CN112179343A - 一种磁体定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于磁体定位的装置以及定位方法。所述定位装置包括设置于磁体磁场中的多个第一传感器，设置于磁体磁场外的第二传感器，以及与所述第一传感器及第二传感器连接的计算设备。多个第一传感器可探测磁体磁场及背景磁场，并生成多个第一原始信号，其中每个第一原始信号包含每个第一传感器与该磁体距离的原始距离数据。第二传感器可探测背景磁场，并生成第二原始信号。所述计算设备被设置为基于第一原始信号及二原始信号确定该磁体的位置。

Description

一种磁体定位系统及方法

技术领域

本申请涉及物体定位系统及方法，特别涉及一种磁性物体定位系统及方法。

背景技术

随着现代工业技术的快速发展，磁定位技术可以用于完成多种复杂环境下定位磁体的功能，例如水下装置、汽车导航、精密制造等。医疗装置(如，手术机器人的机械手、内窥镜等)尤其需要小尺度及精确度较高的定位方法。

为了能精确定位，使用磁定位方法的仪器一般需要在特定的环境下操作，以避开背景磁场扰动的影响。例如，目前一般的植入医疗装置(如内窥镜等)还需与图像拍摄仪器(如X射线，磁共振成像设备等)配合应用，以确定医疗装置在人体内的位置。

发明内容

本申请提供一种磁体定位系统及方法。该系统及方法基于对磁体产生的空间磁场的探测及测量信号，得出较高定位精度的磁体位置。

根据一个实施例，本申请提供一种用于磁体定位的装置，所述定位装置包括设置于磁体磁场中的多个第一传感器，以探测磁体磁场及背景磁场，并生成多个第一原始信号，其中每个第一原始信号包含每个第一传感器与该磁体距离的原始距离数据；设置于磁体磁场外的第二传感器，以探测背景磁场，并生成第二原始信号；以及与所述第一传感器及第二传感器连接的计算设备；其中所述计算设备被设置为：接收所述多个第一原始信号及所述第二原始信号；从所述多个第一原始信号中分别去除所述第二原始信号，以生成对应的多个第一处理信号；基于所述多个第一处理信号设定阈值；从大于所述阈值的多个第一处理信号中提取所述原始距离数据，生成距离数据；以及基于所述距离数据，确定该磁体的位置。

优选地，所述阈值包括第一处理信号以及第二原始信号的阈值信噪比(SNR)。

优选地，所述计算设备被配置为，还包括从小于所述阈值的第一处理信号中提取所述原始距离数据，生成距离数据。

优选地，所述计算设备被配置为，还包括将权重施加于每个第一处理信号。

优选地，所述计算设备被配置为，大于阈值的第一处理信号的权重均高于小于阈值的第一处理信号的权重。

优选地，所述计算设备被配置为，生成距离数据包括将每个第一处理信号与对应的预定磁强度进行比对。

优选地，所述计算设备被配置为，还包括迭代地最小化各个第一处理信号与对应的预定磁强度之间的差异。

优选地，多个第一传感器围绕物体，并且所述磁第二传感器与所述多个第一传感器间隔设置。

优选地，所述位置包括所述磁体的姿态朝向。

优选地，多个第一传感器位于距离磁体小于20厘米的位置。

优选地，磁体的磁偶极矩为至少10^-7Tm³。

优选地，所述磁体包括永磁体。

本申请提供一种磁体的定位方法，所述定位方法包括：接收多个第一原始信号及第二原始信号；从所述多个第一原始信号中分别去除所述第二原始信号，以生成对应的多个第一处理信号；基于所述多个第一处理信号设定阈值；从大于所述阈值的多个第一处理信号中提取所述原始距离数据，生成距离数据；以及基于所述距离数据，确定该磁体的位置。

