FI113564B - Kappaleiden paikannus - Google Patents

Description

1 113564

KAPPALEIDEN PAIKANNUS KEKSINNÖN ALA

Esillä oleva keksintö liittyy kappaleiden paikannukseen. Erityisesti esillä olevan keksinnön 5 kohteena on uusi ja parannettu menetelmä kappaleiden paikan ja asennon määrittämiseksi toistensa suhteen sähkömagneettisten signaalien avulla.

KEKSINNÖN TAUSTA

10 Sähkömagneettisiin signaaleihin perustuvaa paikannusmenetelmää on kuvattu hyvin yleisellä, sovellutuskohteesta riippumattomalla tavalla mm. patenttijulkaisuissa US5747996, US4346384 ja DE3326476. Eräässä sovelluksessa laitteeseen kuuluu joukko signaali-15 lähteitä, joukko vastaanottimia ja yksi tai useampi signaaligeneraattori, jolla generoidaan joukko aikamuodoltaan tunnettuja lähetinsignaaleita lähetettäväksi signaalilähteillä. Lisäksi mainituissa patenttijulkaisuissa on kuvattu analyysimenetelmä vastaanottimien 20 ulostulosignaalien käsittelemiseksi ja niiden käyttämiseksi kappaleen paikan laskemisessa suhteessa toi-V.’ seen kappaleeseen. Yhteistä patenttijulkaisuissa kuva- jtj ; tuille laitteille on, että signaalilähettimet on kiin- • nitetty kappaleeseen geometrisesti melko tiukasti ra- 25 joitetulla tavalla.

Patenttijulkaisussa US5747996 ja US4346384 ,··_ vaaditaan lisäksi, että signaalilähteet ovat keskenään ortogonaaliset. Ortogonaalisuuden ansiosta signaali-lähteiden lähettämien signaalien välillä ei ole korre-•**: 30 laatiota eli signaalit eivät vaikuta toisiinsa paikan- '...· nusta häiritsevästi. Patenttijulkaisussa US5747996 J vaaditaan lisäksi, että vastaanottimet ovat samaan ta- .···. soon sijoitettuja keloja. Geometrisilla vaatimuksilla ·’ pyritään helpottamaan ja nopeuttamaan signaalianalyy- 35 siä ja poistamaan mahdollisia paikannustulokseen vai- kuttavia virhelähteitä.

2 113564

Kohdekappaleen koordinaatistossa tunnettujen signaalilähteiden käyttöön perustuvaa paikannusmenetelmää käytetään esimerkiksi magnetoenkefalografiässä (MEG), jossa mitataan ihmisen tai muun eliön hermotoi-5 minnoista peräisin olevia heikkoja, ajasta ja paikasta riippuvia magneettikenttiä. Mitattujen magneettikent-täarvojen perusteella pyritään paikantamaan lähdealueet, jotka synnyttivät havaitun kentän. Magnetoenkefa-lografiassa koehenkilön pää on mahdollisimman lähellä 10 erittäin herkistä suprajohtavista antureista koostuvaa anturi- eli vastaanotinjoukkoa, jonka geometria tunnetaan. Pään paikka mittalaitteen suhteen määritetään käyttäen tunnettuina signaalilähteinä pieniä pään pinnalle kiinnitettyjä keloja, joiden tuottamaa magneet-15 tikenttää voidaan approksimoida magneettisen dipolin kentällä.

Vastaanottimina käytetään mittalaitteen mittausantureita, joita käytetään myös varsinaisten mitattavien aivosignaalien vastaanottamiseen ja mittaa-20 miseen. Menetelmän perusperiaatteet on selostettu esimerkiksi julkaisuissa SQUID'85: Superconducting Quan tum Interference Devices and their Applications, 1985, ss. 93 9-944 sekä Proceedings of the 7th International :: Conference on Biomagnetism, 1989, ss. 693-696.

: 25 Varsinaiset MEG-mittaukset toteutetaan yleen- sä toistomittauksina, joissa esimerkiksi tiettyä ärsy-kettä seuraavaa aivojen tuottamaa vastetta mitataan useita kertoja peräkkäin, ja lasketaan ärsykkeen suhteen aikalukittujen mittaustulosten keskiarvo. Käytet-30 täessä mittaustulosten keskiarvoa, voidaan kohinan ·>·: vaikutus vaimentaa tekijällä, joka on kääntäen verran- nollinen toistojen lukumäärän neliöjuureen. Toistomit- : tausten eräs ongelma on niiden pitkä kesto, minkä • » .**·. vuoksi koehenkilön pää saattaa liikkua mittauksen ai- ’·’ 35 kana. Tästä automaattisesti seuraa, että aivojen tuot- tämän vasteen lähteen paikka muuttuu mittalaitteen 113564 3 suhteen kesken mittauksen ja aiheuttaa siten virhettä lopulliseen analyysiin.

