CN110998569B - 用于估计磁体位置的包括识别磁干扰的阶段的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用包括磁力计阵列的追踪设备来估计磁体(2)的位置的方法，该方法包括：确定与磁体相关的初始状态矢量的阶段；测量有用磁场的阶段；估计磁场的阶段；计算估计的磁场与测量的磁场之间的偏差的阶段；以及基于该偏差更新状态矢量的阶段。该方法还包括识别阶段，该识别阶段包括基于根据估计的磁场和测量的磁场而计算出的指示符来识别磁干扰的步骤。

Description

用于估计磁体位置的包括识别磁干扰的阶段的方法

技术领域

本发明涉及一种用于估计磁体相对于磁力计阵列的位置的方法，该方法包括识别位于磁力计阵列附近的磁性干扰器的阶段。

现有技术

已知的用途是，在用于在书写介质上记录磁性笔的绘图的系统中使用至少一个磁体。这里，磁体是与非零磁矩相关联的物体，例如固定到非磁性笔的永磁体。

作为示例，文件WO2014/053526描述了一种用于记录固定有环形磁体的笔的绘图的系统。永磁体包括例如铁磁性或亚铁磁性的磁性材料，该磁性材料围绕与笔的纵轴重合的机械轴均匀地分布。

通过包括磁力计阵列的磁追踪设备来确保记录笔的绘图，每个磁力计能够测量磁场。磁体追踪方法使用卡尔曼滤波器类型的递归估计器在每个测量时刻估计磁体的位置。

然而，磁性干扰器可以位于磁体追踪设备附近。然后，它很可能会引起磁体的追踪性能的下降。

发明内容

本发明的目的是至少部分地弥补现有技术的缺点，并且更具体地，提出一种用于估计磁体的位置的方法，该磁体旨在相对于磁力计阵列进行移动，该方法包括磁性干扰器的识别阶段。本发明的主题是一种通过追踪设备估计磁体位置的方法，该追踪设备包括能够测量磁场的磁力计阵列，该方法由处理器实现，包括以下阶段：

o确定与磁体相关联的所谓初始状态矢量，对于初始测量时刻，该状态矢量包括表示磁体相对于磁力计阵列的位置的变量；

o在磁体存在的情况下，在测量时刻，通过磁力计阵列测量所谓的有用磁场；

o基于表示由磁体产生的磁场和磁体的状态矢量之间的关系的预定模型，根据在先前的测量时刻获得的状态矢量来估计由磁体产生的磁场；

o通过所述估计的磁场与测量的所述有用磁场之间的差来计算偏差；

o根据计算出的偏差更新状态矢量，从而可以在测量时刻获取的磁体的估计位置；

o基于更新后的状态矢量，通过使测量时刻增加来重复测量、估计、偏差计算和更新阶段。

根据本发明，该方法还包括以下阶段：

o在至少一个测量时刻，识别与磁体不同并且位于磁力计阵列附近的磁性干扰器，包括以下步骤：

-根据差参数计算所谓的指示符参数，该差参数定义为基于所述预定模型由对于在先前的测量时刻获得的状态矢量或对于更新后的状态矢量的磁体产生的所谓的估计磁场与在测量时刻测量的所述有用磁场之间的差。

