CN102449506B

CN102449506B - 磁性定位方法和结构

Info

Publication number: CN102449506B
Application number: CN201080023313.9A
Authority: CN
Inventors: M·哈克纳; V·彼得斯; J·绍埃雷尔
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2030-05-21
Also published as: US9223044B2; US20120084051A1; JP5620475B2; EP2256521A1; DE112010002972A5; WO2010136164A3; WO2010136164A2; CN102449506A; JP2012528304A

Abstract

本发明涉及利用永磁体(1)磁性定位的方法和结构，其中，利用位置传感器(2)测量永磁体(1)的矢量和局部梯度，由测量值计算永磁体(1)的磁偶极相对于位置传感器(2)的位置与方向。具有均匀磁化强度的球形永磁体(1)在该方法和结构中被采用，防止位置与方向确定之间的实现出现的横向灵敏度，并且允许没有事先校正地进行测量。

Description

磁性定位方法和结构

技术领域

本发明涉及利用永磁体进行磁性定位方法和结构，其中，在位置传感器所在的部位测量永磁体的磁通量密度的矢量和局部梯度，并且由磁通量密度的矢量和局部梯度计算永磁体的磁偶极相对于位置传感器的位置和方向。

这种定位例如是在这样的应用中采用，其中，一个物体相对于另一个物体或坐标系的位置将被检测，而这两者相对移动。永磁体和位置传感器然后相应地被紧固在这两个物体上，从而能够经由磁性定位确定物体的当前的相对位置以及可能的方向。

背景技术

磁偶极定位有时已经在地质学、医药以及国防技术中造成问题。各种不同的方法被用于确定磁性的或能被磁化的物体的位置以及经常还有朝向。因而，主要在医药领域但也在地质学领域中，经常采用这样的方法，即在一个平面内沿一个方向或沿多个方向扫描磁场，因而获得一种二维磁象。所述磁象随后利用肉眼检查的方式或利用图象处理的合适的算法被分析，从而确定磁性物体的位置和方向。

此外，已知利用磁场的几何学特性而从磁性测量的数据定位磁偶极。为此目的，磁通量密度的矢量在四个空间位置被测量，其中所述四个空间位置并非位于一个平面内。首先，由位于不同平面中的每两个位置的位置与磁场矢量确定两个平面。这两个平面的交叉直线同时是磁偶极的轴线。磁偶极在该直线上的位置然后由进一步的几何学研究被确定，例如在G.Cauffet等人的著作“"Geometric ConstructionTechnic to Localization of a Magnetic Dipole",COMPUMAG2001,13thConference on the Computation of Electromagnetic Fields,Lyon-Evian”中详细说明。

在国防技术、尤其地雷探测和地质学的应用中，通过利用离散构造的磁场传感器测量梯度而定位磁偶极，其中所述磁场传感器能够通过空间偏差测量两个不同的部位之间的磁场的变化、即局部梯度。由这些测量的值，利用磁偶极的反向的梯度张良确定磁偶极的位置。为此目的，一个平面内的梯度的确定是足够的。该技术的实例在以下公开文献中可见：S.Kumar等人的"Real-Time Tracking MagneticGradiometer for Underwater Mine Detection",OCEANS04.MTTS/IEEETECHNO-OCEAN04,ISBN:0-7803-8669-8/04,2004；S.Kumar等人的"Real-Time Tracking Gradiometer for use in an Autonomous UnderwaterVehicle for Buried Minehunting",OCEANS,2005,Proceedings ofMTS/IEEE,ISBN:0-933957-34-3；Takaaki Nara等人的"A Closed-FormFormula for Magnetic Dipole Localization by Measurement of ItsMagnetic Field and Spatial Gradients",IEEE TRANSACTIONS ONMAGNETICS,VOL.42,NO.10October2006,pp.3291-3293；Frahm,C.P.的"Inversion of the magnetic field gradient equations for a magneticdipole field",Naval Coastal Systems Laboratory,Informal Report(1972),NCSL,pp.135-172,Panama City,Fla.，或M.C.Jeoffreys的"DISCRIMINATION AND IDENTIFICATION OF UNEXPLODEDORDINANCES(USO)USING AIRBORNE MAGNETIC GRADIENTS",Mathematics in Industry Study Groups in South Africa>MISGA2006,University of the Witwatersrand(23rd-27th January2006)。

在这种情况中并在本申请中，术语梯度并非意味着矢量计算的数学算符，而实际上是根据空间方向（局部求导）的导数（或微分系数）。这些导数大体上根据三个笛卡尔坐标方向被确定。然而，其它坐标系的采用也基本上是可行的。

