JP2003526099A

JP2003526099A - 磁界を使用して対象物の位置または向きを決定するための方法ならびに対応するデバイス

Info

Publication number: JP2003526099A
Application number: JP2001565960A
Authority: JP
Inventors: ブリュノ・フラマン; ブノワ・ドルボー
Original assignee: コミツサリアタレネルジーアトミーク
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2003-09-02
Also published as: FR2806158B1; FR2806158A1; US20030151401A1; US6898548B2; EP1261839A1; WO2001067034A1

Abstract

(57)【要約】本発明は、磁界を使用して空間内における対象物の位置または向きを決定するための方法、ならびに、対応デバイスに関するものである。磁界源（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3 ）によって生成された磁界は、例えば擬似ランダム２値シーケンスによってコード化される。これにより、対象物に対して固定されたセンサ（２０）においては、様々な磁界源からのそれぞれの寄与を識別することができる。センサ（２０）が固定されている対象物の位置または向きは、これら各寄与に基づいて決定することができる。本発明は、遠隔制御や、位置決めや、セキュリティや、医療分野、に応用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明の目標は、磁界を使用して対象物の位置または向きを決定するための方
法、ならびに、対応するデバイスである。

【０００２】追求すべき位置は、横座標や縦座標やサイド等とすることができ、向きは、上
下方向角度や横揺れ角度や偏揺れ角度等がある。対象物は、ボディや装置やデバ
イスや人体や動物の体等とすることができ、ボディや装置やデバイスや人体や動
物の体等の一部とさえすることができる。

【０００３】本発明は、多数の応用を有している。次のものを例示することができる。 −工業的応用。例えば、遠隔制御、セキュリティ、装置の位置決め、正確な位
置決定、等。 −遠隔制御目的物を必要とするマルチメディア応用。 −シミュレーション応用（フライトシミュレータ、等）。 −レジャー応用。例えば、可動体（頭部、手、指、ボディ、顔の表情、アクセ
サリ、等）の捕獲を必要とするリアルタイムゲーム。 −コンピュータ合成画像の製造における応用や、ビデオゲームの編集における
応用。例えば、人のアニメーション（人や動物やアクセサリの移動の捕獲）、ボ
ディ変形移動の捕獲、３次元環境のリアルタイム制御。 −医療応用。例えば、人体内に導入されたプローブや内視鏡やカテーテルなど
の位置の計測、手術のシミュレーション、解剖学的構造内における案内。 −生化学的応用。例えば、ヒトや動物の移動の解析。

【０００４】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】

磁界を使用して対象物の位置または向きを決定するという方法は、既に公知で
ある。例えば、仏国特許出願公開明細書第２５８６３０２号には、対象物に対
して、交流発電機によって励起されたコイルによって構成された磁気双極子を付
与することが開示されている。さらに、対象物が位置しているであろう空間内に
おいて測定を行うためのアセンブリが利用可能であり、各アセンブリは、周囲磁
界の軸に沿った成分を測定し得るような方向性磁力計を備えている。複数の軸に
沿った複数の磁界成分は、このようなアセンブリを使用して、測定結果の関数と
して測定され、双極子の起源の座標、および、双極子モーメントの配向角度が、
計算される。

【０００５】この構成は、また、対象物上にセンサを固定することによって、および、双極
子を空間内に固定的に配置することによって、反転させることもできる。

【０００６】このタイプの技術は、ある種の不明確さを解消するために複数の磁界源を使用
しなければならない場合には、困難となる。そのような場合には、測定範囲の全
体にわたっての各磁界源の分布を認識できなければならない。この認識を可能と
するために、以下の２つの技術が提案されている。

【０００７】米国特許第３，９８３，４７４号明細書においては、一度に１つの磁界源に対
して（あるいは、既知の１組をなす複数の磁界源に対して）のみ電力を供給して
、多重化を行う。これにより、電力が供給された１つの磁界源（あるいは、電力
が供給された１組をなす複数の磁界源）の影響だけを測定することができる。存
在している磁界源の数と同じだけの電力入力を行うことにより（あるいは、複数
の磁界源からなる独立の組合せグループの数と同じだけの電力入力を行うことに
より）、各磁界源によって生成された磁界の値を逆算することができる。しかし
ながら、この方法は、計算頻度が小さくなってしまうという欠点を有している。
それは、対象物の位置を探そうとするたびごとに電力供給シーケンスを実施する
必要があるからである。磁界源の数が大きくなればなるほど、シーケンスにかか
る時間がどんどん長くなってしまう。その結果、磁界源の数が大きくなればなる
ほど、運動パラメータの一時的変動に対する許容可能パスバンド幅が小さくなっ
てしまう。