Perinteisesti pää on paikannettu ainoastaan mittauksen alussa siten, että kukin päänpaikannuskela 5 on aktivoitu ja syntynyt magneettikenttä mitattu yksitellen, jolloin paikannusmenetelmä on ollut verrattain hidas. Paikannuksen jälkeen koehenkilöä on pyydetty pitämään pää mahdollisimman liikkumatta toistomittauksen loppuun asti.

10 Mittauksen aikaisesta pään liikkeestä aiheu tuvat virheet voidaan välttää jatkuvalla paikanmitta-uksella. Tällöin mittalaitetta on voitava käyttää samanaikaisesti myös muiden kuin paikannuksessa tuotettavien lähetinsignaalien mittaamiseen. Eräs tapa 15 eliminoida lähetinsignaalien vaikutus mitattavaan hyö-tysignaaliin eli aivojen tuottamaan vastesignaaliin on asettaa lähetinsignaalien taajuudet kauaksi tutkittavalta taajuuskaistalta ja suodattaa mittausdataa sopivasti taajuustasossa. Tällainen ratkaisu esitetään 20 julkaisussa Biomag2000, 12th International Conference on Biomagnetism, Book of Abstracts, s. 188, Peters, H. et ai. Toinen ratkaisu on lähetinsignaalien suodatta-, .· minen vastaanottimien ulostulosignaaleista vähentämällä | lä lähetinsignaaleja vastaavat osuudet mitatuista sig- • 25 naaleista, jolloin täytyy tuntea mitattavien lähetin- • t » » signaalien voimakkuudet ja aaltomuodot.

Pyrittäessä paikantamaan kappaletta jatkuvas-ti tai toistuvasti lyhyin väliajoin on signaali lähet- • · timet aktivoitava yhtä aikaa ja pystyttävä erottamaan 30 samanaikaiset, eri lähettimien synnyttämät komponentit ·>·: mittaussignaaleista. Menetelmän tulisi erottaa taa- juuskomponentit mahdollisimman tehokkaasti ja tarkasti käyttäen mahdollisimman lyhyttä tiedonkeruuaikaa. Yleisesti käytetyssä erotusmenetelmässä taajuudet ja •t 35 tiedonkeruuaika sovitetaan siten, että signaalikom- '·!·* ponentit ovat keskenään ortogonaaliset tarkasteltaval- la aikavälillä. Jos lähetinsignaalin vaihe tunnetaan, 113564 4 niin kunkin signaalikomponentin amplitudi saadaan suoraan laskemalla mittaustuloksista koostuvan signaali-vektorin projektio tutkittavaa signaalikomponenttia vastaavalle kantavektorille, joka koostuu taajuudel-5 taan tunnetun kantafunktion laskennallisista arvoista. Kantavektoreiden ortogonaalisuuteen perustuvia sovelluksia on kuvattu mm. julkaisussa "The use of an MEG device as a 3D digitizer and a motion correction system", de Munck et ai Proceedings of the 12th Interna-10 tional Conference on Biomagnetism, Helsinki, Finland. Tässä kuvauksessa epäortogonaalisuuden vaikutus on otettu huomioon periaatteellisella tasolla. Kuvatussa paikannusmenetelmässä lähetinsignaalien ortogonali-sointi kuitenkin vähentää oleellisesti paikannukseen 15 liittyvän laskennan määrää, joten käytännön toteutuksessa lähetinsignaalit on ortogonalisoitu.

Ortogonaalisuusvaatimus asettaa rajoituksia käytettäville taajuuksille sekä tiedonkeruuajalle ja lisäksi ortogonaalisuusoletus epäortogonaalisille sig-20 naaleille aiheuttaa suuria virheitä laskettuihin amp-litudikertoimiin ja täten myös paikannukseen. Edellä kuvatussa signaalianalyysissä pyritään käyttämään mahdollisimman lyhyeltä aikaväliltä kerättyjä signaaleja, jotta paikannus olisi mahdollisimman reaaliaikaista ja : 25 kappaleiden liike olisi mahdollisimman vähäistä pai- kannusmittauksen tiedonkeruun aikana. Luotettavia pai-kannusmittauksia on tehty magnetoenkef alograf iässä ... käyttäen ainoastaan 100 ms:n pituista tiedonkeruu- aikaa.

