JP3885318B2

JP3885318B2 - Magnetic 3D digitizer

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Publication number: JP3885318B2
Application number: JP29989197A
Authority: JP
Inventors: 昇一岡村; 正知貝野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2017-10-31
Also published as: JPH11132704A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、可動体の現在座標を時々刻々測定する磁気式３次元ディジタイザに係り、特に可動体の現在座標の測定に必要な磁場データの採取時間を短くするための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気式３次元ディジタイザは、例えば、操縦中のパイロットの頭部（可動体）の動きをリアルタイムで捕捉したり、脳外科手術中の手術器具の先端部（可動体）の動きをリアルタイムで捕捉したりするのに用いられている。パイロットの頭部の動きを捕捉する場合について言えば、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）を装着した戦闘機パイロットは、半透明バイザーを通して見える外界情報と、半透明バイザーに映し出される各種情報を同時に確認しながら操縦を行うのであるが、パイロットが被っているヘルメットには３次元ディジタイザの受信アンテナ（磁気センサ）が取り付けられていて、この受信アンテナから出力される磁場検出信号に基づきパイロットの頭部の動きが捕捉される。
【０００３】
つまり、磁気式３次元ディジタイザの場合、パイロットから独立して設定された基準用不動座標系（基準用固定座標系）の定位置へ設置されているとともにそれぞれ交流磁場を放射する３つの放射アンテナと、パイロットのヘルメット上に設定されてヘルメットの動きに従って変動する可動座標系の定位置においてヘルメットに対し一体的に設置されているとともに放射アンテナからの交流磁場を受信する３つの受信アンテナとを備えていて、これら３つの放射アンテナと３つの受信アンテナは直交３軸のかたちで配置されており、受信アンテナから出力される磁場検出信号を解析処理することにより、パイロットの頭部の動き（位置・姿勢角の現在座標）を時々刻々求出するという構成となっている（米国特許４７３７７９４号明細書，特開昭５９−２１８５３９号公報参照）。
この３次元ディジタイザによるパイロット頭部の動きの捕捉結果は、例えばミサイルを敵機の方に向ける自動照準制御などに利用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の磁気式３次元ディジタイザは、測定速度が遅いという問題がある。測定速度が遅いのは座標の測定に必要なデータ採取に時間がかかるからであるが、データ採取時間が長い場合、データ採取中に測定対象に少なからぬ動きが生じるので、正確な現在座標が測定できず、十分な測定精度が得られない。以下、測定に必要なデータの採取に長い時間を要する点について、具体的に説明する。
【０００５】
図７に示すように、磁場ソースＡが基準用不動座標系であるＸＹＺ直交座標系の原点ＯへＺ軸に対して垂直に配置されている場合、磁場ソースＡによる点Ｐ（ｒ，φ，θ）での磁場Ｆａ（Ｆa-ｒ，Ｆa-φ，Ｆa-θ）は次の通りである。Ｐ（ｒ，φａ，θａ）は、図７に示すように、点Ｐの極座標（球面座標）表示であり、ｒは原点Ｏから点Ｐまでの距離，φａはベクトルＯＰのＺ軸からの変位角，θａはベクトルＯＰからＸＹ平面への投影ベクトルがＸ軸となす角である。なお、磁場ソースＡは、図８（ａ）に示すように、半径ｄ〔ｍ〕，電流ｉ〔Ａ〕の磁場ソースである。
Ｆa-ｒ＝２Ｋｃｏｓφａ／ｒ³，Ｆa-φ＝Ｋｓｉｎφａ／ｒ³，Ｆa-θ＝０
但し：Ｋ：（μ₀・ｉ・π・ｄ²）／４πである。
また、｜Ｆａ｜＝√（Ｆa-ｒ²＋Ｆa-φ²＋Ｆa-θ²）であるから、
｜Ｆａ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｃｏｓ²φａ）／ｒ³・・・（１）
【０００６】
ただ、磁場ソースＡだけでは測定対象の可動体の動きを一意に決定することは出来ない。そこで、３次元ディジタイザでは、図８（ｂ）および図８（ｃ）に示すように、磁場ソースＡの場合と同様にして、さらに磁場ソースＢがＸ軸と垂直に原点Ｏへ配置され、磁場ソースＣがＹ軸と垂直に原点Ｏへ配置されている。磁場ソースＢ，Ｃでの点Ｐの磁場Ｆｂ，Ｆｃはそれぞれ次の通りである。
これら３つの磁場ソースＡ〜Ｃから順番に交流磁場が発振されると同時に、可動体の現在座標における磁場が、可動体に取り付けられた３つの受信アンテナにより検出されるのである。
【０００７】
｜Ｆｂ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｃｏｓ²φｂ）／ｒ³
但し，φｂは図９に示すようにベクトルＯＰのＸ軸からの変位角である。
｜Ｆｃ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｃｏｓ²φｃ）／ｒ³
但し，φｃは図９に示すようにベクトルＯＰのＹ軸からの変位角である。
【０００８】
また、ｃｏｓφｂ＝ｓｉｎφａ・ｃｏｓθａであり、
ｃｏｓφｃ＝ｓｉｎφａ・ｓｉｎθａであるから、
｜Ｆｂ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｓｉｎ²φａ・ｃｏｓ²θａ）／ｒ³・・・（２）
｜Ｆｃ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｓｉｎ²φａ・ｓｉｎ²θａ）／ｒ³・・・（３）
【０００９】
（｜Ｆａ｜，｜Ｆｂ｜，｜Ｆｃ｜）でもって点Ｐの現在座標の情報が示されるのであるが、簡単のために｜Ｆａ｜による正規化を行って、｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜）のかたちで考えることができる。
そこで、受信アンテナから出力される磁場検出信号から求まる（｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜）の実測値と上記の関係式とに基づき解析を行うことにより、ＸＹＺ直交座標系の原点から見た可動体の現在位置の方向を規定するパラメータであるφａおよびθａを求出する。
しかし、求出されたφａおよびθａは、図１０に示すように、可動体の移動可能範囲である半球Ｑの中の４個の８分の１球Ｑａ〜Ｑｄのいずれでも取り得る値であるので、この段階のφａおよびθａはいずれの８分の１球のものかは未だ決まっておらず、厳密には候補であるに過ぎない。したがって、実際に可動体が実在する８分の１球を検出し、ＸＹＺ直交座標系の原点Ｏから見た点Ｐの方向を確定しなければならない。
【００１０】
この８分の１球の検出には、磁場ソースの中心軸では（｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜）が、必ず（０．５，０．５）となる性質を利用し、直交する３つの磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃから交流磁場を再び放射することになる。すなわち、各４個の８分の１球について、磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃによる合成磁場を使って、３軸のうち１軸は候補である（φａ，θａ）の方向に直交するよう新たな３つの直交磁場ソースＬ１，Ｍ１，Ｎ１を等価的に形成し、各磁場ソースＬ１，Ｍ１，Ｎ１から順に交流磁場を放射し、受信アンテナから出力される磁場検出信号に基づき実際に求めた（｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜）が、（０．５，０．５）となる場合の８分の１球が検出すべきものということになるのである。４個の８分の１球があるから、個々について各３つの磁場ソースを形成し、順に実際に交流磁場を発生させることになるので、磁場ソースＬ１〜Ｌ４，Ｍ１〜Ｍ４，Ｎ１〜Ｎ４の１２の磁場ソースの形成が必要となる。
