ES2869524T3

ES2869524T3 - Calibración de IMU

Info

Publication number: ES2869524T3
Application number: ES16876874T
Authority: ES
Inventors: Mohamed Mahfouz
Original assignee: Techmah Medical LLC
Current assignee: Techmah Medical LLC
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2021-10-25
Anticipated expiration: 2036-12-16
Also published as: US11946995B2; AU2019232853A1; ES2931044T3; US10852383B2; EP3795109A1; EP3389490B1; KR102321695B1; KR20180103903A; US20210003655A1; EP3389490A1; CA3171029A1; US20180059204A1; CA3008479A1; US11435425B2; WO2017106794A1; US20220413081A1; AU2020205220B2; CN109069067B; JP2019509073A; CN109069067A

Abstract

Un método para calibrar una unidad de medición inercial que comprende una pluralidad de acelerómetros, una pluralidad de giroscopios y una pluralidad de magnetómetros, comprendiendo el método: recopilar datos de la unidad de medición inercial mientras está de forma estacionaria como primer paso; recopilar datos de la unidad de medición inercial mientras se reposiciona la unidad de medición inercial alrededor de tres ejes ortogonales de la unidad de medición inercial como un segundo paso; calibrar la pluralidad de giroscopios utilizando los datos recopilados durante el primer paso y el segundo paso; calibrar la pluralidad de magnetómetros usando los datos recopilados durante el primer paso y el segundo paso; calibrar la pluralidad de acelerómetros usando los datos recopilados durante el primer paso y el segundo paso; caracterizado porque calibrar la pluralidad de magnetómetros incluye extraer parámetros para la detección de distorsión y usar los parámetros extraídos para determinar si hay distorsión magnética transitoria dentro de un campo local de la unidad de medición inercial.

Description

DESCRIPCIÓN

Calibración de IMU

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas

La presente solicitud reivindica el beneficio de la solicitud de patente provisional U.S. No. de serie 62/268,175, titulada "IMU CALIBRATION", presentada el 16 de diciembre de 2015.

Introducción a la invención

La presente divulgación está dirigida a métodos y técnicas para calibrar unidades de medición inercial (IMU) y, más específicamente, a métodos y técnicas que implican calibrar IMU para tener en cuenta los entornos locales dentro de los cuales operan las IMU.

El documento US2013217998A1 divulga un método de monitorización de la posición de una articulación, en donde una IMU está configurada para acoplarse a una porción de un paciente; y otra IMU está configurada para unirse a otra porción del paciente que está unida a la otra porción mediante una articulación

El documento WO2015/089118 A1 divulga un sistema de navegación quirúrgica que comprende una unidad de medición inercial.

Un problema común en la técnica comercial con las IMU es la precisión de los datos recopilados cuando se producen anomalías magnéticas o de movimiento. Este problema no es significativo en campos donde las IMU se utilizan para rastrear el movimiento de un cuerpo y su orientación angular donde los cambios en la posición del cuerpo del orden de centímetros o milímetros no afectan la utilidad general de las IMU. Lo mismo se puede decir en estos campos donde la posición angular cambia algunos grados, pero las IMU no reflejan este cambio. Sin embargo, no se puede decir lo mismo en otros campos donde la precisión es necesaria. En estos campos precisos, las IMU no se han utilizado porque no se ha encontrado una solución competente para abordar las anomalías magnéticas y de movimiento que pueden ocurrir dentro de la zona de uso. Y la mayoría de las patentes de la técnica anterior que hacen referencia a las IMU nunca insinúan problemas de anomalías, y mucho menos proporcionan una solución para tratar estas anomalías. Uno de los principales problemas con las IMU de la técnica anterior proviene de la falta de capacidad para generar datos que descarten o tengan en cuenta las anomalías magnéticas que resultan de objetos ferromagnéticos en las proximidades de la IMU. De esta manera, cuando los objetos ferromagnéticos están cerca de la IMU, se produce una deriva posicional que se vuelve aditiva y rápidamente da como resultado datos que no son precisos.

En respuesta a la ausencia de soluciones para lidiar con el movimiento y las anomalías magnéticas que pueden ocurrir dentro de la zona de uso de una IMU, donde la precisión es primordial, el inventor actual ha desarrollado métodos y las IMU resultantes que dan cuenta de estas anomalías y proporcionan para mediciones precisas de las IMU. De esta manera, el inventor actual permite que las IMU del mundo real se utilicen en campos donde las IMU no eran viables anteriormente. En particular, el presente inventor desarrolló una secuencia de calibración para una IMU que tiene en cuenta la posible desalineación de la estructura de la IMU en sí, además de calibrar la IMU fuera de un campo local y calibrar la IMU en un campo local de uso previsto. De esta manera, el inventor actual ha desarrollado IMU que pueden tener en cuenta el movimiento y las anomalías magnéticas, proporcionando así medidas precisas indicativas de cambios en la posición, la orientación y el magnetismo.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una representación gráfica de un dispositivo ferromagnético montado en una unidad de medición inercial y que se gira alrededor de un eje X.