30 Tällaisellakin aikavälillä voivat kappaleet ·.: kuitenkin liikkua, mikä huonontaa paikannustulosta.

• < ·

Kappaleiden mahdollisesti suuren liikkeen vuoksi vas- : taanottimien mittaamien signaalien voimakkuudet saat- ,···, tavat vaihdella nopeasti havaittavissa olevan signaa- • « 35 Iin alarajalta aina vastaanottimien dynaamisen alueen ylärajoille asti. Vaihtelu voi olla merkittävää eri-tyisesti pienillä etäisyyksillä, sillä mitatun signaa- 113564 5

Iin voimakkuus on kääntäen verrannollinen kappaleiden etäisyyden kolmanteen potenssiin. Tämän lisäksi samoja lähettimiä saatetaan eri mittauksissa käyttää hyvin erikokoisilla ja vastaanottimiin nähden erilaisilla 5 etäisyyksillä sijaitsevilla kappaleilla. Erilaisissa tilanteissa tehtävien mittausten toistuva onnistuminen edellyttää, että vastaanottimien mittaamien lähetin-signaalien voimakkuudet pysyvät jatkuvasti tiettyjen rajojen sisällä. Ongelma on ratkaistu käyttämällä sää-10 töalgoritmia, joka ohjaa lähettimien tehoa siten, että kaikkien vastaanottimien mittaamien signaalien amplitudit pysyvät jatkuvasti jonkin tietyn alarajan yläpuolella ja jonkin tietyn ylärajan alapuolella. Lähe-tinsignaalien takaisinkytkentää on kuvattu esimerkiksi 15 patenttijulkaisussa US5747996.

KEKSINNÖN TARKOITUS

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut epäkohdat tai ainakin merkittävästi lieventää 20 niitä. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uudentyyppinen menetelmä paikannusmittauksen toteuttamiseksi mahdollisimman nopeasti ja tarkasti. Li-säksi keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin mittaus- · menetelmä, joka on laskennallisesti yksinkertainen ja : 25 tehokas ja jossa signaalilähteiden epäortogonaalisuu- desta ei ole haittaa lopputuloksen tarkkuuteen. Edel-leen keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin laskenta-*·», menetelmä, jolla voidaan lähes reaaliaikaisesti laskea kohdekappaleen paikka ja siten eliminoida kohdekappa-, 30 leen liikkeestä aiheutuneet virheet varsinaiseen mit- taukseen, esimerkiksi magnetoenkef alograf iässä. Edel-'···* leen keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uudenlai- nen laskennan korjausmenetelmä, jolla mitatut amplitu-dijakaumat voidaan korjata epäortogonaalisuudesta ja ·, 35 mahdollisista muista häiriöistä johtuvien virheiden t · · *·:·" poistamiseksi signaalille määritetystä amplitudista tai amplitudi jakaumasta riippuen vastaanottimien mää- 113564 6 rästä. Esillä olevalle keksinnölle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksissa.

KEKSINNÖN KUVAUS

5 Keksinnön kohteena on menetelmä, jonka avulla kappaleen paikka ja asento voidaan määrittää toisen kappaleen suhteen sähkömagneettisten signaalien avulla. Keksinnön mukaisessa järjestelyssä on kaksi kappaletta, joista toiseen kappaleeseen on kiinnitetty sig-10 naalilähteitä eli lähettimiä, jotka tuottavat sähkömagneettisia signaaleja, ja toinen kappale sisältää yhden tai useampia vastaanottimia lähetinsignaalien mittaamista varten. Yleensä lähettimiä käsittävä kappale on se, jonka paikka tai asento kiinnostaa ja on 15 mittauksen kohteena. Esimerkiksi biomagneettisissa mittauksissa lähettimiin liittyvä kappale on ihmisen pää tai muu kehon rajattu osa, jonka pinnalle lähettimet sijoitetaan. Keksinnön mukaisella järjestelyllä voidaan pään paikka ja asento selvittää, jolloin aivo-20 jen tuottamien signaalien lähdealueet voidaan ilmaista pään koordinaatistossa. Samoilla vastaanottimina mitataan sekä aivojen että lähettimien tuottamia signaaleita.

