CN101261137B - 使用多线圈和多频率装置的距离、方位以及速度测量 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用多线圈和多频率装置的距离、方位以及速度测量。并且本发明涉及通过分别使用一个或多个线圈的磁场发生设备和磁场接收设备进行方位测量的领域。所述线圈发射或接收至少一个分别通过频率调制过的磁场；由此所述设备为所述线圈提供特定的布局，例如像平面布局那样，以确定所述装置彼此的相对方位。

Description

使用多线圈和多频率装置的距离、方位以及速度测量

技术领域

本发明涉及方位测量领域，特别是涉及磁场中和三维空间中的对象的方位。

背景技术

例如使用光或电或磁或任何其它适当的介质，可以通过不同的装置执行对三维空间中的对象的位置、方位和/或速度的测量。磁场具有对静电带电表面(electrostatic charged surface)不敏感的优点，对于电场，情况不是如此。光本身可以被几乎任何材料阻挡，从而使得测量方位和/或位置的灵活解决方案变得困难。

在磁的领域中，磁场通常通过线圈由于电磁而被产生，并且在磁场强度在另一线圈(即所谓的接收线圈)中变化的前提下，所述磁场在该接收线圈中感应出电压。显然，由于通过所述磁场没有感应出电压，所以不移动的接收线圈不能测量不变化的磁场。

已经存在能够测量接收装置相对于特定磁场发生装置的位置和/或方位的装置。为了测量三维空间中的方位，通常用三个正交布置的探针来计算笛卡尔(Cartesian)坐标。这些布局大多数需要非常大量的时间并且占用空间。

而且，必须考虑该磁场发生装置的构造和磁场接收装置的构造，确切地必须考虑线圈的布局，以评估接收到的磁场的接收到的信息并将该信息关联到这些装置之一的特定方位。

通常通过使用以正交方式布置的线圈来完成线圈在磁场内的方位的计算。连同其它的因素一起，线圈中的感应电压取决于磁场线的“到达角”。

Thales正持有关于“Method and device for magnetic measurement of theposition and orientation of a mobile object relative to fixed structure(用于对移动对象相对于固定结构的位置和方位进行磁测量的方法和装置)”的专利(WO2004/065896A1)。该专利保护了使用三个正交的线圈测量距离和方位。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁场测量装置，该磁场测量装置是小型的、可以识别特定对象的距离、方位和速度并且可被安装在移动对象上。

本发明涉及一种可操作来产生磁场的磁场发生设备，该磁场发生设备包括分别可操作来产生磁场的至少三个线圈，所述磁场分别利用不同的频率调制，其中所述线圈中的每个线圈具有对称轴，并且所述线圈中的至少两个线圈的对称轴是平行的。

有利地，所述对称轴中的至少两个对称轴是不相同的。

有利地，所述线圈中的每个线圈具有垂直于所述对称轴的平面，所述平面贯穿相应线圈的底部，并且所述线圈的所有平面被布置来形成公共平面，由此将所有线圈定位在该公共平面的相同侧上。

有利地，第一和第二线圈位于第一直线上，并且第二和第三线圈位于第二直线上，由此第一线垂直于第二线。

有利地，第一、第二和第三线圈位于第一直线上，并且第四、第二和第五线圈位于第二直线上，由此第一线垂直于第二线。

有利地，所述磁场发生设备包括垫板(pad)，可操作所述垫板来在特定位置承载所述线圈。

有利地，所述垫板包括可操作来承载一个线圈的中心垫板、分别可操作来承载所述线圈的至少两个外部垫板以及可操作来连接到所述中心垫板和所述相应的外部垫板的至少两个垫板连接(pad conjunction)。

有利地，所述垫板是柔性的和/或可伸展的，并且因此在预定使用该磁场发生设备之前，可以将所述垫板放置在非平面的表面上。

有利地，可操作至少一个线圈来通过所述磁场提供单向或双向通信链路。

另外，本发明涉及一种可操作来接收磁场的相应的磁场接收装置，所述磁场分别利用不同的频率来调制，所述磁场接收装置包括至少一个线圈，所述至少一个线圈可操作来接收所述磁场并且测量所述磁场的强度。

有利地，所述磁场接收装置包括与所述磁场发生设备一样多的线圈，由此在初始化所述磁场接收装置期间，所述线圈与所述磁场发生设备的线圈面对面地被定位，所述初始化确定参考位置处的磁场强度。

有利地，可操作所述线圈来接收相应的频率调制过的磁场。

最后，本发明涉及一种可操作来测量相对位置、方位和/或速度的相应的磁场测量系统，所述磁场测量系统包括所述磁场发生设备和磁场接收装置。

此外，本发明涉及可操作来接收磁场的另一磁场接收设备，所述磁场分别利用不同的频率来调制，所述磁场接收设备包括可操作来接收所述磁场的至少三个线圈，其中所述线圈中的每个线圈具有对称轴并且所述线圈中的至少两个线圈的对称轴是平行的。

有利地，所述对称轴中的至少两个对称轴是不相同的。

有利地，所述线圈中的每个线圈具有垂直于所述对称轴的平面，所述平面贯穿相应线圈的底部，并且所述线圈的所有平面被布置来形成公共平面，由此将所有线圈定位在该公共平面的相同侧上。