La figura 2 es una representación gráfica del dispositivo ferromagnético montado en la unidad de medición inercial de la figura 1, girando alrededor de un eje Y.

La figura 3 es una representación gráfica del dispositivo ferromagnético montado en la unidad de medición inercial de la figura 1, girando alrededor de un eje Z.

Descripción detallada

Las realizaciones de ejemplo de la presente divulgación se describen e ilustran a continuación para abarcar unidades de medición inercial y métodos para calibrar las mismas. Por supuesto, será evidente para los expertos en la técnica que las realizaciones discutidas a continuación son de naturaleza de ejemplo y pueden reconfigurarse dentro del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Muchos dispositivos actuales hacen uso de componentes de sensores integrados para capturar y rastrear información relacionada con el uso, la ubicación y el estado del dispositivo. Uno de estos sistemas, la unidad de medición inercial (IMU), se utiliza para rastrear el movimiento de los objetos. Un paquete común de una IMU comprende un solo circuito integrado (IC) que consta de múltiples sensores inerciales, que pueden ser una combinación de acelerómetros, giroscopios y magnetómetros. Estos tres tipos de sensores también se pueden separar en circuitos integrados individuales que se encuentran en la misma placa de circuito. Estos dos casos (CI único y CI múltiples) pueden considerarse iguales a los fines de la presente divulgación.

Para todos estos sensores de la IMU, se puede realizar un paso de calibración para garantizar la referencia y el funcionamiento adecuados en el entorno local. Por ejemplo, los acelerómetros pueden calibrarse para determinar una referencia con respecto a la dirección de la gravedad y los giroscopios pueden calibrarse a alguna velocidad de rotación conocida. La calibración del magnetómetro es más compleja, ya que el proceso requiere el conocimiento de la fuerza y dirección del campo magnético local en una multitud de orientaciones del magnetómetro. La calibración del entorno local se puede realizar a mano o con una máquina. Las consideraciones mínimas para la calibración del entorno local deben incluir maniobras de la IMU alrededor de los tres ejes ortogonales de la IMU y un período estacionario.

Para aplicaciones que requieren una calibración altamente confiable y reproducible de una IMU, se puede usar una máquina de calibración. Puede construirse una máquina de calibración de modo que no introduzca una distorsión magnética adicional en las IMU. La máquina de calibración debe producir movimiento para la calibración de todos los sensores de la IMU, así como movimiento para que un algoritmo inspeccione la calidad de la calibración.

El proceso para calibrar mediciones de acelerómetros, giroscopios y magnetómetros no calibrados de una IMU se describe a continuación. Este proceso de ejemplo es aplicable a una sola IMU o múltiples IMU pobladas en la misma placa de circuito, donde todos los sensores (acelerómetros, giroscopios y magnetómetros no calibrados) pueden calibrarse simultáneamente.

En forma de ejemplo, el procedimiento de calibración puede incluir las siguientes rutinas para permitir que los datos adecuados calculen y verifiquen la calibración. Esta calibración de ejemplo comprende cuatro etapas que incluyen, sin limitación: (1) calibrar los giroscopios; (2) calibrar la rutina de los magnetómetros; (3) calibrar la rutina del acelerómetro; y (4) calibrar la rutina de verificación/validación.

La calibración de los giroscopios de cada IMU debe permitir que los giroscopios estén estacionarios durante un período de tiempo establecido. Como parte de la calibración de los giroscopios, el proceso instantáneo determina el sesgo del giroscopio por media aritmética como se establece en la ecuación 1 inmediatamente a continuación:

La calibración de los magnetómetros de cada IMU debería implicar la rotación de la IMU alrededor de todos sus ejes ortogonales. De esta manera, este proceso de calibración del magnetómetro determina primero la distorsión del hierro duro y blando usando la función de ajuste elipsoidal multidimensional (EF_fun) establecida en la ecuación 2 inmediatamente a continuación:

donde: SFeorig es la transformación del elipsoide en esfera, y HFeorig es el sensor y el sesgo local.

