CN117570826A - 一种电磁定位方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种电磁定位方法和系统，该方法包括：利用发射线圈组件中的至少三组发射线圈产生磁场，其中，所述至少三组发射线圈分别的磁场发射频率不高于100HZ，且所述至少三组发射线圈均为三轴正交发射线圈；根据待定位组件中的磁传感器在所述发射线圈组件产生的磁场中检测到的磁场信息获取每一组所述发射线圈产生的磁场信息；分别根据每一组所述发射线圈产生的磁场信息，获取所述磁传感器与所述发射线圈的距离；分别获取所述至少三组发射线圈的位置；根据所述至少三组发射线圈的位置，以及所述待定位组件分别与所述至少三组发射线圈的距离，计算所述待定位组件的位置。本申请能够在微观定位领域里实现无线定位。

Description

一种电磁定位方法和系统

技术领域

本申请涉及电磁定位技术领域，尤其涉及一种电磁定位方法和系统。

背景技术

电磁定位技术是当今比较热门的一类物体跟踪技术。相比较于视觉定位来说，其优点在于不受视线阻挡。在医疗领域中，研究表明人体组织的磁导率接近于空气的磁导率，人的组织分布和生理活动并不对周围的磁场分布产生影响，而且弱磁场环境对人体并没有损害。所以电磁定位技术与其他定位技术相比，在医学手术领域有着得天独厚的优势，电磁定位系统在临床诊断和手术导航等方面具有广泛的应用前景。例如电磁定位技术在介入式微创手术中，可以用于心脏手术导航、脊柱与肿瘤外科手术胶囊内窥镜定位等方面。

电磁定位技术还有个重要的应用是虚拟现实技术。虚拟现实技术是一种人在沉浸式的环境中，通过追踪传感器的位置，计算机记录下人体的运动，实现了人与计算机之间的位置信息交互。然后计算机根据相应算法驱动特定传感器，给人一种真实感知外界虚拟环境的视觉、触觉、听觉等感知，实现足不出户却能够体验世界万物的功能。在虚拟现实应用中，可以在人的头部、手部、腿部等部位安装电磁传感器，通过电磁定位技术记录下人体各个部位的运动，并在虚拟环境中实时显示人的动作。

电磁定位技术其应用范围十分广泛，并在医疗、娱乐等特殊领域有着其他定位技术不具备的优势。由于电磁定位技术是基于电磁感应原理，一种可行的磁场激励方式可以是交流电流。交流电流是指给电磁线圈通入交流电，这样会在螺线管线圈周围产生同频率的交流电磁场。但当磁场周围含有金属物质时，会在其内部产生涡流效应，进而会对电磁线圈产生的磁场带来干扰。这将导致所采用的磁场模型不再准确，从而影响整个电磁定位系统的定位精度。交变电流的频率越快，电磁线圈产生的交变磁场的频率也会越快，从而会导致涡流效应也越发严重。因此，交流电流这种激励方式不适合于高频发射磁场中。

发明内容

本申请提供一种电磁定位方法和系统，能够在微观定位领域里实现无线定位。

第一方面，所述电磁定位方法包括：

利用发射线圈组件中的至少三组发射线圈产生磁场，其中，所述至少三组发射线圈分别的磁场发射频率不高于100HZ，且所述至少三组发射线圈均为三轴正交发射线圈；

根据待定位组件中的磁传感器在所述发射线圈组件产生的磁场中检测到的磁场信息获取每一组所述发射线圈产生的磁场信息；

分别根据每一组所述发射线圈产生的磁场信息，获取所述磁传感器与所述发射线圈的距离；

分别获取所述至少三组发射线圈的位置；

根据所述至少三组发射线圈的位置，以及所述待定位组件分别与所述至少三组发射线圈的距离，计算所述待定位组件的位置。

可选地，所述分别根据每一组所述发射线圈产生的磁场信息，获取所述磁传感器与所述发射线圈的距离，包括：

通过所述磁传感器获取每一组所述发射线圈产生的磁场信号模值；

针对每一组发射线圈，根据所述发射线圈产生的磁场的磁场信号模值和磁偶极子模型计算所述磁传感器与所述发射线圈的中心的距离。

可选地，所述至少三组发射线圈中不同发射线圈输入的电流的频率不同；

所述根据待定位组件中的磁传感器在所述发射线圈组件产生的磁场中检测到的磁场信息获取每一组所述发射线圈产生的磁场信息，包括：

对所述待定位组件中的磁传感器在所述发射线圈组件产生的磁场中检测到的磁场信息，根据数字锁相放大器算法从所述磁场信息中解耦出不同频率分别对应的磁场的幅值和相位信息。

可选地，所述至少三组发射线圈分别位于一个正多边形的不同顶点处。

可选地，所述方法还包括：

通过所述磁传感器以不高于500Hz的采样频率对所述发射线圈组件产生的磁场进行检测。

可选地，所述至少三组发射线圈分别的磁场发射频率不高于10HZ，所述方法还包括：通过所述磁传感器以不高于100Hz的采样频率对所述发射线圈组件产生的磁场进行检测。

可选地，所述方法还包括：

获取在初始时刻下所述磁传感器的初始姿态和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向，所述初始时刻为所述至少三组发射线圈同时通电的时刻；