有利地，第一和第二线圈位于第一直线上，并且第二和第三线圈位于第二直线上，由此第一线垂直于第二线。

有利地，第一、第二和第三线圈位于第一直线上，并且第四、第二和第五线圈位于第二直线上，由此第一线垂直于第二线。

有利地，所述磁场接收设备包括垫板，可操作所述垫板来在特定位置承载所述线圈。

有利地，所述垫板包括可操作来承载一个线圈的中心垫板、分别可操作来承载所述线圈的至少两个外部垫板以及可操作来连接到所述中心垫板和所述相应的外部垫板的至少两个垫板连接。

有利地，所述垫板是柔性的和/或可伸展的，并且因此在初始化该磁场接收设备之前，可以将所述垫板放置在非平面的表面上，所述初始化确定参考位置处的磁场强度。

有利地，可操作至少一个线圈来通过所述磁场提供单向或双向通信链路。

本发明还涉及一种可操作来产生磁场的磁场发生装置，所述磁场发生装置包括可操作来产生所述磁场的至少一个线圈，所述磁场分别利用不同的频率来调制。

有利地，所述磁场发生装置包括与所述磁场接收设备一样多的线圈，由此在初始化所述磁场接收装置期间，所述线圈与所述磁场接收设备的线圈面对面地被定位，所述初始化确定参考位置处的磁场强度。

有利地，可操作所述线圈来产生相应的频率调制过的磁场。

最后，本发明涉及一种可操作来测量相对位置、方位和/或速度的相应的磁场测量系统，所述磁场测量系统包括所述磁场接收设备和所述磁场发生装置。

附图说明

通过下面结合附图阐述的详细说明，本发明的特征、目的和优点将变得更加明显，其中

图1示出磁场中的两个线圈之间的互耦原理的例子，

图2示出磁场强度相对距离的曲线图的例子，

图3示出平行磁场中的线圈的布局的例子，

图4示出包括磁场发生设备的本发明的实施例，

图5示出磁场发生装置和接收装置的电路图的例子，

图6示出包括信号图的、磁场测量系统的第一设置的例子，

图7示出包括另一信号图的、磁场测量系统的第二设置的例子，

图8示出包括另一信号图的、磁场测量系统的第三设置的例子，

图9示出包括另一信号图的、磁场测量系统的第四设置的例子，

图10示出包括另一信号图的、磁场测量系统的第五设置的例子，

图11示出包括另一信号图的、磁场测量系统的第六设置的例子，

图12示出包括另一信号图的、磁场测量系统的第七设置的例子，

图13示出磁场强度相对经过的时间的曲线图的例子，

图14示出本发明的实施例附着于其上的主体的手，

图15示出包括另一磁场发生设备的本发明的另一实施例，和

图16示出包括本发明的另一实施例的磁场测量系统的第八设置的例子，可操作所述实施例来接收磁场。

具体实施方式

图1示出包括发射线圈1和接收线圈2的线圈布局4。该线圈布局4正示出所述接收线圈2和所述发射线圈1之间通过磁场3进行的互耦，所述线圈彼此之间有距离d。发射线圈1以及接收线圈2分别包括发射馈线1a和接收馈线2a。接收线圈2和发射线圈1分别包括特定数目的绕组。明显地，关于相同的测量位置，增加数目的绕组、增加的电流量和/或增加的线圈直径将增加磁场强度。通过所述馈线1a向发射线圈1提供电流，并且由于发射线圈1的形状，产生如图所示的磁场3。由于磁场3理想地并不平行，并且随着距发射线圈1的距离d的增加而强度减少，所以当发射线圈1和/或接收线圈2移动时，该磁场强度的变化会在接收线圈2中感应出电压。假如调制该电流，因此产生调制场，则接收线圈2能够在无需移动发射线圈1和/或接收线圈2的情况下测量该调制磁场，所述场同时产生感应电压，并且最终基于接收线圈2中的所述电压产生电流。

在本发明的说明中，词“产生”对应于词“发射”，以描述可操作来产生磁场的线圈的原理操作，由此所述线圈是发射接收设置中的发射装置的部分。而且，可以将信息调制到该磁场上，因而将该线圈变成发射机。

图2示出曲线图5，其中基于图1的线圈布局4来记录磁场强度相对距离。记录x-轴，并且以常用对数示出x-轴。详细地，在0.1米到1米的距离范围(也称作近场6)中，场强以每十倍距离60dB(分贝)下降，而在1米到10米的距离范围(也称作远场7)中，场强以每十倍距离20dB下降。这就意味着：磁场在近场6中比在远场7中更容易被测量，因为场强和距离之间的依赖性更强。曲线图5也是通过线性近似来理想化的，以便更好地示出场强和距离之间的依赖性。近场6从0.1米处的0dB线性下降到1米处的-60dB，而远场7从1米处的-60dB线性下降到10米处的-80dB。

图3示出线圈在平行磁场中的布局8。该磁场10是平行的，并且被布置成与传导回路(conducting loop)9的表面积呈特定的角度α11。传导回路9或者也称为线圈包括线圈馈线9a。当回路9被引入到磁场10中和/或暴露于该磁场10时，在回路9之内，仅该磁场中基于角度11的特定分量是有效的，并且该特定分量有助于环形回路9中的电压的感应。在角度α＝90°，当该表面积垂直于磁场10时，感应电压最大，而在角度α＝0°，当该表面积平行于磁场10时，感应电压为零。回路9还可以被形成为例如像方形那样的其它形状，并且可以包括特定数目的绕组。所述电流产生磁场，其中把所产生的磁场的在回路9之内的部分对准磁场10。

