CN104048593B - 一种三维空间测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明开了一种三维空间测量装置，该装置包括设置在软管内的若干个磁场传感器、磁场发生器、信号处理单元、集中控制单元、计算装置和显示器；磁场发生器包含若干个线圈，不同线圈通不同频率的交流电后产生不同频率的交变磁场，磁场传感器将检测到的交变磁场转化为电信号并传送至信号处理单元，集中控制单元综合控制线圈的磁场的发生，并将该信号传送给计算装置，计算装置由集中控制单元传送过来的经信号处理单元数字转换的磁场传感器信号计算出所述磁场传感器的三维位置和方向数据，通过显示器显示出软管的三维形状及位置。采用多频弱磁场确定一维磁场传感器的三维方位，具有成本低，体积小等特点。

Description

一种三维空间测量装置

技术领域

本发明涉及一种三维方位测量装置，尤其涉及采用电磁的方法同时测量多个三维位置传感器方位的测量装置。

背景技术

近距离磁场被用于三维方位检测已经有超过四十年的历史。在这种检测系统中，磁场发生器利用多个电磁线圈产生不同位置，不同方向的电磁场。磁场传感器可以检测到这种磁场，并可以建立测量值和磁场传感器相对方位的方程组。通过数值求解该方程组，能计算出该传感器相对磁场发生器的方位。不过现有的这类系统，特别是一些早期的系统，大量的依赖复杂的模拟信号滤波和跟踪，导致系统的成本高，并且不适合多传感器的同时定位。有的系统采用多维磁场传感器(即对二个及以上方向都敏感的磁场传感器)，这样的传感器体积大成本高。还有的系统限制传感器只能在一个或有限的几个方向上运动。另外现有的系统采用分时磁场驱动磁场发生器的各个线圈，使得系统的测量速度较低。

发明内容

本发明目的在于，克服现有技术的缺陷，提供采用多频弱磁场确定一维磁场传感器(即只对单一方向敏感的磁场传感器)的三维方位，使测量速度快可以达到25Hz以上，并可以达到磁场传感器的成本低，体积小，没有辐射，并可以进行非可见测量的三维空间测量装置。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：提供一种三维空间测量装置，其特征在于，所述装置包括设置在软管内的若干个磁场传感器、磁场发生器、信号处理单元、集中控制单元、计算装置和显示器；磁场发生器包含若干个线圈按照不同位置不同方向排列，不同线圈通不同频率的交流电后产生不同频率的交变磁场，磁场传感器将检测到的交变磁场转化为电信号并传送至信号处理单元，信号处理单元将磁场传感器的电信号转换为数字信号，集中控制单元综合控制所述线圈的磁场的发生，同时接收信号处理单元的数字信号，并将该数字信号传送给计算装置，计算装置由集中控制单元传送过来的经信号处理单元数字转换的磁场传感器信号计算出所述磁场传感器的三维位置和方向数据，并将处理后的该磁场传感器三维数据构建出三维图形，再通过显示器显示出软管的三维形状及位置。

其中优选的技术方案是，所述磁场传感器为电感线圈，将若干个电感线圈均布在软管内，将每个线圈的两端通过插座与信号处理单元连接，所述软管依据使用需要可构成任意三维空间的曲线结构。

优选的技术方案还有，所述磁场发生器的线圈的轴向均在同一平面内。

优选的技术方案还有，所述线圈至少被分为两组，由测得的磁场传感器的位置来确定驱动哪组磁场发生器的线圈发出电磁信号。

优选的技术方案还有，所述磁场发生器中安装有一个或多个监测磁场传感器，其信号用来监测所述磁场发生器的磁场。

优选的技术方案还有，所述磁场传感器为霍尔传感器，或为磁阻传感器。

进一步优选的技术方案还有，所述信号处理单元的电路板与所述磁场发生器的线圈的轴向平面位于同一平面内。

进一步优选的实施方案还有，所述磁场发生器的不同线圈的不同频率交流电的频率由相同的参考频率合成。

优选的技术方案还有，所述计算装置为嵌入式计算机，所述磁场发生器、信号处理单元、集中控制单元、嵌入式计算机和显示器分别设置在可移动装置上，在所述移动装置上设有底座、立柱和操作台，将嵌入式计算机和信号处理单元置于底座上，将显示器设置在操作台上，在操作台上还设有调节旋钮，所述磁场传感器通过插座与该移动装置相连。