Los datos resultantes de la ecuación 2 se procesan usando la ecuación 3, que se muestra inmediatamente a continuación:

A continuación, se calibran las diferencias de alineación entre magnetómetros. Al hacerlo, se puede utilizar la ecuación 4, con el supuesto de que todos los magnetómetros están alineados con una alineación de referencia usando esta ecuación. Alternativamente, los magnetómetros se pueden alinear con una alineación de referencia diferente si se desea. En la ecuación 4, TMAG// representa la transformación de alineación del magnetómetro "j" al magnetómetro de referencia "i".

La calibración de los acelerómetros de cada IMU debería implicar la rotación de la IMU alrededor de dos ejes perpendiculares a la gravedad. De esta manera, la calibración del acelerómetro se calcula con la función de ajuste elipsoidal multidimensional (EF_fun) establecida inmediatamente a continuación como ecuación 5:

La calibración de la rutina de verificación debería implicar la rotación de la IMU alrededor del eje colineal con la gravedad. El resultado es mejor si el movimiento de la rutina de verificación se realiza varias veces en diferentes ángulos con respecto a la gravedad.

Después de calibrar los sensores, se pueden tener en cuenta los errores de fabricación y de colocación del ensamblaje de IC para extraer o tener en cuenta estos errores. De esta manera, la presente divulgación incluye una secuencia de calibración que tiene en cuenta cualquier desalineación entre los sensores, que se calibran de acuerdo con la ecuación 6-10 (aplicando los parámetros de calibración) proporcionada inmediatamente a continuación. Al hacerlo, todos los datos del sensor recopilados durante la calibración pueden estar sujetos a estas ecuaciones/parámetros de calibración.

Con múltiples IMU fijadas rígidamente juntas, las señales alineadas y calibradas deben ser aproximadamente iguales entre cada tipo de sensor en el caso de que no haya ruido o ruido isotrópico (al sensor).

A pesar de la calibración con el entorno local, los magnetómetros son especialmente propensos a perturbaciones locales transitorias. Específicamente, la introducción de fuentes ferromagnéticas adicionales o el movimiento de fuentes ferromagnéticas después de la calibración inicial (descrita anteriormente) puede distorsionar la señal del sensor y dar como resultado lecturas inexactas. Los estados de distorsión se pueden clasificar como distorsión de hierro duro, que es causada principalmente por la introducción de materiales ferromagnéticos tales como herramientas de acero que pueden desviar las líneas de campo y producir un desplazamiento en los sensores del magnetómetro, y distorsión de hierro blando, que es causada por un campo magnético irregular (tal como de imanes) que puede alterar la forma del campo magnético. Dado que estos dispositivos que causan distorsiones entrarán y saldrán del campo de aplicación (área de uso) de la IMU en orientaciones, posiciones y tiempos impredecibles, es deseable que estas distorsiones se detecten y se tengan en cuenta. A modo de ejemplo, un área donde las distorsiones son comunes es un quirófano durante un procedimiento quirúrgico. Más específicamente, los instrumentos quirúrgicos dentro de un quirófano se reposicionan con frecuencia dentro del campo operatorio en diferentes momentos y ubicaciones dependiendo de la etapa del procedimiento quirúrgico, lo que necesariamente provoca distorsiones del campo magnético. Sin embargo, cabe señalar que la divulgación de ejemplo no se limita a la calibración de las IMU para navegación quirúrgica o cualquier campo de uso particular. Más bien, la divulgación instantánea es aplicable a la calibración de cualquier IMU en cualquier campo de uso donde puedan estar presentes distorsiones locales.

Hay dos partes esenciales para detectar la distorsión magnética transitoria. La primera parte es que la IMU debe comprender dos o más magnetómetros (que pueden estar poblados en una placa de circuito común). Los magnetómetros se calibran y alinean basándose en las enseñanzas de calibración anteriores. La segunda parte es el algoritmo de detección, que consta de dos procesos: (1) extraer parámetros para la detección de distorsión, que se calculan a partir de los datos de calibración; y (2) uso de parámetros extraídos en datos IMU capturados para verificar si hay distorsión.

Lo que sigue es una explicación detallada para calcular los parámetros de umbral de distorsión apropiados. En general, se puede usar un algoritmo para este cálculo que puede hacer uso de las siguientes suposiciones: (1) el movimiento de la IMU (o la falta de movimiento) es detectable por todas las IMU (acelerómetro, giroscopio y magnetómetro); (2) el ángulo y la longitud de los magnetómetros calibrados deben tener valores aproximadamente idénticos; (3) los vectores del magnetómetro calibrado deben tener aproximadamente la unidad en magnitud; (4) el ángulo entre el vector del magnetómetro calibrado y el vector del acelerómetro calibrado no debe cambiar; (5) el radio de los magnetómetros calibrados debe ser aproximadamente igual a uno; y (6) los cuaterniones calculados usando diferentes magnetómetros deben ser aproximadamente iguales.