图4示出磁场发生设备12，由此在垫板上布置五个线圈13、14、15、16、17，并且所述磁场发生设备12是本发明的实施例。

磁场发生设备12包括线圈13、14、15、16、17以及垫板，由此在所述垫板上以十字形布置所述线圈。每个线圈13、14、15、16、17包括相应的馈线13a、14a、15a、16a、17a，该相应馈线提供用于产生磁场的电流和/或从其它交变磁场接收感应电压。以某种方式构造馈线13a、14a、15a、16a、17a，以便尽可能最小地(例如通过绞合)干扰线圈13、14、15、16、17的磁场。第二线圈14被定位在该十字的中间，并且距其它线圈13、16、15、17有相等的距离。沿X轴将第五、第二和第四线圈17、14、16定位成一排或者也称作直线。沿Y轴将第一、第二和第三线圈13、14、15定位成一排。X轴和Y轴互相垂直，并且在第二线圈14的中间相交。第一线圈13包括半径为r的、以圆形方式形成的导线的至少一个绕组。针对线圈13形成的绕组越多，在相同的位置产生等量的磁场强度所需的电流越少。这些线圈还可以例如以方形方式/形状来形成。线圈13到17还可能包括至少一个铁芯或者粉状铁芯，以便增加磁导率，并且因此增加所产生的磁场的磁通量密度。而且，能实现和利用附加的线圈，以便帮助提高运动和/或方向计算的精度。

在其它实施例中，X轴和Y轴并不需要是垂直的，而是倾斜的。外部线圈13、16、15、17到中心线圈14的相应距离也可能彼此不同。线圈13到17的相应的直径也可能变化。

第一线圈13被定位在外部垫板18a上，该外部垫板18a也以圆形方式形成并且具有半径R。半径R大于半径r，但是不限于本实施例。线圈15、16、17以及外部垫板18b、18c、18d对应于第一线圈13及其外部垫板18a，由此将所述线圈15、16、17定位在所述外部垫板18b、18c、18d上。第二线圈14被定位在中心垫板20上，该中心垫板20是圆形成形的。通过相应的垫板连接19a、19b、19c、19d将中心垫板20连接到相应的线圈13、16、15、17的其它外部垫板18a至18d。每个垫板连接19a至19d具有长度为L的平行边，并且具有宽度B，可操作所述垫板连接来以十字形或任何其它期望的布局保持线圈。上述的垫板可以具有任何其它的形状和/或材料，以便最少地干扰由相应的线圈和/或所有线圈13至17所产生的磁场。垫板18a至18d和20可以分别包括例如孔，以节省材料和重量。整个垫板可以是可弯曲的和/或柔性的和/或可伸展的，以便更好地将所述垫板调节成圆的或其它形状的表面(例如像手那样)。如果如所述地那样修改所述垫板，则本实施例应当仍然提供线圈13至17的几乎平行的对称轴。如果这些对称轴不是平行的，则通过使用如图6中所示的不同参考信号电平来调节信号处理。

本发明还提出将在平面中包括三个或更多个线圈的磁场发生设备用作发生和/或接收装置。线圈在“在平面中”或“在同一平面上”的措词意味着，每个线圈与其底部一起被定位在公共平面的相同侧，由此相应线圈的对称轴垂直于所述公共平面。最后，每个线圈在该线圈的底部具有平面，并且该平面贯穿该线圈的底部，所述平面垂直于这些对称轴。在三个线圈的情况下，应当将这些线圈布置成彼此成直角，以便更好地区分彼此的相对位置。直角意味着，至少第一和第二线圈在第一直线上，而至少第二和第三线圈在第二直线上，由此第一直线垂直于第二直线。需要强调的是，这两条线彼此交叉。但是，当然在其它实施例中，不同的角度和/或布局也是可能的。有利于三维运动测量，实施例包括三个线圈，由此所述第一和第二直线通过所述线圈来跨越。该第二线圈是第一直线和第二直线的部分，因此两条线交叉。

稍后在图15中示出包括三个线圈的另一实施例。线圈13至17的所有对称轴都是彼此平行的，并且这些线圈被布置在相同的平面上，以及具有平的布局。当然，这些线圈并不限于被放置在相同的平面上，而是可以被偏移，并且仍然包括平行的对称轴；至少两个线圈的相应的对称轴必须是平行的。在这种情况下，偏移意味着一个线圈的平面不同于至少两个其它线圈的公共平面。

假如当所有线圈被定位在相同的平面上并且沿相同的直线时，仅能够明确地检测例如像沿z轴和x轴而不是沿y轴的二维运动。

假如当所有线圈具有相同的对称轴时，仅特定可测量的运动也是可能的。

每个线圈可以具有不同的谐振频率(例如简单的串联谐振电路RC)和/或可以由不同的频率信号来馈给，以产生频率调制过的磁场。载波频率的增量是恒定的。而且，该结构包含(未在图4中示出)包括例如像数字放大器那样的放大级的谐振电路、用于产生频率信号的微控制器以及例如像电池那样的电源。当然，也可以将谐振电路经由导线连接到线圈13至17，并且不必将谐振电路定位在布局12的十字形的垫板上或该垫板之后。另一实施例包括作为垫板的印刷电路板(PCB)，所述PCB承载这些线圈和谐振电路；因此仅要求微带线，而不是导线。可操作磁场发生设备来产生由至少三个线圈利用不同的频率来调制的磁场。反之亦然，可操作磁场发生设备的对应物(即磁场接收装置)来接收包括不同频率的所述磁场。