优选的技术方案还有，所述软管内的若干个磁场传感器可以随其软管插入内窥镜的取样通道，从而测量该内窥镜的三维形状及位置。

本发明的优点及有益效果是：该三维空间测量装置可以用于非接触非可视的三维方位测量，例如医疗器械的三维形状跟踪，虚拟现实的控制以及远程控制等。其中一个应用就是由若干磁场传感器构成软管状的三维形状传感装置，这种三维形状传感装置的外套软管插入到内窥镜的钳道中，外套软管的形状就是内窥镜钳道的形状，钳道的形状就是内窥镜的形状，所以通过测量该三维形状传感器可以得知内窥镜的三维形状。并通过该发明的装置实时显示内窥镜的三维形状。再由于该装置采用多频弱磁场确定一维磁场传感器(即只对单一方向敏感的磁场传感器)的三维方位，使测量速度快可以达到25Hz以上，并可以达到磁场传感器的成本低，体积小，没有辐射，并可以进行非可见测量等效果。

附图说明

图1为本发明三维空间测量装置中三维形状传感器的结构示意图；

图2为本发明三维空间测量装置的总体结构示意图；

图3为本发明三维空间测量装置中磁场发生器线圈的结构示意图；

图4为本发明三维空间测量装置中磁场发生器线圈的结构示意图；

图5为本发明三维空间测量装置中Z轴电磁线圈磁场示意图；

图6为本发明三维空间测量装置中Y轴电磁线圈磁场示意图；

图7为本发明三维空间测量装置中传感器方位矢量分解图；

图8为本发明三维空间测量装置中三维方位测量及应用装置的框图；

图9为本发明三维空间测量装置中三维方位测量及内窥镜应用装置的框图；

图10本发明三维空间测量装置中磁场发生器线圈的磁场强度变换示意图。

图11为本发明三维空间测量装置中的磁场传感器的一个实例。

图中：12-容纳磁场传感器的软管，13-连接磁场传感器的电气插头，14-磁场传感器，21-显示器，22-操作旋钮，23-传感器插座，24-底座，25-立柱，31-磁场发生器线圈骨架，32-绕在该骨架上的导线，41-磁场发生器底板，42-磁场发生器的线圈，43-监测磁场传感器。

具体实施方式

本发明是一种三维空间测量装置，该装置包括设置在软管内的若干个磁场传感器14、磁场发生器、信号处理单元、集中控制单元、计算装置和显示器21；磁场发生器包含的若干个磁场发生器的线圈42按照不同位置与不同方向排列，所述线圈42通不同频率的交流电后产生不同频率的交变磁场，磁场传感器14将检测到的交变磁场转化为电信号并传送至信号处理单元，信号处理单元将磁场传感器14的电信号转换为数字信号，集中控制单元综合控制所述线圈42磁场的发生，同时接收信号处理单元的数字信号，并将该数字信号传送给计算装置，计算装置由集中控制单元传送过来的经信号处理单元数字转换的磁场传感器信号计算出所述磁场传感器14的三维位置和方向数据，并将处理后的磁场传感器14的三维数据构建出三维图形，再通过显示器21显示出软管的三维形状及位置。

本发明中优选的实施方案是，所述磁场传感器14为电感线圈，将若干个电感线圈分布在软管内，将每个所述线圈的两端通过传感器插座23与信号处理单元连接，所述软管依据使用需要可构成任意三维空间的曲线结构。

本发明中优选的实施方案还有，所述磁场发生器的线圈42的轴向均在同一平面内。

本发明中优选的实施方案还有，所述线圈至少被分为两组，由测得的磁场传感器14的位置来确定驱动哪组磁场发生器的线圈42发出电磁信号。

本发明中优选的实施方案还有，所述磁场发生器中安装有一个或多个监测磁场传感器43，其信号用来监测所述磁场发生器14的磁场。

本发明中优选的实施方案还有，所述监测磁场传感器43为霍尔传感器，或为磁阻传感器。

本发明中进一步优选的实施方案还有，所述信号处理单元的电路板与所述磁场发生器的线圈42的轴向平面位于同一平面内。

本发明中进一步优选的实施方案还有，所述磁场发生器的所述线圈42的不同频率交流电的频率由相同的参考频率合成。

本发明中优选的实施方案还有，所述计算装置为嵌入式计算机，所述磁场发生器、信号处理单元、集中控制单元、嵌入式计算机和显示器21分别设置在可移动装置上。

本发明中进一步优选的实施方案还有，在所述移动装置上设有底座24、立柱25和操作台，将嵌入式计算机和信号处理单元置于底座24上，将显示器21设置在操作台上，在操作台上还设有调节旋钮，所述磁场传感器14通过传感器插座23与所述移动装置相连。