根据所述磁传感器所获取到的磁场信息和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向，计算所述磁传感器的当前姿态与所述初始姿态之间的旋转矩阵；

根据所述磁传感器的初始姿态和所述旋转矩阵获取所述待定位组件的当前姿态。

可选地，所述获取在初始时刻下所述磁传感器的初始姿态和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向，包括：

计算所述磁传感器所在位置与世界坐标系平行的理论磁场信息；

根据所述磁传感器所检测到的磁场的相位信息，以及所述理论磁场信息判断在所述初始时刻下所述至少三组电磁线圈分别的初始磁矩朝向。

第二方面，本申请提供一种电磁定位系统，包括：

发射线圈组件，包括电源和至少三组发射线圈，且所述至少三组发射线圈均为三轴正交发射线圈，其中，每组所述发射线圈用于在所述电源的激励下产生磁场，且每组所述发射线圈的磁场发射频率不高于100HZ；

待定位组件，包括磁传感器，用于检测所述发射线圈组件所产生的磁场信息；

信号处理组件，用于执行以下步骤：

根据所述磁传感器所检测到的磁场信息获取每一组发射线圈所产生的磁场信息；

根据所述每一组发射线圈产生的磁场信息，获取所述待定位组件分别与每一组发射线圈的距离；

分别获取所述至少三组发射线圈的位置；

根据所述至少三组发射线圈的位置，以及所述待定位组件分别与所述至少三组发射线圈的距离，计算所述待定位组件的位置。

可选地，所述信号处理组件在根据所述每一组发射线圈产生的磁场信息，获取所述待定位组件分别与每一组发射线圈的距离时，具体用于在；

通过所述磁传感器获取每一组所述发射线圈产生的磁场信号模值；

针对每一组发射线圈，根据所述发射线圈产生的磁场的磁场信号模值和磁偶极子模型计算所述磁传感器与所述发射线圈的中心的距离。

可选地，所述信号处理组件还用于执行以下步骤：

获取在初始时刻下所述磁传感器的初始姿态和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向，所述初始时刻为所述至少三组发射线圈同时通电的时刻；

根据所述磁传感器所获取到的磁场信息和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向，计算所述磁传感器的当前姿态与所述初始姿态之间的旋转矩阵；

根据所述磁传感器的初始姿态和所述旋转矩阵获取所述待定位组件的当前姿态。。

本申请实施例中，所采用的磁传感器的发射频率为极低频率(即不高于100HZ)能够有效地避免涡流效应，而且能够实现无线定位；然而降低发射频率会导致意味着单位时间内采样得到的磁场信息远不及具有高发射频率(例如1000Hz左右)的磁传感器的电磁定位系统采样得到的磁场信息，会无法同时满足定位速度和定位精度的要求，本申请通过计算出极低发射频率的磁传感器分别和至少三组发射线圈的中心的距离，然后依据各距离和各发射线圈的位置快速定位出磁传感器的位置，能够实现较高精度的定位的同时还能有效避免涡流效应。

附图说明

图1是本申请实施例中的电磁定位方法的一个实施例的示意图；

图2是本申请实施例中的电磁定位方法的另一个实施例的示意图；

图3是本申请实施例中的电磁定位系统的一个实施例的示意图

图4是图3所示电磁定位系统的一个工作流程示意。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的实施方式。虽然附图中显示了本申请的实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，图1是本申请实施例中的电磁定位方法的一个实施例的示意图。该电磁定位方法包括：

步骤S101，利用发射线圈组件中的至少三组发射线圈产生磁场，其中，所述至少三组发射线圈分别的磁场发射频率不高于100HZ，且所述至少三组发射线圈均为三轴正交发射线圈。

发射线圈的磁场激励的方法有多种，例如采用交流电流进行磁场激励。可选地，该交流电流可以是正弦交流电流。交流电流是指给电磁线圈通入交流电，这样会在螺线管线圈周围产生同频率的交流电磁场。