在另一实施例中，磁场接收设备的结构对应于图4中所示的结构，由此不可操作所述接收设备来产生磁场，而是接收磁场。当接收装置和发生装置具有如图4中所示的相同结构，并且所述装置具有线圈14的相同的对称轴时，当以特定方式布置这些线圈时可以检测到围绕所述轴的旋转。分别将所述装置的线圈13、14和17面对面地布置，而为该接收或发生装置切换线圈15和16的位置。因而，在所述装置中的一个或者两个围绕该线圈14的公共对称轴旋转的情况下，可以计算相对的圆周运动以及方向。

再次，在另一实施例中，可操作该设备来产生和接收磁场，因而该设备也作为单向通信链路工作。

图5示出包括磁场发生装置22和磁场接收装置23的磁场发生和接收装置的电路图21的例子。

磁场接收装置23的电路图包括接收线圈47、电容器48、放大器49、AD转换器51、微控制器26b、振荡器24b以及电池25b。连接到电池25b的接地51b对应于在该磁场接收装置23的电路图中示出的每个接地符号。接收线圈47被连接到接地51b，以及被连接到放大器49和被连接到电容器48。电容器48也被连接到接地51b。电容器48和接收线圈47形成或是谐振电路的部分，其处理优选频率f₀或者频率范围f₁至f₂。由调制过的磁场感应的其它频率信号并未通过所述谐振电路来传导。

放大器49被连接到AD转换器50，由此将所述转换器连接到微控制器器26b。振荡器24b被连接到接地51b和被连接到微控制器26b，由此电池25b被连接到接地51b和微控制器26b。电池25b例如可以是低压电池。可操作放大器49来基于接收到的磁场放大接收到的信号。可操作AD转换器50来将从放大器49接收到的信号从模拟的转换成数字的。可操作微控制器26b来分析和处理从AD转换器50接收到的数字信号，并且例如输出如图6中所示的信号图。可操作振荡器24b来提供参考频率，例如为了馈给微处理器和/或为了混合、分析和/或处理接收到的信号需要该参考频率。

磁场发生装置22包括微控制器26a、振荡器24a、电池25a、接地51a，由此将所述微控制器26a连接到相应的线圈13b、14b、15b、16b、17b。磁场发生装置22以及线圈13b至17b可以对应于图4中所描述的磁场发生设备12和对应于线圈13至17。为了控制相应的线圈，微控制器26a将相应的信号发送到相应的场效应晶体管42、43、44、45、46，由此将相应的信号发送到相应的场效应晶体管42、43、44、45、46的栅极。而且，相应的场效应晶体管的源极被连接到接地51a，并且漏极被连接到相应的感性负载37、38、39、40、41，和被连接到相应的第二电容器32、33、34、35、36，以及被连接到相应的第一电容器27、28、29、30、31。在图5中，所有的场效应晶体管42、43、44、45、46都是P沟道MOSFET，但是不限于本实例。提供电源电压52，并且将该电源电压52分别连接到相应的感性负载37、38、39、40、41。电源电压基于电池25a的电压，并且接地51a对应于在发射装置22的电路图中所示的每个接地符号。考虑到针对相应的线圈的输出信号，振荡器24a对应于振荡器24b。可操作微控制器26b来将不同的信号提供给不同的线圈13b、14b、15b、16b、17b，所述信号可能具有不同的频率。发送到不同线圈的信号也可以是相等的，并且可以是宽带信号，由此相应的频率稍后通过RC谐振电路RC1、RC2、RC3、RC4、RC5来过滤并且被用于调制该磁场。谐振电路RC1、RC2、RC3、RC4、RC5分别包括串联的线圈13b至17b和第一电容器27至31。

具有参考振荡器的、电池供电的微控制器正产生具有5个不同的载波频率的5个输出信号，这些输出信号或者是模拟或者是数字脉宽调制(PWM)过的。然后通过放大级(例如数字交换放大器)放大这些信号，并且将这些信号馈给匹配和谐振电路。由于近场中的场强和距离之间的依赖性强于远场中的场强和距离之间的依赖性，所以在所用的频率，接收线圈位于发射磁场的近场中。

磁场接收谐振电路的Q(品质)因数低，以便使接收装置的带宽足够聚集所用的频率处的感应电压。低噪声、宽带放大级放大该信号，并且将该信号馈给A/D转换器。然后可以在微控制器中处理该数字化的信号，用于提取参数以及与参考值比较。

不是一个接收线圈，而是也可以在磁场接收装置23中使用具有不同谐振频率的多个线圈，以便更好地辨别磁场接收装置23和/或磁场发生装置22的运动。本发明的数个实施例仍然受益于磁场发生装置的平的线圈布局，这意味着所述设备被定位在公共平面上。