优选地，所述位置包括所述磁体的姿态朝向。

优选地，还包括将权重施加于每个第一处理信号。

优选地，大于阈值的第一处理信号的权重均高于小于阈值的第一处理信号的权重。

优选地，至少三个第一处理信号大于阈值。

优选地，所述阈值至少为6dB。

优选地，所述阈值在6dB和8.5dB之间。

优选地，还包括将每个第一处理信号与对应的预定磁强度进行比对。

优选地，还包括迭代地最小化各个第一处理信号与对应的预定磁强度之间的差异。

优选地，还包括基于由预定磁上限和预定磁下限界定的子区域判定磁体的起始点。

优选地，所述起始点位于所述子区域的中心。

优选地，还包括使用非线性优化方法确定磁体的位置。

优选地，所述磁体包括永磁体。

根据一个实施例，磁体定位的装置包括设置于磁体磁场中的多个第一传感器，以探测磁体磁场及背景磁场，并生成多个第一原始信号；设置于磁体磁场外的第二传感器，以探测背景磁场，并生成第二原始信号；以及与所述第一传感器及第二传感器连接的计算设备；其中所述计算设备被设置为：接收所述多个第一原始信号及所述第二原始信号；从所述多个第一原始信号中分别去除所述第二原始信号，以生成对应的多个第一处理信号；基于所述多个第一处理信号设定阈值；从大于所述阈值的多个第一处理信号中提取距离数据，以及基于所述距离数据，确定该磁体的位置。

附图说明

图1是根据一个实施例的磁体定位装置的示意图；

图2是根据图1实施例的磁体定位装置的定位方法的流程图；

图3是根据一个实施例的磁体定位装置的系统结构图；

图4是根据一个实施例的磁体定位装置的传感器阵列和噪声传感器阵列的示意图；

图5是根据一个实施例的磁体定位方法的流程图；

图6是根据一个实施例的磁体定位方法的目标物体实际位置与3维定位结果；

图7是根据图1实施例的实例性磁体定位装置的示意图。

具体实施方式

容易理解的是，除了所描述的示例实施例之外，如本文附图中一般描述和示出的实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，如结合附图所表示的示例实施例的以下更详细描述并非旨在限制所要求保护的实施例的范围，而仅仅是示例实施例的代表。

本说明书中对“一个实施例”、“另一个实施例”或“实施例”(或类似描述)的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”等不一定都指代相同的实施例。

此外，所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。在以下描述中，提供了许多具体细节以给出对实施例的透彻理解。相关领域的技术人员将认识到，在没有一个或多个具体细节的情况下，或在其他方法、组件、材料等的情况下，可以实践各种实施例。即在其他情况下，一些或所有已知的结构、材料或操作可以未被详细显示或描述以避免混淆。

磁定位技术是依据磁场源在空间造成的磁场特定分布，通过拟合空间磁场分布模型与实际磁场测量值而得到目标位置和磁体的姿态朝向信息的方法。被动磁定位技术作为磁定位技术的一种，将磁体作为定位目标，利用布置在待测定位区域的磁传感器阵列对特定点的空间磁场分布进行测量，通过监测由磁体位置变化而引起的空间磁场分布变化，对空间磁场分布模型与实际磁场分布测量进行拟合，求解反问题对磁体的位置和磁体的姿态朝向进行确定。可以理解的是，在本说明书中，术语“目标”是指“磁体”。

在实际运作中，即使在环境噪声扰动强度不变的情况下，测量传感器阵列中不同传感器对同一目标位置的测量都会提供不同信噪比的信息。此外，在同一待测定位区域下，不同的传感器阵列分布将提供不同的磁场分布信息。由于空间磁场分布的不均匀性，能否全面地测量空间磁场分布将会直接影响系统最终的定位精度。如果背景磁场还受到测量系统以外的影响而产生了背景磁场扰动，那么应用常规的测量方法也会得到误差太高的定位结果。

本申请提供一种磁体的定位装置及方法，通过降低背景磁场扰动对被动磁定位系统测量精度的干扰实现较高的定位精度。

根据一个实施例，参考图1、图2及图7，本申请提供一种用于磁体定位的装置以及方法。在本说明书中，术语“磁体磁场中”的位置是指磁体的磁场可以被传感器探测到的位置。术语“磁体磁场外”的位置是指磁体的磁场被传感器探测不到的位置。