直流脉冲激励是另一种磁场激励方式，是指给电磁线圈通入有规律的脉冲电流，那么在电磁线圈周围会产生相应的脉冲磁场。由于脉冲电流的突然流入，在电流突变的瞬间，感应磁场信号也会产生一段突变。但在一个周期内，随着时间的累积，脉冲电流趋于稳定，对应的磁场信号也会趋于稳定。此外，为了从采样信号中区分出电磁信号与地磁干扰，磁传感器在采样过程中记录下没有激励电流时磁场信号与有激励电流时稳定的磁场信号，并将采样结果进行做差。这样就可以将感应磁场从地磁中区分出来。然而，该方法为了能够区分有无激励时的磁场信号，为了能够区分电流突变时而导致的磁场突变信号，对磁传感器的采样频率要求比较高。

交流电流激励的方式不会给磁场信号带来突变问题。但当磁场周围含有金属物质时，会在其内部产生涡流效应，进而会对电磁线圈产生的磁场带来干扰。这将导致所采用的磁场模型不再准确，从而影响整个电磁定位系统的定位精度。交变电流的频率越快，电磁线圈产生的交变磁场的频率也会越快，从而会导致涡流效应也越发严重。因此，交流电流这种激励方式不适合用于高频发射磁场中。现有的电磁定位系统所采用的交流频率通常在1kHz左右。

本申请实施例中的采用交流电流的激励方式，该方法所产生的磁场为交变磁场可以很好的与地磁等直流干扰相分离。而且该方法可以很灵活地改变交变磁场的频率以及相位等参数，使用较为灵活。而且本申请实施例中的交流频率采用极低频率(不高于100HZ)，可以有效的避免涡流效应，而且具有无线定位潜力。

步骤S102，根据待定位组件中的磁传感器在所述发射线圈组件产生的磁场中检测到的磁场信息获取每一组所述发射线圈产生的磁场信息。

一个示例中，在初始时刻对各组发射线圈同时通电，且所述至少三组发射线圈中不同发射线圈输入的电流的频率不同。在磁传感器在发射线圈组件的磁场中对该磁场信息进行检测后，根据数字锁相放大器算法解耦出不同频率分别对应的磁场信息，以得到每组发射线圈产生的磁场信息。可选地，该磁场信息包括该磁场的幅值和相位信息B_ij(i,j＝x,y,z)。其中，B_ij第一个下标i代表的是发射线圈的坐标轴，第二个下表j代表的是磁传感器的坐标轴。

步骤S103，分别根据每一组所述发射线圈产生的磁场信息，获取所述磁传感器与所述发射线圈的距离。

获取待定位组件分别与至少三组发射线圈的距离的方法有多种。在一个示例中，针对每一组所述发射线圈，获取所述磁传感器所检测到的该发射线圈产生的磁场的磁场信号模值，根据该磁场信号模值和磁偶极子模型获取该磁传感器与发射线圈的中心的距离。具体的，在磁偶极子模型中，Biot-Savart定律描述了空间中稳定的一个电流元在其周围产生的磁场的信息。Biot-Savart定律描述了空间中稳定的一个电流元在其周围产生的磁场的信息。

其中，μ₀表示的是真空磁导率，其值为4π×10^-7Tm/A，I表示的是电流大小，l表示的是电流线元，r表示的是电流元到空间点之间的距离。

假设在一个坐标系下中，磁传感器的位置坐标是(x,y,z),发射线圈的位置坐标是(a,b,c)，则该坐标系下待定位组件中的磁传感器的感应磁场可以表示为：

其中，μ表示的是电磁系统所在环境的磁导率，表示的是电磁线圈磁矩，/>表示的是电磁线圈中心到磁传感器中心的矢量。将公式(1)沿着三个坐标轴展开，我们得到以下公式(下文称为公式(3))：

其中，I表示的是发射线圈通入的电流，N表示的是发射线圈绕线的匝数，R表示的是发射线圈自身的半径。

从上述公式中可以看到，磁偶极子模型方程式只包含了发射线圈本身的属性和中心的位置，以及磁传感器的位置信息。为方便计算，让发射线圈的中心位于世界坐标系原点，轴线平行于世界坐标系x轴，则电磁线圈磁矩的朝向为那么公式(2)就等效为以下公式(下文称为公式(4))：

其中，B_xx的第一个下角标x表示电磁线圈的轴线平行于世界坐标系x轴，第二个下角标x表示磁传感器x轴的读数。

磁传感器在不同摆放的姿态下，磁传感器读数不同。但磁传感器所在点的磁场信号模值并不会随着磁传感器的摆放姿态改变而改变。因此利用这一特性，可以建立表达式：

其中，B_xx，B_xy和B_xz表示的是磁偶极子模型在该点与电磁线圈坐标系平行时计算所得的理论磁场大小，B′_xx，B′_xy和B′_xz表示的是磁传感器在该点实际测量得到的磁场大小。为了方便计算，令B_T＝μINR²/4，它代表的是发射线圈本身的属性。根据公式(3)，可以计算出磁偶极子模型计算公式在该点计算得到的理论磁场信号模值的平方为:

根据公式(4)，磁传感器在该点实际测量得到的磁场模值的平方也应该为：

同理，令电磁线圈的中心为坐标原点，电磁线圈的轴线平行于世界坐标系y轴时，则电磁线圈磁矩的朝向为此时磁偶极子模型计算公式为：

由磁偶极子模型计算公式在该点计算得到的理论磁场模值的平方为：

磁传感器在该点实际测量得到的磁场模值的平方也应该为：

同理，令电磁线圈的中心为坐标原点，电磁线圈的轴线平行于世界坐标系z轴时，则电磁线圈磁矩的朝向为此时磁偶极子模型计算公式为以下公式(称为公式(11))：

由磁偶极子模型计算公式在该点计算得到的理论磁场模值的平方为：

磁传感器在该点实际测量得到的磁场模值的平方也应该为：

因为r代表的是磁传感器与电磁线圈中心的距离，则r²＝x²+y²+z²，我们将公式(2-9)，(2-12)和(2-16)相加，消元得到：

整个式子中只包含未知变量r，那么可以求得磁传感器与电磁线圈中心之间的距离r为：

在步骤S102中得到每一组发射线圈产生的磁场信息后，可根据上述方法利用每一组发射线圈产生的磁场信息来计算出磁传感器与该组发射线圈的中心的距离。

步骤S104，分别获取所述至少三组发射线圈的位置。

该至少三组发射线圈的位置在预设坐标系下的位置是已知且固定的。该位置可以预先存储在存储器中，通过读取存储器中的数据来获取该至少三组发射线圈的位置。或者，该至少三组发射线圈的位置也可以通过实时检测得到。

步骤S105，根据所述至少三组发射线圈的位置，以及所述待定位组件分别与所述至少三组发射线圈的距离，计算所述待定位组件的位置。

以发射线圈的数量具体为3组为例，可以根据下面公式(16)来计算出待定位组件的位置(x₀,y₀,z₀)：

r₁ ²＝(x₀-x₁)²+(y₀-y₁)²+(z₀-z₁)²

r₂ ²＝(x₀-x₂)²+(y₀-y₂)²+(z₀-z₂)² (16)

r₃ ²＝(x₀-x₃)²+(y₀-y₃)²+(z₀-z₃)²

其中，r_i(i＝1,2,3)表示的是磁传感器到第i组电磁线圈中心之间的距离，(x₀,y₀,z₀)表示的是磁传感器在预设坐标系下的待测位置坐标，(x_i,y_i,z_i)表示的是第i组电磁线圈中心在预设坐标系下所在位置的坐标。由此可以计算出磁传感器的位置坐标(x₀,y₀,z₀)，由于预设坐标系已知，因此可得到待定位组件的位置。可选地，为便于计算，各组发射线圈分别位于一个正多边形的不同顶点处，可以方便磁传感器的位置计算。

本申请实施例中通过采用极低频率的发射线圈，能够有效避免涡流效应。在现有技术中，对于高发射频率(例如1000Hz左右)的单组三维正交电磁线圈，当求解出来磁传感器与该组三维正交电磁线圈中心之间的距离r时，再根据公式(5)就可以求解出来磁传感器所在点的位置信息。但本申请中各组电磁线圈所选用的发射频率为极低频率(小于等于100Hz)，这意味着在单位时间内，本申请实施例中的电磁线圈采样得到的磁场信息远不及高发射频率的单组三维正交电磁线圈采样得到的磁场信息。那么直接使用公式(5)进行位置求解会导致位置计算误差较大。但本申请的发明人发现虽然位置计算误差较大，但求解出来的磁传感器与电磁线圈中心之间的距离r较为准确，通过利用磁偶极子模型计算出磁传感器和每一个电磁线圈中心之间的距离，并依据各个距离来计算出磁传感器的位置，能够在有效避免涡流效应的同时，快速且高精度地检测到磁传感器的位置。

而且，现有技术的电磁定位技术中由于所采用的磁场发射频率比较高，根据香农采样定理，对应的磁传感器采样频率将会更高。如此庞大的磁场数据很难通过无线连接的方式进行数据传输，因此目前市面上主要的电磁定位系统都是有线的。有线连接会对医疗导航领域上产生很大的限制，尤其是胶囊内窥镜的体内定位。本申请中的磁场发射频率采用极低频率，可以使得磁传感器所采集到的数据通过无线方式发送给信号处理组件进行计算和处理，有利于该电磁定位技术应用在医疗导航领域上。可选地，本申请中的至少三组发射线圈分别的磁场发射频率不高于50HZ，可以进一步降低发射线圈的功耗。进一步可选地，本申请中的至少三组发射线圈分别的磁场发射频率不高于10HZ。