本系统并不限于使用纯的连续波(CW)载波。单向以及双向的调制和数据传输也是可能的。

图6至10示出磁场测量系统53的不同位置、布局和/或设置53a至53e；详细地，示出针对磁场发生设备12a相对于磁场接收装置23a的相对方位和距离的测量的不同情形。磁场发生设备12a可以对应于图12中所描述的磁场发生设备12或者本发明中所描述的任何其它可操作来产生磁场的实施例。在开始时要求训练期(training session)，以便限定参考位置和参考方位，并且补偿依赖不同频率的感应电压。同样，需要完成运动相对时间的跟踪，以便说明第3轴(z轴)上的运动。在图6的情况下，示出参考位置，其中如在图4中所示的磁场发生设备12a或者也称为5线圈十字叉(coil cross)是平行的，并且在距磁场接收装置23a的一定距离处。详细地，磁场发生设备12a和磁场接收装置23a的对称轴彼此对应，或者至少所述对称轴是彼此平行的。

关于图6中所示的x轴、y轴和z轴，根据相同的笛卡尔坐标描述该磁场测量系统53的所有其它布局。

可以将感应电压V₁至V₅描述为

V₁＝2πf₁SNB₁Qcosα₁...V₅＝2πf₅SNB₅Qcosα₅

由此，

f₁至f₅代表相应的发射线圈的不同频率，

α₁至α₅代表相应的发生线圈和接收装置的对称轴之间的不同角度，

N代表接收装置的绕组的数目，

S代表接收装置的表面积，

B₁至B₅代表相应的发生线圈的轴向上的场强。

为了进一步的理解，线圈13至17分别发射频率f₁至f₅，所述频率彼此是不同的。

图6示出所述第一设置53a，其中描述了磁场发生设备12a的参考位置。在该参考位置，磁场发生设备12a的相应线圈的所有频率信号在磁场接收装置23a中感应出五个不同频率调制过的电压，所述电压或者也基于其的电流分别具有相同的水平。在曲线图中示出由相应的调制过的磁场发射的五个不同的频率信号。磁场发生设备12a的线圈被指向磁场接收装置23a的接收线圈。由于第二线圈14被直接放置在该十字叉的中间，并且该十字叉的中间被指向接收装置23a的中间，而其它线圈13、16、15、17被指向接收装置23a的边缘，所以第二线圈14的信号可能强于其余线圈13、16、15、17的相应信号。当磁场接收装置23a包括线圈时，其大于磁场发生设备12a，和/或当该接收装置远离该发生设备时，所有线圈13至17的信号在该位置彼此一样或者彼此几乎没有不同。

此外，在图6中，示出磁场测量系统的第一曲线图57a，其中显示基于相应的发生线圈的相应的调制过的磁场的信号f1至f5，并且这些信号f1至f5具有相同的电平。

图7示出所述第二设置53b，其中磁场发生设备12a相对于y轴逆时针方向旋转，所述y轴垂直于磁场发生设备12a的侧面。经由第一线圈13的磁场发射的频率信号f1增加，并且基于相应的第三线圈15的信号f3减小。取决于磁场发生设备12a旋转的角度，信号f2、f4和f5分别轻微地减小。信号f1是最强的信号，而信号f3是最弱的信号，如曲线图57b所示。

图8示出所述第三设置53c，其中磁场发生设备12a相对于y轴顺时针方向旋转。频率信号f1减小，而f3增加。取决于磁场发生设备12a旋转的角度，信号f2、f4和f5分别轻微地减小。信号f3是最强的信号，而信号f1是最弱的信号，如曲线图57c所示。

图9示出所述第四设置53d，其中磁场发生设备12a相对于z轴旋转90度，由此线圈的开口端或者所述对称轴也指向y轴的方向。取决于该角度，频率信号f1、f2、f3、f4和f5减小，由此信号f4减小最强。信号f5是最强的信号，而信号f4是最弱的信号，如曲线图57d所示。

图10示出所述第五设置53e，其中磁场发生设备12a的相应顶部和磁场接收装置23b的顶部相对于y轴彼此倾斜。相应的顶部在z轴方向上指向相同的点(该点在图中不可见)。频率信号f1增加，而f3减小。取决于该角度，信号f2、f4和f5轻微地减小。信号f1是最强的信号，而信号f3是最弱的信号，如图57e所示。与图7相比，图10的信号f1强于图7的信号f1。

当外部线圈13、16、15、17中的一个外部线圈通过例如如在图6至9之一中所提及的那样旋转而移动得更靠近磁场接收装置23a时，所述线圈正产生磁场，其在磁场接收装置23a中所感应出的信号优于其它外部线圈的其它信号，并且大于图6中所示的其参考信号的信号电平。但是，最终以特定的角度并且几乎垂直于磁场接收装置23a地发射磁场，或者说该线圈的对称轴几乎垂直于该接收装置23a的轴，该信号将低于图6中所示的参考信号的电平，但是仍大于其它信号。

图6、11和12的曲线图顺序表示，当对象在相对的z轴方向(即意味着负数)上移动时，H场(磁场)强度是如何变化的。f3的电平具有最强的下降，f2、f4和f5的电平同时下降到相同的数量，而f1的电平最长时间地保持强的。基于图13，其中示出磁场强度依赖于时间的线性近似，可以计算磁场发生设备12a的相对速度。当设备12a在负的z轴方向上时，取决于相应的发生线圈相对接收线圈的位置，该信号可以比其它线圈的其它信号更快地下降，例如像与f1、f2、f4和f5相比，信号f3下降得更快。产生信号f3的线圈15是离接收线圈23a最远的。