La desviación suficiente del supuesto 1 se considera una anomalía de movimiento y las desviaciones de los supuestos 2-6 se consideran una anomalía magnética. Los parámetros para la detección de movimiento se calculan para cada sensor IMU (acelerómetro, giroscopio y magnetómetro) utilizando los datos recopilados durante la calibración del entorno local. Usando datos estacionarios y dinámicos, se calculan los umbrales de movimiento apropiados para cada sensor IMU, de modo que la salida del sensor IMU calibrado por encima del umbral indica que el sensor está en movimiento y por debajo del cual el sensor puede considerarse estacionario (véase la ecuación 2). Se considera que ocurre una anomalía de movimiento como en la tabla (2), que se describe con más detalle a continuación. En resumen, si un magnetómetro ha detectado movimiento, pero otros sensores no lo hacen, se dice que existe una anomalía de movimiento.

Para la anomalía magnética, se usa una desviación del supuesto 2 para crear una función de coste, que se calcula como la magnitud de la diferencia vectorial ponderada con la derivación angular entre los vectores (véase el algoritmo 1 y el algoritmo 4). Durante la calibración del entorno local, los valores esperados para la desviación de la unidad y a partir de señales idénticas se calculan para formar una función de coste. El umbral se calcula a partir del valor de esta función de coste durante la calibración del entorno local (cuando no se presenta ninguna distorsión adicional). Luego, como parte de un proceso de detección de anomalías, cualquier valor de esta función de coste por encima del umbral se considera una anomalía magnética.

Para el supuesto 3, la fuerza magnética se calcula como la media de magnitudes combinadas (algoritmo (5)), que sin ruido se espera que sea aproximadamente 1. Luego, como parte del proceso de detección de anomalías, cualquier valor fuera de la fuerza magnética calculada (incluida una tolerancia preestablecida) se considera una anomalía.

Para el supuesto 4, la derivación se calcula como la derivación angular entre el magnetómetro y los vectores de acelerómetro (algoritmo (6)). Luego, como parte del proceso de detección de anomalías, cualquier valor fuera del ángulo calculado (incluida una tolerancia preestablecida) se considera una anomalía.

Para el supuesto 5, la desviación se calcula usando todas las lecturas del magnetómetro, junto con unos puntos artificiales preestablecidos, para estimar un radio del campo magnético usando una función de estimación de elipsoide como se muestra en el algoritmo (7). Los puntos artificiales se utilizan para respaldar el cálculo de la estimación. Sin embargo, si la IMU contiene más de 11 magnetómetros, no se necesita ningún punto artificial para resolver el radio. Luego, como parte del proceso de detección de anomalías, cualquier valor fuera de los radios calculados (incluida una tolerancia preestablecida) se considera una anomalía.

Para el supuesto 6, la desviación se determina calculando primero la orientación de la IMU usando el algoritmo de fusión del sensor (por ejemplo, el filtro de Kalman extendido) usando diferentes magnetómetros como entrada, y se calcula una diferencia angular entre la orientación de salida como se muestra en el algoritmo (8). Luego, como parte del proceso de detección de anomalías, cualquier valor mayor que la diferencia angular con una tolerancia preestablecida se considera una anomalía.

Si se produce movimiento o anomalía magnética, está presente algo de distorsión magnética no contabilizada. Un sistema de alerta por distorsión proporciona información que indica que la confiabilidad de la orientación informada por los sensores puede ser inexacta. Lo que sigue es una discusión más detallada de los algoritmos utilizados para detectar anomalías magnéticas y de movimiento.

La detección de anomalías se basa en tres categorías de detección. La primera es la detección de fallas del sensor, la segunda es la verificación de los radios del magnetómetro y la tercera son las discrepancias de salida del cuaternión. La detección de fallas del sensor consta de las siguientes funciones: (i) movimiento y anomalías magnéticas; (ii) fuerza magnética; y (iii) ángulo entre los vectores magnetómetro y acelerómetro. El siguiente método se utiliza para extraer consistentemente valores de umbral (TV) para anomalías de movimiento y funciones de coste de la calibración. El método utiliza el algoritmo (1) de la siguiente manera:

Una vez que se completa la iteración del algoritmo (1), el mu y sigma de la función de coste se pueden determinar usando las ecuaciones 11 y 12, que se enumeran inmediatamente a continuación.

