CN106950523A - 基于压控恒流源的旋转磁场实现装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁跟踪技术领域，具体为基于压控恒流源的旋转磁场实现装置及方法。本发明装置由磁场源模块、压控恒流源模块和控制处理模块组成。本发明方法包括：首先，控制处理模块根据合成旋转磁场指向要求控制压控恒流源模块调节输出的各路激励电流强度；然后，压控恒流源模块激励由三个正交线圈组成的磁场源，使其合成的最大磁感应强度矢量指向指定方向。本发明可用于基于旋转磁场的电磁跟踪系统，由于该方法可实现对组成磁场源的三个正交线圈的同时激励，因此可以显著提高系统跟踪的实时性和灵活性。

Description

基于压控恒流源的旋转磁场实现装置及方法

技术领域

本发明属于电磁跟踪技术领域，具体涉及一种基于压控恒流源的旋转磁场实现装置及方法。

电磁跟踪（Electromagnetic Tracking）,或称电磁场定位，是一种利用磁场或电磁场对跟踪目标的空间位置和空间姿态进行检测和实时跟踪的方法。该方法可应用于微创手术的导航，也可用于虚拟现实、三维超声成像等领域。在基于旋转磁场的电磁跟踪系统中，一般由磁场源（如永磁体、电磁铁线圈）实现磁场旋转；固定在跟踪目标上的磁场传感器通过检测磁场源旋转过程中的磁感应强度的变化，按照一定的算法求解出跟踪目标与磁场源的相对的空间位置和姿态。

磁场的旋转可以利用机械的方式实现。根据通电螺线管产生的磁感应强度最大值沿轴线方向的原理，通过可在水平和垂直平面转动的步进电机带动通电螺线管旋转就可实现最大磁感应强度矢量在空间的任意指向。但是通电螺线管的扫描速度受到步进电机旋转速度的限制，系统实时性较差；而且机械扫描只能在步进电机有限的旋转平面中进行，灵活性较差。

为此，专利(201310516908.3)提出了一种基于电控旋转磁场实现的电磁跟踪系统中，通过控制三轴线圈激励电流强度实现磁场源合成的总磁感应强度最大值矢量的旋转，从而对跟踪目标进行实时搜索定位。

本发明针对上述实现电控旋转磁场的需求，提出了一种可同时为磁场源三个线圈提供不同强度激励电流的装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高旋转磁场搜素速度和灵活性的基于压控恒流源的旋转磁场实现装置及方法。

本发明提出的旋转磁场实现装置，其组成包括：一个磁场源模块、一个压控恒流源模块和一个控制处理模块；其中：

所述磁场源模块，由三个中心点重合且相互正交的3个线圈（即三轴线圈）组成，通过控制三个线圈的激励电流强度实现磁感应强度最大值矢量的任意指向，包括位置和姿态已知的磁场源；

所述压控恒流源模块，根据控制处理模块的指令，为磁场源模块的各线圈提供合适的激励电流；该压控恒流源模块由同相放大器单元、反相放大器单元和压控恒流源单元组成，并且分为三路，分别激励磁场源模块的三个线圈；

所述控制处理模块，根据所要求的磁场源合成磁感应强度最大值矢量的指向，计算磁场源各线圈激励电流的强度，并通过控制压控恒流源模块输出相应强度的电流，以激励磁场源的三轴线圈；该模块包括算法单元、电压输出控制单元、单片机电压输出单元。

本发明中，所述磁场源模块由三个中心点重合且相互正交的线圈组成。线圈应保证很好的正交性；三个线圈所产生的最大磁感强度可以通过矢量合成的方法形成唯一的合成磁感应强度最大值。当激励线圈的电流发生变化时，各线圈的磁感应强度最大值的指向虽然仍沿各自轴线方向，但其大小将随激励电流强度的变化而变化，导致合成磁感应强度最大值的指向也发生相应变化。故通过分别控制三个正交线圈所通电流强度的大小，可以实现对合成磁感应强度最大值方向的控制，即使磁场在空间中旋转。

