CN109444773B - 一种固连外部磁体和磁传感器阵列的磁源检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固连外部磁体和磁传感器阵列的磁源检测装置，包括：外部磁体引导模块、外部磁体、连接模块、数据处理模块和由磁传感器组成的检测阵列；外部磁体引导模块能够提供各个方向的运动；连接模块固连于外部磁体引导模块末端，该连接模块连接磁传感器和外部磁体，使外部磁体与磁传感器具有固定的相对位置和姿态；数据处理模块用于从磁传感器获得磁场信号、位姿检测算法计算及与外部进行数据通信。使用本发明能够精确、快速的去除外部磁体的磁场，从而准确、实时的定位胶囊机器人的位置。

Description

一种固连外部磁体和磁传感器阵列的磁源检测装置
技术领域
本发明涉及存在外部磁体情况下的移动磁源实时检测技术领域，具体涉及一种固连外部磁体和磁传感器阵列的磁源检测装置。
背景技术
实际的主动式引导的胶囊内窥镜系统的工程化仍有许多困难需要解决。例如，外部磁体引导胶囊机器人时，需要进行胶囊的实时定位；然而，在外部磁体引导的主动胶囊机器人系统中存在很强的外部磁体磁场，影响胶囊定位，计算外部磁体磁场存在误差，难以计算准确，同时对实时的定位造成巨大的困难，难以实时定位胶囊的实际位置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种固连外部磁体和磁传感器阵列的磁源检测装置，能够精确、快速的去除外部磁体的磁场，从而准确、实时的定位胶囊机器人的位置。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种固连外部磁体和磁传感器阵列的磁源检测装置，包括：外部磁体引导模块、外部磁体、连接模块、数据处理模块和由磁传感器组成的检测阵列；
外部磁体引导模块能够提供各个方向的运动；连接模块固连于外部磁体引导模块末端，该连接模块连接磁传感器和外部磁体，使外部磁体与磁传感器具有固定的相对位置和姿态；
数据处理模块用于从磁传感器获得磁场信号、位姿检测算法计算及与外部进行数据通信。
优选地，所述数据处理模块安装在外部磁体引导模块末端，包括处理器和通信单元；
通信单元采用有线或无线方式与磁传感器和装置外部进行数据通信；
处理器主要执行如下操作：
在外部磁体安装到位、移除待检测磁源的情况下，获得检测阵列上每个磁传感器测量的磁场信号，减掉当前地磁信号，得到外部磁体磁场固定值V1；
在检测过程中，在外部磁体及检测阵列的当前位姿下，获得检测阵列上每个磁传感器测量的磁场信号，减掉当前地磁信号及所述外部磁体磁场固定值V1，得到来自待检测磁源的有效磁场信号V2；利用有效磁场信号V2，获得待检测磁源相对于检测阵列的位姿。
优选地，所述外部磁体引导模块的末端进一步安装为数据处理模块和检测阵列供电的电源。
优选地，所述连接模块为一个圆盘，圆盘中心安装外部磁体，外部磁体外侧的圆环上分布磁传感器，磁传感器外部的圆环上安装数据处理模块。
优选地，所述检测阵列中的各磁传感器根据外部磁体的磁场分布方向进行安装，使得外部磁体的磁场在磁传感器至少1个测量方向上的测量值距离其量程具有不少于1高斯的测量裕度。
优选地，外部磁体的磁场在磁传感器至少1个测量方向上的测量值尽量趋近于0。
优选地，磁传感器为三轴磁传感器，各磁传感器的坐标轴互相平行，并且与外部磁体的坐标轴平行；外部磁体的磁场垂直于磁传感器的XY轴组成的平面，此时磁传感器X轴和Y轴的测量方向上的外部磁体磁场测量值接近于0。
优选地，磁传感器为三轴磁传感器，每个磁传感器的XY轴组成的平面垂直于自身安装位置处的外部磁体磁场，此时磁传感器X、Y轴测量方向上的外部磁体磁场测量值接近于0。
有益效果：
本发明采用连接模块将磁传感器和外部磁体的相对位置和姿态固定，从而可以预先获得外部磁体在被测磁源位姿检测过程中已知的固有磁场，进而在实际测量过程中有效地减小甚至消除外部磁体磁场影响，从而获得有效的胶囊机器人磁场信号以实现高精度的位姿检测。其次，由于检测阵列与外部磁体相对固联，二者一起运动，又可实时获得精确的自身位姿信息，降低系统复杂性。此外，本发明去除外部磁体磁场的方式可以在线实现，具有实时性、快速性。