El algoritmo (2) se utiliza para calcular el movimiento y los estados sin movimiento (estacionario) de los sensores.

Aquí se realiza una verificación para garantizar que todos los estados de movimiento deben tener valores mayores que los estados estacionarios correspondientes.

El algoritmo (3) se utiliza para calcular los TV en busca de anomalías de movimiento.

'

La determinación de una anomalía magnética puede basarse en una función de coste del TV, que se logra calculando la función de coste durante el período del período de calibración como se establece en el algoritmo (4).

Con el fin de extraer de forma coherente los TV para discernir la fuerza de una anomalía magnética a partir de los datos de calibración, se puede utilizar el algoritmo (5).

Con el fin de extraer de forma coherente los TV para discernir el ángulo entre los vectores del magnetómetro y del acelerómetro a partir de los datos de calibración, se puede utilizar el algoritmo (6).

Se realiza un cálculo de verificación del radio del magnetómetro en los datos del magnetómetro calibrado antes de la alineación. Los radios de un conjunto de puntos normales deben ser iguales a uno. Puede usarse el algoritmo (7) para determinar el umbral de los radios. Como parte del uso del algoritmo (7), se crea o genera un conjunto de puntos artificiales en una esfera unitaria, donde el conjunto de puntos debe estar distribuido casi uniformemente y tener un mínimo de 18 puntos. Usando un método de ajuste elipsoide en los puntos artificiales, se pueden utilizar los datos procesados del magnetómetro para determinar los radios como se establece a continuación.

Las discrepancias de salida de cuaterniones es un método de detección que se basa en la salida de orientación calculada utilizando diferentes magnetómetros. El siguiente algoritmo, algoritmo (8), puede usarse para determinar el umbral de discrepancias de salida de cuaterniones, usando la salida de cuaterniones del algoritmo (6), y calcular el ángulo entre los cuaterniones.

Después de extraer los TV para la detección de anomalías, se puede usar el siguiente cálculo para determinar si la IMU está siendo afectada por una anomalía local. Como paso preliminar, todos los datos de los sensores entrantes pueden procesarse utilizando las ecuaciones 1-10 discutidas anteriormente. Además, los algoritmos (1) y (4) pueden utilizarse para determinar la desviación relativa entre magnetómetros dentro de un tamaño de núcleo preestablecido. Para el sistema de detección de fallas de sensor de ejemplo, el movimiento se detecta con base en las siguientes reglas en la tabla (1).

Tabla (1) - Detección de movimiento con base en sensores

Dentro del tamaño de núcleo preestablecido, se utilizan las siguientes reglas en la tabla (2) para detectar una anomalía de movimiento.

Tabla (2) - Detección de anomalías de movimiento

Las siguientes reglas de la tabla (3) se utilizan para detectar una anomalía magnética.

Tabla 3 - Detección de anomalías magnéticas

De acuerdo con la presente divulgación, se puede calcular la fuerza magnética usando el algoritmo (5). A partir de entonces, utilizando las reglas de la tabla (4), se puede discernir si existe una anomalía magnética.

Tabla 4 - Detección de anomalías de fuerza magnética

De acuerdo con la presente divulgación, se puede determinar el ángulo entre los vectores del magnetómetro y acelerómetro usando el algoritmo (6). Esta detección solo se activa cuando los sensores/IMU están estacionarios, lo que se detecta a partir del algoritmo de detección de movimiento. Utilizando la siguiente tabla, tabla (5), se puede discernir si existe una anomalía del vector del magnetómetro y del acelerómetro.

Tabla (5): detección de anomalías en los vectores del magnetómetro y acelerómetro

De acuerdo con la presente divulgación, se pueden determinar los radios magnéticos procesando los datos sin procesar de los magnetómetros usando el algoritmo (7). Utilizando la siguiente tabla, tabla (6), se puede discernir si existe una anomalía de radio magnético.

Tabla (6) - Detección de anomalías de radios magnéticos

De acuerdo con la presente divulgación, se puede calcular la orientación de las IMU con el algoritmo (6) y calcular la diferencia angular con el algoritmo (8). Utilizando la siguiente tabla, tabla (7), se puede discernir si existe una discrepancia de salida de cuaterniones.

Tabla (7) - Detección de discrepancias de cuaterniones

La detección de anomalías se puede ponderar utilizando la salida de cada uno de estos sistemas de subdetección y determinar el nivel relevante de perturbación detectado por el sistema. Para los sistemas que requieren altos niveles de confiabilidad, se debe considerar una anomalía si se detecta alguno de estos indicadores del subsistema.