【０００８】国際特許出願明細書第０５７６８号においては、互いに異なる複数の周波数
キャナルが使用される。Ｎ個の磁界源が使用されている場合、方法を実施する空
間内において、Ｎ個の自由周波数が利用可能でなければならない。これは、擾乱
のある環境下では困難である。さらに、この多周波数技術は、原理的に、連続磁
界を使用したシステムにおいては使用することができない。加えて、この技術は
、システムの周波数に近い周波数で動作する寄生源によって干渉を受けやすい。

【０００９】本発明の目的は、上記欠点を正確に克服することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

この目的のために、本発明は、各磁界源に対して、各磁界源のそれぞれに個別
のコードを使用して識別符号を割り当てることを提案する。このコードは、磁界
の起源をセンサ内において識別することができそれにより様々な磁界源からの様
々な寄与を解読することを可能とするような、いわば『署名』を構成する。

【００１１】より詳細には、本発明の目的は、空間内における対象物の位置または向きを決
定するための方法であって、 −対象物が位置するであろう空間全体内において、Ｎを１以上の整数としたと
きにＮ個の磁界源を使用して磁界を生成し； −対象物に磁気センサを設置し； −磁気センサからもたらされた信号を処理することによって、Ｎ個の磁界源の
各々からの寄与を決定し、これに基づき、対象物の位置または向きを決定する；という方法において、 −各磁界源によって生成された磁界を、各磁界源にとって個別のコードを使用
してコード化し、この場合、互いに異なるＮ個の磁界源に対してそれぞれ割り当
てられる互いに異なるＮ個のコードを、２つずつが直交する（あるいは、ツーバ
イツーで直交する、two by two orthogonal）ものとし； −Ｎ個の磁界源からのそれぞれＮ個の寄与を、各磁界源に対して使用されてい
るＮ個のコードに対応して解読することによって、獲得する；ことを特徴とする方法である。

【００１２】磁気センサとは、磁界の１つまたは複数の成分またはそれらの比率を測定する
ための任意の適切な手段を意味している。『送出された信号』とは、センサから
送出された信号を意味している。

【００１３】好ましくは、Ｎ個の磁界源に対して使用されるＮ個のコードは、２つずつが直
交するＮ個の擬似ランダム２値シーケンスから構成され、解読は、相関処理によ
って行われる。擬似ランダム２値シーケンスは、周期的ではないような０と１と
からなるシリーズ（あるいは、−１と１とからなるシリーズ）から構成される。
このシーケンスの各素子は、持続時間Ｔｃを有している。シーケンスの長さＴｓ
は、任意のものとすることができるものの、所定のものとされる。シーケンスは
、すべての磁界源において同一である。シーケンスをなす素子の数は、ＴｓをＴ
ｃで割算した商である。

【００１４】生成される磁界は、電磁界の磁気成分とすることができる。この場合には、複
数の磁界源は、電磁界源とされる。

【００１５】本発明の他の目的は、上記方法を実施するためのデバイスである。このデバイ
スは、上記方法において規定された処理を行うのに適した手段を具備している。

【００１６】本発明の上記定義においては、『位置または向き』という表現において使用さ
れている接続詞『または』は、包含的なものである。すなわち、対象物の位置ま
たは向きのいずれかを決定する場合と、対象物の位置と向きとの双方を同時に決
定する場合と、の双方を包含している。

【００１７】

【発明の実施の形態】

以下の説明においては、擬似ランダム２値シーケンスからなるコードを使用し
ている。しかしながら、本発明は、この特別の例示に限定されるものではなく、
ある種の操作に関連してある種の直交性を互いに有しているようなすべての複数
のコードをも包含している。擬似ランダムシーケンスの場合には、この操作は、
相関であって、信号処理においては頻繁に行われるようなものである。

