CN107209278A - 用于定位至少一个可移动磁性物体的方法和相关联系统 - Google Patents

用于定位至少一个可移动磁性物体的方法和相关联系统 Download PDF

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Abstract

用于相对于至少N个三轴磁力计(Mi,j)的阵列定位至少一个可移动磁性物体(OMMK)的方法，所述方法包括如下步骤：‑从所述测量结果(Bi,j mes)中的每一个减去加权平均值(<Bmes>)，以获得修正的测量结果(<Bi,j mes>‑<Bmes>)；‑将所述修正的测量结果(<Bi,j mes>‑<Bmes>)和在当前时间(t)处的所述一个或多个可移动磁性物体(OMMK)的位置(Post，Mt)作为输入加载至用于定位所述一个或多个可移动磁性物体(OMMK)的滤波操作(FL)中；‑实施所述位置滤波操作(FL)，所述位置滤波操作(FL)包括如下步骤：‑从所述估计的数据(Bi,j est)中的每一个减去加权平均值(<Best>)；以及‑传递在后续时间(t+1)处的一个或多个可移动磁性物体(OMMK)的位置(Post+1，Mt+1)作为输出。

Description

用于定位至少一个可移动磁性物体的方法和相关联系统
技术领域
本发明涉及用于定位至少一个可移动磁性物体的方法和相关联系统。
背景技术
已知有关于用于定位磁性物体的方法和设备的文献，例如，文献FR 2 988 862。
文献FR 2 988 862公开了用于根据由三轴磁力计的阵列进行的测量来定位磁性物体的方法，该阵列包括N个三轴磁力计，N个三轴磁力计彼此机械地连接而没有自由度，以便保持这些磁力计中的每者之间的已知距离，N是大于五的整数。磁力计的阵列包括在包括诸如一个或多个纸张等书写介质的支承表面的设备中，其中磁力计可选地连结在一起。
磁性物体的定位可以被认为是磁性物体的位置(磁性物体在相对于磁力计的阵列固定的坐标系中的(x，y，z)坐标)以及代表磁性物体的取向的磁性物体的磁矩的值(在同一坐标系中的(Mx，My，Mz))。
在该类型的方法中使用的测量结果中引入偏差使得定位不精确，或甚至不稳定。
在这种定位设备的移动使用的上下文中，即，当用户能够移动支承其书写介质的定位设备时，定位设备的取向可以被修改，这直接导致由磁力计的阵列测量坐标系中的地球磁场的旋转，并且因此导致所有磁力计测量结果中的偏差。
定位设备在均匀磁场中的移动因此使得几乎不可能使用这种定位设备。
当在用于使手写文本数字化的系统中使用这种设备时，在该类型的系统中，寻求要确定位置的精确度优于1mm，磁力计的坐标系中的地球磁场的仅微小变化会直接导致大于所寻求的精确度的测量偏移。
从现有技术中已知，消除在接通时所有传感器中的测量偏差或者在缺乏任何磁性物体时的测量偏差。
这种方法不允许在磁性物体定位期间移动，并且因此不能解决关于移动使用所提及的潜在问题。特别地，在书写数字化应用的上下文中，通常情况是当用户修改其姿态并移动时，用户将移动定位设备以便获取可行的书写角度。
已知的是将磁力计放置在距离可移动磁性物体足够远的距离处，以使该磁力计不会受到由可移动磁性物体产生的磁场的影响。由该远处的磁力计进行的密封测量用来抑制由地球磁场感生出的磁场分量。
这种方法不允许小尺寸的设备的使用，并且因此这种方法本身不会很好地适用于便携式设备。此外，该方法对于该远处的磁力计的测量结果中的误差是非常敏感的，并且特别是对于由除地球以外的磁场造成的故障或故障的破坏是非常敏感的。
发明内容
本发明的一个目的是缓解这些问题。
根据本发明的一个方面，提供了用于相对于至少N个三轴磁力计的阵列定位至少一个可移动磁性物体的方法，至少N个三轴磁力计彼此机械地连接而没有自由度，以便保持这些磁力计的已知相对位置，N是至少等于2的整数，所述方法包括如下步骤：
-加载在当前时间所述磁力计的测量结果；
-计算所述磁力计的所述测量结果的加权平均值，所述加权平均值表示平均地面磁场和由于(一个或多个)可移动磁性物体而产生的平均磁场；
-从所述测量结果中的每一个减去所述测量结果的所述加权平均值，以便获得修正的测量结果；
-将所述修正的测量结果和一个或多个可移动磁性物体在当前时间的位置作为输入加载至用于定位一个或多个可移动磁性物体的滤波操作中；