• Lähetinkappaleen koordinaatistossa tunnetuis- I | j 25 sa paikoissa sijaitsevat signaalilähettimet voidaan ; aktivoida tuottamaan samanaikaisesti tai vuorotellen eri taajuisia signaaleja siten, että taajuudet ja aal-. ··. tomuodot ovat vapaasti valittavissa. Tämän ansiosta lähettimiin liittyvät järjestelyt, esimerkiksi geomet-, 30 rian ja käytettyjen signaalien suhteen, tulevat huo- ;j mattavasti aikaisempaa yksinkertaisemmiksi. Eri lähet timien tuottamien signaalien amplitudit mitataan toi-sen laitteen vastaanottimella, joiden keskinäinen geo-, \ metriä on joko ennalta tunnettu tai tulee määritettyä 35 paikannuksen aikana. Varsinaisten mittausten kannalta * ‘ riittää, että pystytään selvittämään lähettimien ja • » » vastaanottimien keskinäinen geometria, koska lähetti- 113564 7 mien sijoittelu kohdekappaleessa yleensä tunnetaan. Siten tunnettaessa vastaanottimien ja lähettimien geometria sekä lähettimistä lähetettyjen signaalien amplitudijakauma vastaanottimilla kohdekappaleesta mi-5 tatut varsinaiset kohdesignaalit ja niiden lähtöpiste voidaan paikantaa suhteessa lähettimiin ja siten myös suhteessa kohdekappaleseen.

Keksintö perustuu kappaleeseen kiinnitettyjen sähkömagneettisten tai akustisten lähettimien tuotta-10 mien ja toisen kappaleen vastaanottimien mittaamien signaalien käyttöön analyysissä, jonka tuloksena kappaleiden suhteellinen paikka tai asento tai molemmat voidaan laskea. Paikannus voi olla jatkuvaa käyttäen nopeaa amplitudien laskentamenetelmää ja peräkkäisissä 15 mittauksissa mahdollisesti osittain ajallisesti pääl lekkäin olevia mitattujen signaaliarvojen muodostamia vektoreita.

Keksinnön mukaisessa paikannusmenetelmässä sallitaan epäortogonaaliset lähetinsignaalien kanta-20 vektorit, jolloin lähetettävien signaalien taajuudet, aaltomuoto ja tiedonkeruuaika voidaan valita varsin vapaasti. Laskennassa käytettävä kanta- , vektorisisätuloilla painotettu epäortogonaalinen pro- : ; : jektiomenetelmä on laskennallisesti hyvin nopea ja • 25 tarkka operaatio verrattuna muihin käytettyihin sig- naalianalyysimenetelmiin. Toisin kuin edellä mainitus-sa de Munckin artikkelissa, tässä keksinnössä lähetin- i · ... signaalien epäortogonaalisuuden aiheuttaman lisälas- ’· kennan määrä on käytännössä merkityksetön. Menetelmäs- 30 sä voidaan käyttää lähetinsignaaleja, joiden vaiheet * t · ovat tuntemattomia. Tällöin vaiheet voidaan ratkaista * I ft *,.,: laskemalla amplitudit sopivasti valituille kantavekto- .·. : reille, joilla saa olla vaihe-ero varsinaisiin lähet- » »« timen kantavektoreihin nähden.

I I

'!* 35 Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan edelleen estimoida lähetinsignaalien lisäksi tunnettu-: : jen häiriölähteiden amplitudeja, jolloin niiden häi- 113564 8 ritsevä vaikutus voidaan poistaa. Tällaisia häiriöitä ovat erityisesti verkkotaajuuden perustaajuus ja sen harmoniset komponentit.

Jotta mitattujen ja laskettujen amplitudien 5 yhteensovitus olisi mahdollisimman tarkka, tarvitaan tietoa kanavilla esiintyvistä häiriöistä ja kohinasta. Koska nämä voivat vaihdella ajan funktiona, on edullista mitata kyseiset parametrit paikannusmittauksen yhteydessä. Tämä voidaan toteuttaa vähentämällä mita-10 tuista signaaleista estimoidut signaalit ja käyttämällä jäljelle jääneen signaalin tehoa jollakin taajuuskaistalla .