图14示出如何将磁场发生设备56的例子安装到移动对象的例子，在该情况下，移动对象例如是手55。磁场发生设备56在右手(如图所示)，而磁场接收装置在左手(未示出)，并且例如可以针对游戏控制台的距离、方位和速度敏感的控制构造人机接口。

图15示出包括三个线圈13c、14c、15c的磁场发生设备12b，由此将线圈13c、14c、15c都在相同的方向上对准，从而意味着这些对称轴都是平行的；另外，这些线圈都被布置在垂直于所述对称轴的相同的平面上。这些技术特征和元件对应于图4中所描述的技术特征和元件。当在三维空间中移动或旋转线圈装置12b时，为了得到最好的分辨率，必须以特定的方式提供三个旋转轴M、N、L。第一轴N对应于第一和第二线圈13c、14c之间的中线，第二轴M对应于第二和第三线圈14c、15c之间的中线，而第三轴L穿过两条中线M、N的交点。第三轴L垂直于第一轴N和第二轴M，并且距所有三个线圈13c、14c、15c有相等的距离。三个线圈之间的角度α越大，分别在第三旋转轴L与线圈之间得到的距离就越大。但是，本发明并不限于该旋转轴的所述特定布局。为了测量旋转，应当使用与所述发生设备具有相同的结构的接收装置，由此在参考位置面对面地定位所有线圈，并且除了两个外部线圈以外，所有线圈具有相同的频率谐振。所述外部线圈对应于并不包括等于该旋转轴的对称轴的任意线圈。所述两个外部线圈具有切换的频率谐振电路或者不同的信号，并且彼此紧邻地布置，使得可以识别旋转的方向。在图15中，例如接收装置的线圈13c和15c是可操作来检测旋转的外部线圈。

图16示出磁场测量系统53的第八设置53h的例子，所述系统53是另一包括磁场发生装置58和磁场接收设备59的例子。磁场发生装置58包括至少一个线圈58a和垫板58b，而磁场接收设备59包括至少三个线圈59a和垫板59b。该磁场发生装置58的结构对应于如上所述的磁场接收装置23a的结构，但是可操作所述装置58来产生由至少一个线圈利用宽带信号或者不同的频率进行调制的磁场。磁场接收设备59的结构可以对应于如上所述的磁场发生设备12a，但是可操作所述设备59来接收由至少三个线圈59a根据所述装置58进行调制的磁场。

最终，可以将任一上述装置/设备放置或附着在固定对象或移动对象上，像放置或附着在手套上那样。而且，该磁场测量系统可以包括至少一个接收装置和至少一个发生装置，以便提供更好和更准确的磁场测量结果，和/或允许检测多个用户，以及例如使用游戏控制台。

另一实施例包括三个线圈，由此两个线圈具有相同的对称轴。

因此，这里提出的实施例通过在发生器侧使用多线圈和多频率装置得到三维空间中的两个或多个对象相对彼此的位置、方位以及相对速度。

该技术背景是基于磁场的。在发射器的近场中，电磁发射器的磁场分量H优于电场分量E。近场和所谓的远场之间的有限距离取决于该发射器的频率，并且被限定为λ/2π，其中λ是波长。在近场中，以dBμA/m为单位测量的磁场强度沿导体环(conductor loop)发射器的x轴下降1/d3，其中d是距导体环中心的轴向距离。这对应于每十倍距离60dB的强度下降。在远场中，在场与天线分离之后，仅电磁波的自由空间衰减是有效的。场强正比于1/d，这对应于每十倍距离20dB的损失。

根据安培定律，通过流过导体元件的电流产生磁场，在具有半径r和N匝的圆形环的情况下，可以将在距离d的轴向方向上的磁场强度B计算成

$B_Z={\mathrm{\μ}}_0\frac{{\mathrm{INr}}^2}{2{(r^2+d^2)}^{3/2}}\≈{\mathrm{\μ}}_0\frac{{\mathrm{INr}}^2}{2}\frac{1}{d^3}(d^2>>r^2)$

如果这在时变磁场B内位于第一传导回路附近，则在第二导体环中感应出电压V，(法拉第定律)。ψ是磁通量，S是表面积

$V=-N\frac{\mathrm{d\Ψ}}{\mathrm{dt}}=-\∫\stackrel{\‾}{B}\·d\stackrel{\‾}{S}$

感应电压的电平取决于发生器电流的频率和强度、发射和接收导体环之间的距离、两个传导线圈的尺寸和匝数。品质因数Q是在感兴趣的频率处的选择性的量度。

V＝2πfSNBQcosα

此外，还有方位依赖性；这意味着感应电压V取决于B场线的到达角。

当频率彼此接近时，频率依赖性比较小。

在通过谐振电路检测感应电压的电平，利用适当的装置处理RF，以及进一步对接收到的信号信息进行后处理(DAC，导出)之后，可以导出两个或多个对象的相对距离和相对方位。而且，可以导出磁场强度相对时间和距离的变化，并且可以聚集关于传导回路的速度(距离相对时间)和加速度(速度相对时间)的信息。

