CN115040058A - 一种用于电子胶囊的厘米级复合定位方法 - Google Patents

一种用于电子胶囊的厘米级复合定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于电子胶囊的厘米级复合定位方法，所述电子胶囊内置有蓝牙接收模块和MEMS惯性导航模块，人体外设置有蓝牙收发模块；通过蓝牙接收模块和MEMS惯性导航模块获取电子胶囊的初始位置信息、初始姿态信息、位移变化信息以及航向角信息；进而通过MEMS惯性导航模块进行高精度位置信息解算，并通过蓝牙功能获取实时位置信息进行辅助修正。本发明通过蓝牙的AOA测量技术辅助MEMS惯性导航模块进行电子胶囊运动轨迹计算，再通过蓝牙输出的实时位置及姿态信息解算技术进行辅助定位，采用MEMS和蓝牙位置信号的融合算法，通过组合定位互补两类定位方式的短板，使电子胶囊的整体定位精度提升到厘米级。

Description

一种用于电子胶囊的厘米级复合定位方法
技术领域
本发明涉及医疗器械术领域，具体涉及一种用于电子胶囊的厘米级复合定位方法。
背景技术
医用智能电子胶囊是一种用于消化道检查的介入式检测/成像微系统，进入人体后能够拍摄消化道的图像或视频以及获取测量消化道温度、酸碱度等数据传输至体外的设备，用以进行进一步诊断；具有检测无痛、方便快捷等特点，其能够完成全消化道的检测。
医用电子胶囊的精确定位是确定病灶和后续针对性治的前提。目前常用的定位方法中以磁场定位和射频定位技术应用最为广泛。磁场定位技术具有体积小、精度高的特点，但磁场传感器通常体积大、价格高且对工作环境有严苛要求。射频定位技术具有体积小，成本低的特点，是目前应用最为广泛的胶囊定位方式，但无线射频信号存在多径效应且衰减较大，定位精度较低(亚米级)且稳定性差。
近年来，随着毫米波、太赫兹和超宽带(UWB)无线定位技术的发展，中电43所等也提出了基于UWB的胶囊定位方法，可以进一步提升定位精度(亚米级-厘米级)，但UWB定位方法功耗较大且需要在体外布置额外设备，系统建设成本较高。除了磁场和无线定位技术，常用的惯性导航定位技术目前还没有在电子胶囊中广泛采用，原因是其存在长时间位置累积误差等固有缺陷，导致定位精度下降(米级-亚米级)，其实际应用局限性较大。但惯性定位可实现自主定位，不易受干扰，且短时定位精度高，同时具有体积小、成本低等特点。
由此可见，现有技术下，对医用电子胶囊的定位缺少能够兼顾体积成本和精确稳定的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电子胶囊的厘米级复合定位方法，采用复合定位方法即无线信号与惯性导航定位相结合的方式，实现电子胶囊的低成本、高精度组合定位，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于电子胶囊的厘米级复合定位方法，所述电子胶囊内置有蓝牙接收模块和MEMS惯性导航模块，人体外设置有蓝牙收发模块，电子胶囊启动工作后，具体通过以下步骤实现复合定位：
S1、通过蓝牙接收模块获取电子胶囊的初始位置信息；
S2、通过MEMS惯性导航模块获取电子胶囊的初始姿态信息和位移变化信息；
S3、结合MEMS惯性导航模块和蓝牙实时姿态信息解算获取电子胶囊的航向角信息；
S4、通过MEMS惯性导航模块进行高精度位置信息解算，并通过蓝牙功能获取实时位置信息进行辅助修正；
S5、将电子胶囊的位置信息以及图像或视频信息通过蓝牙信号传输至终端设备，与人体消化道模型图像进行比对，排除错误信息。
进一步地，所述蓝牙接收模块和MEMS惯性导航模块采用集成单片，所述蓝牙接收模块包括天线阵列、射频开关以及I/Q样本捕获接收器，所述天线阵列至少设置有两个按不大于6cm的固定间隔依次连接的天线；所述MEMS惯性导航模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计。