-实施定位滤波操作，该操作包括如下步骤：
-对由所述磁力计传递的数据的估计的所述加权平均值进行计算；
-从所述估计的数据中的每一个减去所述估计的所述加权平均值；以及
-传递所述一个或多个可移动磁性物体在后续时间的位置作为输出。
这种方法使得能够在修改设备的取向和/或在移动时使用这种磁性定位设备变成可能。
此外，该方法使得抑制设备上的均匀场(地球磁场可以为其中一个示例)的影响并且消除在所有的磁力计上投射均匀磁场的破坏源变成可能。大部分源可能被比作磁偶极子。如果设备与破坏源之间的距离足够大，则感知的磁场是通过本方法因此而校正的均匀磁场。
已知的磁性破坏源可以是DC电机，其产生例如比1高斯更强的强磁场。因此，本方法还允许设备用于火车或有轨电车。
“定位”的意思是确定可移动磁性物体的位置和取向，例如通过利用笛卡尔表示(沿三个正交轴的分量)确定磁性物体的位置和磁矩来确定可移动磁性物体的位置和取向。作为变化，可移动磁性物体的位置和取向可以通过在球面坐标系中表示磁矩来确定，即，从范数(norm)和两个角度方面来确定。该替代方案可以允许设置可移动磁性物体的磁矩，并且因此允许仅通过将磁矩初始化至已知的值来估计其位置和两个角度，可以看到的优点是降低了由位置滤波器估计的未知量的数量。
在一个实施例中，所述加权平均值对于N个磁力计中的每一个使用相同的加权系数。本方法具有的优点是如果使用不同的权重，则要求比所要求的更低的计算能力。具体地，3n个乘法(其中，N是传感器数量)是冗余的。
根据一个实施例，所述加权平均值对于N个磁力计中最接近相应的可移动磁性物体的P个磁力计(P是小于N的整数)使用较低的加权系数。
因此，被忽略的受可移动磁性物体影响最大的、或者甚至是饱和的P个磁力计的影响受到限制。
例如，如果存在多个可移动磁性物体，则为阵列中的每个磁力计确定磁力计与每个可移动磁性物体之间的距离，并且然后以递增的顺序针对所有磁力计和可移动磁性物体对所确定的距离进行分类，并且较低的相关系数被用于所分类的距离为最小的P个磁力计。
例如，所述加权平均值将零加权系数用于所述P个磁力计。
因此，忽略受可移动磁性物体影响最大的或甚至饱和的P个磁力计。
在一个实施例中，除了对于N个磁力计中距离一个或多个可移动磁性物体最远的磁力计之外，所述加权平均值使用零加权系数。
因此，所测量的地面磁场的平均被设置为等于通过距离一个或多个可移动磁性物体最远的磁力计测量的磁场，并且因此等于受一个或多个可移动磁性物体破坏最小的场。
根据本发明的另一方面，还提供了用于定位至少一个可移动磁性物体的系统，所述系统包括：
-至少三轴磁力计的阵列，所述三轴磁力计彼此机械地连接而没有自由度，以便保持这些磁力计的已知的相对位置，N是至少等于2的整数；
-电子处理单元，其适合于根据由所述阵列中的磁力计和位置滤波器传递的测量结果来确定所述一个或多个可移动磁性物体的位置；
所述电子处理单元包括：
-用于加载在当前时间所述磁力计的测量结果的单元；
-用于计算所述磁力计的所述测量结果的加权平均值的单元，所述加权平均值表示平均地面磁场以及由于(一个或多个)可移动磁性物体而产生的平均磁场；以及
-用于从所述测量结果中的每一个减去所述测量结果的所述加权平均值以便获得修正的测量结果的单元；
所述位置滤波器包括：
-用于将所述修正的测量结果和在当前时间所述一个或多个可移动磁性物体的位置作为输入加载至用于定位可移动磁性物体的滤波操作中的单元；
-用于对由所述磁力计传递的数据的估计的加权平均值进行计算的单元；
-用于从所述估计的数据中的每一个减去所述估计的所述加权平均值的单元；以及
-用于传递在后续时间的所述一个或多个可移动磁性物体的位置作为输出的单元。
附图说明
通过研究以完全非限制性示例的方式描述并由附图示出的若干实施例，可以更好地理解本发明，在附图中：
-图1和图2示意性地示出了根据已知的现有技术的定位设备；以及
-图3示意性地示出了根据本发明的一个方面的方法。
在所有附图中，以相同的附图标记标注的要素是相似的。
具体实施方式
在本说明书中，不再详细描述本领域普通技术人员公知的特征和功能。
图1示出了根据现有技术(例如文献FR 2988862 A1所描述的)的用于定位可移动磁性物体OMM的设备1。
在目前情况下，定位设备1用于控制电子装置2，例如屏幕2，其连接到能够控制图像在该屏幕2上的显示的控制单元3。