附图说明
图1(a)为本发明装置的俯视图；
图1(b)为本发明装置的立体图；
图2为本发明装置的运行过程流程图；
图3为检测阵列的排列方式一示意图；(a)为侧视图，(b)为俯视图；
图4为检测阵列的排列方式二示意图；(a)为侧视图，(b)为俯视图；
图5为检测阵列的排列方式三示意图；
图6为根据存储地磁数据B1确定当前地磁的示意图；其中，(a)为不旋转情况；(b)为旋转情况。
其中，1,3-通信单元，2-微处理器，4-电源，5-磁传感器，6-外部磁体，7-旋转轴，8-法兰盘，9-胶囊机器人，10-存储地磁和传感器芯片重合点，11-存储地磁和传感器芯片不重合点，12-旋转情况下某磁传感器芯片的总磁场。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
为了准确、实时的定位胶囊机器人的位置，必须精确、快速的去除外部磁体的磁场。根据此种要求，本发明设计了一种固连外部磁体和磁传感器阵列的磁源检测装置，其基本思想是：采用连接模块将磁传感器和外部磁体按照固定的相对位姿和姿态固定，从而可以预先获得外部磁体在被测磁源位姿检测过程中已知的固有磁场，进而在实际测量过程中有效地减小甚至消除外部磁体磁场影响，从而获得有效的胶囊机器人磁场信号以实现高精度的位姿检测。
图1为本发明磁源检测装置的一种实施方案，该方案以待检测磁源为胶囊机器人9为例进行描述。如图1所示，磁源检测装置包括外部磁体引导模块、外部磁体6、连接模块(图中所示的圆盘)、数据处理模块，以及由磁传感器5组成的检测阵列。其中，
外部磁体引导模块图中只示出了一部分，即提供末端旋转和相关连接的法兰盘8和旋转轴7(三个自由度的平移机构未在图中示出)。该外部磁体引导模块可为末端提供6个方向的运动，可通过内部集成的编码器获得末端位置和姿态。
连接模块固连于外部磁体引导模块末端。连接模块连接磁传感器和外部磁体，使外部磁体与磁传感器具有固定的相对位置和姿态。连接模块可为任意形状的结构件，只要其安装的磁传感器和外部磁体的相对位置和姿态固定且已知即可。例如，本实施例中，连接模块是一个圆盘，圆盘中心安装外部磁体，外部磁体外侧的圆环上分布磁传感器，磁传感器外部的圆环上安装数据处理模块中的各个器件。再例如，连接模块包括两个圆盘，其中第一个圆盘的圆盘中心安装外部磁体，外部磁体外侧的圆环上分布磁传感器，同时在沿着外部磁体轴线方向上，与第一个圆盘呈平面平行地安装第二个圆盘，第二个圆盘上安装数据处理模块，且两个圆盘上安装的单元可通过数据处理模块实现通信。
外部磁体安装于外部磁体引导模块的末端，在外部磁体引导模块的引导下，提供可覆盖胶囊机器人运动范围的外部驱动磁场。
数据处理模块用于从磁传感器获得磁场信号、位姿检测算法计算及与外部进行数据通信等。具体来说，其包括微处理器2、两个通信单元1,3和电源4。微处理器2用于计算、运行算法、处理通信协议等，其与多个磁传感器5通过通信单元1通信，接收从磁传感器5获得的磁场信号，然后运行位姿检测算法，将结果通过通信单元3提供的有线或无线方式传给外部控制系统或计算机。图1中的通信单元3为无线方式传输，负责把结果传输到上位机上。电源用于给整体电路供电。
检测阵列由多个磁传感器5组成，磁传感器可以为单轴，2轴或3轴。较佳的，磁传感器根据外部磁体的磁场分布方向进行安装，使得外部磁体的磁场在磁传感器至少1个测量方向上的测量值距离其量程具有不少于1高斯的测量裕度；较佳地，使得外部磁体的磁场在磁传感器至少1个测量方向上的测量值尽量趋近于0。这样，当检测阵列与外部磁体的相对位置有移动(例如弹性变形)时，也不会对检测结果产生过大的影响，同时安装上也更为方便。检测阵列在外部磁体引导模块的引导下，提供可以覆盖胶囊机器人运动范围的检测范围，同时根据检测的来自胶囊机器人的磁场信号实现胶囊机器人位姿检测。
本发明提供了检测阵列的多种排布方式。