【００１１】
そして、検出された８分の１球における点Ｐの磁場Ｆａは、（φａ，θａ）の方向に直交する磁場ソース（今は磁場ソースＬ１とする）の磁場ＦL1- ｒだけであり、ＦL1- φ＝ＦL1- θ＝０であるから、点Ｐの距離ｒも、ｒ＝（２・Ｋ÷ＦL1- ｒ）^1/3として、演算により直ちに求まる。
【００１２】
さらに、点Ｐにおける可動体の姿勢（ζ，λ，τ）が必要な場合、可動体の受信コイルで検出された磁場ＦL1- ｒ（＝ｘｆs,ｙｆs,ｚｆs ）は、その時の磁場ソースＬ１の磁場ＦL1（＝ｘｆ，ｙｆ，ｚｆ）と方向が同じであるから、下の式（４）に基づく演算により容易に求まる。
（ｘｆs,ｙｆs,ｚｆs)^T＝ＴτＴλＴζ（ｘｆ，ｙｆ，ｚｆ）^T・・（４）
但し：Ｔτはロール角度の回転，Ｔλは上昇角の回転，Ｔζは方位角の回転
【００１３】
上のように、従来の磁気式３次元ディジタイザの場合、必要な磁場データの採取のために、最低で６回（最初の磁場ソースＬ１，Ｍ１，Ｎ１で８分の１球の特定ができた時）、最大で１５回（最後の磁場ソースＬ４，Ｍ４，Ｎ４で８分の１球の特定ができた時）の交流磁場放射が必要となる結果、磁場データの採取時間がどうしても長くならざるを得ないのである。
【００１４】
この発明は、上記の事情に鑑み、可動体の座標の測定に必要な磁場データの採取時間の短縮を図ることができる磁気式３次元ディジタイザを提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
可動体の現在座標を時々刻々測定する３次元ディジタイザであって、測定対象である可動体から独立して設定された基準用不動座標系の定位置へ設置されているとともに交流磁場を放射する交流磁場放射手段と、可動体上に設定されて可動体の動きに従って変動する可動座標系の定位置において可動体に対し一体的に設置されているとともに交流磁場を受信する交流磁場受信手段と、磁場受信手段から出力される磁場検出信号に基づき可動体の現在座標を求出する座標解析手段とを備えている磁気式３次元ディジタイザにおいて、地磁気信号を検出する地磁気検出手段を備えるとともに、前記座標解析手段は、可動座標系での検出磁場と可動座標系での検出地磁気との間の対応関係である第１の対応関係を求出するとともに、可動座標系での検出磁場に対応する不動座標系での磁場として算出された算出磁場と、不動座標系での地磁気との対応関係である第２の対応関係を求出し、求められた第１の対応関係と第２の対応関係との二つの対応関係を比較する演算処理を行い、この演算処理された比較結果に基づいて基準用不動座標系の原点から見た可動体の現在位置の方向を確定する処理を行うように構成されている。
【００１６】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の磁気式３次元ディジタイザにおいて、磁場受信手段と地磁気検出手段とが共用するフラックスゲート型磁気センサを備えており、磁場受信手段が前記フラックスゲート型磁気センサにより交流磁場の受信を行うとともに、地磁気検出手段が前記フラックスゲート型磁気センサにより地磁気の検出を行うよう構成されている。
【００１７】
〔作用〕
次に、この発明の磁気式３次元ディジタイザ（以下、適宜「３次元ディジタイザ」と略記）による可動体の現在座標を時々刻々測定する際の作用について説明する。
この発明の３次元ディジタイザにより現在座標の測定を実行する場合、普通、測定前に地磁気検出手段を使って、基準用不動座標系での地磁気を予め測定し記憶保持しておく。
そして、測定が始まると、基準用不動座標系側に設置されている磁場放射手段から交流磁場が放射されるのに伴って、可動体側に設置された磁場受信手段により、可動座標系での検出磁場が得られるとともに、地磁気検出手段により可動座標系での検出地磁気も得られる。
【００１８】
可動座標系での検出磁場および検出地磁気が得られると、座標解析手段により、得られた検出磁場と検出地磁気の対応関係が求出される。
一方、座標解析手段により、可動座標系での検出磁場に対応する基準用不動座標系での磁場が演算により求められ、さらに求められた不動座標系での算出磁場と予め保持されている不動座標系での地磁気との対応関係が求出されるのに続いて、さらに求められた二つの対応関係を比較する演算が行われる。そして、二つの対応関係を比較した結果により、基準用不動座標系の原点から見た可動体の現在位置の方向を確定する。
【００１９】
このように、この発明の３次元ディジタイザでは、基準用不動座標系の原点から見た可動体の現在位置の方向を、従来のように合成磁場ソースによる交流磁場を使う代わりに地磁気を使って確定する構成となっており、合成磁場ソースからの磁場放射を伴う磁場データの採取が不要となるので、磁場データの採取時間が短縮されるのである。
加えて、合成磁場ソースからの磁場放射が必要なくなることから、合成磁場ソース形成用のハードウエアが必要なくなる。
【００２０】
また、請求項２の３次元ディジタイザでは、同じフラックスゲート型磁気センサが地磁気の検出と交流磁場の検出との両方を行う構成であることから、高感度センサであるフラックスゲート型磁気センサにより地磁気が正確に検出される。また、交流磁場と地磁気が同一のセンサで検出されるので、交流磁場と地磁気の検出が同一のセンサで行われない場合には生じる座標ズレが起こらない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施例を図面を参照しながら説明する。図１は実施例に係る磁気式３次元ディジタイザの全体構成を示すブロック図、図２は実施例の３次元ディジタイザに用いられている磁気センサの詳細構成を示す平面図である。
【００２２】
図１の３次元ディジタイザは、パイロットのヘルメット又は手術器具などの可動体１の現在座標として、位置を示す座標（ｒ，φ，θ）および姿勢角を示す座標（ζ，λ，τ）を時々刻々測定するディジタイザであり、測定対象である可動体１から独立して設定されたＸＹＺ直交座標系（基準用不動座標系）の定位置へ設置されているとともに交流磁場を放射する磁場ソース（交流磁場放射手段）Ａ，Ｂ，Ｃと、可動体上に設定されて可動体１の動きに従って変動するＸｓＹｓＺｓ直交座標系（センサ座標＝可動座標系）の定位置において可動体１に対し一体的に取り付け設置されているとともに交流磁場を受信する磁場センサ（交流磁場受信手段）ａ，ｂ，ｃとを備えている。
なお、上記の位置座標（ｒ，φ，θ）は極座標表示であり、姿勢（ζ，λ，τ）はオイラ角表示である。
【００２３】
磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃは、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すように、半径ｄ〔ｍ〕，電流ｉ〔Ａ〕であって、互いに直交するよう取り付けられた３つのコイルである。また、磁場センサａ，ｂ，ｃは互いに直交するよう取り付けられた３つの薄膜タイプのフラックスゲート型磁気センサで構成されている。そして、磁場センサａ，ｂ，ｃは交流磁場を検出するだけでなく、地磁気を検出する地磁気センサ（地磁気検出手段）も兼ねている。そのため、交流磁場と地磁気の検出が同一のセンサで行われない場合に生じる座標ズレを勘案（補正）する必要がない。
【００２４】
磁場センサａ〜ｃとして使われているフラックスゲート型磁気センサは、図２に示すように、パーマロイ製リングコア（強磁性体磁心）２１に１個の励振コイル２２と２個の受信コイル２３，２４が巻設された素子構成である。受信コイル２３，２４の方は、起電力が逆向きとなって互いに打ち消し合うように差動接続形態となっている。このフラックスゲート型磁気センサのリングコア２１やコイル２２〜２４は、いずれも薄膜で形成されており、絶縁基板２５の表面に薄膜蒸着およびフォトリソグラフィ技術によるパターン化を繰り返し実施することにより作製されていて、超小型化が可能である。