La siguiente discusión describe un proceso para calibrar una IMU cuando se usa con o cerca de un objeto ferromagnético. Un ejemplo, en el campo de uso de dispositivos médicos, es durante la navegación quirúrgica, donde se necesita la IMU para rastrear el movimiento de un objeto ferromagnético (por ejemplo, herramientas hechas de acero inoxidable, CoCr, etc.) Dado que la calibración del entorno local se realiza presumiblemente sin estos objetos ferromagnéticos en las proximidades, no hay forma de compensar sus distorsiones durante la etapa de calibración del entorno local. Se debe realizar un paso de calibración secundario para corregir la distorsión cuando se utilicen objetos ferromagnéticos cerca de las IMU. El método propuesto tiene en cuenta el hecho de que una IMU puede fijarse rígidamente al objeto ferromagnético cuando está en uso.

Si bien es posible maniobrar manualmente la IMU unida al objeto ferromagnético para recopilar una suma global de datos para la recalibración, este método es ineficaz y requiere una cantidad considerable de tiempo para que el usuario repita la maniobra para cada objeto ferromagnético que necesite calibración. En segundo lugar, es posible que la calibración del efecto combinado del entorno local y el objeto ferromagnético no esté alineada con la calibración del entorno local solo. Aunque cualquiera de las calibraciones puede ser funcional para el seguimiento de guiñada, la transformación latente entre calibraciones en el campo de referencia puede producir errores. A modo de ejemplo, se puede pensar que se compara la lectura de dos brújulas, una horizontal al suelo y la otra inclinada 5 grados. La brújula horizontal está calibrada para el entorno local, mientras que la otra brújula está calibrada tanto con objetos ferromagnéticos como con el entorno local. Si bien ambas calibraciones son funcionales, la lectura de cada brújula será diferente. Por consiguiente, un algoritmo de ejemplo de la presente divulgación aborda estos dos problemas.

El presente enfoque hace uso de la característica de distorsión de los objetos ferromagnéticos de baja intensidad de campo y modela la corrección con base en una cantidad limitada de entrada de datos. Esto permite una maniobra de calibración mucho más simple, al mismo tiempo que se puede lograr una calibración razonable.

Haciendo referencia a las figuras 1-3, el objeto 100 unido a la IMU 102 (o la IMU 102 por sí misma) se mueve a través de una serie de orientaciones, que se pueden confirmar a partir de los datos de la IMU. A partir de los datos recopilados, se puede calcular una estimación inicial del campo de distorsión mediante el procesamiento y análisis de elipsoide estándar. Un conjunto de datos de referencia (que actualmente usa 25000 vectores) se extrae de una densidad de von-Mises Fisher, creando así un conjunto de vectores distribuidos uniformemente alrededor de la esfera IMU. La distorsión magnética calculada durante la calibración del entorno local y la estimación inicial de la distorsión magnética con el objeto ferromagnético se aplican a la inversa al conjunto de datos de referencia. Esto crea dos conjuntos de datos: (1) un conjunto de datos de referencia que está distorsionado por el entorno local; y (2) un conjunto de datos de referencia que está distorsionado tanto por el entorno local como por el objeto 100 ferromagnético unido (u objeto ferromagnético en las proximidades de la iMu 102). Dado que todos los puntos entre estos dos conjuntos de datos se originan en el mismo conjunto de datos de referencia, se establece una correspondencia punto a punto entre la distorsión del entorno local y la distorsión del entorno local con el objeto ferromagnético. La corrección para el objeto ferromagnético se extrae de este último utilizando un algoritmo de optimización recursivo con el conjunto de datos anterior.

Este proceso de calibración de ejemplo se puede usar para cualquier número de objetos, de modo que se pueden usar múltiples objetos que tienen campos magnéticos latentes con el magnetómetro sin comprometer la precisión del sensor, así como mantener un campo de referencia consistente.

La siguiente sección describe el algoritmo para calibrar un objeto ferromagnético con una IMU precalibrada. Esta parte asume que la IMU se ha calibrado de acuerdo con la discusión anterior. La IMU, como parte de esta secuencia de calibración, debe estar unida rígidamente a la herramienta o tener la herramienta en una posición constante con respecto a la IMU. El operador hace girar el objeto durante al menos una revolución a lo largo de cada eje en un sistema cartesiano estándar como se muestra en las figuras 1-3. Una vez que se recopila el conjunto de datos de calibración de la herramienta, el siguiente algoritmo puede calcular y compensar la distorsión.

Como cuestión inicial, se hace una conjetura inicial en cuanto al desplazamiento central del conjunto de datos usando la ecuación 13 a continuación.