可选地，图1所示电磁定位方法中还可以进一步获取磁传感器的当前姿态。如图2所述，图2是本申请的电磁定位方法的另一个实施例的示意图。该方法包括：

步骤S201，利用发射线圈组件中的至少三组发射线圈产生磁场，其中，所述至少三组发射线圈分别的磁场发射频率不高于100HZ，且所述至少三组发射线圈均为三轴正交发射线圈。

步骤S202，获取在初始时刻下所述磁传感器的初始姿态和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向。

所述初始时刻为所述至少三组发射线圈同时通电的时刻。可选地，该初始姿态可以预先存储在存储器中，并通过结构件或者其他方式将该磁传感器固定使得该磁传感器在初始时刻以该存储好的初始姿态开始。或者，也可以对磁传感器在初始时刻下的初始姿态进行标定来获取该初始姿态。

在电磁线圈通入正弦交变电流来获取交变磁场的示例中，还需要确定出初始通电时刻下电磁线圈的初始磁矩朝向。这是因为通入电磁线圈的电流是正弦交流电，在不同时刻下电流流入方向可能是不同的，这将会导致在不同时刻下电磁线圈磁矩朝向不相同。例如刚开始给电磁线圈通正弦交流电，此时电流相位为0到180°之间的任意一个，那么此刻电磁线圈磁矩朝向x轴正半轴。那么通电一段时间后，当通入的电流相位与初始时刻相比偏移了180°。这时电磁线圈磁矩朝向完全相反，朝向x轴负半轴。因此在姿态求解之前先确定出初始时刻下电磁线圈磁矩的朝向。

一种示例中，判断电磁线圈磁矩朝向可以通过采样交变电流信号以及空间中电磁场信号，然后通过滤波算法(如快速傅里叶变换等)求解出初始时刻下电流信号的幅值和相位以及此时感应磁场信号的幅值和相位信息。然后对比交变电流信号的相位以及感应磁场信号的相位信息。若是相位同号，则此时电磁线圈通入的电流方向与磁传感器正半轴指向方向一致，即电磁线圈磁矩方向与磁传感器正半轴指向方向一致。若是相位相反，则此时电磁线圈通入的电流方向与磁传感器正半轴指向方向相反，即电磁线圈磁矩方向与磁传感器正半轴指向方向相反。这种方法可以比较容易地判断出磁传感器正半轴与电磁线圈通入的电流之间的关系，可以较为容易地解决初始时刻电磁线圈磁矩的朝向问题。但是该方法需要对电源信号进行采样分析，这意味着就需要采样模块与电源模块之间进行物理连接。

本申请实施例中还提出了一种新的判断电磁线圈磁矩方向的方法，通过结合磁场相位信息和磁传感器初始姿态来判断初始时刻下电磁线圈的磁矩朝向问题。相比上述示例需要采样模块与电源模块之间进行物理连接，该新的判断电磁线圈磁矩方向的方法中待定位组件和电源之间可以完全物理隔离无需有线连接，有利于本申请实施例中的电磁定位方法在医疗导航领域上的应用。

在该新的判断电磁线圈磁矩方向的方法中，计算磁传感器所在位置与世界坐标系平行的理论磁场信息，根据磁传感器所检测到的磁场的相位信息以及该理论磁场信息判断在初始时刻下所述至少三组电磁线圈分别的磁矩朝向。具体的，假设磁传感器放置在(400mm,200mm,-100mm)的坐标位置，发射线圈的中心点坐标为(0,0,0)。磁传感器的初始姿态为磁传感器坐标系的x,y,z轴与电磁线圈坐标系的x,y,z轴之间的夹角为锐角。先只考虑朝向x轴电磁线圈的磁矩朝向问题。当磁传感器采集到所感应的磁场信息后，通过滤波模块可以求得实测电磁信号的幅值与相位信息。再根据公式(3)可以计算出磁传感器所在点与世界坐标系平行的理论磁场信息。由于理论磁场与实际磁场之间的相位要么相等，要么相差180°。当滤波模块求得的相位与理论磁场的相位同号时，初始时刻电磁线圈磁矩方向与此时磁传感器坐标轴正方向一致。当求得的相位与理论磁场的相位异号时，初始时刻电磁线圈磁矩方向与此时磁传感器坐标轴正方向相反。