【００１８】図１は、供給回路（Ａi ）およびコイル（Ｂi ）を備えている磁界源（Ｓi ）
を示している。添字（ｉ）は、１〜Ｎ（各境界値を含む）という範囲を示してい
る。

【００１９】供給回路（Ａi ）は、電流源（１０）と、擬似ランダムシーケンス発生器（１
２）と、積算器（１４）と、搬送波発生器（１６）と、積算器（１８）と、を備
えている。電流源（１０）によって生成された電流は、ａi（ｔ）によって示さ
れており、擬似ランダムシーケンス発生器（１２）からのシーケンスは、ｓｅｑ
i（ｔ）によって示されている。よって、積算器（１４）からの出力ｍi（ｔ）
は、ｍi（ｔ）＝ａi（ｔ）×ｓｅｑi（ｔ）である。

【００２０】シーケンスｓｅｑi（ｔ）は、各磁界源に対してそれぞれ個別のものとされて
いる。複数の磁界源を互いに識別可能とするために、相関操作のように、２つず
つが直交した一群のシーケンスを使用する。２値シーケンスがほぼ白色のスペク
トルパワー密度を有している場合には、磁界源によって生成された磁界のスペク
トルは、中心周波数（場合によっては、ゼロとすることができる）の周囲に広が
る。したがって、この技術は、広がりスペクトルと同様である。

【００２１】このようにして得られた信号ｍi（ｔ）は、その後、積算器（１８）において
、発生器（１６）からもたらされた搬送波ｐ（ｔ）によって変調される。これに
より、最終的な電流ｓi（ｔ）が、ｓi（ｔ）＝ｍi（ｔ）×ｐ（ｔ）として得ら
れる。

【００２２】搬送波ｐ（ｔ）は、好ましくは、すべての磁界源に対して同一のものである。
電流ｓi（ｔ）は、コイル（Ｂi ）に対して供給される。これにより、コイル（
Ｂi ）は、使用されたシーケンスによってコード化された磁界（Ｈi ）を生成す
る。

【００２３】電流源（１０）によってもたらされた電流の強度ａi（ｔ）は、一定のものと
することも、わずかに可変のものとすることも、できる。後者の場合、最適の信
号雑音比が得られるように磁界の強度を制御することができる。この点に関して
は、国際特許出願第９６／４１１１９号に記載された技術を使用することができ
る。

【００２４】このようにして構成された磁界源Ｓi（添字ｉは１〜Ｎ）は、位置決めすべき
対象物が位置しているであろう空間内にわたって広げられる。これら磁界源は、
この空間内の各ポイントにおいて、磁界を生成する。この磁界は、各ポイントに
おいて生成された各磁界（Ｈi ）の合計である。この合計磁界は、各ポイントに
対して明確に関連づけられていなくてはならない。複数の磁界源によってこの結
果を得ることができ、不明確さを排除することができる。

【００２５】図２は、各ポイントにおける磁界測定手段、および、磁界測定方法を示してい
る。この磁界測定手段は、第１に、その位置または向きを測定しようとしている
対象物上に固定された磁気センサ（２０）を備えている。この磁気センサ（２０
）は、様々な磁界源によって生成されたすべての磁界（Ｈi ）を受領する。この
磁界センサは、方向性を有している。すなわち、Ｍ個の方向（例えば、互いに直
角をなす３面Ｏｘｙｚによって定義された３つの方向）に沿って磁界を検知する
ことができる。原理的には、３つの方向で十分である。しかしながら、ある種の
冗長度を得るために、４つ以上の方向を使用することもできる。よって、このセ
ンサは、Ｍ個の信号Ｃj（ｔ）を送出する。ここで、添字ｊは、範囲を表してい
る（ｊは、１〜Ｍ）。磁界測定手段は、さらに、複数の処理回路（ＣＴi,j ）を
備えている。各処理回路は、搬送波発生器（３２i,j ）と、積算器（３４i,j ）
と、擬似ランダムシーケンス発生器（３６i,j ）と、積算器（３８i,j ）と、を
備えている。搬送波発生器（３２i,j ）によって生成された搬送波ｐ（ｔ）は、
信号Ｃj（ｔ）を変調するために使用される。擬似ランダムシーケンス発生器（
３６i,j ）からのシーケンスは、パラメータｉという磁界源において使用されて
いるシーケンスｓｅｑi（ｔ）に対応した擬似ランダムシーケンスｓｅｑi（ｔ
）をもたらす。積算器（３８i,j ）は、信号を解読し、パラメータｉという磁界
源に対応しかつセンサによって測定された磁界の成分ｊに対応した信号ｓi,j（
ｔ）を送出する。