本发明中优选的实施方案还有，所述软管内的若干个磁场传感器14可以随其软管插入内窥镜的取样通道，从而测量该内窥镜的三维形状及位置。

实施例1

该三维空间测量装置采用多频弱磁场确定一维磁场传感器(即只对单一方向敏感的磁场传感器)的三维方位，因为采用多频磁场，所以测量速度快可以达到25Hz以上，而一维磁场传感器的成本低，体积小，该装置没有辐射，可以进行非可见测量。

当导线通过电流时，其周围会产生磁场。对于一个由导线绕制成的线圈并延Z轴放置，如图5所示，如果某点P到线圈的距离R>>线圈直径D时，该P点由所述线圈42产生的磁场可以近似为偶极子磁场。其P点的偶极子磁场为，

$\left\{\begin{array}{c}{B}_r=\frac{2\·k_g\·\cos \mathrm{\α}}{R^3}\\ B_a=\frac{k_g\·\sin \mathrm{\α}}{R^3}\end{array}\right.$

其中，R为P点到所述线圈42中心的距离；BR为延R方向的磁场强度；Ba为延a方向的磁场强度；kg为所述线圈42的磁场强度系数，在这里为常量。

因为在图5中，

$R=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$

$R_{\mathrm{xy}}=\sqrt{x^2+y^2}$

$\cos \mathrm{\α}=\frac{z}{R}$

$\sin \mathrm{\α}=\frac{R_{\mathrm{xy}}}{R}$

$\cos \mathrm{\β}=\frac{x}{R_{\mathrm{xy}}}$

$\sin \mathrm{\β}=\frac{y}{R_{\mathrm{xy}}}$

P点的偶极子磁场用x，y，z表示为，

$\mathrm{BZ}=k_g\·(\frac{3\·x\·z}{R^5}\hat{x}+\frac{3\·y\·z}{R^5}\hat{y}+\frac{2\·z^2-x^2-y^2}{R^5}\hat{z})$

其中x，y，z为三维空间某点的位置相对于所述线圈42的坐标，x，y，z为三维空间的单位矢量。

因kg为常量，该磁场可归一化表示为，

$\mathrm{BZ}=\frac{3\·x\·z}{R^5}\hat{x}+\frac{3\·y\·z}{R^5}\hat{y}+\frac{2\·z^2-x^2-y^2}{R^5}\hat{z}$

类似，若所述线圈42沿Y轴放置如图6所示，有，

$\mathrm{BY}=\frac{3\·x\·y}{R^5}\hat{x}+\frac{2\·y^2-x^2-z^2}{R^5}\hat{y}+\frac{3\·y\·z}{R^5}\hat{z}$

类似，若所述线圈42沿X轴放置，有，

$\mathrm{BX}=\frac{2\·x^2-y^2-z^2}{R^5}\hat{x}+\frac{3\·x\·y}{R^5}\hat{y}+\frac{3\·x\·z}{R^5}\hat{z}.$

若在P点有一个磁场传感器14，它的敏感方向如图7中的s所示。S与Z轴的夹角为theta，s与Z轴的平面，和X轴与Y轴平面的夹角为phi。S在各个方向的分量表示为，

$\hat{s}=\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\φ}\hat{x}+\sin \mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\φ}\hat{y}+\cos \mathrm{\θ}\hat{z}$

其中，x，y，z为三维空间的单位矢量。

将s和BZ，BY或BX做点积将得到P点处s方向敏感的磁场传感器14的理论测量值。例如，对于沿Z轴放置所述线圈42，P点处s方向的磁场传感器14的理论测量值为，

$\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{SZ}}=\frac{3\·x\·z}{R^5}\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\φ}+\frac{3\·y\·z}{R^5}\·\sin \mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\φ}+\frac{2\·z^2-x^2-y^2}{R^5}\·\cos \mathrm{\θ}\\ =\frac{1}{R^5}\·[3\·x\·z\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\φ}+3\·y\·z\·\sin \mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\φ}+(2\·z^2-x^2-y^2)\·\cos \mathrm{\θ}]\end{array}$

同理，对于沿Y轴放置电磁线圈，P点处s方向的磁场传感器14的理论测量值为，

$V_{\mathrm{SY}}=\frac{1}{R^5}\·[3\·x\·y\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\φ}+(2\·y^2-x^2-z^2)\·\sin \mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\φ}+3\·y\·z\·\cos \mathrm{\θ}]$