Keksinnön erään sovelluksen mukaisesti voidaan estimoida signaalikomponentteja, jotka poikkeavat 15 varsinaisista lähettimien tai tunnettujen häiriölähteiden synnyttämistä estimoitavista signaalimuodoista.

Vastaanottimia voidaan käyttää paikannusmittauksen aikana mittaamaan myös muita signaalilähteitä kuin lähetinsignaaleja. Tämä toteutetaan vähentämällä 20 laskettujen lähetinsignaaliamplitudien osuus kunkin vastaanottimen ulostulosignaalista kullakin ajanhet-kellä. Keksinnön ansiosta vähentäminen onnistuu aikai-:J sempaa paremmin, koska signaalien amplitudien ja vai- ; heen estimointi on tarkempaa kuin aiemmin tunnetuissa I 25 laitteissa. Suodatus mahdollistaa jatkuvan paikannuk- ,*··, sen, kun mitataan myös muita signaaleita kuin lähetin- signaaleita.

Vastaanottimissa havaittavien lähetinsignaa-· liamplitudien voimakkuuksia voidaan säätää takaisin- 30 kytkennällä, jossa otetaan huomioon koko vastaanotin- joukon mittaamat signaalit. Näin varmistetaan riittävä tll signaalikohinasuhde kaikissa mittaustilanteissa.

.*. : Keksinnön mukaisen paikannuksen tarkkuutta voidaan parantaa mittaamalla signaalin häiriötaso vä- i · 'I' 35 hentämällä mitatuista signaaleista tunnettujen kan- tasignaalimuotojen avulla määritetyt signaalit. Täl-: ( : löin jäljelle jäävä erosignaali kertoo siitä, kuinka 113564 9 luotettava kukin estimaatti on, ja tätä tietoa voidaan käyttää sovituksen tarkentamiseen ottamalla siinä ko-hinataso huomioon. Häiriötaso voidaan myös mitata estimoimalla signaali tai signaaleja, jotka eroavat lä-5 hetinsignaalien ja tuntemiemme, esimerkiksi verkkotaa-juushäiriön, häiriöiden muodoista. Estimoimalla tällaiselle signaalille amplitudin keksinnön mukaisella menetelmällä saadaan tietoa siitä, kuinka paljon oletettu signaaliavaruuden malli poikkeaa todellisuudes-10 ta.

Esillä olevan keksinnön etuna tunnettuun tekniikkaan verrattuna on, että keksinnön mukaisella järjestelyllä tietyn lähetinjoukon lähettämien ja tietyllä vastaanotinjoukolla, yhdellä tai useammalla vas-15 taanottimella vastaanotettujen signaalien amplitudija-kaumien selvittäminen tulee aikaisempaa tarkemmaksi ja tehokkaammaksi. Samaten keksinnön ansiosta lähetettävien signaalien valinta tulee aikaisempaa merkittävästi vapaammaksi erityisesti taajuuden ja vaiheen suh-20 teen. Signaalien ei keksinnön ansiosta tarvitse olla keskenään ortogonaalisia.

Edelleen keksinnön ansiosta voidaan ottaa huomioon esimerkiksi MEG-mittauksissa pään mahdolliset liikkeet varsinaisen hyötysignaalin mittauksen aikana.

j * · ,·, 25 Lisäksi keksintö mahdollistaa ulkoisten virhelähteiden i t eliminoinnin hyötysignaalin mittaustulosten tarkkuuden parantamiseksi.

I 1 *

Edelleen keksinnön mukainen menetelmä ja laite ovat helposti muunneltavia ja keksinnössä toteutet-30 tava korjauslaskenta voidaan toteuttaa kulloinkin par- ;·' haiten sopivassa mittaus- ja laskentavaiheessa.

» I I ·

/ , KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS

% · ,**. Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityis- 35 kohtaisen sovellusesimerkin avulla viittaamalla ohei- t i * seen piirustukseen, joka esittää kaaviomaisesti erästä » » * ·...* keksinnön mukaista mittauslaitejärjestelyä.