【００２６】これにより、変調解除され解読されたＭ×Ｎ個の信号ｓi,j（ｔ）（ｉは１〜
Ｎ、ｊは１〜Ｍ）が、評価回路（４０）に対して供給される。これにより、対象
物の位置または向きがもたらされる、あるいは、対象物の位置および向きがもた
らされる。

【００２７】図３は、３つの磁界源と、３つの方向Ｏｘ，Ｏｙ，Ｏｚに沿った３つの磁界成
分を測定する１つのセンサと、を使用した実施形態を示している。よって、Ｎ＝
３であり、Ｍ＝３である。すなわち、３個の直交擬似ランダムシーケンスを使用
して、９個の変調解除・解読処理を行っている。

【００２８】図３のアセンブリは、以下のものを示している。 −３つの磁界源（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3 ）。磁界源は、供給回路（Ａ1，Ａ2，Ａ3）お
よびコイル（Ｂ1，Ｂ2，Ｂ3 ）を備えている。 −図示されていない対象物上に固定された磁気センサ（２０）。この磁気センサ
は、方向性を有しており、磁界全体の３つの軸Ｏｘ，Ｏｙ，Ｏｚに沿った３つの
成分を表す３つの信号Ｃx（ｔ），Ｃy（ｔ），Ｃz（ｔ）を送出する。 −それぞれ対応する信号Ｃx（ｔ），Ｃy（ｔ），Ｃz（ｔ）を受領する３つの処
理回路３０x，３０y，３０z 。各処理回路は、図２に示された処理回路ＣＴi,j
と類似の３つの回路を備えている。つまり、Ｏｘに沿った成分に関しては、ＣＴ
1,x，ＣＴ2,x，ＣＴ3,x という３つの回路を備えている（図３においては、処理
回路３０x だけが詳細に図示されている）。 −受領した３×３＝９個の信号から対象物の位置または向きを決定する（あるい
は、位置と向きとの双方を決定する）アセンブリを使用した回路（４０）。

【００２９】上記の説明においては、磁界源の数を３とした。しかしながら、この構成は、
本発明を限定するものではない。場合によっては、ただ１つの磁界源だけを使用
することもできる。その場合には、コードは、困難な周囲媒体内における磁界検
出を容易とするように作用する。相関を常に実施することができ、有効な磁界と
、コード化−コード解除を行わない場合には測定を混乱させてしまうような寄生
磁界と、を識別することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】識別用擬似ランダムシーケンスによってコード化されかつ搬送波
によって変調された磁界の生成を示す図である。