-将指示符与预定阈值进行比较，并且当指示符的至少一个值大于或等于阈值时，识别磁性干扰器。

识别阶段能够在每个测量时刻或在某些测量时刻执行。前一测量时刻能够是前一增量的测量时刻，或者，对于第一时间增量，是初始测量时刻。

该方法的一些优选但非限制性方面如下。

指示符能够等于差参数与分母项之比，该分母项至少包括指示符的估计磁场、指示符的测量有用磁场，或者表示所述磁力计中的至少一个的偏差的至少一个预定常数。

分母项能够包括所述指示符的估计磁场和所述预定常数。

估计阶段、计算偏差阶段和更新阶段可以通过贝叶斯递归估计算法来执行。

估计阶段能够包括：

-根据在先前的测量时刻获得的状态矢量在测量时刻获得所谓的预测状态矢量的步骤，以及

-计算对于预测状态矢量的估计磁场的步骤，以及

偏差计算阶段能够包括：

-计算偏差(称为修正项)的步骤，即对于预测状态矢量的估计磁场和测量的所述有用磁场之差。

差参数能够等于修正项。

该差参数能够等于由对于更新后的状态矢量的磁体产生的估计磁场与在测量时刻测量的所述有用磁场之间的差。

估计阶段、偏差计算阶段和更新阶段能够在测量时刻通过基于迭代最小化偏差(称为成本函数)的优化算法来执行。

状态矢量还能够包括表示磁体的磁矩的变量。

用于识别磁性干扰器的阶段能够包括以下步骤：只要指示符的值中的至少一个大于或等于预定阈值，则向用户传输信号以促使磁性干扰器与磁力计阵列分离。

本发明还涉及信息存储介质，其包括用于实现根据前述特征中的任一项所述的方法的指令，这些指令能够由处理器执行。

附图说明

通过在阅读非限制性示例给出并参考附图呈现的对本发明的优选实施例的以下详细描述，本发明的其它方面、目的、优点和特征将变得更加清楚，其中：

图1是磁体追踪设备的示意性立体图，该设备包括根据一个实施例的磁力计阵列，在该磁力计阵列附近放置有磁性干扰器；

图2是估计磁体位置的方法的示例的流程图；

图3是根据第一实施例的用于估计磁体的位置的方法的流程图，其中估计器是贝叶斯滤波器，该方法包括磁性干扰器的识别阶段；

图4是示出磁性干扰器的识别阶段的示例的流程图；

图5A和5B是磁力计阵列的横截面示意图(图5A)和俯视图(图5B)，磁性干扰器位于该磁力计阵列的附近；

图6A和图6B分别示出了根据第一实施例的变体的用于估计磁体的位置的方法的流程图的一部分以及磁性干扰器的识别阶段；

图7和图8分别示出了根据第二实施例的用于估计磁体位置的方法的流程图和磁性干扰器的识别阶段，其中估计器是基于成本函数的最小化的优化算法。

具体实施方式

在附图和下文的说明中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。另外，为了附图的清楚起见，各元件未按比例显示。此外，不同的实施例和变体不是互相排斥的，并且能够组合在一起。除非另有规定，否则术语“基本上”、“约”、“大约”是指在10％以内。

本发明涉及一种用于估计磁体相对于磁体追踪设备的磁力计阵列的位置的方法，该方法包括识别位于磁力计阵列附近的磁性干扰器的阶段。

磁体包括表现出磁化的材料，例如剩磁，对所述剩磁定义了磁矩。磁体能够是圆柱形的，例如环形的永磁体，如在前述文献WO2014/053526中示出的。它也能够是配备有这种磁体或包括不同的永磁体的器具或笔，例如集成到笔的主体中。术语“笔”应从广义上理解并且能够包括笔、毡笔、画笔或任何其他书写工具或绘图工具。

磁性材料优选为亚铁磁性或铁磁性。即使在没有外部磁场的情况下，该磁性材料也表现出非零的自发磁矩。它可以表现为高于100A.m^-1或500A.m^-1的矫顽磁场，并且磁矩的强度优选地高于0.01A.m²或甚至0.1A.m²。在下文中，认为永磁体能够通过磁偶极子来近似，但是能够通过其他模型来近似。物体的磁轴被定义为与物体的磁矩共线的轴。

图1是根据实施例的用于追踪磁体2的设备的示意性局部立体图。这里，磁体2是圆柱形的，例如环形的永磁体，其被设计为固定到笔(未示出)。

追踪设备1能够在坐标系XYZ中在追踪时间T期间在不同的测量时刻测量由磁体2发出的磁场，并且基于磁场的测量值来估计磁体2的位置和磁矩。换句话说，追踪设备1使得可以在坐标系XYZ在不同时刻确定永磁体2的位置和方向。如下文所述，追踪设备1还可以识别位于磁力计阵列附近的与要追踪的磁体2不同的磁性干扰器7，也就是说至少确定其在磁力计阵列附近的存在。

这里，对于说明的其余部分，定义了三维直角坐标系(X，Y，Z)，其中轴X和轴Y形成平行于磁力计阵列的测量平面的平面，并且其中轴Z取向为基本上正交于测量平面。在下文的说明书中，术语“垂直”和“垂直地”是相对于基本平行于轴Z的方向延伸，并且术语“水平”和“水平地”是相对于基本平行于平面(X，Y)的方向延伸。此外，术语“下部”和“上部”相对于沿+Z方向上从测量平面移走时相对于增加的位置而延伸。

磁体2的位置P_a对应于磁体2的几何中心的坐标，也就是说，该磁体的位置对应于磁体2的一组点的未加权重心。因此，磁体的磁矩m在坐标系XYZ中具有分量(m_x，m_y，m_z)。其范数，也称为强度或幅度，表示为‖m‖或m。

追踪设备1包括相对于彼此分布的磁力计M_i阵列，以形成测量平面P_mes。磁力计M_i的数量能够例如大于或等于2，优选地大于或等于16，例如等于32，特别是当它们是三轴磁力计时。然而，磁力计阵列包括至少三个彼此分离并且不成对平行的测量轴。

磁力计M_i固定到保护板3并且能够位于保护板的背面上，该保护板由非磁性材料制成。固定被理解为是指它们被组装到板而没有任何自由度。这里，它们以行和列对齐，但是能够以基本上随机的方式相互定位。每个磁力计及其相邻的磁力计之间的距离，以及特别是磁力计的相对位置是已知的，并且在时间上是恒定的。例如，它们能够为1cm至4cm。