同理，对于沿X轴放置所述线圈42，P点处s方向的磁场传感器14的理论测量值为，

$V_{\mathrm{SX}}=\frac{1}{R^5}\·[(2\·x^2-y^2-z^2)\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\φ}+3\·x\·y\·\sin \mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\φ}+3\·x\·z\·\cos \mathrm{\θ}]$

由多组位置与方向不同的所述线圈，可以建立P点处s方向的磁场传感器14的三维坐标与方向的方程组，即由(x，y，z，phi，theta)对应多个不同Vsi(i＝x，y，z)方程的方程组。显然，该方程组要有至少5个不同的方程，也就是说要有至少5个位置与方向不同的所述线圈42。

该方程组为多元非线性方程组，很难推算出其解析解，需要由计算机数值求解。数值求解的方法基本上是多元优化的方法，也就是通过多次迭代计算，找出(x，y，z，phi，theta)，使得在(x，y，z，phi，theta)处计算的理论测量值与实际测量值的误差最小。具体算法细节在若干关于数值分析的书籍和期刊中有详细讨论，这里不再重述。

本发明所述三维空间测量装置，其框图如图8所示，由所述线圈42构成的磁场发生器，磁场传感器14，信号处理单元，集中控制单元，嵌入式计算机系统和显示器21构成。磁场发生器由多组排列于不同位置及方向的所述线圈42构成，所述线圈42被电流驱动，产生磁场。磁场传感器14可以是只能探测交变磁场的线圈，也可以是能够探测静态或者交变磁场的监测磁场传感器43，如霍尔传感器，磁阻传感器。所述传感器14将磁场转换成电信号。该电信号经信号处理单元经过滤波放大模数转换等处理，变成可以由数字电路接收的数字信号。集中控制单元综合控制磁场的发生，同时将接收的所述传感器14数字信号传送给嵌入式计算机系统。嵌入式计算机系统完成对所述传感器14数字信号的分离，滤波，校准。并根据建立的所述方程组计算出(x，y，z，phi，theta)的数值解。所述嵌入式计算机系统还可以根据具体应用，由(x，y，z，phi，theta)等三维数据，构建出三维图形，并在三维显示部分上显示。

本发明所述装置可以用于非接触非可视的三维方位测量，例如医疗器械的三维形状跟踪，虚拟现实的控制以及远程控制等。其中一个应用就是由若干磁场传感器构成软管状的三维形状传感装置，如图1所示。该三维形状传感装置的外套软管插入到内窥镜的钳道中，外套软管的形状就是内窥镜钳道的形状，钳道的形状就是内窥镜的形状，所以通过测量该三维形状传感器可以得知内窥镜的三维形状。并通过该发明的装置实时显示内窥镜的三维形状。该应用的示意框图如图9所示。

另外，本发明所述装置可以连接两组或以上传感装置，每组传感装置有自己的磁场传感器。例如，这种应用系统可以是左右两只手的三维数据手套。图2展示了一个实施的实例。其中，显示器21可以实时显示三维内容；操作旋钮22控制屏幕的显示和系统的工作；传感器插座23连接由三维传感器组成的探头；磁场发生器底板41用来固定各个所述线圈42；磁场发生器的线圈42产生特定的磁场；底座24可以安装嵌入式计算机、电源和其他控制驱动电路；立柱25支撑显示器21和磁场发生器。

图10给出了两个不同频率磁场由共同的参考频率合成。具体频率合成技术可参考若干公开的资料，这里不再重述。左边时域部分，从上至下第一条波形曲线是一个所述线圈42的交变磁场强度；第二条波形曲线是另一个磁场发生器的线圈42的交变磁场强度；第三条是这两个频率合成后的磁场强度波形，也是磁场传感器14测量可能得到的波形。从图中可以看出第一条波形的频率和第二条波形的频率不同，因为由共同的参考频率产生，存在固定的相位关系，例如在这里，他们在起始时刻均从正弦相位零开始，在结束时刻其相位也是零。该图右半部分显示了两个不同频率的交变磁场(合成曲线见第三条)，经过时域到频域的变换后对应的频域图。

图11示出本发明的磁场传感器14的一个实例。它是绕制在磁芯上的一个小线圈，所述线圈可以测量交流磁场。图11所示的磁场传感器14可以制成三维形状传感器探头，图1示出磁场传感器14、容纳磁场传感器的软管12、连接磁场传感器14的电气插头13，所述插头13工作时需要插入到图2所示的传感器插座23中。