本发明根据位置和姿态已知的磁场源模块定义系统坐标系：组成磁场源的三个线圈分别沿该坐标系的三个坐标轴（即坐标系的三个正交轴与磁场源的三个线圈一致），坐标系原点为磁场源三个坐标轴的交点 ，三个正交坐标轴为X,Y,Z。

描述磁场源产生的合成磁感应强度最大值矢量指向的角度定义如下：

经度角A：指磁场源产生的合成最大磁感应强度矢量在XY平面内的投影与X轴之间的夹角；

纬度角B：指磁场源产生的合成最大磁感应强度矢量与其在XY平面内的投影之间的夹角。

本发明中，控制处理模块由算法单元、电压输出控制单元、单片机电压输出单元组成。

本发明中，根据磁场源合成磁感应强度最大值矢量的指向，由经度角A、纬度角B决定，定义轴线为X轴、Y轴、Z轴的三个线圈的激励电流强度F1、F2、F3。若要求磁场源产生的合成磁感应强度最大值指向的经纬度角为A，B，则磁场源三轴线圈的激励电流强度可由下式（1）计算（控制处理模块中的算法单元）：

(1)

然后，控制处理模块中的电压输出控制单元控制单片机电压输出单元输出6路一定强度的电压。电压与电流的关系：假设压控恒流源电压电流转换系数均为R，单片机输出电压与压控恒流源输入电压之间的转换系数为K，则单片机输出电压与恒流源输出电流之间的关系为。进一步的具体计算如下：

假设压控恒流源模块中，三个支路的单元分别记为：第一压控恒流源单元、第一同相放大器单元、第一反相放大器单元；第二压控恒流源单元、第二同相放大器单元、第二反相放大器单元；第三压控恒流源单元、第三同相放大器单元、第三反相放大器单元。

假设同相放大器单元放大系数均为K(K>0), 反相放大器单元放大系数均为-K,压控恒流源单元采样电阻均为R。根据放大器的放大系数及单片机电压输出单元输出电压大小范围，假设输出电压依次为分别为第一同相放大器单元、第一反相放大器单元、第二同相放大器单元，第二反相放大器单元、第三同相放大器单元、第三反相放大器单元的输入电压。假设分别为第一压控恒流源单元、第二压控恒流源单元、第三压控恒流源单元的输入电压。

对于第一支路：当经度角或者时，此时X轴线圈激励电流为正，因此，第一反相放大器单元输入电压，而第一同相放大器单元输入电压经过放大器放大后为，即第一压控恒流源单元输入电压。经过整形为电恒流脉冲激励X轴线圈，即第一压控恒流源单元输出电流为：

(2)

根据公式(1)中所述线圈激励电流强度，即,以及公式（2）。所以单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

(3)

(4)

同理，当经度角时，此时X轴线圈激励电流为负，因此，第一同相放大器单元输入电压，而第一反相放大器单元输入电压经过放大器放大后为，即第一压控恒流源单元输入电压。经过整形为电恒流脉冲激励X轴线圈，即第一压控恒流源单元输出电流为：

(5)

根据公式(1)所述线圈激励电流强度，即,以及公式(5) 。所以单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

(6)

(7)。

对于第二支路：当经度角时，此时Y轴线圈激励电流为正，因此，第二反相放大器单元输入电压，而第二同相放大器单元输入电压经过放大器放大后为，即第二压控恒流源单元输入电压。经过整形为电恒流脉冲激励Y轴线圈，即第二压控恒流源单元输出电流为:

(8)

根据公式(1)中所述线圈激励电流强度，即,以及公式（8）。所以单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

(9)

(10)

同理，当经度角时，此时Y轴线圈激励电流为负，因此，第二同相放大器单元2输入电压，而第二反相放大器单元输入电压经过放大器放大后为，即第二压控恒流源单元输入电压。经过整形为电恒流脉冲激励Y轴线圈，即第二压控恒流源单元输出电流为：

(11)