磁力计M_i的每一个具有至少一个测量轴，例如三个轴，表示为x_i、y_i、z_i。因此，每个磁力计测量被永磁体干扰的磁场B的幅度和方向。更具体地，每个磁力计M_i测量磁场B在磁力计的轴x_i、y_i、z_i上的正交投影的范数。磁力计M_i的校准参数能够是与磁力计相关联的噪声，这里约为0.4μT。干扰磁场B被理解为是指环境磁场B^amb，也就是说，不受磁体干扰，由磁体产生的磁场B^a被添加到该磁体中。能够添加其他磁性部件，例如与传感器的噪声相关联的部件，以及与磁性干扰器的存在相关联的部件。

追踪设备1还包括计算单元4，该计算单元能够根据磁力计M_i的测量来计算磁体2在坐标系XYZ中的位置及其磁矩。此外，如后所述，计算单元4能够识别位于磁力计阵列附近的磁性干扰器7。

为此，每个磁力计M_i通过信息传输总线(未示出)电连接到计算单元。计算单元4包括可编程处理器5，该可编程处理器能够执行存储在信息存储介质上的指令。所述计算单元还包括存储器6，该存储器包含对实现用于追踪磁体2的方法和实现由处理器识别磁性干扰器7的阶段所需的指令。存储器6还适用于存储在每次测量时计算出的信息。

计算单元4实现数学模型，该数学模型将永磁体在坐标系XYZ中的位置，以及其磁矩的方向和强度与磁力计M_i的测量值相关联。该数学模型由电磁，特别是静磁的方程建立，并且特别是通过坐标系XYZ中磁力计的位置和方向进行参数化。这里，该模型是非线性的。计算单元实现用于估计其解的算法，例如，贝叶斯滤波或优化，或任何其他相同类型的算法。

优选地，为了能够将永磁体近似为磁偶极子，永磁体与每个磁力计M_i之间的距离大于永磁体的最大尺寸的2倍、甚至3倍。该尺寸能够小于20cm，甚至小于10cm，甚至小于5cm。磁体能够由偶极模型等建模，特别是根据要追踪的磁体与磁力计阵列之间的距离。

图2是由追踪设备执行的用于估计100磁体的位置的方法的示例的流程图，在此期间，磁体相对于磁力计阵列在坐标系XYZ中移动，这里，根据第一实施例描述了追踪方法，其中所实现的估计算法是贝叶斯滤波。在该示例中，贝叶斯滤波是卡尔曼滤波器，例如扩展卡尔曼滤波器。

用于估计位置的方法，也称为追踪方法，包括初始化阶段110。对于参考时刻t₀，该阶段包括对由磁体产生的磁场的测量111和与磁体相关的状态矢量X的初始化112。

为此，在第一步骤111，在参考时刻t₀，通过阵列的每个磁力计M_i测量磁场B_i(t₀)。在该步骤中，永磁体可能不存在，因此无法通过磁力计阵列检测到，使得由磁力计M_i测得的测量磁场B_i(t₀)包括以下分量：

其中，是与地球磁场相关联的分量，其中，/>是与环境和传感器的噪声相关联的分量，在追踪设备附近没有磁性干扰器的情况下，其本质上对应于与相应磁力计M_i的噪声相关联的分量/>并且其中，/>是由磁体产生并由磁力计M_i测量的磁场的分量(这里为零)。

磁性干扰器是与要追踪的磁体不同的不需要的物体，该物体可能通过与要追踪的磁体2的磁场B^a相互作用而产生虚假磁场B^p和/或导致感应磁场H^p，i.B^a的形成。

在步骤112中，在参考时刻t₀将状态矢量分配给永磁体。状态矢量由表示坐标系XYZ中的磁体2的位置(x，y，z)并且表示磁体的磁矩(m_x，m_y，m_z)的变量形成。磁体的位置和磁矩的坐标能够任意地定义或者能够对应于预定值。

在递增的测量时刻t_n迭代地执行以下步骤，该时间在确定的采样频率(例如140Hz)下离散化。等级n的每次迭代都有一个相关联的测量时刻t_n，也称为当前时刻。

追踪方法然后包括测量阶段120。该阶段包括在测量时刻t_n时通过磁力计阵列对磁场的测量，以及计算由磁体2产生的所谓的有用磁场B^u。

在步骤121中，在测量时刻t_n，通过阵列的每个磁力计M_i测量磁场B_i(t_n)。在该步骤中，该阵列可检测到永磁体，以使由每个磁力计M_i测得的磁场B_i(t)包括以下分量：

其中，再次存在由永磁体在当前时刻t时产生的磁场B^a，与传感器B^b以及环境磁场B^am相关联的噪声。

在步骤122中，根据对磁场B_i(t₀)和B_i(t_n)的测量计算出所谓的有用磁场B^u。这里，所述有用磁场对应于矢量，矢量的维度取决于磁力计的数量以及每个磁力计获得的测量值的数量。更具体地，有用磁场B^u是通过从在测量时刻t_n时测得的磁场B(t_n)减去在参考时刻t₀时测得的磁场B(t₀)而获得的：

其中，能够忽略t₀和t_n之间的地面分量B^amb的时间差异，与磁力计的噪声相关联的分量B^b的时间差异也能够忽略。因此，如果适当的话，除了与校准误差和/或磁力计的可能磁化引起的偏移相关联的项外，基本上还保留由磁体在当前时刻t_n时产生的磁场的分量B^a。