方式一、采用三轴磁传感器，且磁传感器按照如图3所示排列，各传感器芯片的坐标轴互相平行，并且和外部磁体的坐标轴平行，分布在外部磁体的周围。最佳的，所有磁传感器均分布在同一个平面A上，此时，外部磁体的磁场垂直于磁传感器的XY轴组成的平面，使得磁传感器X轴和Y轴的测量方向上的测量值接近于0，从而将外部磁铁磁场的干扰降到了最低。
在实际中，其也可以分布在同一个平面B或C上，此时磁传感器X、Y轴有部分外部磁体磁场分布，但是不超过传感器在该测量方向上的量程。
方式二、采用三轴磁传感器，且磁传感器按照如图4所示排列，磁传感器排列方式和图3所示相同，每个磁传感器的坐标轴都平行于外部磁体的坐标轴，不同之处在于，磁传感器不都在一个平面上，传感器芯片空间分布。图4中，传感器芯片随机分布在A,A1,A2上。
方式三、采用三轴磁传感器，磁传感器按照如图5所示排列，每个磁传感器的XY轴组成的平面垂直于该磁传感器安装位置处的外部磁体磁场，即外部磁体磁场在传感器芯片的X、Y轴方向的投影皆接近0，使得磁传感器X、Y轴测量方向上的测量值接近于0，从而减小了外部磁铁磁场的干扰。磁传感器分布在外部磁体的周围，且分布在同一个平面上或者立体空间上。每个磁传感器坐标系X、Z轴如图所示，Y轴垂直于纸面向上。
本实施例中被检测磁源为胶囊机器人。胶囊机器人内部集成有相机、活检工具、内部磁体等，可完成内窥镜成像、活检、外部磁场驱动下的运动等功能。
下面对本发明装置的工作过程进行详细描述。
步骤一、将检测阵列和外部磁铁固连，保持二者相对位姿不变的状态。采用图3、图4或图5的方式布置三轴磁传感器。安装数据处理模块整体装置结构到外部磁体引导模块的末端。
步骤二、将外部磁体、检测阵列安装之后，流程如图2所示，外部磁体和磁传感器的相对位姿是固定的，因此磁传感器测得的外部磁体磁场也都是固定的，需要测量其值。具体来说，移除胶囊机器人，使用微处理器控制磁传感器测量传感器上分布的总磁场，此时该总磁场包括外部磁体磁场和地磁磁场。用总磁场减去相应的地磁磁场就得到单纯的外部磁体磁场在芯片上的磁场分布，此为外部磁体磁场固定值V1。
BT_EPMx(i)＝BT_ALLx(i)-BT1_earthx(i),
BT_EPMy(i)＝BT_ALLy(i)-BT1_earthy(i),
BT_EPMz(i)＝BT_ALLz(i)-BT1_earthz(i),
i＝0,1,2……Knum-1，Knum为阵列中3轴传感器的个数。
这里BT_ALLx，BT_ALL，BT_ALLz为3轴磁传感器所测的总磁场值的三轴分量，BT1_earthx，BT1_earthy，BT1_earthz为此时位置的地磁磁场值的三轴分量，BT_EPMx，BT_EPMy，BT_EPMz为固定的外部磁体磁场在阵列上的分布，即所述V1。
步骤三、任一检测过程中，在外部磁体和检测阵列的当前位姿下，从检测阵列获得的总磁场信号中减掉当前环境磁场信号，即为检测阵列获得的来自胶囊机器人的有效磁场信号V2。其中，当前环境磁场信号包括外部磁体磁场固定值V1(即BT_EPMx，BT_EPMy，BT_EPMz)，以及阵列中每个磁传感器所在位置的地磁信号等。
步骤四、使用胶囊机器人的有效磁场信号V2，利用微处理器运行位姿检测算法，获得胶囊机器人相对于检测阵列的位姿数据。
步骤五、使用通信单元，将得到的位姿数据通过无线方式传输到上位机上。
至此，本流程结束。
上述步骤二和步骤三中都涉及到地磁信号的获取。其获取方式包括如下步骤①和②：
①预先存储检测阵列运动空间范围内各位置点的地磁磁场B1。
在实际中，可以采用额外设置的磁传感器完成上述地磁磁场B1的测量。为了不增加额外硬件，也可以采用检测阵列完成地磁磁场B1的采集，具体为：移除外部磁体和胶囊机器人，选取检测阵列上其中一个磁传感器，令该磁传感器的坐标系与世界坐标系重合；在检测阵列的运动空间范围内，令检测阵列做水平和垂直方向运动，并按照设定密度均匀移动，采集各个位置点的磁场信号，得到检测阵列运动空间范围内各位置点的地磁磁场。这里，只做水平和垂直方向运动，可以减少数据存储量，如果计算检测阵列某种旋转姿态下的地磁磁场时，可以通过对存储数据的投影实现，参见步骤②中的第二种情况。
