CN117338421A - 有线交变电磁定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的有线交变电磁定位系统及其定位方法，包括上位机、控制单元、磁场发生器和感应单元，感应单元连接有至少一路的电磁感应线圈，控制单元将每路电磁感应线圈的位置和方向输出到上位机；磁场发生器内布置有多个圆柱形发射线圈构成的阵列，控制单元的信号发生电路依次产生多路交变电磁信号，多路交变电磁信号经过驱动电路及功率放大电路放大后、通过发射线圈以电磁波辐射到空间，电磁感应线圈在交变电磁场中产生感应电流信号，感应电流信号经过感应单元放大、滤波处理后传送给控制单元；磁场发生器、感应单元均与控制单元有线连接，可避免光线遮挡造成定位精度降低或失效，整个系统具有控制简单、成本低。

Description

有线交变电磁定位系统及其定位方法

【技术领域】

本发明涉及磁定位技术，尤其涉及有线交变电磁定位系统及其定位方法。

【背景技术】

当前，在使用各种内窥镜如肾盂镜、胃镜、肠镜、喉镜、鼻腔镜介入式治疗过程中，操作人员希望知道内窥镜末端的位置和姿态，方便配合图像进行下一步分析处理；在针灸过程中，操作人员希望知道针灸针的位置和姿态，以便确定扎入的深度；在虚拟现实应用和图像三维重建过程中，都需要对象的位置和姿态信息。

现有技术中，六自由度电磁跟踪系统能提供空间的六个自由度的信息(3维位置和3个旋转欧拉角，旋转欧拉角也可以用四元数表示)；光学定位系统可以跟踪发光或反光的标记点，达到获取对象位置和姿态的目的，并且取得较高的精度。但是，光学定位系统的缺点是发光或反光标记点与相机之间的光线被遮挡，光学定位的精度会降低，严重时定位失效；而有线电磁定位的优点是没有光线遮挡造成定位精度降低或失效的缺陷，越来越得到广泛的关注与应用。

【发明内容】

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种基于交变磁场的有线交变电磁定位系统及其定位方法，采用磁场发生器、感应单元均与控制单元有线连接，避免光线遮挡造成定位精度降低或失效，可实时定位和安全可靠，整个系统具有控制简单、成本低，可以同时跟踪4路至8路微型感应传感器。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

该发明的第一发明目的，提供有线交变电磁定位系统，包括上位机、控制单元、磁场发生器和感应单元；

所述感应单元连接有至少一路的电磁感应线圈，所述控制单元将每路电磁感应线圈的位置和方向输出到上位机、以供进一步应用处理；

所述控制单元包含信号发生电路、驱动电路、功率放大电路和运算与控制组件；

所述感应单元包含信号放大电路、滤波电路、采集电路和运算组件；

所述磁场发生器内布置有多个圆柱形发射线圈构成的阵列，每个发射线圈连接所述控制单元上电路板的驱动电路，所述控制单元的信号发生电路依次产生多路交变电磁信号，多路交变电磁信号经过驱动电路及功率放大电路放大后、通过所述发射线圈以电磁波辐射到空间，在空间产生交变电磁场；

所述电磁感应线圈在交变电磁场中产生感应电流信号，感应电流信号经过所述感应单元放大、滤波处理后传送给所述控制单元；

所述发射线圈与所述电磁感应线圈通过交变磁场形成磁路，所述磁场发生器、所述感应单元均与所述控制单元有线连接。

其中，每路所述电磁感应线圈均可感应至少6个信号，从而可以建立至少6个方程构成的方程组，控制单元的运算处理器解算方程组，得到每路所述电磁感应线圈的位置和方向。

优选地，每路所述电磁感应线圈采用一个实现五自由度定位的微型螺线管或采用两个以一个夹角构成、实现六自由度定位的微型螺线管。总之，基础是一个微型螺线管五自由度定位，即3维位置(x，y，z)和方向向量(vx，vy，vz)的取得，方向向量只能代表2个旋转欧拉角；其中，建立坐标系XYZ作为参考坐标系，每个发射线圈等效为一个磁偶极子，(a，b，c)^T为每个发射线圈的中心位置，(m，n，p)^T为每个发射线圈的单位方向向量；(x，y，z)^T为每路所述电磁感应线圈(作为接收线圈)的中心位置；(vx，vy，vz)^T为每路所述电磁感应线圈(作为接收线圈)的方向向量。