进一步地，所述蓝牙收发模块采用粘贴的方式固定在人体特征标识点，设置有单个发射条线，所述蓝牙信号的频率为2.4Ghz。
进一步地，步骤S1中通过蓝牙接收模块获取电子胶囊的初始位置信息是基于蓝牙的AOA测量技术实现的，具体包括以下步骤：
S11、采集蓝牙接收模块中各天线的I/Q信息，计算同一射频信号到达各天线之间的相位差；
S12、将相邻两个天线之间的相位差转换为到达角度，其计算公式为：
Figure BDA0003657838730000031
其中：θ为射频信号入射波与天线阵列之间的角度，λ为入射波长，d为天线的间距；
S13、获得给定网络中标签到各个基站之间的距离或角度信息建立方程：
Figure BDA0003657838730000032
S14、对上述方程进行求解得到电子胶囊的初始位置信息后关闭蓝牙接收模块。
进一步地，步骤S2具体通过以下步骤实现：
S21、通过MEMS惯性导航模块中的三轴加速度计和三轴陀螺仪获取胶囊运动时三个方向的加速度和角速度信息并输出；
S22、将输出的速度信息融合，计算出电子胶囊的初始姿态信息；
S23、将输出的加速度信息进行时间积分，计算获得电子胶囊的运动速度，再对运动速度进行积分，计算获得电子胶囊的位移变化信息。
进一步地，步骤S3中蓝牙实时姿态信息解算采用AOA到达角解算技术实现的，按照固定的时间间隔开启蓝牙进行姿态信息解算，并将MEMS惯性导航模块输出的航向角信息和姿态解算信息通过卡尔曼滤波进行处理。
进一步地，步骤S4中通过MEMS惯性导航模块进行高精度位置信息解算是以初始位置信息和初始姿态信息作为输入、对位移变化信息和高精度航向角信息进行解算以获取胶囊航行的位置信息的；所述实时位置信息通过蓝牙接收模块按照1μs的切换间隙重复步骤S1进行获取。
由以上技术方案可知，本发明通过在电子胶囊内置有蓝牙接收模块和MEMS惯性导航模块，首先基于蓝牙的AOA测量技术辅助MEMS惯性导航模块进行电子胶囊运动轨迹计算，再通过蓝牙输出的实时位置及姿态信息解算技术进行辅助定位，采用MEMS和蓝牙位置信号的融合算法，通过组合定位互补两类定位方式的短板，使电子胶囊的整体定位精度提升到厘米级。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意框图；
图2为本发明AOA到达角及位置解算的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式做详细的说明。
本优选实施例所述的电子胶囊内置有蓝牙接收模块和MEMS惯性导航模块，人体外设置有蓝牙收发模块；具体的，本优选实施例所述的蓝牙接收模块和MEMS惯性导航模块采用集成单片，易于SIP封装及批量生产，且所述蓝牙接收模块包括天线阵列、射频开关以及I/Q样本捕获接收器，所述MEMS惯性导航模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计；所述蓝牙收发模块至少设置有一个发射模块且采用粘贴的方式固定在人体特征标识点，大大减小发射机到胶囊之间的距离，以提升AOA(到达角度)测量的导向精度，所述蓝牙信号的频率为2.4Ghz，频率较低，可减少对人体的伤害；在具体的使用中，蓝牙辅助定位可以结合人体CT或X光腹腔照片，从而进一步提高整体的定位效果。
已知当两个或以上天线以固定距离间隔放置时，它们接收到的射频信号将具有与它们各自距发射器的距离之间的差值成比例的相位差；因此本优选实施例所述的天线阵列设置有两个按不大于6cm的固定间隔依次连接的天线，从而保证寻向精度。
如图1所示，电子将囊启动工作后，本优选实施例所述的复合定位方法具体包括以下步骤：
S1、通过蓝牙接收模块获取电子胶囊的初始位置信息；该步骤是基于蓝牙的AOA测量技术实现的，包括以下具体步骤：