図２の磁気センサの磁気検出原理は従来のフラックスゲート型磁気センサのそれと同じである。なお、図１においては励振コイル２２の励起系構成の図示は省略してあるが、これも従来のフラックスゲート型磁気センサと同様の構成となっている。
【００２５】
磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃには、交流磁場励起用の発振部２〜４がそれぞれ接続されていて、発振部２〜４がコンピュータ（ＣＰＵ）５からの制御信号に従って順次に交流磁場の放射に必要な交流電力を磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃに供給する構成となっている。磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃから発振される交流磁場励の周波数は特定の周波数に限られるものではないが、例えば８０Ｈｚである。
【００２６】
一方、磁場センサａ，ｂ，ｃには磁場検出信号増幅用の増幅部６〜８がそれぞれ接続されていて、増幅部６〜８は磁場センサａ，ｂ，ｃから出力される磁場検出信号を増幅しＡＤ変換器９〜１１へ送出する。ＡＤ変換器９〜１１は磁場検出信号をディジタル化した後、解析を行うためにコンピュータ（ＣＰＵ）５へ送出する。
コンピュータ５は、プログラムメモリ１２に格納されている制御プログラムに従って磁場検出信号に基づく座標解析を実行し、可動体１の座標（ｒ，φ，θ）および姿勢（ζ，λ，τ）を求出する。つまり、この座標解析を実行するための手段（座標解析手段）は、コンピュータ５と制御プログラムを中心に構成されているのであるが、以下、具体的に説明する。
【００２７】
磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃから交流磁場が放射されるに伴って、図３に示すように、点Ｐを原点にとるＸｓＹｓＺｓ直交座標系（可動座標系）において、磁場Ｆａ〜Ｆｃが順に生じ、これらが磁場センサａ，ｂ，ｃによって検出されて磁場検出信号としてコンピュータ５へ送り込まれる。磁場検出信号を受け取ったコンピュータ５は、磁場検出信号から、改めて下記に示す先の（１）〜（３）式で表される｜Ｆａ｜，｜Ｆｂ｜，｜Ｆｃ｜を先ず求出する。
【００２８】
｜Ｆａ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｃｏｓ²φａ）／ｒ³・・（１）
｜Ｆｂ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｓｉｎ²φａ・ｃｏｓ²θａ）／ｒ³・・（２）
｜Ｆｃ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｓｉｎ²φａ・ｓｉｎ²θａ）／ｒ³・・（３）
【００２９】
続いて、｜Ｆａ｜による正規化を行って、（｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜）を算出し、（｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜）の実測値と上記の関係式とに基づき、ＸＹＺ直交座標系の原点から見た可動体１の現在位置の方向を示すφａおよびθａを求出する解析を次のようにして行う。
【００３０】
すなわち、図６に示すように、｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜＝０．５，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜＝０．５を原点として、｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜を縦軸にとり、｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜）を横軸として想定し、図の右肩に示すように１５°刻みで選定されたθａと、５°刻みで選定されたφａの各組み合わせそれぞれの｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜を全て算出しプロットする。そして、θａが同じ点を結ぶ線ＬＡ〜ＬＧを設定すると、線ＬＡ〜ＬＧの傾きがθａの増加に伴って順に増加するという相関関係となっている。また、φａが各線ＬＡ〜ＬＧの上において左側から右側へ０°〜９０°へと順に並ぶことになる。つまり、線ＬＡ〜ＬＧでは、｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜＝０．５，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜＝０．５である原点からの距離がφａの値を示していることになる。
【００３１】
今、求められた｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜に対応する図５の上の点ＦＰが、線ＬＣ，ＬＤの間にプロットされた場合、次のようにして、点ＦＰでのθａ，φａが求められる。まず両線ＬＣ，ＬＤと点ＦＰの離れ具合を勘案し点ＦＰの乗る線ＬＰを補間法で求めるとともに、線ＬＰの傾きを算出し、θａの変化と線ＬＡ〜ＬＧの傾きの変化との相関関係に基づく補間計算を行って、点ＦＰでのθａを求出する。
さらに、線ＬＰの上において、｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜＝０．５，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜＝０．５である原点と点ＦＰとの距離を算出し、直線ＬＣ，ＬＤにおける原点からの距離とφａの値との対応関係に基づく補間計算を行って、点ＦＰでのφａを求出する。
実施例のディジタイザの場合、図６に示される関係を持つ｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜とφａおよびθａの各データは、磁場強度比・角度対応データメモリ１３に予め算出・記憶されていて、解析の際に読みだされ、コンピュータ５により上の解析が進められ、φａ，θａが求出される。
【００３２】
そして、求出されたφａおよびθａは、図１０に示すように、可動体１の移動可能範囲である半球Ｑの中の４個の８分の１球Ｑａ〜Ｑｄのいずれでも取り得る値であるので、この段階のφａおよびθａはいずれの８分の１球のものなのかは未だ決まっていない。したがって、実際に可動体１が実在する８分の１球を検出する必要があるが、実施例の場合、従来とは異なり、地磁気を利用して８分の１球を検出することが構成上の特徴となっている。
以下の説明において、Ｖ〔ｎ〕はベクトルｎを意味するものとする。
【００３３】
実施例のディジタイザでは、磁場センサａ，ｂ，ｃからの磁場検出信号に基づき、磁場ベトクルＶ〔Ｆａ〕，Ｖ〔Ｆｂ〕，Ｖ〔Ｆｃ〕が得られる他、地磁気ベクトルＶ（Ｇａ）が測定される。地磁気ベクトルＶ（Ｇａ）は磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃの発振を止めた状態で磁場センサａ，ｂ，ｃにより簡単に測定することができる。そして、次の式（５）に従ってαs ，βs ，γs を求出する。
Ｖ（Ｇａ）＝αs Ｖ〔Ｆａ〕＋βs Ｖ〔Ｆｂ〕＋γs Ｖ〔Ｆｃ〕・・（５）
αs ，βs ，γs は可動座標系での検出磁場と可動座標系での検出地磁気との間の対応関係を示すパラメータである。
【００３４】
一方、４個の８分の１球Ｑａ〜Ｑｄそれぞれのφａおよびθａについて、測定により得られた磁場ベトクルＶ〔Ｆａ〕，Ｖ〔Ｆｂ〕，Ｖ〔Ｆｃ〕に対応する基準座標系の磁場ベクトルＶ〔ＦＡ〕，Ｖ〔ＦＢ〕，Ｖ〔ＦＣ〕を算出する（図４参照）。算出磁場ベクトルの数は、各８分の１球に３個づつ、計１２個である。
【００３５】
他方、実施例のディジタイザが備えている地磁気メモリ１４には、基準座標系での基準用地磁気ベクトルＶ（ＧＡ）が、（詳しくは後述するように）予め測定されて記憶されている。
