是一种包括光学传感器20的红外系统，这里的光学传感器20为二维的电荷耦合器件(CCD)。光学子系统光源16a、16b、16c(例如，光学指点器，它可以是光源的无源反射器或有源光发射二极管(LED))者安装在目标18上。应该理解的是其它的变型也同样适合。
更具体地说，光学子系统14包括光学位置传感器20，这里是由两个二维CCD34组成。光学子系统光源16a、16b和16c以及非光学子系统光源24都是反射型光源(即，无源指点器)，并且这里应用定向的红外能量源LED36来照亮无源指点器16a、16b、16c和24。如图所示，红外能量源36以环形的方式设置在CCD34的周围。光学位置传感器20确定(即，相对地固定)光学坐标系XO、YO、ZO。光学位置传感器20连接到光学子系统控制单元40，该光学子系统控制单元40管理光学数据的采集和时序，即定向能量源36的启动。需指出的是，如果已经应用有源指点器作为光学子系统光源6a、16b、16c和24，光学子系统控制单元40将管理光学数据的采集和时序，即有源指点器6a、16b、16c和24的启动。单元40还完成光学跟踪所需的其它的任务。
非光学和光学(磁)子系统12，14通过它们到处理器26的连接而连接在一起，处理器26使两个子系统的操作同步并控制着整个的数据采集。为给这个系统10提供公共的坐标系，磁场发生器28具有至少所示的三个有源的LED光学指点器24，这些指点器以一种很适合于在光学子系统12中将它定义为刚性体的结构方式连接到它上(可以理解的是，增加参考指点器即光源的数量能够实现更高的精度和更大的灵活性。)当在校准该系统10时，在制造时就精确地确定在非光学(磁)子系统坐标系(即，参考坐标系)XM、YM、ZM中的非光学子系统光源24的坐标。可以应用各种不同的方法来确定，比如对通过非光学(磁)和光学子系统12，14在各自的坐标系中分别得到的适当的较大组的三维(3D)测量值进行数字拟合、相对于某一第三校准标准或通过应用包括以合适的方式设置的光学指点器和磁传感器的混合式工具。
由于已知非光学光源24(即，磁场参考指点器)相对于非光学坐标系XM、YM、ZM的位置，可以在公共坐标系中给出通过整个混合式系统10所跟踪的目标22的位置和姿势，这里公共坐标系是XO、YO、ZO，并相对于光学位置传感器20固定。
应该理解的是，通过相对于非光学坐标系XM、YM、ZM固定到光学位置传感器20的磁传感器30a，非光学坐标系XM、YM、ZM也可以与光学坐标系XO、YO、ZO联系在一起。
如果选择磁子系统坐标系XM、YM、ZM作为公共坐标系，则TOM变换将在光学子系统坐标系XO、YO、ZO中的测量值变换到它们的等价非光学坐标系XM、YM、ZM中。这种变换方法已为公知并且十分普遍，公共坐标系并不需要限制在子系统(坐标系)XO、YO、ZO或XM、YM、ZM中，而是可以是任何的便利的任一坐标系。在本实施方案中在处理器26中完成这种变换，但这不是必需的。磁和光学系统控制单元32，40也可以链接到一起以在位置确定和变换之前直接交换数据。不管采用哪种方法，从两个子系统12，14中所得出的综合数据具有其它系统所不具有的优点。例如，可以应用在光学上所测量的位置来对磁位置确定算法进行初始化，由此极大降低计算时间。
在本实施例中具有非光学光源24的磁场传感器28的光学跟踪系统具有如下优点：允许磁场发生器28相对于跟踪空间最佳地重新设置以避免来自磁场和导电目标的干扰或获得磁子系统的最佳性能。需指出的是，在改变磁场发生器28的位置的同时不需要中断跟踪过程。
现在参考附图1A，在附图1的系统10中示出了混合式光学磁探头41，(这里与在附图1中所应用的相同的数字标号表示同样的元件)。这种探头41具有磁传感器(这里磁传感器为线圈30b，它位于探头的终点位置)以及通过传感器20(附图1)可检测到的三个可见的有源光学子系统光源43，可以应用传感器20将探头定义为刚性体，由此应用磁传感器30b同时跟踪终点位置。例如可以应用这种探头41作为参考以检测可能影响磁测量的可能的磁干扰。