S11、采集蓝牙接收模块中各天线的I/Q信息，计算同一射频信号到达各天线之间的相位差；
S12、将相邻两个天线之间的相位差转换为到达角度，其计算公式为：
Figure BDA0003657838730000051
其中：θ为射频信号入射波与天线阵列之间的角度，λ为入射波长，d为天线的间距；
S13、获得给定网络中标签到各个基站之间的距离或角度信息建立方程：
Figure BDA0003657838730000052
S14、对上述方程进行求解得到电子胶囊的初始位置信息后关闭蓝牙接收模块。
S2、通过MEMS惯性导航模块获取电子胶囊的初始姿态信息和位移变化信息；具体包括以下步骤：
S21、通过MEMS惯性导航模块中的三轴加速度计和三轴陀螺仪获取胶囊运动时三个方向的加速度和角速度信息并输出；
S22、将输出的速度信息融合，计算出电子胶囊的初始姿态信息；
S23、将输出的加速度信息进行时间积分，计算获得电子胶囊的运动速度，再对运动速度进行积分，计算获得电子胶囊的位移变化信息。
S3、结合MEMS惯性导航模块和蓝牙实时姿态信息解算获取电子胶囊的航向角信息；
在具体的使用中，由于电子胶囊在人体内是缓慢运动的，同时受地球重力和自身运动加速度的影响，同时在通过陀螺解算姿态信息时，积分后精度是逐渐下降的，因此只利用MEMS加速度计和陀螺仪难以获取高精度的航向角信息，本优选实施例结合蓝牙实时姿态信息解算进行实时修正，以降低姿态信息解算时数据处理量，以提升重力环境下获取电子胶囊航向角信息的精度，以实现厘米级定位精度。
具体的，蓝牙实时姿态信息解算通过AOA到达角解算技术实现，如图2所示，分别在电子胶囊的头部和尾部设置蓝牙信标，记为A和B，体外设备设置有满足蓝牙AOA所需的天线阵列P，此时A、B、P处于同一平面。
蓝牙间隔固定时间向体外发送信息，t1时刻A、B分别发送射频信息至天线阵列P，体外接受设备通过I/Q结算得到A、B的相对位置，并逆向结算出角∠αt1、∠βt1，其中∠αt1为射线PA和直线AB间夹角，∠βt1为射线PB和直线AB间夹角。t2时刻，A、B分别发送信息至天线阵列并逆向结算出角∠αt2、∠βt2。通过判断t1时刻和t2时刻的夹角信息变化，可判断胶囊的平移或旋转，并可以利用体外设备拟合移动曲线和目标位置，从而进一步提升获取定位和胶囊状态信息的精度。
已知惯性导航的短时漂移和累积误差都会致使其最终丧失作用，本优选实施例中，t1时刻A、B分别发送信息包含当前时刻的惯性信息，在信息发送完毕，即清除积分误差，积分时间为蓝牙间隔固定时间，在t2时刻A、B分别发送信息中包含间隔时间内的惯性信息。
按照间隔Δt＝t2-t1开启蓝牙进行姿态信息解算，并对MEMS惯性导航模块输出的航向角信息和蓝牙姿态解算信息进行卡尔曼滤波，可进一步提高胶囊的航向角计算精度。
S4、通过MEMS惯性导航模块进行高精度位置信息解算，并通过蓝牙功能获取实时位置信息进行辅助修正；具体的：通过MEMS惯性导航模块进行高精度位置信息解算是以初始位置信息和初始姿态信息作为输入、对位移变化信息和高精度航向角信息进行解算以获取胶囊航行的位置信息的；所述实时位置信息通过蓝牙接收模块按照1μs的切换间隙重复步骤S1进行获取；同时以蓝牙信号输出的实时位置信息修正MEMS惯性模组输出信息，惯性系统短时误差很小，但由于惯性漂移仍然存在，此误差修正可减小累积误差。
S5、将电子胶囊的位置信息以及图像或视频信息通过蓝牙信号传输至终端设备，与人体消化道模型图像进行比对，排除错误信息；
本发明采用蓝牙信号，可同时满足AOA寻向定位和检测图形或视频信号传输的功能，并可将检测图形或视频信号实时传输到智能手机或其他包含蓝牙接收设备的终端，方便快捷且成本低，可以更好的满足日常检查需求，同时，蓝牙模块功耗低，可进一步降低胶囊的整体功耗，提升胶囊工作时长。