A partir de entonces, se genera un gran número (por ejemplo, 25,000) de vectores unitarios 3D aleatorios y se les aplica la inversa del SFe original y del instrumento utilizando el algoritmo (9) siguiente.

Utilizando la ecuación 14, que se muestra a continuación, se calcula la transformación de correspondencia de puntos.

Utilizando la ecuación 15, que se muestra a continuación, se calcula la distancia de distorsión de punto a punto.

Usando la ecuación 16, que se muestra a continuación, para cada eje, se ubica el máximo negativo de DiT^{n d .}

Utilizando la ecuación 17, que se muestra a continuación, se calcula la ubicación del índice de loc.

La ubicación del índice de loc es

Usando la ecuación 18, que se muestra a continuación, se calcula el centro a lo largo de los ejes de distancia de distorsión máxima.

Utilizando la ecuación 19, que se muestra a continuación, se calculan los límites de corrección máximos.

Usando la ecuación 20, que se muestra a continuación, después de que se hayan calculado los parámetros de compensación de distorsión, se centra el conjunto de datos de calibración del instrumento.

La corrección de calibración anterior se puede aplicar de al menos dos formas. En una primera forma, la corrección de calibración se aplica usando una transformación de correspondencia de puntos, tal como la ecuación 21 que se muestra a continuación.

Alternativamente, en una segunda manera, la corrección de calibración se aplica usando compensación y escala geométrica, tal como usando las ecuaciones 22 y 23.

Usando la ecuación 24, se pueden calcular los parámetros de calibración ajustados.

Después de la conclusión de los cálculos de calibración anteriores, los cálculos de calibración pueden aplicarse a los magnetómetros de cada IMU que está unida al objeto ferromagnético o estará en una relación posicional fija con el mismo. Para aplicar los cálculos de calibración a los magnetómetros de cada IMU, los datos del magnetómetro se centran usando la ecuación 20. A modo de ejemplo, se puede aplicar la corrección para tener en cuenta la distorsión causada por la herramienta mediante una transformación de correspondencia de puntos usando la ecuación 21, o se aplica la escala geométrica y la compensación usando las ecuaciones 22 y 23. A partir de entonces, los magnetómetros de la IMU pueden procesarse aplicando los parámetros de compensación de hierro duro y blando ajustados mediante la ecuación 25, que se muestra a continuación.

Una vez que los magnetómetros han sido procesados, los magnetómetros se alinean usando las ecuaciones 9 y 10.

Siguiendo la descripción anterior, será evidente para los expertos en la técnica que, si bien los métodos y aparatos descritos en este documento constituyen realizaciones de ejemplo de la presente invención, la invención descrita en este documento no se limita a ninguna realización precisa y que se pueden realizar cambios en tales realizaciones sin apartarse del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones. Además, debe entenderse que la invención está definida por las reivindicaciones y no se pretende que ninguna limitación o elemento que describa las realizaciones de ejemplo establecidas en este documento se incorporen en la interpretación de cualquier elemento de la reivindicación, a menos que dicha limitación o elemento sea explícitamente fijado. Asimismo, debe entenderse que no es necesario cumplir alguna o todas las ventajas u objetos identificados de la invención que se divulgan en este documento para caer dentro del alcance de cualquiera de las reivindicaciones, ya que la invención está definida por las reivindicaciones y dado que es inherente y/o pueden existir ventajas imprevistas de la presente invención incluso aunque no se hayan discutido explícitamente en este documento.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para calibrar una unidad de medición inercial que comprende una pluralidad de acelerómetros, una pluralidad de giroscopios y una pluralidad de magnetómetros, comprendiendo el método:

recopilar datos de la unidad de medición inercial mientras está de forma estacionaria como primer paso; recopilar datos de la unidad de medición inercial mientras se reposiciona la unidad de medición inercial alrededor de tres ejes ortogonales de la unidad de medición inercial como un segundo paso;

calibrar la pluralidad de giroscopios utilizando los datos recopilados durante el primer paso y el segundo paso; calibrar la pluralidad de magnetómetros usando los datos recopilados durante el primer paso y el segundo paso; calibrar la pluralidad de acelerómetros usando los datos recopilados durante el primer paso y el segundo paso; caracterizado porque calibrar la pluralidad de magnetómetros incluye extraer parámetros para la detección de distorsión y usar los parámetros extraídos para determinar si hay distorsión magnética transitoria dentro de un campo local de la unidad de medición inercial.