虽然本实施例所示仅为单个磁场发生器28，但是通过应用多个磁场发生器并且每个磁场发生器分别跟踪它自己所在组的非光学子系统光源24(附图1)即光学指点器能够实现更大的灵活性和延伸。最容易的方法是光学地跟踪每个磁场发生器28，磁场发生器28可以方便地设置在整个光学子系统12的运行空间中的适当位置，因此极大地增加了磁子系统的运行空间。这相当于一种可定制的磁场发生器，这种磁场发生器可以最佳地设置以便最好地符合特定的测量点所固有的限制。例如，在外科应用中，可以将线圈适当地设置在患者的身体上以大大地延长包含了磁传感器的导液管的运行范围。
如上所指出，在本实施例中通过应用非光学子系统光源24固定到磁场发生器28上来实现在光学和磁子系统14，12(附图1)之间实现的连接，如附图1B所示(这里同样的元件以与在附图1中所使用的相同数字标号表示)，也可以通过将磁传感器比如线圈30a固定到光学传感器20本身上来增加这种连接，由此即使在两子系统之间没有直接的视线时，也能够分别使每个非光学(磁性)和光学子系统坐标系(XM、YM、ZM和XO、YO、ZO)对准。这就要求将光学传感器20放在经适当地屏蔽的壳体中，该壳体由不干扰磁场的材料制成或者通过其它的装置补偿离子电流或磁性材料的任何影响。
因此，从上文可以得知，在附图1B中，线圈30a与光学子系统坐标系具有固定的关系并且适合于提供光学子系统传感器20相对于非光学子系统坐标系的位置和/或方向信号。因此，在这里线圈30a形成了一种连接装置，该连接装置用于产生表示所选择的一种光学或非光学子系统(这里为光学坐标系XO、YO、ZO)相对于另一种光学或非光学子系统的坐标系(这里为非光学坐标系XM、YM、ZM)的位置和/或方向的位置和/或方向信号。
现在参考附图2，所示为混合式光学/非光学跟踪系统10’。需指出的是，这里所应用的和在附图1的系统10中所应用的同样的元件以相同的数字标号表示。如上所指出，非光学子系统12’是一种机械跟踪系统，这里为关节式臂杆50’。通过固定到臂杆50’的非光学子系统光源24’和通过光学位置传感器20’检测来自光源24’的光将该臂杆50’连接到跟踪系统10’的光学子系统14’。大家十分熟悉机械关节式臂杆系统，并已经研制出了几种变型。更小的臂杆可以实现比光学系统更好的精度，但是限制在比常规的光学系统的运行空间更小的运行空间中。这里，光学子系统14’再次运行在红外区域中，这次包括由三个一维CCD34组成的光学传感器20’；其它的变型也同样适合。与结合附图1所考虑的磁/光实施例不同的是，由于本实施例的关节式臂杆的固有的限制，因此它并不能处理非刚性体，但是提供了一种通过将非光学器件连接到适当的光学器件来增强非光学器件的实例。
因此，如附图2所示，关节式臂杆50’确定了非光学(臂杆)子系统坐标系(参考坐标系)XA、YA、ZA。如上所述，臂杆50’包括许多机械地连接的刚性部分，这些部分刚性地连接并且可以转动和移动以便在臂杆运动的运行空间内根据需要设置末端执行器22’。每个部分的位置和方向都可以精确地确定并且相对于臂杆的局部坐标系(即，非光学子系统坐标系XA、YA、ZA)一起给出末端执行器22’的位置。臂杆的控制单元32控制自臂杆的数据采集并将该单元连接到处理器26’。
光学子系统14’包括由三个一维CCD34组成的位置传感器20’。位置传感器20’确定了光学参考坐标系(XO、YO、ZO)。一个具有三个可见的有源LED指点器16a’，16b’，16c’的实例性的刚性探头18’连接到控制单元40’。光学位置传感器20’连接到控制单元40’，该控制单元40’控制光学数据采集和时序(有源指点器LED的启动)以及进行光学跟踪所需的其它任务。