与之同理，可以求解出在初始时刻下朝向y轴的电磁线圈和朝向z轴的电磁线圈的磁矩方向，由此可以解决了获取初始时刻下三轴正交发射线圈的初始磁矩朝向的问题。

步骤S203，根据待定位组件中的磁传感器在所述发射线圈组件产生的磁场中检测到的磁场信息获取每一组所述发射线圈产生的磁场信息。

步骤S204，分别根据每一组所述发射线圈产生的磁场信息，获取所述磁传感器与所述发射线圈的距离。

步骤S205，分别获取所述至少三组发射线圈的位置。

步骤S206，根据所述至少三组发射线圈的位置，以及所述待定位组件分别与所述至少三组发射线圈的距离，计算所述待定位组件的位置。

步骤S201，步骤S203～步骤S206的解释可参考图1所示实施例中的解释，在此不再赘述。

步骤S207，根据所述磁传感器所获取到的磁场信息和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向，计算所述磁传感器的当前姿态与所述初始姿态之间的旋转矩阵。

欧拉角常用于描述刚体在空间中的姿态信息，表达的是刚体围绕坐标系各轴的一系列旋转。欧拉角求解的过程包含了三个坐标轴的旋转，它们分别是沿着x轴旋转的俯仰角α，沿着y轴旋转的偏航角β，以及沿着z轴旋转的滚转角γ。在同一姿态下，各坐标轴旋转顺序的不同，求解得到的欧拉角也不同。本示例中，采取欧拉角来描述磁传感器的姿态，以及以欧拉角的求解顺序为z-y-x轴的顺序进行举例描述。

本示例中通过计算物体相对于世界坐标系的旋转矩阵来利用欧拉角方法进行姿态信息的求解。在获取到磁传感器的位置的情况下，可以利用磁偶极子模型公式(3)计算出与电磁线圈坐标轴平行的磁场理论值B，再利用磁传感器采集当前姿态下的三维磁场信息，可以得到实测磁场值B^′。根据磁偶极子模型求得的磁场与磁传感器实测得到的磁场的关系，可以列出以下公式：

R＝B^′×B^-1 (19)

由此，根据公式(19)求出了旋转矩阵R。最后再根据欧拉角公式，就可以获得磁传感器的姿态信息。

步骤S208，根据所述磁传感器的初始姿态和所述旋转矩阵获取所述待定位组件的当前姿态。

本申请实施例中，在获取磁传感器的位置基础上可以基于磁场信息进一步获取该磁传感器的姿态，能够更好对待定位组件进行定位。而且，在获取该磁传感器的姿态时，可以通过结合磁场相位信息和磁传感器初始姿态来判断初始时刻下电磁线圈的磁矩朝向问题，该方法中无需采样模块与电源模块之间进行物理连接，可以完全物理隔离无需有线连接，有利于本申请实施例中的电磁定位方法在医疗导航领域上的应用。

如图3所示，图3是本申请实施例中的电磁定位系统的一个实施例的示意图。该电磁定位系统30包括待定位组件31、发射线圈组件32和信号处理组件33。

其中发射线圈组件32包括至少三组发射线圈321，以及为所述至少三组发射线圈321提供能量的电源322。其中，该至少三组发射线圈均为三轴正交发射线圈。

电源322对该至少三组发射线圈321的激励使得该至少三组发射线圈分别的磁场发射频率均不高于100HZ。可选地，该至少三组发射线圈中不同发射线圈输入的电流的频率不同，以便后续可以通过数字锁相放大器算法提取出不同频率下磁场信号的幅值和相位。可选地，该电源的频率分辨率不低于0.01Hz，以保证信号提取效果。

可选地，该电源的输出功率不低于300W。由于空间中磁场衰减极快，为了在一定的定位空间中磁场还能够比较好的测量出来，那么在定位空间中感应磁场需要与地磁同级别或者更大。可选地，该电源为恒压源。市面上的电源主要分为恒压源和恒流源。恒流源响应速度快，能够保证输出的电流恒定不变。但其受工艺材料等限制，它输出的功率较低；而恒压源能够保证输出电压稳定且输出功率较高。

各组发射线圈的位置排布可以有多种，可选地，各组发射线圈分别位于一个正多边形的不同顶点处，以后续方便本申请中根据各组发射线圈分别与磁传感器的距离来计算出磁传感器的位置。

本示例中待定位组件32中的磁传感器321可以是多种，例如可以是感应线圈磁传感器、磁通门传感器、霍尔效应磁传感器、磁敏二极管、巨磁阻磁传感器等等。可选地，磁传感器的采样频率不高于500Hz。为了能够完成空间定位的功能，当电磁定位系统一旦开始工作后，磁传感器需要在定位结束后才能够再次充电。这需要磁传感器的功耗比较低，那么磁传感器的采样频率不能太高。而且，在无线应用场景中，数据量多大也不易进行数据发送。但为了能够准确地采集到感应电磁信号，使电磁信号能够很好地滤波出来，磁传感器的采样频率也不能够太低。不高于500Hz之间的采样频率能够很好平衡磁传感器的低功耗和高采样率的需求。