参考编号

1   发射线圈

1a  发射线圈馈线

2   接收线圈

2a  接收线圈馈线

3   磁场

4   用于进行互耦的线圈布局

5   场强相对距离曲线图

6   近场曲线图

7   远场曲线图

8   平行磁场中的线圈布局

9   线圈

9a  线圈馈线

10  平行磁场

11  平行磁场和线圈之间的角度α

12  前视图中的作为十字叉的磁场发生设备

12a 侧视图中的磁场发生设备

12b 具有3个线圈的磁场发生设备

13  第一线圈

13a 第一线圈的馈线

13b 第一线圈的电路符号

13c 具有3个线圈的磁场发生设备的第一线圈

14  第二线圈

14a 第二线圈的馈线

14b 第二线圈的电路符号

14c 具有3个线圈的磁场发生设备的第二线圈

15  第三线圈

15a 第三线圈的馈线

15b 第三线圈的电路符号

15c 具有3个线圈的磁场发生设备的第三线圈

16  第四线圈

16a 第四线圈的馈线

16b 第四线圈的电路符号

17  第五线圈

17a 第五线圈的馈线

17b 第五线圈的电路符号

18a 第一线圈的外部垫板

18b 第三线圈的外部垫板

18c 第四线圈的外部垫板

18d 第五线圈的外部垫板

19a 第一线圈的垫板连接

19b 第三线圈的垫板连接

19c 第四线圈的垫板连接

19d 第五线圈的垫板连接

20  第二线圈的中心垫板

21  磁场发生和接收装置的电路图

22  磁场发生装置的电路图

23  磁场接收装置的电路图

23a 侧视图中的磁场接收装置

24a 磁场发生装置的石英振荡器

24b 磁场接收装置的石英振荡器

25a 磁场发生装置的电源

25b 磁场接收装置的电源

26a 磁场发生装置的控制器

26b 磁场接收装置的控制器

27  第一线圈的第一电容器

28  第二线圈的第一电容器

29  第三线圈的第一电容器

30  第四线圈的第一电容器

31  第五线圈的第一电容器

32  第一线圈的第二电容器

33  第二线圈的第二电容器

34  第三线圈的第二电容器

35  第四线圈的第二电容器

36  第五线圈的第二电容器

37  第一线圈的感性负载

38  第二线圈的感性负载

39  第三线圈的感性负载

40  第四线圈的感性负载

41  第五线圈的感性负载

42  第一线圈的场效应晶体管

43  第二线圈的场效应晶体管

44  第三线圈的场效应晶体管

45  第四线圈的场效应晶体管

46  第五线圈的场效应晶体管

47  磁场接收装置的接收线圈

48  磁场接收装置的电容器

49  磁场接收装置的放大器

50  磁场接收装置的AD转换器

51a 磁场发生装置的接地

51b 磁场接收装置的接地

52  电源电压

53  磁场测量系统

53a 磁场测量系统的第一设置

53b 磁场测量系统的第二设置

53c 磁场测量系统的第三设置

53d 磁场测量系统的第四设置

53e 磁场测量系统的第五设置

53f 磁场测量系统的第六设置

53g 磁场测量系统的第七设置

53h 磁场测量系统的第八设置

54  磁场强度相对时间曲线图

55  主体的手

56  磁场发生设备的例子

57a 磁场测量系统的第一曲线图

57b 磁场测量系统的第二曲线图

57c 磁场测量系统的第三曲线图

57d 磁场测量系统的第四曲线图

57e 磁场测量系统的第五曲线图

57f 磁场测量系统的第六曲线图

57g 磁场测量系统的第七曲线图

58  磁场发生装置

58a 线圈/多个线圈

58b 垫板

59  磁场接收设备

59a 线圈/多个线圈

59b 垫板

Claims (22)

1.一种可操作来产生磁场的磁场发生设备，所述磁场发生设备包括：

-至少三个可操作来分别产生磁场的线圈，所述磁场分别利用不同的频率调制，其中所述线圈中的每个线圈都具有对称轴，并且至少两个线圈的对称轴是平行的，以及

-垫板，所述垫板可操作来在特定位置承载所述至少三个线圈，所述垫板包括可操作来承载所述至少三个线圈中的一个线圈的中心垫板、可操作来分别承载所述至少三个线圈中的其它两个线圈的至少两个外部垫板和可操作来连接到所述中心垫板和所述相应的外部垫板的至少两个垫板连接，其中所述垫板能被放置在非平面的表面上。

2.根据权利要求1所述的磁场发生设备，其中，所述对称轴中的至少两个对称轴是不相同的。

3.根据权利要求1或2所述的磁场发生设备，其中，所述至少两个线圈中的每个线圈都具有垂直于线圈的对称轴的平面，所述平面贯穿相应线圈的底部，并且垂直于所有线圈的相应对称轴的平面被布置来形成公共平面，由此所有线圈被定位在所述公共平面的相同侧。

4.根据权利要求1或2所述的磁场发生设备，其中，所述至少三个线圈中的第一和第二线圈位于第一直线上，并且所述至少三个线圈的第二和第三线圈位于第二直线上，由此第一直线垂直于第二直线。

5.根据权利要求4所述的磁场发生设备，其包括至少五个线圈，其中，所述至少五个线圈中的第一、第二和第三线圈位于第一直线上，并且所述至少五个线圈中的第四、第二和第五线圈位于第二直线上，由此第一直线垂直于第二直线。