为给整个系统10’提供一种公共坐标系(这里为相对于传感器20’固定的光学子系统坐标系XO、YO、ZO)，通过将非光学(机械)和光学子系统12’，14’连接到使两个子系统的运行同步并控制整个数据采集的处理器26’和通过光学位置传感器20’检测来自非光学子系统光源24’的光将非光学(机械)和光学子系统12’，14’连接在一起。更具体地说，关节式臂杆50’具有许多有源LED光学指点器(即，非光学子系统光源24’)，该有源LED光学指点器以一种十分适合的结构方式连接到关节式臂杆50’以将它作为刚性体确定到光学子系统14’。处理器26’处理从臂杆的坐标系(即，非光学子系统坐标系XA、YA、ZA)到光学子系统14’的坐标系(光学子系统坐标系XO、YO、ZO)的变换。因此，臂杆50’可以在光学子系统14’的运行空间的任何地方再定位，由此极大地延伸了臂杆的有效运行空间。当在校准系统10’时，在制造之时就精确地确定非光学子系统光源24’相对于非光学子系统坐标系XA、YA、ZA的位置。
由于关节式臂杆参考指点器(即，光学子系统光源24’)的位置已知，臂杆的末端执行器22’的位置可以在公共坐标系中给出，这里为光学子系统坐标系XO、YO、ZO。将局部臂杆坐标系变换到光学子系统的坐标系(即，光学子系统坐标系XO、YO、ZO)的变换方法大家很熟悉，并且十分普遍；此外，这里公共坐标系不需要限制在任一子系统坐标系中，而可以是任何方便的任意坐标系。在本实施例中在处理器26’上完成该变换，但是如果将两个子系统控制单元32’，40’连接以便它们能够直接交换数据，则这并不是必需的。
在附图3的流程图中示出了磁/光学混合式系统的工厂校准实例。在这种过程中存在很大的灵活性，部分是由于可以应用许多其它可应用的位置测量设备作为标准，因此在附图3中所描述的方法的许多其它的变型也很适合于该任务。但是，标准设备在它们的各自的运行空间中必须比两个子系统设备中的任一个精确得很多，在本实施例中，设定坐标系测量机(CMM)为标准。如在附图3中所述，步骤101首先校准光学子系统。在本领域中这是公知的，一般涉及在光学传感器20的整个运行空间中以大致适合的网格状的方式精确地设定光学指点器并测量传感器CCD数据。然后应用传感器数据和CMM位置数据来确定传感器的运行参数和局部坐标系(XO、YO、ZO)，随后在传感器的标准的运行过程中应用运行参数和局部坐标系(XO、YO、ZO)来将传感器数据转换到它们对应的3D位置数据。在已经确定了传感器参数之后，将在校准的过程中所采集的传感器数据转换为3D位置，并与标准的3D位置进行比较。应用该差值来绘制传感器的空间误差分布图，并记录这种分布图以便在随后的混合式系统3D位置确定计算步骤种应用。
如在附图3所示，在步骤102中，在光学子系统坐标系(XO、YO、ZO)中定义磁场发生器28为刚性体。在本领域中这仍然是十分公知的做法，通常包含测量相对于另一个固定到磁场发生器28的参考LED指点器24的3D位置。随后应用该指点器的位置来确定局部坐标系，该局部坐标系的原点和方向便利地位于刚性体内。在这种情况下，可取的是在它确定之后将局部刚性体坐标系与局部磁子系统坐标系(XM、YM、ZM)对准。
接着是步骤103，即校准磁子系统。设置磁场发生器28和光学传感器20以便它们的每个运行空间都在CMM运行空间内，以便在磁场发生器参比指点器24和光学传感器20之间存在清晰的视线。通过光学传感器20测量磁场发生器28的位置和姿势并记录。混合式光学/磁感测仪41具有定义为虚拟的指点器的磁传感器，以便光学和磁测量相一致，该混合式光学/磁感测仪41固定到CMM末端执行器并以合适的网格状的方式精确地设置在整个磁子系统的运行空间中，同时记录与每个磁传感器位置相对应的磁传感器数据和光学传感器数据。然后应用磁传感器数据和CMM 3D位置数据来确定磁子系统的运行参数和局部坐标系(XM，XM，XM)，随后在正常的运行过程中应用该运行参数和局部坐标系(XM，XM，XM)将磁传感器数据转换到它们的对应的3D位置数据。与校准光学子系统类似，在已经确定了磁子系统参数之后，在校准过程所采集的磁传感器数据转换到3D位置数据并与标准的3D位置进行比较，以便应用它们的差值来绘制磁子系统的空间误差分布图。需注意的是，虽然我们已经应用CMM来校准两个子系统，但是可替换的是，只要光学子系统比磁子系统更精确很多，也可以应用它本身来校准磁子系统。