10 113564

Seuraavassa kuvataan yksityiskohtaisesti keksinnön eräs toteutustapa. Piirustuksessa esitetään periaatteellisella tasolla keksinnön mukainen mittausjärjestely, johon kuuluu lähetinosa glt ..., gn ja vas-5 taanotinrakenne, johon kuuluu joukko vastaanottimia 1, K. Piirustuksessa esitetään ainoastaan yksi vastaanotinantenni, mutta ammattimiehelle on selvää miten useamman antennin järjestely toteutetaan piirustuksen mukaisena. Vastaanottimella mitataan lähetinsignaalien 10 clk, c2k, ..., cNk ja mahdollisen häiriön i]k amplitudit. Signaalien merkinnöissä parametri k viittaa yhdestä lähetetystä signaalista saatavaan k mittaustulokseen johtuen siitä, että kukin signaali vastaanotetaan lähtökohtaisesti k.-11a vastaanottimella.

15 Lisäksi piirustuksessa esitetään lähettimiä ohjaava takaisinkytkentä AGC, jolle syötteenä on lopulliset mitatut signaaliamplitudit i^. Saatujen amplitudien perusteella takaisinkytkentä ohjaa lähettimien lähetystehoa niin, että signaali-kohinasuhde pysyy ko-20 ko ajan halutulla tasolla parhaan mahdollisen mittaustuloksen saavuttamiseksi. Edelleen piirustuksessa esitetään suodatin AF, joka on järjestetty vastaanottimi- * en 1, ..., k, ja mittauslaitteen lähdön väliin lähetti-millä lähetettyjen signaalien suodattamiseksi varsi-25 naisesta hyötysignaalista sk(t).

* t . ·«, Mittausjärjestelyssä on siis edellä esitetyn mukaisesti K vastaanotinta sisältävä mittalaite, jota ... eksitoidaan samanaikaisesti N:llä paikannettavaan kap- ·** paleeseen kiinnitetyllä signaalilähteellä g. Vastaan- 30 ottimella k kerätään signaalia aikavälin T yli, ja eri lähettimiin g liittyvien signaalikomponenttien e^t), » · · ..., eM(t) (M > N kun halutaan estimoida lähetinsignaa-.·. : leista muitakin kuin niiden peruskomponentteja 1, ..., ,·>, N) amplitudien mittaamista varten projisoidaan aluksi 35 eri ajanhetkiltä kerätyistä signaaliarvoista koostuva ·.:.* signaalivektori eri taajuuksia vastaaville

I · I

:it>: kantavektoreille sekä näiden kanssa samalla taajuudel- 113564 11 la oleville kantavektoreille, joilla on noin 90 asteen vaihe-ero edellisiin kantavektoreihin nähden.

Piirustuksessa projektioiden laskemista on kuvattu jatkuvien funktioiden tapaan mitatun signaalin 5 ja kantafunktioiden tulojen määrätyillä integraaleilla ajan T yli. Huomattakoon, että digitaalisessa toteutuksessa käytetään integroinnin tilalla numeerisena integrointina summausta, joka on oikeastaan jatkuva-muotoisen integroinnin estimaatti. Digitaalinen toteu-10 tus ei kuitenkaan mitenkään ole rajattu pois esillä olevan keksinnön sovellusmahdollisuuksista.

Haluttaessa integrandia voidaan painottaa jollakin ikkunafunktiolla w. Projisoinnin jälkeen saatu M-ulotteinen projektiovektori u korjataan matrii-15 silla F2, joka on (M x M) - ulotteinen kantavektoreista riippuva matriisi siten, että u = F2*u, jolloin u on lähetinsignaalien ja näiden kanssa 90 astetta eri vaiheessa olevien identtisten signaalien sekä muiden estimoitavien aaltomuotojen amplitudikertoimet sisältävä 20 vektori.

Korjauksen muodollinen matemaattinen perustelu on seuraavanlainen. Merkitään eri ajanhetkillä mi-tatuista signaaliarvoista koostuvaa signaalivektoria :.· : s:llä ja kantavektorit vaakavektoreina sisältävää mat- j 25 riisiä E:llä, jolloin mitattu signaali on muotoa s = ET*u, josta saadaan pseudoinverssiratkaisu u = inv (E*ET) *E*s = inv(E*ET)*u, missä T viittaa matriisin transpoosiin ja inv() matriisin käänteismatriisiin. Tällöin matriisi F2 = inv(E*ET) ja F2 on , 30 yksikkömatriisi. Epäortogonaalisuuden vaatima korjaus ;;; voidaan tehdä myös yksin kantavektoreille käyttämällä « t *·;·' matriiseja Fx = inv(E*ET)*E ja F2 = yksikkömatriisi tai yhdessä sekä kantavektoreille että projektiovektorille siten, että F1 ja F2 yhdessä muodostavat korjausoperaa-35 tion. Eri kanavilla mitattujen signaaliamplitudien pe- rusteella voidaan laskea kappaleiden suhteellinen paikka tai asento tai molemmat.