优选地，所述磁场发生器内布置有至少6个螺线管状发射线圈构成的阵列，发射线圈的位置和方向满足磁场辐射定位的空间。

优选地，所述磁场发生器中每个发射线圈分时发射可彼此频率相同或不同的电磁信号。

优选地，所述控制单元中还包含有用于检测磁场变化的电流采样电路。

优选地，所述感应单元中放大电路采用多级放大电路或单级放大电路。

优选地，所述感应单元中滤波电路采用无源滤波电路或有源滤波电路。

优选地，所述感应单元中采集电路采集五自由度电磁感应线圈的感应信号，所述感应单元中运算组件利用采集到的感应信号计算感应信号幅值(强度)。

优选地，所述控制单元根据计算的感应信号幅值(强度)进一步的计算五自由度感应线圈的位置和方向参数。

该发明第二发明目的，提供如上所述的有线交变电磁定位系统的定位方法，包括以下步骤：

步骤1、磁场发生器在控制单元的控制下周期地发射频率相同或不同的电磁信号；

步骤2、以发射线圈所在三个轴建立的坐标系OXYZ作为参考坐标系，每个发射线圈等效为一个磁偶极子，(a，b，c)^T为每个发射线圈的中心位置，(m，n，p)^T为每个发射线圈的单位方向向量；(x，y，z)^T为每路所述电磁感应线圈(作为接收线圈)的中心位置；(vx，vy，vz)^T为每路所述电磁感应线圈(作为接收线圈)的方向向量，感应单元放大、滤波每路所述电磁感应线圈的感应信号；

步骤3、感应单元采样放大、滤波的感应信号；

步骤4、感应单元计算感应信号的幅值；

步骤5、感应单元发送感应信号的幅值到控制单元，控制单元计算感应线圈的位置和方向；

计算位置和方向的信息过程如下：

将发射线圈等效为磁偶极子，(x，y，z)是单轴感应线圈中心的位置，磁偶极子在空间点(x，y，z)处产生的磁通量密度为B_T是与发射线圈有关的一个常量，其沿参考坐标系X，Y，Z轴的三个正交分量如公式(1)、(2)、(3)所示：

根据公式(1)、(2)、(3)可以测量得出，L是感应线圈到发射线圈的距离，L如公式(4)所示：

在(vx,vy,vz)^T上的矢量投影分量定义，如公式(5)所示：

根据法拉第电磁感应定律，电磁感应线圈产生的感应电动势ε为磁通量密度对时间t的导数，如公式(6)所示：

其中，N是感应线圈的匝数；是感应线圈的表面积；φ是穿过感应线圈的磁通量；

由于感应线圈很小，可以将电磁感应线圈表面上各处的磁通量近似看成相等，因此，公式(6)可以化简为：

当发射线圈的发射频率为ω的正弦波，磁通量密度表示，如公式(8)所示：

其中，为正弦波的幅值，/>为正弦波的初相位；

因此，最大感应电动势，如公式(9)所示：

当感应电动势ε为同频率的余弦信号，设等于/>最大感应电动势的变换，如公式(10)所示：

设ε′_imax是第i个发射线圈发射的信号在感应线圈上产生的最大感应电动势测量值，ε_imax是相对应的理论值；(vx,vy,vz)^T是单位矢量，添加一个约束条件m为发射线圈的数目，定义误差目标函数E，如公式(11)所示：