所述定位装置200包括设置于待测磁体210磁场中的多个第一传感器204、设置于磁体210磁场外的第二传感器206，以及与所述第一传感器及第二传感器连接的计算设备208。定位装置200及待测磁体210处于背景磁场中。背景磁场可以是例如地磁场及/或待测磁体周围其他磁体的磁场。多个第一传感器204探测磁体210的磁场及背景磁场，并生成多个第一原始信号，其中每个第一原始信号包含每个第一传感器与该磁体距离的原始距离数据。第二传感器206探测背景磁场，并生成第二原始信号。所述计算设备被设置为可基于第一原始信号及二原始信号确定该磁体210的位置。另外，磁体210的位置还可以包括磁体的姿态朝向。

在一个实施例中，待测磁体210被置于使用该磁体210的物体202内。定位装置200附接于物体202外部，使得多个第一传感器204在物体202周围布设。第二传感器206与第一传感器204间隔设置，例如与多个第一传感器204中相距最近的第一传感器204c以间距212间隔设置，以使得第二传感器206设置于磁体210的磁场外部，即使得第二传感器206仅探测背景磁场。根据一个示例方案，多个第一传感器204被布设于距离磁体210小于20厘米的位置。优选地，磁体210的磁偶极矩为至少10^-7Tm³(Tesla cubic metre)。

参考图1所示的定位装置200及图2所示的定位方法300，计算设备208被设置为可从多个第一传感器204接收多个第一原始信号，及从第二传感器206接收第二原始信号(步骤302)；从多个第一原始信号中分别去除所述第二原始信号，以生成对应的多个第一处理信号(步骤304)。然后，计算设备208基于多个第一处理信号设定阈值(步骤306)，阈值可以是第一处理信号以及第二原始信号的阈值信噪比(SNR)。例如，阈值可以设置为大于6dB(decibel)，或在6dB和8.5dB之间。然后，计算设备208可从大于所述阈值的多个第一处理信号(例如，从第一传感器204a生成并经处理的信号)中提取原始距离数据，并利用提取的原始距离数据生成距离数据(步骤308)。例如使用至少三个大于阈值的第一处理信号，以生成距离数据。再基于距离数据，确定该磁体210的位置(步骤310)。计算设备208还可从小于所述阈值的第一处理信号(例如，从第一传感器204b生成并经处理的信号)中提取原始距离数据，以生成距离数据。

计算设备208还可将权重施加于每个的第一处理信号(步骤312)，其中，大于阈值的第一处理信号的权重可被配置为均高于小于阈值的第一处理信号的权重。例如，大于阈值的第一处理信号的权重可被配置为小于阈值的第一处理信号的权重的1.5倍，或可通过函数配置权重。另外，计算设备208也可以将多个权重施加于符合预定条件的相应第一处理信号。例如，多个第一处理信号可由预定条件分为五组，施加于各组第一处理信号施的权重不等。

为了生成距离数据，计算设备208可将每个第一处理信号与对应的预定磁强度进行比对(步骤314)。并迭代地最小化各个第一处理信号与对应的预定磁强度之间的差异。计算设备208还包括基于由预定磁上限和预定磁下限界定的子区域判定磁体的起始点(步骤316)，例如，起始点位于所述子区域的中心，并使用非线性优化方法确定磁体的位置。

根据一个实施例，如图7所示，磁体定位装置200可应用于植入式医疗装置，如内窥镜等，以确定医疗装置在人体内部的位置。在本实施例中，磁体214固定于医疗装置，从而确定磁体214的位置及可以得知该医疗装置的位置。定位装置设置为在可变背景磁场扰动下依然可实现磁体214的定位，因此不限制使用者的位置及/或环境(例如医院)。定位装置200包括设置于人体外部、磁体214磁场中的多个第一传感器204，磁体214磁场外的第二传感器206，以及与所述第一传感器及第二传感器连接的计算设备208。其中，多个第一传感器204可布设于人体202的外部，第二传感器206与第一传感器204间隔开距离212，以使得第二传感器206设置于磁体214磁场外部，即使得第二传感器206仅探测背景磁场。