そして、次の式（６）に従ってαc ，βc ，γc を求出する。
Ｖ（ＧＡ）＝αc Ｖ〔ＦＡ〕＋βc Ｖ〔ＦＢ〕＋γc Ｖ〔ＦＣ〕・・（６）
αc ，βc ，γc は可動座標系での検出磁場に対応する磁場として算出された不動座標系での算出磁場と不動座標系での地磁気との対応関係を示すパラメータである。
【００３６】
次に、αs ，βs ，γs とαc ，βc ，γc との比較を行う。つまり、可動座標系での検出磁場と可動座標系での検出地磁気との間の対応関係を示すパラメータと、可動座標系での検出磁場に対応する磁場として算出された不動座標系での算出磁場と不動座標系での地磁気との対応関係を示すパラメータの比較を行うのである。両者が良い一致（αs ＝αc ，βs ＝βc ，γs ＝γc ）を示した８分の１球が、可動体の現在位置のある８分の１球として検出され、検出された８分の１球のφａおよびθａが求める座標として確定する。
【００３７】
また、原点と可動体１の現在位置の距離を示すｒは次の（７）式に従って求出される。
ｒ＝〔Ｋ／｜Ｆａ｜−√（１＋３・ｃｏｓ²φａ）〕^1/3 ・・・（７）
何故なら、（１）式より｜Ｆａ｜＝√（１＋３・ｃｏｓ²φａ）であり、また、｜Ｆａ｜＝√（Ｆa-ｒ²＋Ｆa-φ²＋Ｆa-θ²）であるからである。
Ｋは定数であって、磁場ベクトル強度である｜Ｆａ｜は磁場センサａ，ｂ，ｃの測定データから簡単に求出される値であり、φａは先に求出されていることから、ｒはコンピュータ５により直ちに算出される。
【００３８】
さらに、点Ｐにおける可動体１の姿勢（ζ，λ，τ）が必要な場合、上のように、点Ｐにおける可動体１の位置座標（ｒ，θａ，φａ）および測定磁場ベクトル（Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃ）と、磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃの位置座標およびソース磁場ベクトルが既知であることから、従来公知の磁気式３次元ディジタイザと同様に（例えば先の（４）式に準ずる式）に従って求められる。なお、姿勢の（ζ，λ，τ）は普通（Ａ，Ｅ，Ｒ）と表記されることが多い。
【００３９】
続いて、実施例のディジタイザの磁気メモリ１４へ基準用地磁気ベクトルＶ（ＧＡ）を測定して記憶させる際の装置動作を、図面を参照しながら説明する。
〔ステップＳ１〕まず、図５に示すように、基準用不動座標系であるＸＹＺ直交座標系の原点を中心として想定する球の上半球における４個の８分の１球のいずれに磁場センサａ，ｂ，ｃが位置するのかが分かるよう可動体１をセットする。この時、磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃが内側に設置されているケースＣＳのカバーＣＶの表面に、図５に示すように、例えばＸ軸とＹ軸が正となる方向が分かるようなマークＭＫが設けてあれば、可動体１の適切なセットは容易となる。
【００４０】
〔ステップＳ２〕磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃから交流磁場を放射させるとともに、磁場センサａ，ｂ，ｃから磁場検出信号を得る。
【００４１】
〔ステップＳ３〕磁場センサａ，ｂ，ｃよりの磁場検出信号から、｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜を算出する。
【００４２】
〔ステップＳ４〕算出した｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜と、磁場強度比・角度対応データメモリ１３に予め記憶されている｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜とφａおよびθａの各データとに基づき、コンピュータ５がφａおよびθａを算出する。この場合、可動体１の磁場センサａ，ｂ，ｃのある８分の１球が既に確定しているので、φａおよびθａも直ちに確定する。
【００４３】
〔ステップＳ５〕磁場センサａ，ｂ，ｃにより地磁気ベクトルＶ（Ｇａ）を測定するとともに、磁場センサａ，ｂ，ｃからの磁場検出信号に基づき磁場センサａ，ｂ，ｃの各磁場ベトクルＶ〔Ｆａ〕，Ｖ〔Ｆｂ〕，Ｖ〔Ｆｃ〕をそれぞれ求出し、次の（８）式のαsg，βsg，γsgを求出する。
Ｖ（Ｇａ）＝αsgＶ〔Ｆａ〕＋βsgＶ〔Ｆｂ〕＋γsgＶ〔Ｆｃ〕・・（８）
【００４４】
〔ステップＳ６〕磁場ベトクルＶ〔Ｆａ〕，Ｖ〔Ｆｂ〕，Ｖ〔Ｆｃ〕に対応する基準座標系の磁場ベクトルＶ〔ＦＡ〕，Ｖ〔ＦＢ〕，Ｖ〔ＦＣ〕を算出する。
【００４５】
〔ステップＳ７〕次の（９）式に示すように、算出した各磁場ベクトルＶ〔ＦＡ〕，Ｖ〔ＦＢ〕，Ｖ〔ＦＣ〕に先に求めたαsg，βsg，γsgをそれぞれ掛け合わせてから３者を加え合わせ、基準用地磁気ベクトルＶ（ＧＡ）を求出する。
Ｖ（ＧＡ）＝αsgＶ〔ＦＡ〕＋βsgＶ〔ＦＣ〕＋γsgＶ〔Ｆｃ〕・・（９）
【００４６】
〔ステップＳ８〕求出された基準用地磁気ベクトルＶ（ＧＡ）を地磁気メモリ１４に格納すると、地磁気メモリ１４に対する測定記憶動作は完了である。
以上の磁気メモリ１４へ基準地磁気ベクトルＶ（ＧＡ）を測定して記憶させる際の一連の流れを図１１のフローチャートに纏めて示す。
【００４７】
次に、実施例のディジタイザにより可動体１の現在位置での各座標を測定する際の装置動作を説明する。
〔ステップＦ１〕磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃから交流磁場を放射させるとともに、磁場センサａ，ｂ，ｃから磁場検出信号を得る。
【００４８】
〔ステップＦ２〕磁場センサａ，ｂ，ｃよりの磁場検出信号から、｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜を算出する。
【００４９】
〔ステップＦ３〕算出した｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜と、磁場強度比・角度対応データメモリ１３に予め記憶されている｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜とφａおよびθａの各データとに基づき、コンピュータ５がφａおよびθａを算出する。この場合、可動体１の磁場センサａ，ｂ，ｃのある８分の１球は未だ確定していない。
【００５０】
〔ステップＦ４〕磁場センサａ，ｂ，ｃにより地磁気ベクトルＶ（Ｇａ）を測定するとともに、磁場センサａ，ｂ，ｃからの磁場検出信号に基づき磁場ベトクルＶ〔Ｆａ〕，Ｖ〔Ｆｂ〕，Ｖ〔Ｆｃ〕を求出し、先の（５）式のαs ，βs ，γs を求出する。
【００５１】
〔ステップＦ５〕各８分の１球におけるφａおよびθａについて、磁場ベトクルＶ〔Ｆａ〕，Ｖ〔Ｆｂ〕，Ｖ〔Ｆｃ〕に対応する基準座標系の磁場ベクトルＶ〔ＦＡ〕，Ｖ〔ＦＢ〕，Ｖ〔ＦＣ〕を算出する。
【００５２】
〔ステップＦ６〕基準用地磁気ベクトルＶ（ＧＡ）を地磁気メモリ１４から読みだし、各磁場ベクトルＶ〔ＦＡ〕，Ｖ〔ＦＢ〕，Ｖ〔ＦＣ〕について、それぞれ先の（６）式のαc ，βc ，γc を求出する。
【００５３】
〔ステップＦ７〕求出した各αc ，βc ，γc を先に求めたαs ，βs ，γs と比較し一致した時の８分の１球を可動体１のある８分の１球として検出し、正しいφａおよびθａを確定する。
【００５４】
〔ステップＦ８〕先の（７）式に従って、ＸＹＺ座標系の原点と可動体１の現在位置の距離であるｒを算出する。
【００５５】
〔ステップＦ９〕点Ｐにおける可動体１の姿勢（ζ，λ，τ）を常法に従って算出し確定すれば、測定動作は完了である。
以上の可動体１の座標を測定する際の一連の流れを図１２のフローチャートに纏めて示す。
【００５６】
この発明は上記実施の形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
（１）実施例のディジタイザでは、磁気センサがフラックスゲート型磁気センサであったが、適当な他の高感度磁気センサであってもよいことは言うまでもない。