感应线圈的位置和方向参数(x,y,z,vx,vy,vz)就是需要取得的参数，然后设计最优化算法，最小化目标函数E得到感应线圈的位置和方向参数；

步骤6、控制单元将感应线圈的位置和方向参数发送给上位机，实时反映当前的位姿，供显示或第三方使用。

本发明的有益效果是：

本发明基于交变磁场，将交变信号作为激励源的交流式电磁跟踪系统，其中，电磁感应线圈采用一个微型螺线管，实现五自由度定位；当然，也可以采用两个微型螺线管以一个夹角构成，实现六自由度定位。总之，基础是一个微型螺线管五自由度定位，即3维位置(x，y，z)和方向向量(vx，vy，vz)的取得，方向向量只能代表2个旋转欧拉角。工作时，磁场发生器发射至少6路磁场，微型感应传感器产生至少6路感应信号，接收单元将信号滤波放大后，代入定位模型，用算法求解感应传感器的位置和姿态。整个系统具有控制简单、成本低，可以同时跟踪4路至8路微型感应传感器(典型尺寸)，且跟踪精度可以达到位置精度为0.7毫米、方向精度为0.4度，跟踪范围可以达到0.6立方米，最大数据刷新频率实现45Hz，能够实时定位、安全可靠，成本低廉。

【附图说明】

图1是本发明的系统原理示意图；

图2是本发明的建模坐标系示意图；

图3是本发明的定位流程图；

图4是本发明中磁场发生器中多路发射线圈依次发射同频率信号的信号示意图；

图5是本发明中磁场发生器中多路发射线圈依次发射不同频率信号的信号示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

有线交变电磁定位系统，如图1、图2、图4和图5所示，包括上位机1、控制单元2、磁场发生器3和感应单元4；感应单元4连接有6路的电磁感应线圈5，控制单元2将每路4的位置和方向输出到上位机1、以供进一步应用处理；控制单元2包含信号发生电路、驱动电路、功率放大电路和运算与控制组件，该实施例中，控制单元2中还包含有用于检测磁场变化的电流采样电路；感应单元4包含信号放大电路、滤波电路、采集电路和运算组件，且在该实施例中，感应单元4中放大电路采用多级放大电路或单级放大电路，感应单元4中滤波电路采用无源滤波电路或有源滤波电路，感应单元4中采集电路采集五自由度电磁感应线圈5的感应信号，感应单元4中运算组件利用采集到的感应信号计算感应信号幅值(强度)，控制单元2根据计算的感应信号幅值(强度)进一步的计算五自由度感应线圈的位置和方向参数；

该磁场发生器3内布置有6个圆柱形螺线管状发射线圈构成的阵列，发射线圈的位置和方向满足磁场辐射定位的空间，且每个发射线圈连接控制单元2上电路板的驱动电路，控制单元2的信号发生电路依次产生多路交变电磁信号，多路交变电磁信号经过驱动电路及功率放大电路放大后、通过发射线圈以电磁波辐射到空间，在空间产生交变电磁场；电磁感应线圈5在交变电磁场中产生感应电流信号，感应电流信号经过感应单元4放大、滤波处理后传送给控制单元2；发射线圈与电磁感应线圈5通过交变磁场形成磁路，磁场发生器3、感应单元4均与控制单元2有线连接。

其中，每路电磁感应线圈5均可感应6个信号，从而可以建立6个方程构成的方程组，控制单元2的运算处理器解算方程组，得到每路电磁感应线圈5的位置和方向。如图4和图5所示，该磁场发生器3中每个发射线圈分时发射可彼此频率相同或不同的电磁信号。

该实施例中，每路电磁感应线圈5采用一个实现五自由度定位的微型螺线管或采用两个以一个夹角构成、实现六自由度定位的微型螺线管。总之，基础是一个微型螺线管五自由度定位，即3维位置(x，y，z)和方向向量(vx，vy，vz)的取得，方向向量只能代表2个旋转欧拉角；其中，建立坐标系XYZ作为参考坐标系，每个发射线圈等效为一个磁偶极子，(a，b，c)^T为每个发射线圈的中心位置，(m，n，p)^T为每个发射线圈的单位方向向量；(x，y，z)^T为每路5自由度电磁感应线圈(作为接收线圈)的中心位置；(vx，vy，vz)^T为每路所述5自由度电磁感应线圈(作为接收线圈)的方向向量。

该实施例中，对应该有线交变电磁定位系统的定位方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1、磁场发生器在控制单元的控制下周期地发射频率相同或不同的电磁信号；

步骤2、以发射线圈所在三个轴建立的坐标系OXYZ作为参考坐标系，每个发射线圈等效为一个磁偶极子，(a，b，c)^T为每个发射线圈的中心位置，(m，n，p)^T为每个发射线圈的单位方向向量；(x，y，z)^T为每路所述电磁感应线圈(作为接收线圈)的中心位置；(vx，vy，vz)^T为每路所述电磁感应线圈(作为接收线圈)的方向向量，感应单元放大、滤波每路所述电磁感应线圈的感应信号；