6.根据权利要求1或2所述的磁场发生设备，

其中，所述垫板是可弯曲和/或柔性的和/或可伸展的。

7.根据权利要求1或2所述的磁场发生设备，其中，可操作至少一个线圈，以便通过所述磁场提供单向或双向的通信链路。

8.一种可操作来接收磁场的磁场接收设备，所述磁场分别利用不同的频率来调制，

所述磁场接收设备包括：

-至少三个可操作来接收所述磁场的线圈，其中，所述线圈中的每个线圈都具有对称轴，并且至少两个线圈的对称轴是平行的，以及

-垫板，所述垫板可操作来在特定位置承载所述至少三个线圈，所述垫板包括可操作来承载所述至少三个线圈中的一个线圈的中心垫板、可操作来分别承载所述至少三个线圈中的其它两个线圈的至少两个外部垫板和可操作来连接到所述中心垫板和所述相应的外部垫板的至少两个垫板连接，其中所述垫板能被放置在非平面的表面上。

9.根据权利要求8所述的磁场接收设备，其中，所述对称轴中的至少两个对称轴是不相同的。

10.根据权利要求8或9所述的磁场接收设备，

其中，所述至少三个线圈中的每个线圈都具有垂直于线圈的对称轴的平面，所述平面贯穿相应线圈的底部，并且垂直于所有线圈的相应对称轴的平面被布置来形成公共平面，由此将所有线圈定位在所述公共平面的相同侧。

11.根据权利要求8或9所述的磁场接收设备，其中，所述至少三个线圈的第一和第二线圈位于第一直线上，并且所述至少三个线圈的第二和第三线圈位于第二直线上，由此第一直线垂直于第二直线。

12.根据权利要求11所述的磁场接收设备，

其包括至少五个线圈，其中所述至少五个线圈的第一、第二和第三线圈位于第一直线上，并且所述至少五个线圈的第四、第二和第五线圈位于第二直线上，由此第一直线垂直于第二直线。

13.根据权利要求8或9所述的磁场接收设备，

其中，所述垫板是可弯曲的和/或柔性的和/或可伸展的。

14.根据权利要求8或9所述的磁场接收设备，

其中，至少一个线圈可操作来通过所述磁场提供单向或双向的通信链路。

15.一种可操作来测量相对位置、方位和/或速度的磁场测量系统，

所述磁场测量系统包括：

-根据权利要求8所述的磁场接收设备，和

-可操作来产生磁场的磁场发生装置，所述磁场发生装置包括可操作来产生所述磁场的至少一个线圈，所述磁场分别利用不同的频率来调制。

16.根据权利要求15所述的磁场测量系统，其中，所述磁场发生装置的所述至少一个线圈可操作来产生相应的频率调制过的磁场。

17.根据权利要求15或16所述的磁场测量系统，其中，所述磁场发生装置包括：

-至少三个可操作来分别产生磁场的线圈，所述磁场分别利用不同的频率调制，其中所述线圈中的每个线圈具有对称轴，并且至少两个线圈的对称轴是平行的，以及

-垫板，所述垫板可操作来在特定位置承载所述至少三个线圈，所述垫板包括可操作来承载所述至少三个线圈中的一个线圈的中心垫板、可操作来分别承载所述至少三个线圈中的其它两个线圈的至少两个外部垫板和可操作来连接到所述中心垫板和所述相应的外部垫板的至少两个垫板连接，其中所述垫板能被放置在非平面的表面上。

18.根据权利要求15或16所述的磁场测量系统，其中，所述磁场发生装置包括与所述磁场接收设备一样多的线圈，其中，在初始化所述磁场接收设备期间，所述线圈与所述磁场接收设备的线圈面对面地被定位，所述初始化确定参考位置处的磁场强度。

19.一种可操作来测量相对位置、方位和/或速度的磁场测量系统，所述磁场测量系统包括：

-根据权利要求1所述的磁场发生设备，和

-可操作来接收磁场的磁场接收设备，所述磁场分别利用不同的频率来调制，所述磁场接收设备包括可操作来接收所述磁场和测量所述磁场的强度的至少一个线圈。

20.根据权利要求19所述的磁场测量系统，其中，所述磁场接收设备的所述至少一个线圈可操作来接收相应的频率调制过的磁场。

21.根据权利要求19或20所述的磁场测量系统，其中，所述磁场接收设备包括：

-至少三个可操作来接收所述磁场的线圈，其中所述线圈中的每个线圈都具有对称轴，并且至少两个线圈的对称轴是平行的，以及

-垫板，所述垫板可操作来在特定位置承载所述至少三个线圈，所述垫板包括可操作来承载所述至少三个线圈中的一个线圈的中心垫板、可操作来分别承载所述至少三个线圈中的其它两个线圈的至少两个外部垫板和可操作来连接到所述中心垫板和所述相应的外部垫板的至少两个垫板连接，其中所述垫板能被放置在非平面的表面上。

22.根据权利要求19或20所述的磁场测量系统，其中，所述磁场接收设备包括与所述磁场发生设备一样多的线圈，其中，在初始化所述磁场接收设备期间，所述线圈与所述磁场发生设备的线圈面对面地被定位，所述初始化确定参考位置处的磁场强度。

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