根据公式(1)所述线圈激励电流强度，即,以及公式(11) 。所以单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

(12)

(13)。

对于第三支路：当纬度角时，此时Z轴线圈激励电流为正，因此，第三反相放大器单元输入电压，而第三同相放大器单元输入电压经过放大器放大后为，即第三压控恒流源单元输入电压。经过整形为电恒流脉冲激励Z轴线圈，即第三压控恒流源单元输出电流为：

(14)

根据公式（1）所述线圈激励电流强度，即，以及公式（14）。所以单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

(15)

(16)

同理。当纬度角时，此时Z轴线圈激励电流为负，因此，第三同相放大器单元输入电压，而第三反相放大器单元输入电压经过放大器放大后为，即压第三控恒流源单元输入电压。经过整形为电恒流脉冲激励Z轴线圈，即压第三控恒流源单元输出电流为：

(17)

根据公式（1）中所述线圈激励电流强度，即，以及公式（17）。所以单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

(18)

(19)。

因此，当所需的磁场源合成磁感应强度最大值矢量的经度角为A，纬度角为B时，控制处理模块中的算法单元，按公式（3）、（4）、（6）、（7）、（9）、（10）、（12）、（13）、（15）、（16）、（18）、（19），即可确定单片机电压输出单元输出的6路电压强度，使压控恒流源模块同时输出三路合适的电流强度，最终激励三轴线圈。

如果，三个压控恒流源单元采样电阻分别对应为；则上述算式中的R改为对应的。

基于上述旋转磁场实现装置的旋转磁场方法，使磁场源合成磁感应强度最大值矢量指向指定方向，具体步骤如下：

（一）首先控制处理模块中的算法单元根据所需的磁场源合成磁感应强度最大值矢量的指向（由经纬度角表示）及相关算法确定三轴线圈激励电流的大小；

（二）控制处理模块中的电压输出控制单元根据电流强度控制单片机电压输出单元输出6路一定强度的电压，经过同相放大器单元和反相放大器单元放大后输入压控恒流源单元；

（三）最后压控恒流源单元将输入电压整形为三路一定强度的恒流脉冲，分别同时激励对应的X轴线圈、Y轴线圈、Z轴线圈，使磁场源模块的合成磁感应强度最大值矢量指向符合步骤（一）所要求的经纬度角。

本发明的特点之一在于，根据相关算法，利用单片机同时输出6路电压值，经过放大和压控恒流源单元后就可以同时激励三轴线圈。

本发明的特点之二在于，通过控制处理模块计算后，用压控恒流源模块激励磁场源，即可实现磁场源合成的磁感应强度最大值矢量在空间的任意指向，大大提高了搜索的灵活性。

本发明可用于基于旋转磁场确定跟踪目标（磁传感器固定在跟踪目标上）六自由度位置和姿态非迭代电磁跟踪系统。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明的装置细节图。

图3为本发明的压控恒流源单元电路图。

图4为本发明的磁场源合成磁感应强度最大值矢量指向示意图。

图5为本发明新型的工作流程图。

图中标号：2为磁场源模块，3为控制处理显示模块，4为压控恒流源模块；5、6、7依次为磁场源模块的三轴线圈中的第一线圈、第二线圈、第三线圈，3个结构完全一样；8、9、10依次为第一、第二、第三压控恒流源单元，11、13、15依次为第一、第二、第三同相放大器单元，12、14、16依次为第一、第二、第三反相放大器单元；17为算法单元，18为电压控制输出单元，19为单片机电压输出单元；21为压控恒流源单元电路图；22为初始化，23为算法单元，24为电压输出控制，25为单片机电压输出，26为放大器单元放大，27为压控恒流源单元，28为激励三轴线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明工作过程进一步说明。

图1是本发明基于压控恒流源的旋转磁场装置的组成，包括磁场源模块2、控制处理模块3和压控恒流源模块4。其中控制处理模块根据所需的最大合成磁感应强度矢量在空间中的指向控制压控恒流源模块4输出适当强度的电流激励三轴线圈。