应用与混合式仪器位置相对应的光学和磁3D数据连同通过参考指点器24所确定的磁场发生器位置和刚性体数据一起分别计算所要求的在光学子系统和磁子系统局部坐标系((XO，XO，XO)和(XM，XM，XM))之间的变换。然后在步骤104中确定混合式系统全程坐标系。用于确定这些变换的计算在本领域中是十分公知的。根据系统设计可以将这些变换存储在任一系统控制单元32和40中或主计算机26中，根据要求不管在任何时候对磁场发生器28或传感器器件20进行再定位时都要更新这些变换。
与附图1A中所描述的混合式光学/磁系统相对应的测量实例在附图4A、4B和4C中的流程图中示出。在本实例中，混合式系统跟踪许多不同的目标。这些目标中的一些目标既包含光学指点器又包含磁传感器(比如混合式仪器41)，而其它的目标只包含了一个光学指点器(比如光学探头18)或磁传感器(比如磁传感器30)。如在附图4A中所述，在步骤201中磁场发生器28便利地设置在光学传感器20的运行空间中以便参考指点器LED24对于光学传感器可见。
在附图4A的步骤202，203中开始对所跟踪的每个目标的测量过程，以光学传感器20确定磁场发生器28的位置，由此相对于光学子系统局部坐标系(XO，XO，XO)确定磁子系统局部坐标系(XM，XM，XM)的位置。如果磁场发生器28相对于光学传感器已经移动，则更新在子系统局部坐标系和全程坐标系之间的所有变换以反映新位置和方向(附图4A的步骤204和205)，否则开始确定目标的位置和姿势(步骤206)。
系统首先确定是否可得到光学或磁数据或这两种类型的数据。如果仅有一种类型的数据，可能是因为所跟踪的目标仅有一种类型的变换器(比如光学探头18或磁传感器30)或可能因为仅有一种类型的数据有效(比如在混合式仪器41上的光学指点器43是模糊的或它的磁传感器30b在范围之外)，或仅仅是因为一种类型的数据无法得到(光学和磁数据采集频率可能不同)，则测量过程分之到适当的子系统(附图4B，步骤207)。对于光学数据，光学子系统通过光学传感器确定在局部坐标系中目标的位置和姿势，然后将该数据变换到全程坐标系中(附图4B，步骤208和209)，而对于磁数据，磁子系统通过磁传感器确定在局部坐标系中目标的位置和姿势，然后将该数据变换到全程坐标系中(附图4B，步骤210和211)。
如果两种类型的数据都可得到，则通过每个子系统确定目标在它的局部坐标系中的位置和姿势并以常规的方式将它转换到全程坐标系中，除非子系统也可以在它们彼此之间交换数据以通过初始化它们的确定算法来加速位置和方向计算或进一步精确调整所计算的位置和方向(附图4C，步骤212至216)。此外，从子系统误差图中估算每次测量的不确定度，该误差图在工厂校准的过程中已经确定。然后依据它们的估算的不确定度综合冗余测量值给出最后的位置和姿势，并将它报告给用户(附图4C，步骤217)。综合冗余测量的不同的方法都可以应用，包括简单地选择更精确的一个或依据不确定度的倒数加权平均。也可以应用更复杂的算法，依据它们相应的不确定度通过在子系统测量值之间设置不同的阈值来识别并区分反常的测量值，以便能够通过它与光学测量值的极大的差值来识别受在传感器附近出现的金属目标干扰的磁测量值并由此忽略它。