在具体的使用中，本优选实施例所述的AOA(到达角度)测量技术可替换为AOD(出发角)测量技术，技术原理相似，区别在于：电子胶囊内的蓝牙接收模块只需要设置单个天线，人体外的蓝牙收发模块使用天线阵列，因此使用AOD测量技术可以减少电子胶囊内蓝牙模块的天线数量，有利于进一步减小电子胶囊的体积。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于电子胶囊的厘米级复合定位方法，所述电子胶囊内置有蓝牙接收模块和MEMS惯性导航模块，人体外设置有蓝牙收发模块，其特征在于，电子胶囊启动工作后，具体通过以下步骤实现复合定位：
S1、通过蓝牙接收模块获取电子胶囊的初始位置信息；
S2、通过MEMS惯性导航模块获取电子胶囊的初始姿态信息和位移变化信息；
S3、结合MEMS惯性导航模块和蓝牙实时姿态信息解算获取电子胶囊的航向角信息；
S4、通过MEMS惯性导航模块进行高精度位置信息解算，并通过蓝牙功能获取实时位置信息进行辅助修正；
S5、将电子胶囊的位置信息以及图像或视频信息通过蓝牙信号传输至终端设备，与人体消化道模型图像进行比对，排除错误信息。
2.根据权利要求1所述的用于电子胶囊的厘米级复合定位方法，其特征在于，所述蓝牙接收模块和MEMS惯性导航模块采用集成单片，所述蓝牙接收模块包括天线阵列、射频开关以及I/Q样本捕获接收器，所述天线阵列至少设置有两个按不大于6cm的固定间隔依次连接的天线；所述MEMS惯性导航模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计。
3.根据权利要求1所述的用于电子胶囊的厘米级复合定位方法，其特征在于，所述蓝牙收发模块采用粘贴的方式固定在人体特征标识点，设置有单个发射条线，所述蓝牙信号的频率为2.4Ghz。
4.根据权利要求1所述的用于电子胶囊的厘米级复合定位方法，其特征在于，步骤S1中通过蓝牙接收模块获取电子胶囊的初始位置信息是基于蓝牙的AOA测量技术实现的，具体包括以下步骤：
S11、采集蓝牙接收模块中各天线的I/Q信息，计算同一射频信号到达各天线之间的相位差；
S12、将相邻两个天线之间的相位差转换为到达角度，其计算公式为：
Figure FDA0003657838720000021
其中：θ为射频信号入射波与天线阵列之间的角度，λ为入射波长，d为天线的间距；
S13、获得给定网络中标签到各个基站之间的距离或角度信息建立方程：
Figure FDA0003657838720000022
S14、对上述方程进行求解得到电子胶囊的初始位置信息后关闭蓝牙接收模块。
5.根据权利要求1所述的用于电子胶囊的厘米级复合定位方法，其特征在于，步骤S2具体通过以下步骤实现：
S21、通过MEMS惯性导航模块中的三轴加速度计和三轴陀螺仪获取胶囊运动时三个方向的加速度和角速度信息并输出；
S22、将输出的速度信息融合，计算出电子胶囊的初始姿态信息；
S23、将输出的加速度信息进行时间积分，计算获得电子胶囊的运动速度，再对运动速度进行积分，计算获得电子胶囊的位移变化信息。
6.根据权利要求1所述的用于电子胶囊的厘米级复合定位方法，其特征在于，步骤S3中蓝牙实时姿态信息解算采用AOA到达角解算技术实现的，按照固定的时间间隔开启蓝牙进行姿态信息解算，并将MEMS惯性导航模块输出的航向角信息和姿态解算信息通过卡尔曼滤波进行处理。
7.根据权利要求1所述的用于电子胶囊的厘米级复合定位方法，其特征在于，步骤S4中通过MEMS惯性导航模块进行高精度位置信息解算是以初始位置信息和初始姿态信息作为输入、对位移变化信息和高精度航向角信息进行解算以获取胶囊航行的位置信息的；所述实时位置信息通过蓝牙接收模块按照1μs的切换间隙重复步骤S1进行获取。
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