根据本申请，单个传感器测量的磁体磁场强度与该传感器与待测磁体间距的关系可由以下公式表述：

其中H₀为磁体的单位方向向量，P_l为磁体位置指向第l个传感器位置的方位向量，R_l为P_l方位向量的模，B_T为反映磁体磁化效应的常数。令H₀与P_l之间的夹角为θ，则可得出如下关系：

H₀·_l＝R_icosθ,‖H₀‖＝1,#(2)

将公式(2)带入公式(1)可得到如下关系：

对公式(3)中的磁场向量进行求模运算可得如下关系：

通过以上公式，可得知对于确定的目标-传感器距离，传感器测量的磁场强度应满足公式(4)所示的上界和下界的关系。在有背景磁噪声扰动的情况下，令背景磁噪声强度为N，测得磁场强度为B，则目标-传感器实际距离与估计距离可如以下公式表示：

其中k∈[1,2],#(5)

当满足目标-传感器距离估计小于10％的情况下，测量信噪比可由公式(5)推出：

在实际的磁定位系统中，传感器测量信噪比大于6dB将被认为是高信噪比测量，而信噪比低于6dB将被认为是低信噪比测量。

在有背景噪声干扰的情况下，对同一目标位置，对应不同的目标-传感器距离，传感器将会给出不同的测量信噪比。相比于传统磁定位方法，本申请在构造目标函数时充分考虑了传感器测量信噪比对误差贡献的差异性，提出加权目标函数，如以下公式(7)表述。根据上述传感器测量信噪比的定义，对测量信噪比高于6dB的传感器测量赋予较高权重，对测量信噪比低于6dB的传感器测量赋予较低权重，如公式(8)所表述。其中N_s为系统中测量传感器总数，N_h为提供测量信噪比大于6dB的传感器数目，N_l为提供测量信噪比小于6dB的传感器数目。相比于传统磁定位方法，本申请提供的加权目标函数能够较好地减小环境磁噪声对位置确定的干扰。

根据申请的实施方案，在使用非线性优化方法对上述加权目标函数进行求解的过程中，迭代起始点的选取会影响到最终定位精度。本申请根据前述磁场测量强度与目标-传感器距离之间的相关关系，提供快速准确选取迭代起始点的方法。根据该方法，以各高测量信噪比传感器为球心，对应目标-传感器距离的上下界为半径画出的球壳所围成的局域的中心作为迭代起始点。相比于现有技术，本申请的设置迭代起始点的方法可以快速准确地确定距离全局最优解较近的位置，作为迭代起始点，由此减少非线性优化方法对目标函数求解过程中落入局部最优解而造成较大的位置估计误差。

上述关于加权目标函数和迭代起始点设置的方法作为本申请对有背景磁场扰动下的被动磁场定位系统在定位方法上的方案，如图3所示。相比于现有技术，本申请提供的方法能够提高系统位置估计精度。

根据本申请的磁体定位系统及方法可以进一步包括，在待测定位区域内使得每一个目标位置被3个以上的第一传感器以高信噪比测量探测到；第一传感器之间的距离尽可能拉大，降低不同传感器提供测量数据的相似度；及/或，靠近待测定位区域边缘的目标位置被优先考虑。根据本申请技术方案的磁体定位系统及方法，可以实现对待测定位区域高测量信噪比的较大程度的覆盖，并且能够在较大程度上解决在有限传感器数量下，待测区域内不同位置得到的不同的位置估计精度的问题。

参考图3，根据一个实施例，本申请的磁体定位系统包括用于定位磁体，例如用于定位磁体210的、包括多个第一传感器204的测量磁传感器阵列702，包括信息采集控制器731的信息采集模块703，数据处理与位置估计模块704，和包括第二传感器206的环境噪声传感器阵列705。磁体210经过磁化效应校准，得到剩磁参数B_T，用于磁体数学模型建模。