由测量的磁场以及它们的梯度定位的另一种方法包括不反向场公式、而是借助于回归确定场公式的参数，从而公式与测量的数据之间的误差是最小的（最小二乘拟合）。例如，在S.L.Helwig等人的"Inversion vonWirbelstrommessdaten zur Bestimmungder Lage und Geometrie von Landminen[Inversion of Location-ResolvedEddy Current Measured Data to Determine the Location and Geometry ofLandmines]";DGZfP report volume94-CD,DGZfP Annual Meeting2005,poster26中说明了这种方法。

对于紧凑位置传感器内永磁体的磁场测量积分以及永磁体的位置或方向的计算而言，基于筛选或通过拟合算法的逼近的方法由于高要求的技术能力而被排除。如果这种位置传感器将被集成到一芯片内，则不会考虑需要不同平面内的磁场传感器的方法。因此，测量磁通量密度的矢量以及局部梯度（location gradient）的仅仅上述技术适用于这些应用，这是因为对于该技术而言在一个平面内布置磁场传感器就是足够了的。为此目的，环形的、圆柱形的或立方形的永磁体被用作为上述永磁体。

然而，在这种已知的技术中，永磁体的线性位置和方向无法彼此相互独立地被事先确定。例如，由于安装过程中磁体的歪斜的磁化或误差而造成的方位自预定的方向的偏离也总是影响线性位置的测量。在颠倒的情况中，即如果旋转轴线的位置并非与磁体的轴线和磁场传感器的位置最佳对正，则这还导致测量的方位相对于实际方位的偏差。这种横向灵敏度对于应用这种技术以定位是不利的。此外，确认的测量的值最初在该技术中具有任意标度，这源自于结构但是不易确认。因此，测量必须大体上被校正。另外，在线性移动的过程中，所探测的测量值的线性化对于确认线性位置而言是必须的。

本发明的技术问题包括提出用于磁性定位的方法和结构，其允许磁性传感器和分析电子器件集成在紧凑的位置传感器中并且允许彼此相互独立地确定线性位置与朝向。

发明内容

该技术问题通过根据说明书的方法和结构得以解决。该方法和该结构的有利的实施例在说明书中记载或者可以由以下说明和示意性实施例得出。

在所提出的利用永磁体进行定位的方法中，利用磁场传感器在位置传感器所在的部位测量永磁体的磁通量密度的矢量和局部梯度。由磁通量密度的矢量和局部梯度计算永磁体的磁偶极相对于位置传感器的位置和方向。该计算基于已知的磁偶极公式以已知的方式实现。所提出的方法与现有技术的方法的区别之处在于采用具有均匀磁化强度的球形永磁体。

通过采用球形永磁体（其在外部空间内具有理想的磁偶极的特性）来定位与确定磁偶极的方向是独立的。因而，例如，为了进行定位，可以利用源自T.Nara等人"A Closed-Form Formula for Magnetic DipoleLocalization by Measurement of Its Magnetic Field and Spatial Gradients",IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL.42,NO.10,OCTOBER2006,pp.3291-3293的公式。为了选择位置传感器上的基准坐标系，这些公式必须唯一地乘以因数-1。为了确定方向、即磁偶极矩的矢量，针对偶极场的公式可以通过理论得出并且对m_x、m_y和m_z求解。

在所提出的方法中，球形永磁体沿其三个平移自由度的位置以及沿两个旋转自由度的磁化方向可以由测量值被确定。第三旋转自由度无法被确定，这是因为永磁体的磁场绕其磁化轴线是旋转对称的。

所提出的用于定位的结构相应地包括球形与均匀磁化的永磁体以及与所述永磁体隔离布置的位置传感器。位置传感器设置成在位置传感器所在的部位测量永磁体的磁通量密度的矢量和局部梯度，并且所述位置传感器具有分析电子器件或分析装置，所述分析电子器件或分析装置由所述磁通量密度的矢量和空间梯度优选在所述位置传感器的基准系内计算所述永磁体的磁偶极相对于所述位置传感器的位置和方向。

在所提出的方法和相关的结构中，位置传感器优选包括多个3-D磁场传感器，所述3-D磁场传感器在一平面内布置。因此，所述位置传感器包括二维布置结构的磁场传感器，所述磁场传感器适于沿笛卡尔坐标系的所有三个空间方向测量磁场或磁通量密度，并且由此首先确定永磁体的六个机械自由度中的五个。磁场传感器在该平面内安置，以使得除了磁场或磁通量密度矢量以外，还可以测量在所述传感器的平面内沿笛卡尔方向的梯度。