在示出的示例中，单元3控制光标4在屏幕2上的位置和取向。例如，光标4具有诸如矩形平行六面体形状的三维形状。
可移动磁性物体OMMK包括永磁体5以及非磁性用具6，永磁体5即使在不存在外部磁场的情况下也具有非零磁矩。非磁性的意思是由具有非可测量的磁性属性的材料制成的用具。例如，用具6是铅笔、钢笔或木制或塑料制的墨水橡皮擦。用具6可以通过永磁体5的位置定位。用具6使得操控永磁体5更简单，特别是当永磁体5具有小尺寸时。通常，在没有自由度地固定于设备1的正交XYZ坐标系中可以由人的手直接自由移动永磁体5和用具6的组合。在目前情况下，X方向和Y方向是水平的(书写介质的平面)，并且Z方向是竖直的。为了达到这个目的，该组合的重量小于一千克，并且优选地，小于200g。该组合的尺寸对于用户单手拾取及移动而言是足够小的。可以在正交XYZ坐标系中自由移动一个或多个可移动磁性物体OMMK。
例如，磁体的矫顽磁场高于100A.m-1或500A.m-1。例如，磁体由铁磁或亚铁磁材料制成。永磁体5具有长方形形状。在图1中，由平行于该物体的纵向方向的箭头示出永磁体5的磁矩的方向。作为变化，永磁体5可以采用环绕用具6的环的形式。永磁体5的最大尺寸以下用L表示。
永磁体5的功率通常高于0.01A.m2或0.1A.m2。在该实施例中，永磁体5固定于用具6而没有自由度。
定位设备1允许将永磁体5定位在XYZ坐标系中。定位的意思是在XYZ坐标系中确定永磁体5的x、y、z位置，并且还确定相对于XYZ坐标系的X、Y和Z轴的永磁体5的取向。例如，可以由XYZ坐标系中永磁体5的磁矩的笛卡尔坐标Mx、My和Mz，或由XYZ坐标系中永磁体5的磁矩的球面坐标M、θ、分别表示相对于坐标系的X、Y和Z轴的永磁体5的取向。
定位设备1包括N个三轴磁力计Mij的阵列。在图1中，波状竖线指示定位设备1的某一部分未被示出。
通常，N可以大于五，并且优选地大于十六或三十二，或甚至等于六十四。
在该实施例中，磁力计Mij按行和列对齐以形成矩阵阵列或简单的阵列。在当前情况下，该矩阵阵列包括八行和八列。脚标i和j分别识别该矩阵阵列的行和列，在该矩阵阵列的行和列的交叉点处找到磁力计Mij。
在图1中，仅一行i的磁力计Mi1、Mi2、Mi3、Mi4和Mi8可见。在图2中更详细地示出了磁力计Mij相对于彼此的位置。
每个磁力计Mij连结到其他磁力计而没有自由度。为了达到该目的，磁力计Mij固定到刚性面板8的背面7而没有自由度。该刚性面板8具有朝向永磁体5的正面9。面板8由硬的非磁性材料制成。例如面板8可以由玻璃制成。
每个磁力计Mij测量由永磁体5产生的磁场的方向和强度。为了达到该目的，每个磁力计Mij在该磁力计Mij中沿该磁力计的三个测量轴测量由永磁体5产生的磁场的正交投影的范数。在当前情况下，这三个测量轴是彼此正交的。例如，磁力计Mij中的每一个的测量轴分别平行于坐标系的X、Y和Z轴。
每个磁力计Mij通过数据总线10连接到处理单元11。
处理单元11能够根据磁力计Mij的测量结果确定永磁体5在XYZ坐标系中的位置和取向。为了达到这个目的，单元11包括能够执行存储在数据存储介质中的指令的可编程电子处理器12。因此单元11还包括存储器13，存储器13包含由处理器12执行图3的方法所需的指令。
特别地，单元11实施将多个磁力计Mij的测量结果与表示XYZ坐标系中的永磁体5的位置和取向(即，还表示用具6的位置和取向)的参数相关联的物理数学模型。
该模型以非线性估计滤波器(例如，扩展的卡尔曼滤波器)的形式被实施。
该模型通常由静磁物理方程构建。为了构建该模型，永磁体5由磁偶极子近似。如果永磁体5与磁力计Mij之间的距离大于2L，并且优选地大于8L(L是永磁体5的最大尺寸)，则该近似仅仅引入极小的误差。通常，L小于20cm，并且优选地小于10cm或5cm。
单元11还能够将永磁体5的位置和所测量的取向传递至接口14。
控制单元3经由该接口14连接到单元11。
图2示出了定位设备1的一些磁力计Mij。这些磁力计Mij平行于X方向按行i对齐。这些磁力计Mij还平行于Y方向按列j对齐，以便形成矩阵阵列或简单的阵列。行i和列j以递增脚标的顺序排列。
磁力计Mij的中心位于行i和列j的交叉点处。磁力计的中心对应于由该磁力计测量磁场的点。在当前情况下，脚标i和j属于区间[1；8]。