追踪方法然后包括阶段130，该阶段用于根据在先前的测量时刻获得的状态矢量来估计由磁体产生的磁场。

在步骤131中，根据先前时刻t_n-1的估计的状态或在阶段110的初始时刻的估计的状态/>来预测与磁体相关联的所谓的预测状态矢量/>磁体的预测的状态能够根据以下关系进行计算：

其中，F(t_n)是将先前估计的状态关联到当前预测的状态/>的预测矩阵。在该示例中，预测矩阵F是单位矩阵，但是其他公式也是可能的。因此，作为变体，预测函数能够考虑一个或更多个先前的状态，并且可能考虑在先前的测量时刻期间的与磁体的运动和/或旋转有关的运动学参数的估计。

在同一步骤131中，还根据以下关系计算与当前的预测状态的精度的测量相对应的误差的协方差的先验估计矩阵P(t_n|t_n-1)：

P(t_n|t_n-1)＝F(t_n).P(t_n-1|t_n-1).F^T(t_n)+Q(t_n)＝P(t_n-1|t_n-1)+Q(t_n)

其中，在这里F(t_n)是单位矩阵，Q(t_n)是过程的噪声的协方差矩阵，^T为转置算子，以及P(t_n-1|t_n-1)为来自前一时刻t_n-1的误差的协方差矩阵。在n＝1的第一次迭代中，矩阵P(t_n-1|t_n-1)能够由对角矩阵初始化。

在步骤132中，在当前时刻t_n，根据预测状态矢量由所谓的观测函数h(也称为测量函数)计算由磁体产生的所谓的估计磁场。观测函数h基于根据电磁方程构造的物理模型，该电磁方程将估计的磁场与磁体的位置(x，y，z)和磁矩(m_x，m_y，m_z)的估计值相关联。因此，该项能够根据以下关系表示：

其中，是表示当前时刻t_n时磁体的估计的磁场的分量，并且ε^m是与物理模型h的误差相关联的分量。

追踪方法然后包括偏差计算的阶段140。在阶段141中，通过在当前时刻t_n的估计的磁场与在当前时刻t_n的测量的有用磁场/>之间的差来计算当前时刻t_n的偏差，这里是修正项y(t_n)：

然后，只要到磁体B^a的测量的磁场基本上对应于在步骤132中获得的其估计值，则不考虑符号，其本质上等于物理模型的误差ε^m。

追踪方法然后包括计算当前时刻t_n的磁体的估计位置的阶段150。该阶段包括根据计算出的偏差y(t_n)通过校正先前获得的状态矢量(这里也称为当前的预测的状态矢量)，来更新磁体的当前状态矢量/>

在步骤151中，基于以下关系，计算当前时刻t_n的称为卡尔曼增益K(t_n)的项：

K(t_n)＝P(t_n|t_n-1).H^T(t_n).S(t_n)^-1

其中，在步骤310中获得估计矩阵P(t_n|t_n-1)，H是观测矩阵，这里定义为观测函数h的雅可比其中u是状态矢量变量的下标，并且S是修正项的协方差，定义为等于H(t_n).P(t_n|t_n-1).H^T(t_n)+R(t_n)，其中R是测量的协方差矩阵，因此表示了传感器的噪声。

在步骤152中，通过根据修正项y(t_n)和卡尔曼增益K(t_n)的乘积更新当前的预测的状态来执行在测量时刻t_n对状态矢量/>的估计，例如通过以下关系表示：

误差的协方差矩阵也通过以下关系更新：

P(t_n|t_n)＝(I-K(t_n).H(t_n)).P(t_n|t_n-1)

其中I是单位矩阵。

因此，根据与坐标系XYZ中磁体的位置(x，y，z)相关的估计的状态矢量的变量，获得在测量时刻t_n时的估计位置。该时间随后以补充的增量递增，并且该方法在这里根据测量阶段110在下一当前时刻t_n+1重复先前所描述的步骤。因此在坐标系XYZ中执行磁体的追踪。

在包括预测阶段和更新阶段的贝叶斯滤波器(例如卡尔曼滤波器)的上下文中，在步骤131中执行预测，并通过步骤132、141、151和152执行更新。

然而，发明人已经证明，追踪设备附近存在磁性干扰器能够导致与坐标系XYZ中的磁体的估计位置相关联的不确定性增加，甚至妨碍用于估计磁体位置的算法的收敛性。

实际上，在存在磁性干扰器的情况下，对于等级为i的每个传感器，在测量时刻t_n测量的磁场B(t_n)为：

其中，分量Bⁿ现在包括对应于磁性干扰器产生的永久磁场的补充项B^p，以及可能包括对应于干扰器和磁体之间的磁相互作用产生的感应磁场的项H^p，i.B^a。

对于等级为i的每个传感器，在当前时刻t_n计算的有用磁场B^u(t_n)为：

因此，除了由磁体产生的磁场的项B^a之外，还包括与磁性干扰器相关联的项(与校准误差和/或磁化偏移相关联的项在这里不再赘述)。

此外，修正项y(t_n)现在成为：

其中，与磁性干扰器的存在相关联的噪声项被添加到与物理模型ε^m的误差相关的项。

然后应理解的是，递归估计量(其倾向于最小化修正项y，尤其是通过雅可比偏差H(t_n)，从而在没有磁性干扰器的情况下使物理模型ε^m的误差最小化)能够受到与磁性干扰器相关的项的干扰。然后与磁体的估计位置相关的相对误差的增加是可能的，并且甚至算法很难收敛。