可选地，本申请中的至少三组发射线圈分别的磁场发射频率不高于50HZ，可以进一步降低发射线圈的功耗。进一步可选地，本申请中的至少三组发射线圈分别的磁场发射频率不高于10HZ，可以进一步降低发射线圈的功耗。

可选地，待定位组件32中还包括无线传输模块322，例如蓝牙模块，用于将磁传感器检测到的磁场信息发送至信号处理组件33。

信号处理组件33用于根据所述磁传感器所检测到的磁场信息获取每一组发射线圈所产生的磁场信息；根据所述每一组发射线圈产生的磁场信息，获取所述待定位组件分别与每一组发射线圈的距离；分别获取所述至少三组发射线圈的位置；根据所述至少三组发射线圈的位置，以及所述待定位组件分别与所述至少三组发射线圈的距离，计算所述待定位组件的位置。

可选地，所述信号处理组件33在根据所述每一组发射线圈产生的磁场信息，获取所述待定位组件分别与每一组发射线圈的距离时，具体用于在；通过所述磁传感器获取每一组所述发射线圈产生的磁场信号模值；针对每一组发射线圈，根据所述发射线圈产生的磁场的磁场信号模值和磁偶极子模型计算所述磁传感器与所述发射线圈的中心的距离。

可选地，所述信号处理组件33还用于获取在初始时刻下所述磁传感器的初始姿态和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向，所述初始时刻为所述至少三组发射线圈同时通电的时刻；根据所述磁传感器所获取到的磁场信息和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向，计算所述磁传感器的当前姿态与所述初始姿态之间的旋转矩阵；根据所述磁传感器的初始姿态和所述旋转矩阵获取所述待定位组件的当前姿态。

可选地，所述信号处理组件33在获取在初始时刻下所述磁传感器的初始姿态和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向时，具体用于计算所述磁传感器所在位置与世界坐标系平行的理论磁场信息；根据所述磁传感器所检测到的磁场的相位信息，以及所述理论磁场信息判断在所述初始时刻下所述至少三组电磁线圈分别的初始磁矩朝向。

如图4所示，图4是图3所示电磁定位系统的一个工作流程示意。图4中以发射线圈组件32中的发射线圈组数为3组为例进行示意。在该工作流程中，电磁定位系统将执行以下步骤：

步骤401，系统初始化，开始产生电磁场信号。

发射线圈组件中的电源开启，同时为三组发射线圈输入幅值恒定的正弦波电流i_j＝I_jsinω_jt(j＝1,2,3…,9)。其中不同组发射线圈输入的电流的频率不同。以电源开启的时刻作为初始时刻。在该正弦波电流的激励下，每组发射线圈产生相应的电磁场信号。

步骤402，磁场数据采集。

磁传感器从初始时刻所在位置(即初始位置)出发，记录下磁传感器的初始坐标和姿态。另外，信号处理组件还根据上述步骤S202中的方法确定该三组发射线圈的初始磁矩朝向。

磁传感器连续采集待定位组件31在空间中移动位置的磁场信息。可选地，该待定位组件31中还集成了模拟数字转换器，用于将所采集到的模拟信号转换成数字信号后发送给信号处理组件。可选地，待定位组件31中还包括无线传输模块，例如蓝牙模块，用于将该数字信号通过无线传输方式发送给信号处理组件。

步骤S403，计算磁场幅值和相位信息。

信号处理组件收到磁传感器发送的磁场信息后，利用数字锁相放大器算法解耦出不同频率分别对应的磁场的幅值和相位信息，即获得每组发射线圈所产生的磁场的幅值和相位信息。

步骤S404，计算磁传感器和各组发射线圈之间的距离。

信号处理组件根据每组发射线圈所产生的磁场的幅值和相位信息，以及磁偶极子模型计算出每组发射线圈的中心与磁传感器之间的距离r_i(i＝1,2,3)。其中，i代表的是第i组三轴正交发射线圈。

步骤S405，计算磁传感器的位置。

信号处理组件根据三组发射线圈的中心分别与磁传感器之间的距离，以及三组发射线圈分别的位置，计算出磁传感器的位置。

步骤S406，计算磁传感器的姿态。

信号处理组件根据初始姿态、该三组发射线圈的初始磁矩的朝向和待定位组件当前发送过来的磁场信息计算当前姿态和初始姿态之间的旋转矩阵，以及根据该初始姿态和该旋转矩阵计算当前姿态。