考虑到在上文中所述的两个实施例的描述，可以认识到的是，混合式光学/非光学系统10，10’能够跟踪在空间中的三维(3D)目标的位置和方向，该三维(3D)目标可以是刚性或非刚性的。系统10，10’的光学子系统14，14’具有适当形式的光传感器(一般地为三个或更多的一维电荷耦合器件(CCD)，或两个或更多的二维CCD)、许多光学子系统光源(一般地为有源的光发射二极管(LED)指点器或无源的反射型指点器)以及管理子系统的各种可运行方面的电子系统控制单元。从混合式系统不受视线限制的方面讲，混合式系统包括适当的非光学子系统或者对该光学子系统是一种补充的子系统。非光学子系统包括(但并不限于)磁跟踪装置、关节式机械臂杆和光纤装置。非光学子系统包括固定在该装置的某一适当的部件上的已知位置上的许多(至少为3个)非光学子系统光源，以便形成允许在光学和非光学子系统坐标系之间进行坐标变换的刚性体。混合式系统包括使光学和非光学子系统运行同步的数据管理程序和处理器接口，并执行将所要求的子系统测量坐标变换到混合式系统坐标系以及在存在两个或更多的子系统的冗余测量值的情况下正确地选择或确定最佳的测量值。
此外，需指出的是，在光学和非光学子系统之间的连接是普通的，以便可以相对于另一个子系统重新设置该子系统以最好地利用特定子系统的最佳位置并减小特定子系统的干扰的有害影响。此外，在制造的过程中精确地确定固定到非光学子系统的参考光学指点器，不包括在应用时完成的校准和子系统坐标系对准要求。用于所说的校准的方法取决于具体的光学和非光学子系统。这些方法包括(但并不限于)对在子系统本身的坐标系内该子系统分别获得的大量的3D位置测量值进行数值拟合、与某一校准标准对比以及应用混合式光学/非光学校准工具。
此外负责确定目标的位置和方向(在子系统局部坐标系内)的每个子系统控制单元通过适当的计算程序直接连接在一起以便实时地交换所说的位置和方向值，因此能够执行到公共混合式系统的坐标系的变换。作为在子系统之间的直接连接的替代，应该计算所说的变换并应用到处理器上。光学和非光学子系统在制造之时就形成了作为它们的空间位置函数映射的它们的3D位置和方向精度以便在存在子系统冗余测量的情况下提供进行适当的选择或确定最佳测量值的基础。
关于磁性非光学子系统，需指出的是磁子系统包括一个或多个磁场发生器和许多磁传感器，一个或多个磁传感器固定到光学子系统以在磁子系统的坐标系内确定光学子系统的坐标系，由此，即使当在它们之间没有视线时以使两个所说的坐标系对准。
关于磁性非光学子系统，也还需指出的是磁子系统包括许多分离的单个电磁感应磁场发生器线圈，每个都具有至少三个光学指点器，这三个光学指点器以在所说的光学子系统的坐标系内将它确定为刚性体的方式固定到该线圈上，以便单个线圈可以放在所说的光学子系统的运行空间内的任何地方并由光学传感器跟踪，因此，与位于单个磁场发生器单元内的固定的发生器线圈阵列相比，磁子系统最佳地适合于在更大更不规则的子空间形状中跟踪磁传感器。
关于进一步的磁性非光学子系统，对于在本领域的熟练技术人员还应该理解的是磁子系统并不限于具有无源磁传感器的有源磁场发生器，作为它的补充，由有源磁“传感器”组成的磁子系统产生磁场然后通过在它的坐标系内的无源“磁场发生器”检测该磁场也是适合的。
已经描述了本发明的许多实施例。然而可以理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以作出各种变型。因此，其它的实施例在下属的权利要求所述的范围内。

Claims (12)

1.一种确定一个或更多个目标的位置的系统，包括：
第一子系统，具有第一组传感器和第一坐标系，所述第一组传感器产生第一数据信号，指示所述一个或多个目标在所述第一坐标系中的位置和取向，其中所述第一子系统响应于所述第一数据信号产生第一子系统位置信号，该第一子系统位置信号指示所述一个或多个目标在所述第一坐标系中的位置；
第二子系统具有第二组传感器和第二坐标系，所述第二组传感器产生第二数据信号，指示所述一个或多个目标在所述第二坐标系中的位置和取向，其中所述第二子系统响应于所述第二数据信号产生第二子系统位置信号，该第二子系统位置信号指示所述一个或多个目标在所述第二坐标系中的位置；
用于产生耦合位置信号的耦合配置，所述耦合位置信号指示所述第一与第二子系统之一在另一子系统的坐标系中的位置；以及
响应于所述耦合位置信号和至少一个所述子系统位置信号的处理器，用于将所述一个或多个目标定位在所述第一子系统的所述第一坐标系中，
其中，所述第一子系统和第二子系统之一为光学子系统，另一个为非光学子系统；