举例来说，在磁力计阵列附近移动电话的存在能够引起这种干扰。当移动电话足够接近磁力计阵列时，则将其视为磁性干扰器。更一般地，这能够是例如除了要追踪的磁体以外的任何铁磁性材料，例如工作台、音频耳机、电子设备等的零件。

图3是根据第一实施例的用于估计磁体的位置的方法的流程图，也就是说，使用诸如卡尔曼滤波器的贝叶斯滤波器(如，扩展的)在这里估计磁体的位置。该方法包括识别位于磁力计阵列附近的磁性干扰器的阶段60。

识别阶段60可以确定磁性干扰器的可能存在，例如为了指示用户将干扰器从磁力计阵列分离，甚至识别位于干扰器附近的磁力计，该干扰器在磁体位置的估计中不考虑，并因此以所需的精度和/或通过最小化估计算法收敛失败的风险来执行磁体的追踪。

因此，用于追踪磁体的方法100包括初始化阶段110、测量阶段120、估计阶段130、偏差计算阶段140和更新阶段150。这些步骤与先前详述的步骤相同或相似，因此不再赘述。

然而，方法100包括补充的阶段60，该阶段使得可以识别在磁力计阵列附近的磁性干扰器的可能存在。

图4是示出磁性干扰器的识别阶段60的示例的流程图；

在步骤61中，根据差参数e(t_n)计算在当前时刻t_n称为指示符Ind的项，该项定义为由基于所述预定模型h根据在先前的测量时刻获得的或更新后的状态矢量的磁体所产生的磁场的估计相对于在测量时刻测量的有用磁场之间的差。优选地，这里的指示符等于差参数e(t_n)与估计的磁场之间之比。在该示例中，差参数e(t_n)等于在步骤141中获得的修正项y(t_n)的范数2，并且这里的估计的磁场/>为对应于预测状态矢量/>的估计的磁场。因此，对于等级i的每个传感器，指示符Ind(t_n)的值能够根据以下关系计算：

换句话说，第二指示符项Ind(t_n)在步骤132中获得，这里的第二指示符项等于修正项y(t_n)的范数2除以由磁体产生的磁场的估计项的范数2。因此，结果表明与干扰器相关联的磁贡献(位于分子中的项)除以与磁体相关联的磁贡献(位于分母中的项)。因此，指示符项表示磁干扰的力。作为变体，能够为传感器的每个测量轴计算指示符项Ind_i(t_n)的值，必要时通过调整所使用的范数。因此，差项e(t_n)与估计项/>之间的比值能够是项之间的相除，或者是范数的相除。因此，指示符项能够是矢量项或标量。

步骤62示出了对在步骤61中计算的指示符进行滤波的可选但有利的步骤，用于限制对磁体在运动和/或旋转方面可能的显著的动态的影响。因此，其涉及低通滤波，其中时间常数是移动速率和/或旋转速率的函数。因此，按以下关系对指示符进行过滤：

其中，Ind(t_n)是在当前时刻t_n的步骤61中计算的指示符，Ind(t_n-1)是在前一当前时刻t_n-1计算的指示符，以及其中α(t_n)是具有恒定值或在当前时刻t_n计算的小于1的滤波项。

可以根据以下关系定义该过滤项：

其中，a和b是预定标量，以及其中V(t_n)是根据运动和/或旋转来表示磁体的动力学的运动项。因此，该运动项定义为在两个连续的测量时刻的状态矢量之间的差除以时间增量。

因此，滤波器指示符使得可以限制修正项中的与两个测量时刻之间磁体运动学相关的部分。当磁体动力学的特征时间等于或大于采样时间时，这部分可能变得很重要。

在步骤63中，将指示符Ind(t_n)(在这里是经滤波的指示符)与预定阈值Ind_th进行比较。并且，当该指示符大于所述预定阈值时，干扰器就被识别为存在。在指示符Ind(t_n)是矢量的情况下，将指示符的每个值与阈值进行比较，并且当至少一个值/>等于甚至大于阈值Ind_th时，识别出干扰器。作为示例，阈值能够等于大约14％。类似地，当指示符项是标量时，将其与阈值Ind_th进行比较。