2. El método de la reivindicación 1, en donde el acto de extraer parámetros para la detección de distorsión adopta al menos uno de los siguientes supuestos:

(1) el movimiento de la unidad de medición inercial es detectable por la pluralidad de acelerómetros, la pluralidad de giroscopios, y la pluralidad de magnetómetros;

(2) un ángulo y una longitud de cada uno de una pluralidad de vectores de magnetómetro tienen valores aproximadamente idénticos;

(3) cada uno de la pluralidad de vectores de magnetómetro tiene aproximadamente una unidad en magnitud;

(4) un ángulo entre un vector de magnetómetro calibrado y un vector de acelerómetro calibrado no debe cambiar; (5) un radio de la pluralidad de vectores del magnetómetro después de la calibración es aproximadamente igual a uno; y,

(6) los cuaterniones calculados usando unas diferentes de la pluralidad de vectores magnetométricos son aproximadamente iguales.

3. El método de la reivindicación 2, en donde una desviación del supuesto de que el movimiento de la unidad de medición inercial es detectable por la pluralidad de acelerómetros, la pluralidad de giroscopios y la pluralidad de magnetómetros, da como resultado una determinación de una anomalía de movimiento.

4. El método de la reivindicación 3, en donde una desviación de uno cualquiera de los siguientes supuestos da como resultado la determinación de una anomalía magnética: (2) un ángulo y una longitud de cada uno de una pluralidad de vectores magnetométricos tienen valores aproximadamente idénticos; (3) cada uno de la pluralidad de vectores de magnetómetro tiene aproximadamente una unidad en magnitud; (4) un ángulo entre un vector de magnetómetro calibrado y un vector de acelerómetro calibrado no debe cambiar; (5) un radio de la pluralidad de vectores del magnetómetro después de la calibración es aproximadamente igual a uno; y (6) los cuaterniones calculados usando unos diferentes de la pluralidad de vectores magnetométricos son aproximadamente iguales.

5. El método de la reivindicación 1, en donde calibrar la pluralidad de giroscopios incluye determinar un sesgo de cada giroscopio por media aritmética.

6. El método de la reivindicación 1, en donde calibrar la pluralidad de magnetómetros incluye determinar si está presente al menos una de cualquier distorsión de hierro duro y si está presente cualquier distorsión de hierro blando.

7. El método de la reivindicación 6, en donde determinar si al menos una de cualquier distorsión de hierro duro está presente y si está presente cualquier distorsión de hierro blando incluye utilizar una función de ajuste elipsoidal multidimensional a los datos recopilados de la pluralidad de magnetómetros.

8. El método de la reivindicación 1, en donde calibrar la pluralidad de magnetómetros incluye tener en cuenta las diferencias de alineación entre los magnetómetros a partir de una alineación de referencia.

9. El método de la reivindicación 1, en donde calibrar la pluralidad de giroscopios incluye usar los parámetros extraídos para determinar si está presente una anomalía de movimiento.

10. El método de la reivindicación 1, en donde calibrar al menos uno de la pluralidad de acelerómetros, la pluralidad de giroscopios y la pluralidad de magnetómetros incluye verificar que los datos recopilados de al menos uno de la pluralidad de acelerómetros, la pluralidad de giroscopios, y la pluralidad de magnetómetros en el segundo paso tiene un valor de movimiento mayor que los datos recopilados de la pluralidad de acelerómetros en el primer paso.

11. El método de la reivindicación 1, en donde calibrar al menos uno de la pluralidad de magnetómetros y la pluralidad de acelerómetros incluye aplicar una función de ajuste elipsoidal multidimensional a los datos recopilados de al menos uno de la pluralidad de magnetómetros y la pluralidad de acelerómetros para transformar los datos en datos esféricos.

12. El método de la reivindicación 1, en donde calibrar la pluralidad de magnetómetros incluye calcular los cuaterniones de salida de orientación a partir de los datos recopilados de la pluralidad de magnetómetros para establecer valores de umbral para anomalías de movimiento.

13. El método de la reivindicación 1, en donde calibrar la pluralidad de magnetómetros incluye calcular un ángulo entre los cuaterniones de salida de orientación calculados para establecer valores de umbral para anomalías de movimiento.

14. El método de la reivindicación 1, en donde calibrar la pluralidad de magnetómetros incluye aplicar cálculos de radios de magnetómetros a datos de magnetómetros calibrados recopilados de la pluralidad de magnetómetros para determinar un umbral de radios y, utilizando el umbral de radios, determinar si existe una anomalía magnética, y si existe la anomalía magnética, calcular una fuerza de la anomalía magnética.

15. El método de la reivindicación 1, en donde la unidad de medición inercial se incorpora como parte de un sistema de navegación quirúrgica.