【００５７】
（２）実施例の場合、交流磁場と地磁気を同じ磁気センサで検出する構成であったが、交流磁場と地磁気を別々の磁気センサで検出するようにすることも、構成・解析が複雑化することにはなるが、可能である。
【００５８】
（３）実施例では発振部と増幅器が各磁場ソースおよび磁気センサのそれぞれに１個づつ設置されていたが、発振部や増幅器は１個だけ設置されていて、マルチプレクサで順次切り換える構成のものが変形例として挙げられる。
【００５９】
（４）なお、実施例では、可動体の位置座標および姿勢座標の両方を測定する構成であったが、この発明は可動体の位置座標だけを測定する構成であってもよい。
【００６０】
【発明の効果】
請求項１の発明の磁気式３次元ディジタイザによれば、不動座標系の原点から見た可動体の現在位置の方向を、従来のように合成磁場ソースを使わずに地磁気を使って確定する構成を備えており、合成磁場ソースからの磁場放射による磁場データの採取が不要となるので、測定速度が早くなり、その結果、データ採取中の測定対象の動きが事実上なくなることから、十分な測定精度が得られるのに加え、合成磁場ソース形成用のハードウエアが必要なくなり、装置構成が簡単となる結果、コストダウンが見込めるようになる。
【００６１】
また、請求項２の発明の磁気式３次元ディジタイザによれば、地磁気の検出を行うフラックスゲート型磁気センサは高感度センサであるので、地磁気が正確に検出される結果、より十分な測定精度が得られるようになるのに加え、交流磁場と地磁気が同一のセンサで検出されることから、交流磁場と地磁気の検出が同一のセンサで行われない場合に生じる座標ズレが起こらない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る磁気式３次元ディジタイザの全体構成を示すブロック図である。
【図２】実施例の３次元ディジタイザでの磁気センサの詳細構成を示す平面図である。
【図３】磁場センサにより検出される磁場ベクトルを示す模式図である。
【図４】磁場センサにより検出された磁場ベクトルに対応する基準座標系の磁場ベクトルを示す模式図である。
【図５】基準用地磁気ベクトルを測定する際の様子を示す模式図である。
【図６】磁場センサの検出磁場とφａおよびθａの関係を示すグラフである。
【図７】極座標での磁場強度表示方式を説明するための模式図である。
【図８】磁場ソースの設置状態を示す模式図である。
【図９】磁場センサにより検出された磁場ベクトルを示す模式図である。
【図１０】上半球における４個の８分の１球を示す模式図である。
【図１１】基準用地磁気ベクトルを測定・記憶する際の一連の流れを示すフローチャートである。
【図１２】可動体の各種座標を測定する際の一連の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ …可動体
５ …コンピュータ
１４ …地磁気メモリ
Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ …可動座標系
Ｘ，Ｙ，Ｚ …基準用不動座標系
ｒ，φ，θ …位置座標
ζ，λ，τ …姿勢
Ａ，Ｂ，Ｃ …磁場ソース
ａ，ｂ，ｃ …磁場センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic three-dimensional digitizer that measures the current coordinates of a movable body from time to time, and more particularly to a technique for shortening the time for collecting magnetic field data necessary for measuring the current coordinates of a movable body.
[0002]
[Prior art]
For example, the magnetic three-dimensional digitizer captures the movement of the pilot's head (movable body) in real time, or captures the movement of the distal end (movable body) of the surgical instrument during brain surgery in real time. It is used to do. Speaking of the case of capturing the movement of the pilot's head, a fighter pilot wearing an HMD (head-mounted display) is simultaneously confirming external information visible through the translucent visor and various information displayed on the translucent visor. The pilot's helmet is equipped with a three-dimensional digitizer receiving antenna (magnetic sensor), and the pilot's head moves based on the magnetic field detection signal output from the receiving antenna. Be captured.
[0003]
That is, in the case of a magnetic three-dimensional digitizer, three radiating antennas that are installed at fixed positions of a reference immovable coordinate system (reference fixed coordinate system) that are set independently from the pilot and that radiate an alternating magnetic field respectively. And three receiving antennas that are set on the pilot's helmet and are integrally installed with respect to the helmet at a fixed position in a movable coordinate system that varies according to the movement of the helmet and that receive an alternating magnetic field from the radiation antenna. These three radiating antennas and three receiving antennas are arranged in the form of three orthogonal axes, and by analyzing the magnetic field detection signal output from the receiving antenna, the movement of the pilot's head (position / posture) The current coordinates of the corners are obtained from time to time (US Pat. No. 4,737,794). Akira see Japanese Unexamined Patent Publication No. 59-218539).