在步骤64中，能够向用户发送信号，以提示移动干扰器直到在下一个测量时刻t>t_n的每个值变得小于阈值为止。该信号能够是在表示磁力计阵列的显示屏上显示的信息。显示的信息也能够表示为所谓的热图，其中强度标量被分配给每个磁力计M_i，强度标量对应于指示符/>的值。有利地，指示符Ind(t_n)的值通过加权因子加权，甚至被简单地处理，使得指示符的值在最小值(例如0)和最大值(例如255)之间进行分级，并且强的初始值被减弱有利于弱的初始值。因此，加权指示符的值揭示了弱磁干扰。在指示符Ind没有从预定延迟恢复到小于阈值的值的情况下，可以执行初始化阶段100。

因此，磁体追踪方法100包括阶段60，该阶段使得可以简单地识别位于磁力计阵列附近的磁性干扰器。实际上，在该示例中，指示符项Ind(t_n)使用已经包含在修正项中的与磁性干扰器有关的信息。因此避免了必须使用专用于识别磁性干扰器的设备和方法。

此外，通过根据差项e(t_n)(此处为修正的范数)与估计项之比计算指示符项Ind(t_n)，可以简单地相对于与物理模型的误差相关联的分量ε^m来区分与磁性干扰器相关联的分量/>事实上，如果没有将指示符定义为差项与估计项之比，就很难区分与干扰器和模型误差相关的分量。事实上，分量ε^m表现出的强度能够改变1/d_i ^k，而当d_i减小时k增大，d_i是将磁体与磁力计M_i分开的距离，当磁体非常靠近所考虑的磁力计M_i时，该强度能够增加，从而在与磁干扰器相关的分量上占主导地位。换句话说，将指示符项Ind(t_n)定义为差项e(t_n)与估计项/>之比，可以清楚地揭示与磁性干扰器相关联的分量。

在某种程度上，指示符Ind(t_n)是信噪比(SNR)，因此，这里的有用信号是估计的磁场并且通过测量的磁场B^u和估计项/>之间的差引入与磁干扰器的存在相关的信息。

此外，无论在初始化阶段100中是否存在磁性干扰器，识别阶段60都保持工作。事实上，在磁性干扰器在t₀时存在且在磁力计阵列的XYZ平面中保持固定的情况下，测量的有用磁场B^u(t_n)包括基本为零的时间微分项而感应项/>保持为非零。如果磁性干扰器在t₀时存在但不固定的情况下(由于干扰器相对于磁力计阵列的相对位移)，则时间微分项ΔB_i ^p是非零的。最后，当磁性干扰器在t₀时最初不存在于磁力计阵列附近但随后出现时，时间微分项/>和感应项/>出现并取非零值。

有利地，指示符Ind(t_n)能够在分母上包括表示至少一个磁力计的偏差的预定常数c，例如表示传感器噪声的值，例如约为0.3μT，甚至包括表示检测阈值的值，例如约为10μT。该预定值还能够表示与至少一个磁力计的磁化相关联的校准故障或测量误差。因此，在这里对于每个传感器i，指示符Ind(t_n)能够写作：

因此，在防止指示值具有过高的值的同时，尤其是当磁体的估计的磁场弱或甚至为零时，指示符的值的可靠性增加。此外，不仅消除了所使用物理模型的误差，而且消除了磁力计会表现出的偏差。

作为变体，指示符Ind(t_n)能够写成差参数e(t_n)与表示至少一个磁力计的偏差的预定常数c之比。因此，消除了与传感器的偏差相关的测量误差，这些误差存在于差参数e(t_n)和预定常数c中的项B^u中。因此，在这里对于每个传感器，指示符Ind(t_n)能够写作：

作为变体，指示符Ind(t_n)能够写为差参数e(t_n)与测量的磁场B^u(t_n)之比，分母中有或没有预定常数c。因此，获得了指示符，该指示符的值根据与磁性干扰器相关的信号的强度相对于由磁体产生的估计的磁场的强度而变化。在这里对于每个传感器，指示符Ind(t_n)能够写作：

图5A和5B示出了磁力计阵列的一个示例的横截面图(图5A)和俯视图(图5B)，磁性干扰器位于该磁力计阵列的附近。

图5A示出了对于每个磁力计M_i的干扰强度值的分布的示例。对于磁性干扰器附近的磁力计M_i-1、M_i和M_i+1，指示符的值超过阈值Ind_th，使得正确地识别和定位磁性干扰器。对于其他磁力计，指示符的相应值小于阈值。

如图5B所示，根据以热图形式表示的指示符，能够计算和显示与磁性干扰器相关的方向矢量D^p。方向矢量D^p能够根据磁力计的位置的平均值(每个位置都由相应的干扰强度标量加权)和磁力计阵列的中心Pr的位置获得。因此，用户接收到指示干扰器所位于的方向相对于磁力计阵列的信息。然后，他们能够继续去除磁力计附近的干扰器。

方法100确保了对磁体的追踪，因此迭代测量阶段120、估计所产生磁场的阶段130、计算偏差(这里是修正项)的阶段140和计算磁体的估计位置阶段150。每次在测量时刻递增时，执行识别磁性干扰器的阶段60。