测量传感器阵列702与环境噪声传感器阵列705中的第一传感器204和第二传感器206采用3轴GMR数字磁传感器，如LSM303D型数字磁传感器。测量传感器阵列702中的第一传感器204分布在待测定位区域706，位于磁体210的磁场内，用于探测测量磁体210产生的磁场分布。环境噪声传感器阵列705中的磁传感器206分布在远离待测区域，位于磁体210的磁场外，即磁体磁场分布不能被环境噪声传感器阵列705探测到的位置，用于测量环境磁噪声。根据磁体210的剩磁参数B_T和测量得到的环境磁噪声，依据公式(4)和公式(6)得出测量信噪比与目标-传感器距离关系，确定满足高信噪比测量的最大目标-传感器距离。

依据本申请的磁体定位的装置及方法，在待测定位区域内使得每一个目标位置被3个以上的第一传感器以高信噪比测量探测到；第一传感器之间的距离尽可能拉大；及/或，靠近待测定位区域边缘的目标位置应被优先考虑。如图2所示的例子，当待测定位区域X方向长为380mm,Y方向宽为240mm，Z方向高为270mm时，第一传感器数目设置为16个，并分布于待测定位区域四个侧面上，则一种测量传感器的分布方案为传感器按平面中线对称分布x＝100mm,y＝60mm,z1＝80mm,z2＝70mm。

建立测量传感器矩阵702，噪声传感器矩阵705与信息采集模块703之间的I2C通信连接，建立信息采集模块703与数据处理位置估计模块704的计算机之间的UART通信连接，将每一个目标位置测得的磁场分布数据传入计算机进行数据处理。

如图5所示，测量传感器阵列702测得的待测定位区域内磁场分布的值(步骤504)，减去噪声传感器阵列705测得的环境噪声值(步骤502)，得到去除高背景环境噪声的磁场分布测量(步骤510)。将测量信噪比阈值设为6dB(步骤506)，根据环境背景噪声强度可以得出高信噪比测量应满足的磁场测量值(步骤508)。对比所有测量传感器测得的磁场强度，分辨满足高测量信噪比的测量传感器编号(步骤512)。应用公式(8)中的传感器权重公式得出每个测量传感器在加权目标函数中的权重贡献(步骤518)，根据公式(1)中对磁体210进行的磁场分布数学模型与传感器对真实磁场分布的测量(步骤514)，构建加权目标函数7。

根据测量传感器测量的磁场强度与目标-传感器距离之间的关系，以高测量信噪比传感器位置为球心，对应目标-传感器距离的上下界为半径画出球壳，计算所有高测量信噪比传感器构成的球壳所围成的区域的中心，将该中心设为非线性优化求解的迭代起始点(步骤516)。

基于磁场分布测量数据，利用非线性优化方法对所构建的加权目标函数(7)进行求解，以上述所围区域的中心为迭代起始点，进行优化迭代(步骤520)。直到目标函数误差收敛到阈值，得出位置估计的结果(步骤522)。屏幕显示对目标位置的估计。之后重复对目标位置的磁场分布测量，重复利用上述位置估计方法对目标位置进行定位，在屏幕上不断显示估计的目标位置，构成目标运动路径，直到完成目标位置跟踪。该磁定位系统的定位结果在图4中显示。

本申请可以实现以下有益技术效果：

(1)从增强系统测量信噪比的角度，对不同传感器测量信噪比进行评估，并对位置估算目标函数中不同信噪比的传感器进行加权处理，减小环境背景噪声对位置定位造成的干扰，增加系统测量信噪比，并提高定位精度；

(2)根据磁场测量强度与目标-传感器距离之间的关系，对迭代起始点进行估计。相对于其他基于遗传方法的起始点估计，该方法可以更快地实现迭代起始点的估计；相对于固定迭代起始点设定，该方法能够准确地确定离全局最优解最近的迭代起始点，减少求解迭代次数，并降低位置估计方法落入局部最优解的概率，提高定位精度；

(3)提供更有效的测量系统传感器的分布，使得待测定位区域实现高信噪比测量最大覆盖，为磁定位方法提供全面准确的磁场分布信息，降低目标函数出现局部最优解的概率，提高定位精度。