以下两个公式优选被用于确定所测量的变量，即：

(\begin{matrix} m_{x} \\ m_{y} \\ m_{z} \end{matrix}) = \frac{2 \cdot π}{μ_{0}} \cdot \sqrt{{x_{p}}^{2} + {y_{p}}^{2} + {z_{p}}^{2} \cdot} (\begin{matrix} {x_{p}}^{2} - 2 \cdot {y_{p}}^{2} - 2 \cdot {z_{p}}^{2} & 3 \cdot x_{p} \cdot y_{p} & 3 \cdot x_{p} \cdot z_{p} \\ 3 \cdot x_{p} \cdot y_{p} & - 2 \cdot {x_{p}}^{2} + {y_{p}}^{2} - 2 \cdot {z_{p}}^{2} & 3 \cdot y_{p} \cdot z_{p} \\ 3 \cdot x_{p} \cdot z_{p} & 3 \cdot y_{p} \cdot z_{p} & - 2 \cdot {x_{p}}^{2} - 2 \cdot {y_{p}}^{2} + {z_{p}}^{2} \end{matrix})] \cdot (\begin{matrix} B_{x} \\ B_{y} \\ B_{z} \end{matrix})] .

尽管在具有永磁编码器的线性位置传感器系统的现有已知的方法中，磁化的方向非常强烈地影响线性位置的测量值，但是该横向灵敏度在所提出的方法以及相关的结构中不再出现。尽管磁体例如由于机械误差或由于技术上的要求而在该结构内旋转，但是测量给出了针对编码器磁体的平移位置的精确值，而这与旋转是无关的。此外，所提出的方法以及相关的结构提供了仅仅基于磁场传感器的布置结构的结果的绝对标度的优点。如果例如磁场传感器的相互位置是足够已知的，则由于所述相互位置在半导体技术中借助于刻印被限定在一芯片上，因此不再需要测量结构的校正或线性化。在所提出的方法中，磁场传感器能够与分析电子器件一起集成在ASIC（专用集成电路）中，这是因为所有磁场传感器能够在ASIC的芯片平面内布置。

例如，五个3-D磁场传感器、即霍尔传感器优选以十字形的布置结构被使用，以测量磁通量密度的矢量和局部梯度。磁场传感器中的四个在这种情况中位于一想像的矩形的四角，并且另一磁场传感器位于该矩形的中心。当然，3-D磁场传感器在一平面内的其它布置结构也可以用于探测磁通量密度的三维矢量以及在传感器所在平面内沿两个笛卡尔空间方向的局部梯度。这还可以利用四个或仅仅三个3-D磁场传感器实现，例如由所述磁场传感器的测量值同时结合测量值的坐标变换或相应的权重，还可以确认所期望的变量。例如，在四个磁场传感器的情况中，可以选择矩形或菱形的布置结构，例如，在三个磁场传感器的情况中，可以选择直角或等边三角形的布置结构。在具有三个或四个磁场传感器的这些布置结构中，能够利用3-D磁场传感器中的一个测量或由所述3-D磁场传感器中的多个或全部计算磁通量密度的矢量的分量B_x、B_y和B_z。利用少于三个3-D磁场传感器确定这些测量变量不再是可行的。

附图说明

此后基于示意性实施例结合附图将再次简短地说明所提出的方法与相关的结构。在附图中：

图1示出了所提出的方法中的永磁体和位置传感器的实施例的示意图。

具体实施方式

在该示意性实施例中，球形永磁体1在位置传感器2、即ASIC上方安设。位置传感器2包括在一限定的光栅内以十字形布置的五个3-D磁场传感器3。永磁体1的磁通量密度利用中央的3-D磁场传感器沿所有三个空间分量被测量。这些分量的梯度利用四个外侧的3-D磁场传感器被确定。为此目的——相对于图1，右磁场传感器的测量值（B_X、B_Y、B_Z）减去左磁场传感器的测量值（B_X、B_Y、B_Z）被用于确定根据x的导数，并且上磁场传感器的测量值（B_X、B_Y、B_Z）减去下磁场传感器的测量值（B_X、B_Y、B_Z）被用于确定根据y的导数。通过相对于中央3-D磁场传感器对称的十字形布置结构，因此得到能够体现中央磁场传感器的位置的值。因此，所有的测量值对于中央3-D磁场传感器而言是大致已知的。通过在上述公式中利用这些测量值，可以确定位置传感器2的基准系内的永磁体1的磁偶极的位置和方向。在这种情况中，这种分析通过位置传感器2内的集成的分析电路直接完成，从而该位置传感器输出位置和方向的数据值。将永磁体1和位置传感器2紧固在彼此相对移动的不同物体上因此允许在任何时间确定这两个物体相互之间的位置和方向。