在磁力计阵列附近仍然存在磁性干扰器的情况下，在不考虑来自磁力计M_i-1、M_i和M_i+1的测量值时，能够执行磁体的估计位置的计算阶段150，对于该阶段，指示符显示出高于阈值的局部值。

然后，例如，能够通过将磁矩、甚至是从步骤152中估计的状态矢量得出的位置的范数或每个分量与所使用的磁体类型的预定参考值进行比较，来执行追踪验证步骤。

图6A和6B分别示出了部分表示根据第一实施例的变体的追踪方法的流程图。所实现的估计算法也是贝叶斯滤波，这里更具体地说是卡尔曼滤波。

在这种变体中，追踪方法100的不同的阶段110(初始化)、120(测量)、130(估计的磁场的计算)、140(偏差的计算，即这里的修正值)、150(磁体的估计位置的计算)与参考图3所描述的相同或相似，这里不再赘述。

根据该变体的方法100与先前描述的方法本质上的区别在于，不再根据修正项，因此也不根据预测状态矢量而是根据更新后的状态矢量/>来执行磁性干扰器的识别阶段60。因此，在步骤152之后执行阶段60。

如图6B所示，在步骤61中，指示符项Ind(t_n)在当前时刻t_n被计算为等于偏差项e(t_n)与估计的磁场的估计值之间的比值。因此，在此示例中，偏差项e(t_n)不等于在步骤141中获得的修正项y(t_n)，也不等于在步骤132中获得的估计的磁场/>相反，存在于偏差项e(t_n)中且存在于分母中的估计项对应于更新后的状态矢量/>因此，指示符项Ind(t_n)在这里能够根据以下关系式计算，这里具有表示至少一个传感器的偏差的预定常数c：

因此，在根据更新的状态矢量而不是预测的状态矢量来计算指示符的情况下，磁性干扰器的识别更加准确。差参数e(t_n)与修正项y(t_n)在本质上所考虑的状态矢量并没有差异。观测函数h相同，有用磁场B^u也相同。

如前所述，磁性干扰器的识别阶段60包括将指示符的一个或更多个值与预定阈值进行比较的步骤63。它还能够包括低通滤波步骤62，以便减少两个连续状态矢量之间可能存在的运动学的影响。它还能够包括平滑或加权指示符的高值的步骤，尤其是当这些值表示有关的磁力计的测量饱和度时。

图7和图8各自示出了部分表示根据第二实施例的追踪方法200的流程图。然后，所实现的估计算法是一种优化，尤其是通过最小化成本函数，这里是通过梯度下降来优化。

方法200包括初始化阶段210以及测量磁场B_i(t_n)和计算有用磁场B^u(t_n)的阶段220。这些阶段与先前描述的阶段相同或相似，这里不再赘述。

该方法还包括在最小化成本函数C的迭代循环中，对于一个相同的测量时刻t_n连续执行的几个阶段230、240、250。因此，根据先前测量时刻t_n-1的状态矢量的增量i，通过连续校正获得测量时刻t_n时的状态矢量/>因此，该方法包括：根据先前获得的状态矢量估计产生的磁场的阶段230；偏差的计算阶段240(这里是成本函数C)以及在当前时刻t_n的磁体的估计位置的计算阶段250。

先前获得的生成的磁场的估计阶段230与先前描述的阶段130相似。在测量时刻t_n，所述阶段230涉及在前次测量时刻t_n-1的阶段250中获得的状态矢量，或者是在时刻t₀的初始化中定义的状态矢量/>其可能根据最小化成本函数C的迭代校正的增量i被校正。因此，在增量i的测量时刻t_n-1表示为/>

因此，在步骤231中，在当前时刻t_n计算与先前在测量时刻t_n-1获得的状态矢量相对应的估计的磁场/>该估计的磁场可能根据增量i而进行校正。当增量i等于1时，校正循环还没有循环一次，并且状态矢量/>是在阶段250的步骤252计算的/>当增量i大于1时，校正循环已经循环一次，并且状态矢量与在步骤252处计算出的/>相差至少一个校正项。如前所述，估计的磁场/>是根据观测函数h(也称为测量函数)计算的。

偏差的计算阶段240，这里是要最小化的成本函数C，该阶段包括状态矢量的校正步骤241，随后是成本函数C的计算步骤。

在步骤241中，在该示例中，根据与梯度下降算法对应的关系来校正在前一增量的状态矢量：

其中，μ是步长，其值为正值，能够取决于增量i；▽_X是根据状态矢量的变量的梯度算子；以及是要最小化的成本函数，其取决于估计的磁场/>相对于测量的有用磁场B^u之间的差。作为说明，在最小二乘的情况下，前面的关系能够在这写出，其中/>

其中，H^T是在测量时刻t_n-1和增量i时应用于状态矢量的观测函数h的雅可比转置。当然，其他表达式也是可能的，例如在Gauss-Newton或在Levenberg-Marquardt方法的背景下。