图2是旋转磁场装置的详细框图。本实施例所设计的磁场源模块2由三个缠绕在截面为圆形的磁棒上的中心点重合且相互正交的3个线圈5、6、7组成。

构成磁场源的磁芯长度为10cm,截面直径为1cm， 每个线圈匝数为100匝。压控恒流源模块4由3个压控恒流源单元8、9、10，3个同相放大器单元11、13、15，和3个反相放大器单元12、14、16组成，可以输出一定强度用于激励磁场源三个线圈的电流。控制处理模块由算法单元17、电压输出控制单元18和单片机电压输出单元19组成。

据所要求的磁场源合成最大磁感应强度矢量的指向（由经度角A和纬度角B决定），算法单元根据公式（1）计算出三轴线圈激励电流强度，根据公式（3）、（4）、（6）、（7）、（9）、（10）、（12）、（13）、（15）、（16）、（18）、（19）即可确定单片机电压输出单元输出的6路电压强度。单片机输出电压经过放大器放大后分别输入3个压控恒流源单元8、9、10，然后被整形为3路恒流脉冲分别激励三轴线圈，最后即可实现磁场源合成磁感应强度最大值矢量指向空间中的预定方向。

图3为压控恒流源模块中3个压控恒流源单元（8、9、10）原理图。根据集成运放虚短和虚断的理论，流过负载线圈RL的电流与采样电阻的阻值有关，即 ,因此控制压控恒流源输入电压的大小使激励三轴线圈的电流符合公式（1）。

图4是本发明合成磁感应强度最大值矢量指向的示意图。组成磁场源的三个线圈分别沿该坐标系的三个坐标轴，坐标系原点为磁场源三个坐标轴的交点。 经度角A为该矢量在XY平面内的投影与X轴之间的夹角，纬度角B为该矢量与其在XY平面内的投影之间的夹角。

图5为本发明装置的工作流程图。开机后首先进行初始化，根据所需的磁场源合成磁感应强度最大值矢量指向，由算法单元确定三轴线圈激励电流强度，同时根据公式（3）、（4）、（6）、（7）、（9）、（10）、（12）、（13）、（15）、（16）、（18）、（19）确定单片机电压输出单元输出的6路电压强度，然后电压输出控制单元控制单片机电压输出单元输出相应的6路电压。该电压经过放大器放大后被送入压控恒流源单元，最后被整形为三路恒流脉冲从而激励三轴线圈实现磁场源合成磁感应强度最大值矢量在空间中的特定指向。

Claims (6)

1.一种基于压控恒流源的旋转磁场实现装置，其特征在于，包括：一个磁场源模块、一个压控恒流源模块和一个控制处理模块；其中：

所述磁场源模块，由三个中心点重合且相互正交的3个线圈即三轴线圈组成，通过控制三个线圈的激励电流强度实现磁感应强度最大值矢量的任意指向；

所述压控恒流源模块，根据控制处理模块的指令，为磁场源模块的各线圈提供合适的激励电流；该压控恒流源模块由同相放大器单元、反相放大器单元和压控恒流源单元组成，并且分为三路，分别激励磁场源模块的三个线圈；

所述控制处理模块，根据所要求的磁场源合成磁感应强度最大值矢量的指向，计算磁场源各线圈激励电流的强度，并通过控制压控恒流源模块输出相应强度的电流，以激励磁场源的三轴线圈；该模块包括算法单元、电压输出控制单元、单片机电压输出单元。

2.根据权利要求1所述的基于压控恒流源的旋转磁场实现装置，其特征在于，所述磁场源模块的三个线圈所产生的最大磁感强度通过矢量合成的方式形成唯一的合成磁感应强度最大值；当激励线圈的电流发生变化时，各线圈的磁感应强度最大值的指向虽然仍沿各自轴线方向，但其大小将随激励电流强度的变化而变化，导致合成磁感应强度最大值的指向也发生相应变化；故通过分别控制三个正交线圈所通电流强度的大小，可以实现对合成磁感应强度最大值方向的控制，即使磁场在空间中旋转。