图2所示的实施例的，磁场发生器的线圈42见图3所示。其中，导线32绕制在骨架31上。

图2实施例中的磁场发生器详图如图4。其中，磁场发生器底板41用来固定各个磁场发生器线圈42，磁场发生器线圈42产生特定的磁场；监测磁场传感器43监测所述磁场发生器线圈42产生的磁场强度，该监测值可以用来调整磁场发生器线圈42的驱动功率，也可以用来校准其他用于三维方位测量的磁场传感器的测量值。为表示清晰，监测磁场传感器43在图4绘制不成比例，其实际尺寸可以非常小。

在图4所示的磁场发生器实施例中，若干线圈在不同位置不同方向，但都排列在同一平面，即线圈的轴线均在该平面内。因为磁场的方向行，在该平面内的电路板所包含的磁通量最少，也就是说受磁场发生器的干扰最小。所以对信号敏感的前端放大器的电路板就置于这个平面内。

在图4所示的磁场发生器实施例中，一共有16个磁场发生器的线圈42。其实8个磁场发生器的线圈42产生的磁场足以确定磁场传感器的方位，即(x，y，z，phi，theta)。这8个磁场发生器线圈42构成一组。两组磁场发生器线圈42的冗余设计可以拓宽该装置的实际测量范围：在同一时间，只有一组磁场发生器线圈42是有驱动电流的；该装置的计算机系统根据探测到的磁场传感器的方位来确定驱动哪一组磁场发生器线圈。这样磁场传感器的三维工作范围就拓宽了一倍。

图4所示的磁场发生器实施例产生低频交变磁场。为提高该装置的三维采集率，同组的8个磁场发生器线圈同时被不同频率的交流电流所驱动。为了能区分磁场传感器对应8个磁场发生器线圈的测量值，从而建立8个不同方程的方程组，磁场传感器的测量信号要经过傅立叶变换，从变换后的频域信号中就很容易区分测得的对应各个磁场发生器线圈的磁场强度。该变换的示意图如图10所示。

本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维空间测量装置，其特征在于，所述装置包括设置在软管内的若干个磁场传感器、磁场发生器、信号处理单元、集中控制单元、计算装置和显示器；磁场发生器包含若干个线圈按照不同位置不同方向排列，不同线圈通不同频率的交流电后产生不同频率的交变磁场，磁场传感器将检测到的交变磁场转化为电信号并传送至信号处理单元，信号处理单元将磁场传感器的电信号转换为数字信号，集中控制单元综合控制所述线圈的磁场的发生，同时接收信号处理单元的数字信号，并将该数字信号传送给计算装置，计算装置由集中控制单元传送过来的经信号处理单元数字转换的磁场传感器信号计算出所述磁场传感器的三维位置和方向数据，并将处理后的该磁场传感器三维数据构建出三维图形，再通过显示器显示出软管的三维形状及位置。

2.如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述磁场传感器为电感线圈，将若干个电感线圈分布在软管内，将每个电感线圈的两端通过插座与信号处理单元连接，所述软管依据使用需要可构成任意三维空间的曲线结构。

3.如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述磁场发生器的线圈的轴向均在同一平面内。

4.如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述线圈至少被分为两组，由测得的磁场传感器的位置来确定驱动哪组磁场发生器的线圈发出电磁信号。

5.如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述磁场发生器中安装有一个或多个监测磁场传感器，其信号用来监测所述磁场发生器的磁场。

6.如权利要求5所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述监测磁场传感器为霍尔传感器，或为磁阻传感器。

7.如权利要求3所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述信号处理单元的电路板与所述磁场发生器的线圈的轴向平面位于同一平面内。

8.如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述磁场发生器的不同线圈的不同频率交流电的频率由相同的参考频率合成。

9.如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述计算装置为嵌入式计算机，所述磁场发生器、信号处理单元、集中控制单元、嵌入式计算机和显示器分别设置在可移动装置上，在所述移动装置上设有底座、立柱和操作台，将嵌入式计算机和信号处理单元置于底座上，将显示器设置在操作台上，在操作台上还设有调节旋钮，所述磁场传感器通过插座与该移动装置相连。

10.如权利要求1所述的三维空间测量装置，其特征在于，所述软管内的若干个磁场传感器可以随其软管插入内窥镜的取样通道，从而测量该内窥镜的三维形状及位置。