The result of capturing the movement of the pilot head by the three-dimensional digitizer is used, for example, for automatic aiming control in which the missile is directed toward the enemy aircraft.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional magnetic three-dimensional digitizer has a problem that the measurement speed is slow. The measurement speed is slow because it takes time to collect the data required for coordinate measurement. However, if the data collection time is long, there will be a lot of movement in the measurement target during data collection. It is not possible to obtain sufficient measurement accuracy. Hereinafter, the point that it takes a long time to collect data necessary for measurement will be specifically described.
[0005]
As shown in FIG. 7, when the magnetic field source A is arranged perpendicular to the Z axis to the origin O of the XYZ orthogonal coordinate system which is the reference immobile coordinate system, the point P (r, φ, The magnetic field Fa (Fa-r, Fa-φ, Fa-θ) at θ) is as follows. P (r, φa, θa) is a polar coordinate (spherical coordinate) display of point P, as shown in FIG. 7, r is the distance from origin O to point P, and φa is the displacement of vector OP from the Z axis. The angle θa is an angle formed by the projection vector from the vector OP to the XY plane with the X axis. As shown in FIG. 8A, the magnetic field source A is a magnetic field source having a radius d [m] and a current i [A].
Fa-r = 2K cos φa / r^Three, Fa-φ = Ksinφa / r^Three, Fa-θ = 0
However: K: (μ₀・ I ・ π ・ d²) / 4π.
Also, | Fa | = √ (Fa-r²+ Fa-φ²+ Fa-θ²)
| Fa | = K · √ (1 + 3 · cos²φa) / r^Three... (1)
[0006]
However, the movement of the movable body to be measured cannot be uniquely determined only by the magnetic field source A. Therefore, in the three-dimensional digitizer, as shown in FIGS. 8B and 8C, similarly to the case of the magnetic field source A, the magnetic field source B is further arranged at the origin O perpendicular to the X axis, A source C is arranged at the origin O perpendicular to the Y axis. The magnetic fields Fb and Fc at the point P in the magnetic field sources B and C are as follows.
An alternating magnetic field is oscillated in turn from these three magnetic field sources A to C, and at the same time, the magnetic field at the current coordinates of the movable body is detected by three receiving antennas attached to the movable body.
[0007]
| Fb | = K · √ (1 + 3 · cos²φb) / r^Three
Where φb is the displacement angle of the vector OP from the X axis as shown in FIG.
| Fc | = K · √ (1 + 3 · cos²φc) / r^Three
However, φc is the displacement angle of the vector OP from the Y-axis as shown in FIG.
[0008]
Also, cos φb = sin φa · cos θa,
Since cosφc = sinφa · sinθa,
| Fb | = K · √ (1 + 3 · sin²φa ・ cos²θa) / r^Three... (2)
| Fc | = K · √ (1 + 3 · sin²φa ・ sin²θa) / r^Three... (3)
[0009]
The information of the current coordinates of the point P is indicated by (| Fa |, | Fb |, | Fc |). For the sake of simplicity, normalization by | Fa | is performed, and | Fb | / | Fa | , | Fc | / | Fa |).
Therefore, by performing an analysis based on the measured value (| Fb | / | Fa |, | Fc | / | Fa |) obtained from the magnetic field detection signal output from the receiving antenna and the above relational expression, XYZ orthogonal coordinates are obtained. Φa and θa, which are parameters defining the direction of the current position of the movable body viewed from the origin of the system, are obtained.
However, the obtained φa and θa are values that can be taken by any of the four 1/8 spheres Qa to Qd in the hemisphere Q that is the movable range of the movable body, as shown in FIG. Therefore, it is not yet determined which one-eighth spheres φa and θa at this stage are, and are strictly candidates. Therefore, it is necessary to detect the 1/8 sphere in which the movable body actually exists and determine the direction of the point P viewed from the origin O of the XYZ orthogonal coordinate system.
[0010]
The detection of this 1/8 sphere has the property that (| Fb | / | Fa |, | Fc | / | Fa |) is always (0.5, 0.5) on the central axis of the magnetic field source. The AC magnetic field is radiated again from the three orthogonal magnetic field sources A, B, and C. That is, for each of the four 1/8 spheres, using the combined magnetic field by the magnetic field sources A, B, and C, a new one of the three axes is orthogonal to the direction of the candidate (φa, θa). Three orthogonal magnetic field sources L1, M1, and N1 are equivalently formed, an alternating magnetic field is radiated sequentially from each of the magnetic field sources L1, M1, and N1, and actually obtained based on a magnetic field detection signal output from the receiving antenna (| That is, one-eighth sphere when Fb | / | Fa |, | Fc | / | Fa |) is (0.5, 0.5) should be detected. Since there are four 1/8 spheres, each of the three magnetic field sources is formed individually, and an alternating magnetic field is actually generated in order, so that the magnetic field sources L1 to L4, M1 to M4, and N1 to N4 Twelve magnetic field sources need to be formed.
[0011]
The detected magnetic field Fa at the point P in the 1/8 sphere is only the magnetic field FL1-r of the magnetic field source (now referred to as the magnetic field source L1) orthogonal to the direction of (φa, θa), and FL1- Since φ = FL1-θ = 0, the distance r of the point P is also r = (2 · K ÷ FL1-r).^1/3As follows.
[0012]
Further, when the posture (ζ, λ, τ) of the movable body at the point P is necessary, the magnetic field FL1-r (= xfs, yfs, zfs) detected by the receiving coil of the movable body is the magnetic field source L1 at that time. Since the direction is the same as that of the magnetic field FL1 (= xf, yf, zf), it can be easily obtained by calculation based on the following equation (4).
(Xfs, yfs, zfs)^T= TτTλTζ (xf, yf, zf)^T(4)
However, Tτ is rotation of roll angle, Tλ is rotation of rising angle, Tζ is rotation of azimuth angle
[0013]
As described above, in the case of the conventional magnetic three-dimensional digitizer, at least six times (the first magnetic field source L1, M1, N1 was able to identify the 1/8 sphere in order to collect necessary magnetic field data. ), And up to 15 times (when the last magnetic field source L4, M4, and N4 can identify 1/8 sphere) requires AC magnetic field radiation, and magnetic field data collection time does not necessarily increase. It is not obtained.
[0014]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a magnetic three-dimensional digitizer capable of shortening the time for collecting magnetic field data necessary for measuring the coordinates of a movable body.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
A three-dimensional digitizer that measures the current coordinates of a movable body from moment to moment, and is installed at a fixed position in a reference immovable coordinate system that is set independently of the movable body that is the object to be measured, and radiates an alternating magnetic field. A magnetic field radiating means, an AC magnetic field receiving means that is set on the movable body and is integrally installed with respect to the movable body at a fixed position of a movable coordinate system that varies according to the movement of the movable body, and that receives an alternating magnetic field; A magnetic three-dimensional digitizer comprising a coordinate analysis means for obtaining a current coordinate of a movable body based on a magnetic field detection signal output from a reception means, comprising a geomagnetism detection means for detecting a geomagnetic signal, and the coordinate analysis The means obtains a first correspondence relationship that is a correspondence relationship between the detected magnetic field in the movable coordinate system and the detected geomagnetism in the movable coordinate system, and in the movable coordinate system A second correspondence relationship that is a correspondence relationship between the calculated magnetic field calculated as the magnetic field in the immobile coordinate system corresponding to the outgoing magnetic field and the geomagnetism in the immobile coordinate system is obtained, and the obtained first correspondence relationship and the first correspondence relationship are obtained. A calculation process for comparing the two correspondence relations with the two correspondence relations, and a process for determining the direction of the current position of the movable body viewed from the origin of the reference fixed coordinate system based on the comparison result obtained by the calculation process. Configured to do.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a magnetic three-dimensional digitizer according to the first aspect, further comprising a flux gate type magnetic sensor shared by the magnetic field receiving means and the geomagnetic detection means, wherein the magnetic field receiving means is the flux gate. The AC magnetic field is received by the magnetic sensor, and the geomagnetism detecting means is configured to detect the geomagnetism by the fluxgate magnetic sensor.