当待定位组件移动至新的位置时若需要继续追踪新的位置，则电磁定位系统重新执行步骤S402至步骤S406来检测该新的位置以及待定位组件在该新的位置上的姿态。关于以上各步骤的具体解释可参考图1和图2所示实施例的解释，在此不再赘述。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其他普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (11)

1.一种电磁定位方法，其特征在于，包括：

利用发射线圈组件中的至少三组发射线圈产生磁场，其中，所述至少三组发射线圈分别的磁场发射频率不高于100HZ，且所述至少三组发射线圈均为三轴正交发射线圈；

根据待定位组件中的磁传感器在所述发射线圈组件产生的磁场中检测到的磁场信息获取每一组所述发射线圈产生的磁场信息；

分别根据每一组所述发射线圈产生的磁场信息，获取所述磁传感器与所述发射线圈的距离；

分别获取所述至少三组发射线圈的位置；

根据所述至少三组发射线圈的位置，以及所述待定位组件分别与所述至少三组发射线圈的距离，计算所述待定位组件的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别根据每一组所述发射线圈产生的磁场信息，获取所述磁传感器与所述发射线圈的距离，包括：

通过所述磁传感器获取每一组所述发射线圈产生的磁场信号模值；

针对每一组发射线圈，根据所述发射线圈产生的磁场的磁场信号模值和磁偶极子模型计算所述磁传感器与所述发射线圈的中心的距离。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少三组发射线圈中不同发射线圈输入的电流的频率不同；

所述根据待定位组件中的磁传感器在所述发射线圈组件产生的磁场中检测到的磁场信息获取每一组所述发射线圈产生的磁场信息，包括：

对所述待定位组件中的磁传感器在所述发射线圈组件产生的磁场中检测到的磁场信息，根据数字锁相放大器算法从所述磁场信息中解耦出不同频率分别对应的磁场的幅值和相位信息。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少三组发射线圈分别位于一个正多边形的不同顶点处。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少三组发射线圈分别的磁场发射频率不高于50HZ。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少三组发射线圈分别的磁场发射频率不高于10HZ。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取在初始时刻下所述磁传感器的初始姿态和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向，所述初始时刻为所述至少三组发射线圈同时通电的时刻；

根据所述磁传感器所获取到的磁场信息和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向，计算所述磁传感器的当前姿态与所述初始姿态之间的旋转矩阵；

根据所述磁传感器的初始姿态和所述旋转矩阵获取所述待定位组件的当前姿态。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述获取在初始时刻下所述磁传感器的初始姿态和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向，包括：

计算所述磁传感器所在位置与世界坐标系平行的理论磁场信息；

根据所述磁传感器所检测到的磁场的相位信息，以及所述理论磁场信息判断在所述初始时刻下所述至少三组电磁线圈分别的初始磁矩朝向。

9.一种电磁定位系统，其特征在于，包括：

发射线圈组件，包括电源和至少三组发射线圈，且所述至少三组发射线圈均为三轴正交发射线圈，其中，每组所述发射线圈用于在所述电源的激励下产生磁场，且每组所述发射线圈的磁场发射频率不高于100HZ；

待定位组件，包括磁传感器，用于检测所述发射线圈组件所产生的磁场信息；

信号处理组件，用于执行以下步骤：

根据所述磁传感器所检测到的磁场信息获取每一组发射线圈所产生的磁场信息；

根据所述每一组发射线圈产生的磁场信息，获取所述待定位组件分别与每一组发射线圈的距离；

分别获取所述至少三组发射线圈的位置；

根据所述至少三组发射线圈的位置，以及所述待定位组件分别与所述至少三组发射线圈的距离，计算所述待定位组件的位置。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述信号处理组件在根据所述每一组发射线圈产生的磁场信息，获取所述待定位组件分别与每一组发射线圈的距离时，具体用于在；

通过所述磁传感器获取每一组所述发射线圈产生的磁场信号模值；

针对每一组发射线圈，根据所述发射线圈产生的磁场的磁场信号模值和磁偶极子模型计算所述磁传感器与所述发射线圈的中心的距离。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述信号处理组件还用于执行以下步骤：

获取在初始时刻下所述磁传感器的初始姿态和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向，所述初始时刻为所述至少三组发射线圈同时通电的时刻；

根据所述磁传感器所获取到的磁场信息和所述至少三组发射线圈的初始磁矩朝向，计算所述磁传感器的当前姿态与所述初始姿态之间的旋转矩阵；

根据所述磁传感器的初始姿态和所述旋转矩阵获取所述待定位组件的当前姿态。