附图标记列表

1永磁体

2位置传感器

33-D磁场传感器

Claims

1.一种利用永磁体(1)定位的方法，其中：

所述永磁体(1)的磁通量密度的矢量和局部梯度在位置传感器(2)所在的部位被测量；并且

由所述磁通量密度的矢量和局部梯度计算所述永磁体(1)的磁偶极相对于所述位置传感器(2)的位置和方向，其特征在于，采用具有均匀磁化强度的球形永磁体(1)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用多个3-D磁场传感器(3)测量所述磁通量密度的矢量和局部梯度，所述3-D磁场传感器在所述位置传感器(2)中安置在一平面中，以使得所述3-D磁场传感器能够在所述平面内沿两个笛卡尔空间方向测量局部梯度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，霍尔传感器被用作为所述3-D磁场传感器(3)。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，五个3-D磁场传感器(3)被用于测量所述磁通量密度的矢量和局部梯度，所述五个3-D磁场传感器(3)中的四个在一想像矩形的四个角处布置，并且剩余一个在所述想像矩形的中心处布置。

5.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述磁偶极的位置通过以下公式被确定，即：

6.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述磁偶极的方向通过以下公式被确定，即：

(\begin{matrix} m_{x} \\ m_{y} \\ m_{z} \end{matrix}) = \frac{2 \cdot π}{μ_{0}} \sqrt{{x_{p}}^{2} + {y_{p}}^{2} + {z_{p}}^{2}} \cdot (\begin{matrix} {x_{p}}^{2} - 2 \cdot {y_{p}}^{2} - 2 \cdot {z_{p}}^{2} & 3 \cdot x_{p} \cdot y_{p} & 3 \cdot y_{p} \cdot z_{p} \\ 3 x_{p} \cdot y_{p} & - 2 \cdot {x_{p}}^{2} + {y_{p}}^{2} - 2 \cdot {z_{p}}^{2} & 3 \cdot y_{p} \cdot z_{p} \\ 3 \cdot x_{p} \cdot z_{p} & 3 \cdot x_{p} \cdot z_{p} & - 2 \cdot {x_{p}}^{2} - 2 \cdot {y_{p}}^{2} + {z_{p}}^{2} \end{matrix}) \cdot (\begin{matrix} B_{x} \\ B_{y} \\ B_{z} \end{matrix}) .

7.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述永磁体(1)和所述位置传感器(2)分别在与之对应的物体上布置，所述物体的相对位置和方向将要被确定。

8.一种利用永磁体(1)以及与所述永磁体(1)隔离布置的位置传感器(2)定位的结构，其中，所述位置传感器(2)设置成在所述位置传感器(2)所在的部位测量所述永磁体(1)的磁通量密度的矢量和局部梯度，并且所述位置传感器具有分析电子器件，所述分析电子器件由所述磁通量密度的矢量和空间梯度计算所述永磁体(1)的磁偶极相对于所述位置传感器(2)的位置和方向，并且所述永磁体(1)是球形的并具有均匀磁化强度。

9.根据权利要求8所述的结构，其特征在于，所述位置传感器(2)具有多个3-D磁场传感器(3)，所述3-D磁场传感器在一平面内布置，以使得它们能够在所述平面内沿两个笛卡尔空间方向测量局部梯度，以测量所述磁通量密度的矢量和局部梯度。

10.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，所述3-D磁场传感器是霍尔传感器。

11.根据权利要求9或10所述的结构，其特征在于，用于测量所述磁通量密度的矢量和局部梯度的位置传感器(2)具有五个3-D磁场传感器(3)被用于测量所述磁通量密度的矢量和局部梯度，所述五个3-D磁场传感器(3)中的四个在一想像矩形的四个角处布置，并且剩余一个在所述想像矩形的中心处布置。

12.根据权利要求8至10任一所述的结构，其特征在于，所述分析电子器件设置成通过以下公式确定所述磁偶极的位置即：

13.根据权利要求8至10任一所述的结构，其特征在于，所述分析电子器件设置成通过以下公式确定所述磁偶极的方向，即：

(\begin{matrix} m_{x} \\ m_{y} \\ m_{z} \end{matrix}) = \frac{2 \cdot π}{μ_{0}} \sqrt{{x_{p}}^{2} + {y_{p}}^{2} + {z_{p}}^{2}} \cdot (\begin{matrix} {x_{p}}^{2} - 2 \cdot {y_{p}}^{2} - 2 \cdot {z_{p}}^{2} & 3 \cdot x_{p} \cdot y_{p} & 3 \cdot y_{p} \cdot z_{p} \\ 3 x_{p} \cdot y_{p} & - 2 \cdot {x_{p}}^{2} + {y_{p}}^{2} - 2 \cdot {z_{p}}^{2} & 3 \cdot y_{p} \cdot z_{p} \\ 3 \cdot x_{p} \cdot z_{p} & 3 \cdot x_{p} \cdot z_{p} & - 2 \cdot {x_{p}}^{2} - 2 \cdot {y_{p}}^{2} + {z_{p}}^{2} \end{matrix}) \cdot (\begin{matrix} B_{x} \\ B_{y} \\ B_{z} \end{matrix}) .

14.根据权利要求8至10任一所述的结构，其特征在于，所述位置传感器(2)是ASIC。