步骤3、感应单元采样放大、滤波的感应信号；

步骤4、感应单元计算感应信号的幅值；

步骤5、感应单元发送感应信号的幅值到控制单元，控制单元计算感应线圈的位置和方向；

计算位置和方向的信息过程如下：

将发射线圈等效为磁偶极子，(x，y，z)是单轴感应线圈中心的位置，磁偶极子在空间点(x，y，z)处产生的磁通量密度为B_T是与发射线圈有关的一个常量，其沿参考坐标系X，Y，Z轴的三个正交分量如公式(1)、(2)、(3)所示：

根据公式(1)、(2)、(3)可以测量得出，L是感应线圈到发射线圈的距离，L如公式(4)所示：

在(vx,vy,vz)^T上的矢量投影分量定义，如公式(5)所示：

根据法拉第电磁感应定律，电磁感应线圈产生的感应电动势ε为磁通量密度对时间t的导数，如公式(6)所示：

其中，N是感应线圈的匝数；是感应线圈的表面积；φ是穿过感应线圈的磁通量；

由于感应线圈很小，可以将电磁感应线圈表面上各处的磁通量近似看成相等，因此，公式(6)可以化简为：

该实施例中，当发射线圈的发射频率为ω的正弦波，磁通量密度表示，如公式(8)所示：

其中，为正弦波的幅值，/>为正弦波的初相位；

因此，最大感应电动势，如公式(9)所示：

当感应电动势ε为同频率的余弦信号，设等于/>最大感应电动势的变换，如公式(10)所示：

设ε′_imax是第i个发射线圈发射的信号在感应线圈上产生的最大感应电动势测量值，ε_imax是相对应的理论值；(vx,vy,vz)^T是单位矢量，添加一个约束条件m为发射线圈的数目，定义误差目标函数E，如公式(11)所示：

感应线圈的位置和方向参数(x,y,z,vx,vy,vz)就是需要取得的参数，然后设计最优化算法，最小化目标函数E得到感应线圈的位置和方向参数；

步骤6、控制单元将感应线圈的位置和方向参数发送给上位机，实时反映当前的位姿，供显示或第三方使用。

该实施例中，基于交变磁场，将交变信号作为激励源的交流式电磁跟踪系统，电磁感应线圈通过一个微型螺线管五自由度定位，即3维位置(x，y，z)和方向向量(vx，vy，vz)的取得，方向向量只能代表2个旋转欧拉角。工作时，磁场发生器发射6路磁场，微型感应传感器产生6路感应信号，接收单元将信号滤波放大后，代入定位模型，用算法求解感应传感器的位置和姿态。整个系统具有控制简单、成本低，可以同时跟踪4路至8路微型感应传感器，能够实时定位、安全可靠，成本低廉。

以上所述实施例只是为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，除了具体实施例中列举的情况外，凡依本发明原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.有线交变电磁定位系统，其特征在于，包括上位机、控制单元、磁场发生器和感应单元；

所述感应单元连接有至少一路的电磁感应线圈，所述控制单元将每路电磁感应线圈的位置和方向输出到上位机、以供进一步应用处理；

所述控制单元包含信号发生电路、驱动电路、功率放大电路和运算与控制组件；

所述感应单元包含信号放大电路、滤波电路、采集电路和运算组件；

所述磁场发生器内布置有多个圆柱形发射线圈构成的阵列，每个发射线圈连接所述控制单元上电路板的驱动电路，所述控制单元的信号发生电路依次产生多路交变电磁信号，多路交变电磁信号经过驱动电路及功率放大电路放大后、通过所述发射线圈以电磁波辐射到空间，在空间产生交变电磁场；

所述电磁感应线圈在交变电磁场中产生感应电流信号，感应电流信号经过所述感应单元放大、滤波处理后传送给所述控制单元；

所述发射线圈与所述电磁感应线圈通过交变磁场形成磁路，所述磁场发生器、所述感应单元均与所述控制单元有线连接。

2.根据权利要求1所述的有线交变电磁定位系统，其特征在于，每路所述电磁感应线圈采用一个实现五自由度定位的微型螺线管或采用两个以一个夹角构成、实现六自由度定位的微型螺线管。