如本文所用，除非另有明确说明，否则单数“一”和“一个”可以解释为包括复数“一个或多个”。

已经出于说明和描述的目的呈现了本公开，但是并非旨在穷举或限制。许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。已经选择和描述了示例实施例以便解释原理和实际应用，并且使得本领域普通技术人员能够理解本公开的各种实施例具有适合于预期的特定用途的各种修改。

因此，尽管这里已经参考附图描述了说明性示例实施例，但是应该理解，该描述不是限制性的，并且本领域普通技术人员可以在不脱离本申请的范围的情况下实现各种其他改变和修改。

Claims (23)

1.一种用于磁体定位的装置，其特征在于，所述定位装置包括：

设置于磁体磁场中的多个第一传感器，以探测磁体磁场及背景磁场，并生成多个第一原始信号，其中每个第一原始信号包含每个第一传感器与该磁体距离的原始距离数据；

设置于磁体磁场外的第二传感器，以探测背景磁场，并生成第二原始信号；

与所述第一传感器及第二传感器连接的计算设备，其中所述计算设备被设置为：

接收所述多个第一原始信号及所述第二原始信号；

从所述多个第一原始信号中分别去除所述第二原始信号，以生成对应的多个第一处理信号；

基于所述多个第一处理信号设定阈值；

从大于所述阈值的多个第一处理信号中提取所述原始距离数据，生成距离数据；

基于所述距离数据，确定该磁体的位置。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述阈值包括第一处理信号以及第二原始信号的阈值信噪比(SNR)。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算设备被配置为，还包括从小于所述阈值的第一处理信号中提取所述原始距离数据，生成距离数据。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算设备被配置为，还包括将权重施加于每个第一处理信号。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述计算设备被配置为，大于阈值的第一处理信号的权重均高于小于阈值的第一处理信号的权重。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算设备被配置为，生成距离数据包括将每个第一处理信号与对应的预定磁强度进行比对。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算设备被配置为，还包括迭代地最小化各个第一处理信号与对应的预定磁强度之间的差异。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二传感器与所述多个第一传感器间隔设置。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述确定磁体位置包括确定所述磁体的姿态朝向。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，多个第一传感器位于距离磁体小于20厘米的位置。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，磁体的磁偶极矩为至少10^-7Tm³。

12.一种磁体的定位方法，所述定位方法包括：

接收多个第一原始信号及第二原始信号；

从所述多个第一原始信号中分别去除所述第二原始信号，以生成对应的多个第一处理信号；

基于所述多个第一处理信号设定阈值；

从大于所述阈值的多个第一处理信号中提取所述原始距离数据，生成距离数据；

基于所述距离数据，确定该磁体的位置。

13.如权利要求12所述的定位方法，其特征在于，所述位置包括所述磁体的姿态朝向。

14.如权利要求12所述的定位方法，其特征在于，还包括将权重施加于每个第一处理信号。

15.如权利要求14所述的定位方法，其特征在于，大于阈值的第一处理信号的权重均高于小于阈值的第一处理信号的权重。

16.如权利要求12所述的定位方法，其特征在于，至少三个第一处理信号大于阈值。

17.如权利要求12所述的定位方法，其特征在于，所述阈值至少为6dB。

18.如权利要求17所述的定位方法，其特征在于，所述阈值在6dB和8.5dB之间。

19.如权利要求12所述的定位方法，其特征在于，还包括将每个第一处理信号与对应的预定磁强度进行比对。

20.如权利要求19所述的定位方法，其特征在于，还包括迭代地最小化各个第一处理信号与对应的预定磁强度之间的差异。

21.如权利要求12所述的定位方法，其特征在于，还包括基于由预定磁上限和预定磁下限界定的子区域判定磁体的起始点。

22.如权利要求21所述的定位方法，其特征在于，所述起始点位于所述子区域的中心。

23.如权利要求12所述的定位方法，其特征在于，还包括使用非线性优化方法确定磁体的位置。

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