其中，第一组传感器和第二组传感器之一为光学传感器，另一组为与所述非光学子系统相应的传感器；
其中，所述耦合配置产生耦合位置信号是通过与所述光学子系统具有固定关系的非光学子系统传感器或与所述非光学子系统具有固定关系的非光学子系统光源实现的。
2.如权利要求1所述的系统，其中
用于产生指示所述第一与第二子系统之一在另一子系统的坐标系中位置的耦合位置信号的耦合配置包括用于产生指示所述第一子系统在所述第二子系统的所述第二坐标系中的位置的耦合位置信号的耦合配置。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述第一子系统是光学子系统，所述第二子系统是磁性子系统。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述光学子系统包括：
定位在所述一个或多个目标附近的至少一个光学光源；以及
所述的光学传感器，其配置成检测来自所述至少一个光学光源的能量；
其中所述光学传感器与所述第一坐标系具有固定空间关系；
其中所述光学传感器产生所述第一数据信号，代表从所述至少一个光学光源检测的能量。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述磁性子系统包括：
一个磁性发射器；和
所述的与所述非光学子系统相应的传感器包括定位在所述一个或多个目标附近的至少一个磁性传感器，所述至少一个磁性传感器被配置成检测来自所述磁性发射器的能量；
其中所述磁性发射器与所述第二坐标系具有固定空间关系；
其中所述至少一个磁性传感器产生所述第二数据信号，代表从所述磁性发射器检测的能量。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述耦合配置包括：
与所述第一坐标系具有固定关系的磁性子系统传感器；
其中所述磁性子系统传感器产生所述耦合位置信号，代表从所述磁性发射器检测的能量。
7.如权利要求2所述的系统，其中所述第一子系统是磁性子系统，而所述第二子系统是光学子系统。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述磁性子系统包括：
一个磁性发射器；和
所述的与所述非光学子系统相应的传感器包括定位在所述一个或多个目标附近的至少一个磁性传感器，所述至少一个磁性传感器被配置成检测来自所述磁性发射器的能量；
其中所述磁性发射器与所述第一坐标系具有固定空间关系；
其中所述至少一个磁性传感器产生所述第一数据信号，代表从所述磁性发射器检测的能量。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述光学子系统包括：
定位在所述一个或多个目标附近的至少一个光学光源；以及
所述光学传感器，其配置成检测来自所述至少一个光学光源的能量；
其中所述光学传感器与所述第二坐标系具有固定空间关系；
其中所述光学传感器产生所述第二数据信号，代表从所述至少一个光学光源检测的能量。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述耦合配置包括：
与所述第一坐标系具有固定关系的光学子系统光源；
其中所述光学传感器被进一步配置成检测来自所述光学子系统光源的能量；
其中所述光学传感器产生所述耦合位置信号，代表从所述光学子系统光源检测的能量。
11.如权利要求2所述的系统，其中所述子系统位置信号各包括一个定位信号，代表所述一个或多个目标在所述第一和所述第二坐标系中的定位。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述子系统位置信号各包括一个取向信号，代表所述一个或多个目标在所述第一和所述第二坐标系中的取向。
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