i » · 113564 12

Matriisit F1 ja F2 ovat samat kaikille K: lie vastaanottimelle, joten ainoastaan projektiovektori u täytyy laskea erikseen eri vastaanottimille, ja täten lähetinsignaalien epäortogonaalisuudesta johtuva lisä-5 laskennan määrä on erittäin pieni. Eri kanavilla mitattujen signaaliamplitudien perusteella voidaan laskea kappaleiden suhteellinen paikka tai asento tai molemmat .

Koska laitteella pystytään mittaamaan mieli-10 valtaisten signaalikomponenttien amplitudit, voidaan edellä mainitussa kuvauksessa käytetyt paikallaan pysyvän kappaleen synnyttämät signaalit korvata laajemmalla joukolla kantavektoreita, jotka pystyvät esittämään liikkuvan kappaleen synnyttämät aaltomuodot. Lii-15 kettä voidaan mallintaa esimerkiksi amplitudimoduloi- malla alkuperäistä signaalia vakiosta poikkeavilla aaltomuodoilla. Näin voidaan liikkuvakin kappale paikantaa tarkemmin ja siten ottaa huomioon mittauksen aikana kappaleen liikkeestä johtuva signaaliamplitudi-20 en muutos.

Suodatin AF vähentää kullakin ajanhetkellä mitatusta signaalista lähetinsignaalien cx, ..., cN ja ’.V näiden ajassa siirrettyjen vastineiden amplitudit, jo- 1,· f ten lähettimien signaaleihin perustuva paikannusmitta- : : : 25 us ei häiritse yhtäaikaista varsinaista mittausta.

Takaisinkytkentä AGC toteutetaan laskemalla kunkin mitatun lähetinsignaalin RMS-arvot aikaväliltä ···, T yli vastaanotinjoukon 1...K ja säätämällä tämän pe rusteella yksittäisten lähettimien lähetystehoa siten, 30 että estimoitujen signaalikomponenttien maksimi yli ;; vastaanotinjoukon pysyy suunnilleen vakiona.

'··' Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitet- ’·.· tyjä sovellusesimerkkejä koskevaksi, vaan monet muun- .·**. nokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimus- *, 35 ten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (16)

1. Menetelmä kappaleen paikan ja/tai asennon määrittämiseen ennalta määrätyssä koordinaatistossa, jossa menetelmässä kappaleeseen on järjestetty joukko 5 signaalilähteitä kappaleen koordinaatiston suhteen tunnetusti ja jossa lähetetään signaalilähteistä ennalta määrättyä signaalia, vastaanotetaan vastaanottimella, johon kuuluu 10 ainakin yksi signaalivastaanotin, signaalilähteistä lähetetty signaali, ja lasketaan kappaleen paikka ja/tai asento vastaanotettujen signaalien amplitudien perusteella, tunnettu siitä, että 15 määritetään kustakin lähettimestä vastaan otettujen signaalien amplitudit käyttämällä hyväksi kunkin lähetteen tunnettua aaltomuotoa ja korjaamalla aaltomuotojen korrelaatiosta aiheutuva virhe ratkaisemalla amplitudit saatavasta lineaarisesta ongelmasta, 20 määritetään jokainen signaalilähde erillisenä riippumattomista amplitudeista, ja .. lasketaan kappaleen paikka tarkasteltavalla aikavälillä signaalilähteisiin liittyvien riippumatto-’** ' mien amplitudijakaumien perusteella sovittamalla sig- : 25 naalilähteiden laskennalliset amplitudit vastaanotti- :t(,! mella mitattuihin amplitudeihin. *:"i