[0017]
[Action]
Next, the operation of measuring the current coordinates of the movable body by the magnetic three-dimensional digitizer of the present invention (hereinafter abbreviated as “three-dimensional digitizer” as appropriate) will be described.
When the current coordinates are measured by the three-dimensional digitizer of the present invention, the geomagnetism in the reference fixed coordinate system is usually measured and stored in advance using the geomagnetism detecting means before the measurement.
When the measurement starts, the magnetic field receiving means installed on the movable body side detects the detection in the movable coordinate system as the alternating magnetic field is radiated from the magnetic field emitting means installed on the reference stationary coordinate system side. A magnetic field can be obtained, and a detected geomagnetism in a movable coordinate system can also be obtained by the geomagnetic detection means.
[0018]
When the detected magnetic field and the detected geomagnetism in the movable coordinate system are obtained, the coordinate analysis means obtains the correspondence relationship between the obtained detected magnetic field and the detected geomagnetism.
On the other hand, the magnetic field in the reference fixed coordinate system corresponding to the detected magnetic field in the movable coordinate system is obtained by calculation by the coordinate analysis means, and the calculated magnetic field in the fixed coordinate system and the fixed coordinates that are held in advance are obtained. After the correspondence relationship with the geomagnetism in the system is obtained, an operation for comparing the two obtained correspondence relationships is performed. Then, the direction of the current position of the movable body viewed from the origin of the reference fixed coordinate system is determined based on the result of comparing the two correspondences.
[0019]
As described above, in the three-dimensional digitizer of the present invention, the direction of the current position of the movable body viewed from the origin of the reference fixed coordinate system is determined using the geomagnetism instead of using the alternating magnetic field by the synthetic magnetic field source as in the past. Thus, it is not necessary to collect magnetic field data accompanied by magnetic field radiation from the synthetic magnetic field source, so that the time for collecting magnetic field data is shortened.
In addition, since no magnetic field radiation from the synthetic magnetic field source is required, hardware for forming the synthetic magnetic field source is not necessary.
[0020]
Further, in the three-dimensional digitizer according to claim 2, since the same fluxgate type magnetic sensor performs both the detection of the geomagnetism and the detection of the AC magnetic field, the geomagnetism is detected by the fluxgate type magnetic sensor which is a high sensitivity sensor. It is detected accurately. In addition, since the alternating magnetic field and the geomagnetism are detected by the same sensor, the coordinate shift that occurs when the alternating magnetic field and the geomagnetic field are not detected by the same sensor does not occur.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a magnetic three-dimensional digitizer according to the embodiment, and FIG. 2 is a plan view showing a detailed configuration of a magnetic sensor used in the three-dimensional digitizer of the embodiment.
[0022]
The three-dimensional digitizer of FIG. 1 sometimes uses coordinates (r, φ, θ) indicating positions and coordinates (ζ, λ, τ) indicating posture angles as current coordinates of the movable body 1 such as a pilot's helmet or surgical instrument. A digitizer that measures moment by moment, and is installed at a fixed position in an XYZ orthogonal coordinate system (reference immobile coordinate system) that is set independently of the movable body 1 to be measured, and a magnetic field source that emits an alternating magnetic field (AC (Magnetic field radiation means) A, B, C, and the fixed body of the XsYsZs orthogonal coordinate system (sensor coordinates = movable coordinate system) set on the movable body and fluctuating according to the movement of the movable body 1. A magnetic field sensor (alternating magnetic field receiving means) a, b, and c that is installed and receives an alternating magnetic field is provided.
The position coordinates (r, φ, θ) are displayed in polar coordinates, and the postures (ζ, λ, τ) are displayed in Euler angles.
[0023]
As shown in FIGS. 8A to 8C, the magnetic field sources A, B, and C have three coils that have a radius d [m] and a current i [A] and are orthogonal to each other. It is. The magnetic field sensors a, b, and c are constituted by three thin film type flux gate type magnetic sensors attached so as to be orthogonal to each other. The magnetic field sensors a, b and c not only detect an alternating magnetic field but also serve as a geomagnetic sensor (geomagnetic detection means) for detecting geomagnetism. For this reason, there is no need to take into account (correction) the coordinate shift that occurs when the AC magnetic field and the geomagnetic field are not detected by the same sensor.
[0024]
As shown in FIG. 2, the fluxgate type magnetic sensor used as the magnetic field sensors a to c has one excitation coil 22 and two reception coils 23 and 24 in a permalloy ring core (ferromagnetic core) 21. Is a wound element configuration. The receiving coils 23 and 24 are in a differential connection form so that the electromotive forces are reversed and cancel each other. Each of the ring core 21 and the coils 22 to 24 of the fluxgate type magnetic sensor is formed of a thin film, and is manufactured by repeatedly performing thin film deposition and patterning by a photolithography technique on the surface of the insulating substrate 25. Ultra-miniaturization is possible.
The magnetic detection principle of the magnetic sensor in FIG. 2 is the same as that of the conventional fluxgate type magnetic sensor. In FIG. 1, although the illustration of the excitation system configuration of the excitation coil 22 is omitted, this also has the same configuration as the conventional fluxgate type magnetic sensor.
[0025]
The magnetic field sources A, B, and C are connected to oscillation units 2 to 4 for exciting an alternating magnetic field, and the oscillation units 2 to 4 sequentially emit an alternating magnetic field in accordance with a control signal from a computer (CPU) 5. The required AC power is supplied to the magnetic field sources A, B, and C. The frequency of AC magnetic field excitation generated from the magnetic field sources A, B, and C is not limited to a specific frequency, but is 80 Hz, for example.
[0026]
On the other hand, magnetic field sensors a, b, and c are respectively connected to amplification units 6 to 8 for amplifying magnetic field detection signals, and the amplification units 6 to 8 receive magnetic field detection signals output from the magnetic field sensors a, b, and c. Amplified and sent to AD converters 9-11. The AD converters 9 to 11 digitize the magnetic field detection signals and send them to a computer (CPU) 5 for analysis.
The computer 5 executes coordinate analysis based on the magnetic field detection signal in accordance with a control program stored in the program memory 12, and obtains the coordinates (r, φ, θ) and attitude (ζ, λ, τ) of the movable body 1. To do. That is, the means (coordinate analysis means) for executing the coordinate analysis is configured mainly by the computer 5 and the control program, and will be specifically described below.