3.根据权利要求1所述的有线交变电磁定位系统，其特征在于，所述磁场发生器内布置有至少6个螺线管状发射线圈构成的阵列，发射线圈的位置和方向满足磁场辐射定位的空间。

4.根据权利要求1或3所述的有线交变电磁定位系统，其特征在于，所述磁场发生器中每个发射线圈分时发射可彼此频率相同或不同的电磁信号。

5.根据权利要求1所述的有线交变电磁定位系统，其特征在于，所述控制单元中还包含有用于检测磁场变化的电流采样电路。

6.根据权利要求1所述的有线交变电磁定位系统，其特征在于，所述感应单元中放大电路采用多级放大电路或单级放大电路。

7.根据权利要求1所述的有线交变电磁定位系统，其特征在于，所述感应单元中滤波电路采用无源滤波电路或有源滤波电路。

8.根据权利要求1所述的有线交变电磁定位系统，其特征在于，所述感应单元中采集电路采集五自由度电磁感应线圈的感应信号，所述感应单元中运算组件利用采集到的感应信号计算感应信号幅值。

9.根据权利要求8所述的有线交变电磁定位系统，其特征在于，所述控制单元根据计算的感应信号幅值进一步的计算五自由度感应线圈的位置和方向参数。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的有线交变电磁定位系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、磁场发生器在控制单元的控制下周期地发射频率相同或不同的电磁信号；

步骤2、以发射线圈所在三个轴建立的坐标系OXYZ作为参考坐标系，每个发射线圈等效为一个磁偶极子，(a，b，c)^T为每个发射线圈的中心位置，(m，n，p)^T为每个发射线圈的单位方向向量；(x，y，z)^T为每路所述电磁感应线圈的中心位置；(vx，vy，vz)^T为每路所述电磁感应线圈的方向向量，感应单元放大、滤波每路所述电磁感应线圈的感应信号；

步骤3、感应单元采样放大、滤波的感应信号；

步骤4、感应单元计算感应信号的幅值；

步骤5、感应单元发送感应信号的幅值到控制单元，控制单元计算感应线圈的位置和方向；

计算位置和方向的信息过程如下：

将发射线圈等效为磁偶极子，(x，y，z)是单轴感应线圈中心的位置，磁偶极子在空间点(x，y，z)处产生的磁通量密度为B_T是与发射线圈有关的一个常量，其沿参考坐标系X，Y，Z轴的三个正交分量如公式(1)、(2)、(3)所示：

根据公式(1)、(2)、(3)可以测量得出，L是感应线圈到发射线圈的距离，L如公式(4)所示：

在(vx,vy,vz)^T上的矢量投影分量定义，如公式(5)所示：

根据法拉第电磁感应定律，电磁感应线圈产生的感应电动势ε为磁通量密度对时间t的导数，如公式(6)所示：

其中，N是感应线圈的匝数；是感应线圈的表面积；φ是穿过感应线圈的磁通量；

由于感应线圈很小，可以将电磁感应线圈表面上各处的磁通量近似看成相等，因此，公式(6)可以化简为：

当发射线圈的发射频率为ω的正弦波，磁通量密度表示，如公式(8)所示：

其中，为正弦波的幅值，/>为正弦波的初相位；

因此，最大感应电动势ε_max，如公式(9)所示：

当感应电动势ε为同频率的余弦信号，设等于/>最大感应电动势的变换，如公式(10)所示：

设ε′_imax是第i个发射线圈发射的信号在感应线圈上产生的最大感应电动势测量值，ε_imax是相对应的理论值；(vx,vy,vz)^T是单位矢量，添加一个约束条件m为发射线圈的数目，定义误差目标函数E，如公式(11)所示：

感应线圈的位置和方向参数(x,y,z,vx,vy,vz)就是需要取得的参数，然后设计最优化算法，最小化目标函数E得到感应线圈的位置和方向参数；

步骤6、控制单元将感应线圈的位置和方向参数发送给上位机，实时反映当前的位姿，供显示或第三方使用。