沿着行i紧密连续的两个磁力计Mij和Mi,j+1的中心分开已知距离di,j,j+1。类似地，沿着给定列j紧密连续的两个磁力计Mij和Mi+1,j的中心分开已知距离dj,i,i+1。
在当前所描述的特定情况下，无论行i是什么，距离di,j,j+1是相同的。该距离因此被标记为dj。类似地，无论列j是什么，两个磁力计之间的距离dj,i,i+1是相同的。该距离因此被标记为di。在所述的示例中，距离di和距离dj两者均等于d。
通常，当如下情况时，距离d包括在1cm到4cm之间，
-永磁体的功率是0.5A.m2；
-磁力计的灵敏度是4×10-7T；以及
-磁力计Mij的数量是64。
图3示出了根据本发明的一个方面的方法的一个实施例。该方法的步骤通过电子处理单元11来实施。
在每个测量步骤中，计算相应的磁力计Mij的所述测量结果Bi,j mes的加权平均值<Bmes>，加权平均值<Bmes>表示平均地面磁场和由于(一个或多个)可移动磁性物体OMMK而产生的平均磁场的总和。
非限制地，加权平均值<Bmes>可以是在加权系数都相等的情况下的算术平均值。
因此，在由一个或多个可移动磁性物体OMMK产生平均磁场的同时消除地球磁场。
对系统上的地球磁场或均匀磁性破坏的抑制构成所追求的校正，然而对由铁磁体块产生的磁场的平均值的抑制构成了引入误差。
接下来，为了不降低定位算法的精度，考虑引入误差。
因此，计算磁力计Mij的测量结果的加权平均值加权平均值<Bmes>表示平均地面磁场和由于(一个或多个)可移动磁性物体OMMK而产生的平均磁场。
接下来，从测量结果中的每一个减去测量结果Bi,j mes的加权平均值以获得修正的测量结果
例如，在加权平均值是算术平均值的情况下：
其中，a×b＝N
然后位置滤波操作(FL)使用修正的测量结果和一个或多个可移动磁性物体(OMMK)在当前时间t的位置作为输入。
位置滤波操作使用由所述磁力计(Mij)传递的数据的估计的所估计的加权平均值的计算。在当前情况下，使用的加权平均值必须与用于所测量的加权平均值的那些(即，分别与在测量结果的加权和估计的加权中的磁力计相关联的相同的加权系数，一个加权系数与每个磁力计相关联)相同。
估计算法基于测量模型的使用，测量模型涉及具有在空间中每个点处产生的磁场的磁体的位置、取向和磁矩。
在该实施例中，估计的加权平均值的计算使用相同的加权平均值，在当前情况下算术平均值为：
其中，a×b＝N
接下来，从所述估计的数据Bi,j est中的每一个减去所述加权平均值
然后，位置滤波器FL传递一个或多个可移动磁性物体OMMk在后续时间t+1处的位置作为输出。
作为变化，所述加权平均值对于N个磁力计Mij中最接近相应的可移动磁性物体OMMk的P个磁力计使用较低的加权系数，P是小于N的整数。当然，测量结果的加权平均值仍然与估计的加权平均值相同。
因此，被忽略的受可移动磁性物体影响最大的、或甚至是饱和的P个磁力计的影响受到限制。
加权平均值甚至可以对于所述P个磁力计使用零加权系数，以便完全地消除被忽略的受可移动磁性物体影响最大的、或甚至是饱和的P个磁力计的影响。
作为变化，除了对于N个磁力计中与一个或多个可移动磁性物体相距最远的磁力计之外，加权平均值可以使用零加权系数，以便将地球磁场的平均值设置为等于受一个或多个可移动磁性物体影响最小的磁力计的测量结果。
在该实施例中，所计算的平均值完全与磁力计的测量结果相对应。
上面描述的方法的步骤可以由执行计算机程序的一个或多个可编程处理器执行，以便通过对输入数据进行操作并产生输出数据来执行本发明的功能。
计算机程序可以采用任何形式的编程语言(包括编译性或解释性语言)来编写，并且计算机程序可以采用任何形式来部署，包括作为独立的程序或作为子程序、元素或者其它适合于在计算环境中使用的单元。计算机程序可以被部署以便在一个计算机上运行或在位于一个地点或分布在多个地点并通过通信网络彼此互连的多个计算机上运行。
已经描述了本发明的优选实施例。可以进行各种修改而不脱离本发明的精神和范围。因此，其他实施例可以落入由以下权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种用于相对于至少N个三轴磁力计(Mi,j)的阵列定位至少一个可移动磁性物体(OMMK)的方法，所述至少N个三轴磁力计(Mi,j)彼此机械地连接而没有自由度，以便保持这些磁力计(Mi,j)的已知的相对位置，N是至少等于2的整数，所述方法包括如下步骤：