②在步骤二或步骤四用到当前地磁磁场时，根据检测阵列的当前位姿与存储地磁磁场B1时传感器坐标轴的姿态，分两种情况进行处理：
如果检测阵列的当前世界坐标系相对于步骤①在预存过程中的世界坐标系没有旋转，则每个磁传感器坐标轴仍旧和世界坐标系平行，此时针对检测阵列上的每个磁传感器，其不是和存储磁场的位置重合，就是磁传感器芯片附近有两个或几个最近的存储磁场的位置。如果重合，如图6(a)中的重合点10(图中灰色大点为预先存储地磁磁场的位置点)，则直接从存储数据B1中提取磁传感器位置处的地磁磁场；如果不重合，如图4(a)中不重合点11，则将相邻位置点的若干个磁场每个轴向的磁场分别进行插值，得到磁传感器所在位置的地磁磁场。
如果检测阵列的当前世界坐标系相对于步骤①在预存过程中的世界坐标系有旋转，判断旋转之后的检测阵列上每个磁传感器位置是不是和存储磁场的位置重合，如果重合则直接取值得到磁场，记为B1’，如果不重合则插值之后得到磁场，记为B1’，磁场B1’如图6(b)中的位置点12的总磁场所示；再把磁场B1’对当前位姿下的检测阵列坐标轴进行相应的投影，得到投影后的三轴地磁场，作为当前所需的地磁磁场信号。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种固连外部磁体和磁传感器阵列的磁源检测装置，其特征在于，包括：外部磁体引导模块、外部磁体、连接模块、数据处理模块和由磁传感器组成的检测阵列；
外部磁体引导模块能够提供各个方向的运动；连接模块固连于外部磁体引导模块末端，该连接模块连接磁传感器和外部磁体，使外部磁体与磁传感器具有固定的相对位置和姿态，二者一起运动；在外部磁体引导模块的引导下，外部磁体提供可覆盖磁源运动范围的外部驱动磁场；
所述检测阵列中的各磁传感器根据外部磁体的磁场分布方向进行安装，使得外部磁体的磁场在磁传感器至少1个测量方向上的测量值距离其量程具有不少于1高斯的测量裕度；
数据处理模块用于从磁传感器获得磁场信号、位姿检测算法计算及与外部进行数据通信；
所述数据处理模块安装在外部磁体引导模块末端，包括处理器和通信单元；
通信单元采用有线或无线方式与磁传感器和装置外部进行数据通信；
处理器主要执行如下操作：
在外部磁体安装到位、移除待检测磁源的情况下，获得检测阵列上每个磁传感器测量的磁场信号，减掉当前地磁信号，得到外部磁体磁场固定值V1；
在检测过程中，在外部磁体及检测阵列的当前位姿下，获得检测阵列上每个磁传感器测量的磁场信号，减掉当前地磁信号及所述外部磁体磁场固定值V1，得到来自待检测磁源的有效磁场信号V2；利用有效磁场信号V2，获得待检测磁源相对于检测阵列的位姿。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外部磁体引导模块的末端进一步安装为数据处理模块和检测阵列供电的电源。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接模块为一个圆盘，圆盘中心安装外部磁体，外部磁体外侧的圆环上分布磁传感器，磁传感器外部的圆环上安装数据处理模块。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，外部磁体的磁场在磁传感器至少1个测量方向上的测量值尽量趋近于0。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，磁传感器为三轴磁传感器，各磁传感器的坐标轴互相平行，并且与外部磁体的坐标轴平行；外部磁体的磁场垂直于磁传感器的XY轴组成的平面，此时磁传感器X轴和Y轴的测量方向上的外部磁体磁场测量值接近于0。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，磁传感器为三轴磁传感器，每个磁传感器的XY轴组成的平面垂直于自身安装位置处的外部磁体磁场，此时磁传感器X、Y轴测量方向上的外部磁体磁场测量值接近于0。
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