在步骤242中，计算成本函数C的范数‖C‖。几个表达式是可能的，例如

在当前时刻t_n的估计位置的计算阶段250包括步骤251，在该步骤中将范数‖C‖与阈值进行比较。当‖C‖大于阈值时，增量i递增一次迭代，并且最小化循环从应用于校正后的状态矢量的步骤231重启。当‖C‖小于或等于阈值时，在步骤252中，获得当前时刻t_n的估计的状态矢量的值，该值取校正后的状态矢量/>的值。随后将该时间增加补充的增量，并且该方法在下一当前时刻t_n+1处重复前述的步骤，这里从测量阶段210开始。因此，在坐标系XYZ中执行磁体的追踪。

追踪方法200还包括磁性干扰器的识别阶段60，该识别阶段根据在步骤252获得的当前时刻t_n的估计状态矢量来执行。它与参考图6B描述的相似。

在步骤61中，在当前时刻t_n计算的指示符项Ind(t_n)等于差项e(t_n)与估计的磁场的估计值之间的比值。在该示例中，差项e(t_n)等于在步骤252获得的状态矢量/>估计的磁场/>与测量的磁场B^u(t_n)之差的范数。因此，能够写出指示符Ind(t_n)，这里在分母中具有预定常数c，并且对于每个传感器i：

因此，差参数e(t_n)本质上仅与所考虑的状态矢量的偏差(这里为成本函数C)不同。观测函数h相同，有用磁场B^u也相同。

作为变体，如前所述，指示符能够在分母中包括具有或不具有预定常数c的测量的磁场B^u，甚至仅包括预定常数c。

如前所述，磁性干扰器的识别阶段60包括用于将指示符的一个或更多个值与预定阈值进行比较的步骤63。所述识别阶段还能够包括低通滤波步骤62，以便减少两个连续状态矢量之间可能存在的运动学的影响。所述识别阶段还能够包括对指示符的高值进行平滑或加权的步骤，尤其是当这些值表示有关的磁力计的测量饱和度时。

已经描述了特定的实施例。对于本领域技术人员而言，不同的变体和修改将是显而易见的。

Claims (10)

1.一种用于通过追踪设备估计磁体的位置的方法，所述追踪设备包括能够测量磁场的磁力计的阵列，所述方法由处理器实现，包括以下阶段：

o对于初始测量时刻，确定与所述磁体相关联的初始状态矢量，所述状态矢量包括表示磁体相对于磁力计阵列的位置的变量；

o在磁体存在的情况下，在测量时刻，通过磁力计阵列测量有用磁场，其中所述有用磁场是通过从在所述测量时刻时测得的磁场减去在参考时刻时测得的磁场而获得的；

o基于表示由所述磁体产生的磁场与磁体的状态矢量之间的关系的预定模型，根据在先前的测量时刻获得的状态矢量来估计由所述磁体产生的磁场；

o通过估计的磁场与测量的有用磁场之间的差来计算偏差；

o根据计算出的偏差更新所述状态矢量，从而允许获得在测量时刻的磁体的估计位置；

o基于更新后的状态矢量，通过使测量时刻增加来重复测量、估计、偏差计算和更新阶段；

其特征在于，所述方法还包括以下阶段：

o在至少一个测量时刻，识别与磁体不同并且位于磁力计阵列附近的磁性干扰器，包括以下步骤：

-根据差参数计算指示符，该差参数定义为基于所述预定模型根据磁体对于在先前的测量时刻获得的状态矢量或对于更新后的状态矢量产生的估计的磁场与在测量时刻测量的所述有用磁场之间的差的函数，其中，所述指示符等于差参数与分母项之比，所述分母项至少包括指示符的估计的磁场、指示符的测量的有用磁场，或者表示所述磁力计中的至少一个的偏差的至少一个预定常数；

-将指示符与预定阈值进行比较，并且当指示符的值中的至少一个大于或等于阈值时，识别磁性干扰器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分母项包括所述指示符的估计的磁场和所述预定常数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述估计、偏差计算和更新阶段通过贝叶斯递归估计算法来执行。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述估计阶段包括：

-根据在先前的测量时刻获得的状态矢量获得在测量时刻的预测状态矢量的步骤，以及

-计算对于预测状态矢量的估计的磁场的步骤，以及

所述偏差计算阶段包括：

-计算称为修正项的偏差的步骤，即对于预测状态矢量的估计的磁场与测量的所述有用磁场之差。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述差参数等于修正项。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述差参数等于磁体对于更新后的状态矢量产生的估计的磁场与在测量时刻测量的所述有用磁场之间的差。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述估计、偏差计算和更新阶段在测量时刻通过基于称为成本函数的迭代最小化偏差的优化算法来执行。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述状态矢量还包括表示磁体的磁矩的变量。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，识别磁性干扰器的阶段包括只要所述指示符大于预定阈值，就向用户传输信号以促使磁性干扰器与磁力计阵列分离的步骤。

10.一种信息存储介质，其包括用于实现根据前述权利要求中的任一项所述的方法的指令，这些指令能够由处理器执行。