【図２】対応した変調解除処理および解読処理を示す図である。

【図３】本発明による方法を使用した実施態様を概略的に示す図である。

【符号の説明】

１２擬似ランダムシーケンス発生器（コード化手段）１６搬送波発生器２０磁気センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F063 AA04 BA22 BA29 BA30 BD15 CA08 CA40 DA01 DA05 DA08 DD04 GA01 KA02 LA30 NA07 4C060 MM24 4C167 AA01 AA31 BB39 BB44 BB61 BB62 CC04 EE01 EE20 GG31 HH11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空間内における対象物の位置または向きを決定するための方
法であって、 −対象物が位置するであろう空間全体内において、Ｎを１以上の整数としたと
きにＮ個の磁界源（Ｓi ）を使用して磁界（Ｈi ）を生成し； −前記対象物に磁気センサ（２０）を設置し； −該磁気センサ（２０）からもたらされた信号（Ｃi（ｔ））を処理すること
によって、Ｎ個の前記磁界源（Ｓi ）の各々からの寄与を決定し、これに基づき
、前記対象物の位置または向きを決定する；という方法において、 −前記各磁界源（Ｓi ）によって生成された前記磁界（Ｈi ）を、各磁界源に
とって個別のコードを使用してコード化し、この場合、互いに異なるＮ個の磁界
源に対してそれぞれ割り当てられる互いに異なるＮ個のコードを、２つずつが直
交するものとし； −前記Ｎ個の磁界源からのそれぞれＮ個の寄与を、各磁界源に対して使用され
ているＮ個のコードに対応して解読することによって、獲得する；ことを特徴とする方法。
【請求項２】請求項１記載の方法において、Ｎ個の前記磁界源に対して使用されている前記Ｎ個のコードを、２つずつが直
交するＮ個の擬似ランダム２値シーケンス（ｓｅｑi（ｔ））とし、前記解読を、相関処理によって行うことを特徴とする方法。
【請求項３】請求項２記載の方法において、前記各磁界源に対して、さらに正弦波変調を行い、前記処理に際しては、対応する変調解除処理を行うことを特徴とする方法。
【請求項４】請求項１記載の方法において、前記磁気センサ（２０）内において、Ｍを１以上の整数としたときに互いに異
なるＭ個の方向（Ｏｘ，Ｏｙ，Ｏｚ）に沿ったＭ個の磁界成分を測定し、該Ｍ個の磁界成分の各々について、Ｎ個の解読を行うことにより、前記Ｍ個の
磁界成分に各々に対しての前記Ｎ個の磁界源（Ｓi ）からのＮ個の寄与を決定す
ることを特徴とする方法。
【請求項５】請求項１記載の方法において、前記複数の磁界源を電磁界源とすることによって、前記複数の磁界源によって
生成される磁界を、電磁界の磁気成分とすることを特徴とする方法。
【請求項６】請求項１に記載された方法を使用して空間内における対象物
の位置または向きを決定するためのデバイスであって、 −Ｎを１以上の整数としたときに、対象物が位置するであろう空間全体内に配
置される、磁界（Ｈi ）を生成するためのＮ個の磁界源（Ｓi ）と； −前記対象物に設置される磁気センサ（２０）と； −該磁気センサ（２０）からもたらされた信号（Ｃj（ｔ））を処理するため
の処理手段であって、Ｎ個の前記磁界源（Ｓi ）の各々からの寄与を決定し、こ
れに基づき、前記対象物の位置または向きを決定する処理手段と；を具備してなり、さらに、 −前記各磁界源（Ｓi ）によって生成された前記磁界（Ｈi ）を、各磁界源に
とって個別のコードを使用してコード化するコード化手段であって、互いに異な
るＮ個の磁界源に対してそれぞれ割り当てられる互いに異なるＮ個のコードを２
つずつが直交するものとしている、コード化手段と； −Ｎ個の前記コードを使用して解読することによって、前記Ｎ個の磁界源から
のそれぞれＮ個の寄与を獲得するための解読手段と；を具備していることを特徴とするデバイス。
【請求項７】請求項６記載のデバイスにおいて、Ｎ個の前記磁界源に対して使用されている前記Ｎ個のコードが、２つずつが直
交するＮ個の擬似ランダム２値シーケンス（ｓｅｑi（ｔ））から構成され、前記解読手段が、相関処理を行う手段であることを特徴とするデバイス。
【請求項８】請求項７記載のデバイスにおいて、前記各磁界源が、搬送波発生器（１６）を備え、前記処理手段が、対応する変調解除手段であることを特徴とするデバイス。
【請求項９】請求項６記載のデバイスにおいて、前記磁気センサ（２０）が、Ｍを１以上の整数としたときに互いに異なるＭ個
の方向（Ｏｘ，Ｏｙ，Ｏｚ）に沿ったＭ個の磁界成分を測定し、前記処理手段が、前記Ｍ個の磁界成分の各々について、Ｎ個の解読を行うこと
により、前記Ｍ個の磁界成分に各々に対しての前記Ｎ個の磁界源（Ｓi ）からの
Ｎ個の寄与を決定するための手段を備えていることを特徴とするデバイス。