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, ;‘tunnettu siitä, että • · · sovitetaan amplitudit siten, että asetetaan 30 signaalilähteiden ja/tai vastaanottimen geometriset * vapaat parametrit arvoihin, joilla laskettujen ja mi-T tattujen amplitudijakaumien välinen ero on pienimmil- * t lään, : : lasketaan signaalilähteiden paikka sekä kap- 35 paleen että mittalaitteen koordinaatistossa vapaille .‘li parametreille asetetuista arvoista, ja 113564 14 lasketaan kappaleen paikka ja/tai asento vastaanottimen suhteen käyttämällä signaalilähteiden tunnettuja paikkoja.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, 5 tunnettu siitä, että yksittäisen signaalilähteen määrittämiseksi: muodostetaan signaalilähdekohtaisesti estimoitavan signaalin ja vastaanottimella vastaanotetun signaalin tulo, 10 integroidaan tulot ennalta määrätyn ajan T yli alustavan mittaustuloksen saamiseksi signaalilähteiden lähettämien signaalien mitatuille amplitudeille, ja muodostetaan alustavan mittaustuloksen ja 15 korjauskertoimen tulo, jossa korjauskerroin on eri signaalilähteistä lähetettyjen signaalien välistä korrelaatiota kuvaava suure, vastaanotetun signaalin amplitudin saamiseksi signaalilähdekohtaisesti.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, 20 tunnettu siitä, että muodostetaan estimoitavan signaalin, korjauskertoimen ja vastaanotetun signaalin tulo, jossa korjauskerroin on eri signaalilähteistä lähetettyjen sig- ,* ; naalien välistä korrelaatiota kuvaava suure, ja t * · j 25 integroidaan tulot ennalta määrätyn ajan T yli mittaustuloksen saamiseksi signaalilähteiden lä- i * · hettämien signaalien mitatuille amplitudeille.

··*, 5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että , 30 muodostetaan estimoitavan signaalin ja väli- • 4 I ;;; tun kertoimen signaalitulo, ···’ muodostetaan saadun signaalitulon ja vastaan- ;*·,· otetun signaalin tulo, integroidaan tulot ennalta määrätyn ajan T *, 35 yli alustavan mittaustuloksen saamiseksi signaaliläh- teiden lähettämien signaalien mitatuille amplitudeil-le, 113564 15 muodostetaan alustavan mittaustuloksen ja korjauskertoimen tulo, jossa korjauskerroin on eri signaalilähteistä lähetettyjen signaalien välistä korrelaatiota ja valitun kertoimen vaikutusta kuvaava 5 suure, vastaanotetun signaalin amplitudin saamiseksi signaalilähdekohtaisesti.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 3-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että painotetaan tulot ikkunafunktiolla w.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähetetään signaalilähteistä sinimuotoista signaalia; ja että käytetään laskennassa estimoituna signaalina 15 lähes samanmuotoista signaalia kuin lähetetty signaa li.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään laskennassa toista lähetetyn signaalin kanssa samalla taajuudella olevaa 20 signaalia, jolla on vaihe-ero estimoituun signaaliin nähden.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, : tunnettu siitä, että lähetetään signaalit saman- ; aikaisesti kultakin signaalilähteeltä. • 25

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että iit_; vastaanotetaan vastaanottimella hyötysignaa- ... lia, ja suodatetaan signaalilähteellä lähetetyt sig-30 naalit hyötysignaalista.

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että estimoidaan signaaleja, jot- : ka vastaavat ennalta määrätyllä tavalla liikkuvaan kappaleeseen kiinnitettyjen signaalilähteiden signaa-'!* 35 leita kappaleen liikkeen estimoimiseksi.

12. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukai- ^ · nen menetelmä, tunnettu siitä, että toistetaan 113564 16 kappaleen paikan ja/tai asennon määritys kappaleen suhteellisen paikan määrittämiseksi toistamalla ajallisesti päällekkäisiä mittausjaksoja.

13. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, 5 tunnettu siitä, että käytetään estimoituna signaalina tunnettujen häiriölähteiden signaalimuotoja.

13 113564

14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetaan takaisinkytkentä saaduista amp-10 litudeista signaalilähteisiin, ja ohjataan signaalilähteiden lähetystehoa ta-kaisinkytkennällä.

15. Jonkin patenttivaatimuksista 1-14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 15 vähennetään mitatuista signaaleista lasketut signaalit, ja tarkennetaan mittaustulosta jäljelle jäävän signaalin avulla.

16. Jonkin patenttivaatimuksista 1-15 mu-20 kainen menetelmä, tunnettu siitä, että estimoidaan yksi tai useampi signaali, joka poikkeaa signaalilähteiden tai tunnettujen häiriöläh-teiden signaaleista, ja :,· · tarkennetaan paikannustulosta saadun mittaus- i 25 tuloksen avulla. » · • · » * # * · • * t ! * t * · * » » * * » * » i7 1 13564