3.根据权利要求1所述的基于压控恒流源的旋转磁场实现装置，其特征在于，根据位置和姿态已知的磁场源模块定义系统坐标系：组成磁场源的三个线圈分别沿该坐标系的三个坐标轴即坐标系的三个正交轴与磁场源的三个线圈一致，坐标系原点为磁场源三个坐标轴的交点 ，三个正交坐标轴为X,Y,Z；

描述磁场源产生的合成磁感应强度最大值矢量指向的角度定义如下：

经度角A：指磁场源产生的合成最大磁感应强度矢量在XY平面内的投影与X轴之间的夹角；

纬度角B：指磁场源产生的合成最大磁感应强度矢量与其在XY平面内的投影之间的夹角；

定义轴线为X轴、Y轴、Z轴的三个线圈的激励电流强度F1、F2、F3；则磁场源产生的合成磁感应强度最大值指向的经纬度角为时A，B时，磁场源三轴线圈的激励电流强度由下式（1）计算（控制处理模块中的算法单元）：

(1)

由控制处理模块中的电压输出控制单元控制单片机电压输出单元输出6路一定强度的电压。

4.根据权利要求3所述的基于压控恒流源的旋转磁场实现装置，其特征在于，假设三路压控恒流源电压电流转换系数均为；单片机输出电压与压控恒流源输入电压之间的转换系数为K，则单片机输出电压与恒流源输出电流之间的关系为。

5.根据权利要求4所述的基于压控恒流源的旋转磁场实现装置，其特征在于，假设压控恒流源模块中，三个支路的单元分别记为：第一压控恒流源单元、第一同相放大器单元、第一反相放大器单元；第二压控恒流源单元、第二同相放大器单元、第二反相放大器单元；第三压控恒流源单元、第三同相放大器单元、第三反相放大器单元；

假设同相放大器单元放大系数均为K，K>0, 反相放大器单元放大系数均为-K, 三个压控恒流源单元采样电阻分别对应为；根据放大器的放大系数及单片机电压输出单元输出电压大小范围，假设输出电压依次为分别为第一同相放大器单元、第一反相放大器单元、第二同相放大器单元，第二反相放大器单元、第三同相放大器单元、第三反相放大器单元的输入电压；假设分别为第一压控恒流源单元、第二压控恒流源单元、第三压控恒流源单元的输入电压；于是：

对于第一支路：当经度角或者时，单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

(3)

(4)

同理，当经度角时，

单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

(6)

(7)

对于第二支路：当经度角时，单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

(9)

(10)

同理，当经度角时，单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

(12)

(13)

对于第三支路：当纬度角时，单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

(15)

(16)

同理，当纬度角时，单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

(18)

(19)

当所需的磁场源合成磁感应强度最大值矢量的经度角为A，纬度角为B时，控制处理模块中的算法单元，按公式（3）、（4）、（6）、（7）、（9）、（10）、（12）、（13）、（15）、（16）、（18）、（19），即可确定单片机电压输出单元输出的6路电压强度，使压控恒流源模块同时输出三路合适的电流强度，最终激励三轴线圈。

6.基于权利要求1-5之一所述装置的旋转磁场实现方法，其特征在于，使磁场源合成磁感应强度最大值矢量指向指定方向的具体步骤如下：

（一）首先控制处理模块中的算法单元根据所需的磁场源合成磁感应强度最大值矢量的指向及相关算法确定三轴线圈激励电流的大小；

（二）控制处理模块中的电压输出控制单元根据电流强度控制单片机电压输出单元输出6路一定强度的电压，经过同相放大器单元和反相放大器单元放大后输入压控恒流源单元；

（三）最后压控恒流源单元将输入电压整形为三路一定强度的恒流脉冲，同时激励对应的三轴线圈，使磁场源模块的合成磁感应强度最大值矢量指向符合步骤（一）所要求的经纬度角。