-加载在当前时间(t)处的所述磁力计(Mi,j)的测量结果(Bi,j mes)；
-计算所述磁力计(Mi,j)的所述测量结果(Bi,j mes)的加权平均值(<Bmes>)，所述加权平均值(<Bmes>)表示平均地面磁场以及由于一个或多个可移动磁性物体(OMMK)而产生的平均磁场；
-从所述测量结果(Bi,j mes)中的每一个减去所述加权平均值(<Bmes>)，以便获得修正的测量结果(<Bi,j mes>-<Bmes>)；
-将所述修正的测量结果(<Bi,j mes>-<Bmes>)和在所述当前时间(t)处的所述一个或多个可移动磁性物体(OMMK)的位置(Post，Mt)作为输入加载至用于定位所述一个或多个可移动磁性物体(OMMK)的滤波操作(FL)中；
-实施所述位置滤波操作(FL)，所述位置滤波操作(FL)包括如下步骤：
-对由所述磁力计(Mi)传递的数据的估计(Bi,j est)的加权平均值(<Best>)进行计算；
-从所估计的数据(Bi,j est)中的每一个减去所述加权平均值(<Best>)；以及
-传递在后续时间(t+1)处的所述一个或多个可移动磁性物体(OMMK)的位置(Post+1，Mt+1)作为输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述加权平均值对于所述N个磁力计(Mi,j)中的每一个磁力计(Mi,j)使用相同的加权系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述加权平均值对于所述N个磁力计(Mi,j)中的最接近所述一个或多个可移动磁性物体(OMMK)的P个磁力计使用较低的加权系数，P是低于N的整数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述加权平均值对于所述P个磁力计使用零加权系数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，除了对于所述N个磁力计(Mi,j)中的与所述一个或多个可移动磁性物体(OMMK)相距最远的磁力计之外，所述加权平均值使用零加权系数。
6.一种用于定位至少一个可移动磁性物体(OMMK)的系统，包括：
-至少N个三轴磁力计(Mi,j)的阵列，所述至少N个三轴磁力计(Mi,j)彼此机械地连接而没有自由度，以便保持这些磁力计(Mi,j)的已知的相对位置，N是至少等于2的整数；
-电子处理单元(11)，其适合于根据由所述阵列的所述磁力计(Mi,j)和位置滤波器(FL)传递的测量结果(Bi,j mes)来确定一个或多个可移动磁性物体(OMMK)的位置(Post，Mt)；
所述电子处理单元(11)包括：
-用于加载当前时间(t)处的所述磁力计(Mi,j)的测量结果(Bi,j mes)的单元；
-用于计算所述磁力计(Mi,j)的所述测量结果(Bi,j mes)的加权平均值(<Bmes>)的单元，所述加权平均值(<Bmes>)表示平均地面磁场以及由于所述一个或多个可移动磁性物体(OMMK)而产生的平均磁场；以及
-用于从所述测量结果(Bi,j mes)中的每一个减去所述加权平均值(<Bmes>)以便获得修正的测量结果(<Bi,j mes>-<Bmes>)的单元；
所述位置滤波器(FL)包括：
-用于将所述修正的测量结果(<Bi,j mes>-<Bmes>)和所述当前时间(t)处的所述一个或多个可移动磁性物体(OMMK)的位置(Post，Mt)作为输入加载至用于定位所述可移动磁性物体(OMM)的滤波操作(FL)的单元；
-用于对由所述磁力计(Mi,j)传递的数据的估计(Bi,j est)的加权平均值(<Best>)进行计算的单元；
-用于从所估计的数据(Bi,j est)中的每一个减去所述加权平均值(<Best>)的单元；以及
-用于传递后续时间(t+1)处的所述一个或多个可移动磁性物体(OMMK)的位置(Post+1，Mt+1)作为输出的单元。
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