[0027]
As the alternating magnetic field is radiated from the magnetic field sources A, B, and C, the magnetic fields Fa to Fc are generated in order in the XsYsZs orthogonal coordinate system (movable coordinate system) having the point P as the origin, as shown in FIG. These are detected by the magnetic field sensors a, b and c and sent to the computer 5 as magnetic field detection signals. The computer 5 that has received the magnetic field detection signal first obtains | Fa |, | Fb |, | Fc | expressed by the above-described equations (1) to (3) below from the magnetic field detection signal.
[0028]
| Fa | = K · √ (1 + 3 · cos²φa) / r^Three(1)
| Fb | = K · √ (1 + 3 · sin²φa ・ cos²θa) / r^Three(2)
| Fc | = K · √ (1 + 3 · sin²φa ・ sin²θa) / r^Three(3)
[0029]
Subsequently, normalization by | Fa | is performed to calculate (| Fb | / | Fa |, | Fc | / | Fa |), and (| Fb | / | Fa |, | Fc | / | Fa | ) And the above relational expression, an analysis for obtaining φa and θa indicating the direction of the current position of the movable body 1 viewed from the origin of the XYZ orthogonal coordinate system is performed as follows.
[0030]
That is, as shown in FIG. 6, | Fb | / | Fa | = 0.5, | Fc | / | Fa | = 0.5 is the origin, | Fb | / | Fa | Assuming | / | Fa |) as the horizontal axis, as shown in the right shoulder of the figure, each of the combinations of θa selected in increments of 15 ° and φa selected in increments of 5 ° is | Fb | / | Fa |, | Fc | / | Fa | are all calculated and plotted. When the lines LA to LG connecting the same points with θa are set, the correlations are such that the slopes of the lines LA to LG increase in order as θa increases. In addition, φa is arranged in order from 0 ° to 90 ° from the left side to the right side on each line LA to LG. That is, in the lines LA to LG, the distance from the origin where | Fb | / | Fa | = 0.5 and | Fc | / | Fa | = 0.5 indicates the value of φa.
[0031]
When the upper point FP in FIG. 5 corresponding to the obtained | Fb | / | Fa |, | Fc | / | Fa | is plotted between the lines LC and LD, as follows: Θa and φa at the point FP are obtained. First, considering the distance between the two lines LC, LD and the point FP, the line LP on which the point FP rides is obtained by an interpolation method, the inclination of the line LP is calculated, and the change of θa and the change of the inclinations of the lines LA to LG are calculated. An interpolation calculation based on the correlation is performed to obtain θa at the point FP.
Further, on the line LP, the distance between the origin that is | Fb | / | Fa | = 0.5, | Fc | / | Fa | = 0.5 and the point FP is calculated, and the origins on the straight lines LC and LD are calculated. Interpolation calculation based on the correspondence between the distance from and the value of φa is performed to obtain φa at the point FP.
In the case of the digitizer of the embodiment, the | Fb | / | Fa |, | Fc | / | Fa | and φa and θa data having the relationship shown in FIG. It is calculated and stored, and is read out at the time of analysis, and the above analysis is advanced by the computer 5 to obtain φa and θa.
[0032]
The obtained φa and θa are values that can be taken by any one of the four 1/8 spheres Qa to Qd in the hemisphere Q that is the movable range of the movable body 1 as shown in FIG. Therefore, it is not yet determined which one-eighth spheres φa and θa at this stage are. Therefore, it is necessary to detect the 1/8 sphere in which the movable body 1 actually exists, but in the case of the embodiment, unlike the conventional case, the 1/8 sphere is detected using geomagnetism. It has become a feature of.
In the following description, V [n] means the vector n.
[0033]
In the digitizer of the embodiment, magnetic field vectors V [Fa], V [Fb], and V [Fc] are obtained based on the magnetic field detection signals from the magnetic field sensors a, b, and c, and the geomagnetic vector V (Ga) is measured. Is done. The geomagnetic vector V (Ga) can be easily measured by the magnetic field sensors a, b, and c while the oscillation of the magnetic field sources A, B, and C is stopped. Then, αs, βs, and γs are obtained according to the following equation (5).
V (Ga) = αs V [Fa] + βs V [Fb] + γs V [Fc] (5)
αs, βs, and γs are parameters indicating the correspondence between the detected magnetic field in the movable coordinate system and the detected geomagnetism in the movable coordinate system.
[0034]
On the other hand, the magnetic field vectors of the reference coordinate system corresponding to the magnetic field vectors V [Fa], V [Fb], and V [Fc] obtained by measurement for φa and θa of the four 1/8 spheres Qa to Qd, respectively. V [FA], V [FB], and V [FC] are calculated (see FIG. 4). The number of calculated magnetic field vectors is 12 in total, 3 for each 1/8 sphere.
[0035]
On the other hand, in the geomagnetic memory 14 provided in the digitizer of the embodiment, a reference geomagnetic vector V (GA) in the reference coordinate system is measured and stored in advance (as will be described in detail later).
Then, αc, βc, and γc are obtained according to the following equation (6).
V (GA) = αc V [FA] + βc V [FB] + γc V [FC] (6)
αc, βc, and γc are parameters indicating the correspondence between the calculated magnetic field in the immobile coordinate system calculated as the magnetic field corresponding to the detected magnetic field in the movable coordinate system and the geomagnetism in the immobile coordinate system.
[0036]
Next, αs, βs, and γs are compared with αc, βc, and γc. That is, the parameter indicating the correspondence between the detected magnetic field in the movable coordinate system and the detected geomagnetism in the movable coordinate system, and the calculated magnetic field in the immobile coordinate system calculated as the magnetic field corresponding to the detected magnetic field in the movable coordinate system And a comparison of parameters indicating the correspondence between geomagnetic field and immobility coordinate system. The one-eighth sphere showing good agreement (αs = αc, βs = βc, γs = γc) is detected as the one-eighth sphere with the current position of the movable body, and the detected one-eighth The coordinates of spheres φa and θa are determined.
[0037]
Also, r indicating the distance between the origin and the current position of the movable body 1 is obtained according to the following equation (7).
r = [K / | Fa | −√ (1 + 3 · cos²φa)]^1/3 ... (7)
Because | Fa | = √ (1 + 3 · cos from equation (1)²φa), and | Fa | = √ (Fa-r²+ Fa-φ²+ Fa-θ²).
K is a constant, and | Fa |, which is the magnetic field vector intensity, is a value that can be easily obtained from the measurement data of the magnetic field sensors a, b, and c, and φa has been obtained first, so r Is immediately calculated by the computer 5.
[0038]
Furthermore, when the posture (ζ, λ, τ) of the movable body 1 at the point P is required, as described above, the position coordinates (r, θa, φa) of the movable body 1 at the point P and the measured magnetic field vector (Fa, Fb, Fc), the position coordinates of the magnetic field sources A, B, and C and the source magnetic field vector are known, so that it is similar to a conventionally known magnetic three-dimensional digitizer (for example, an equation according to the above equation (4)). As required. The posture (ζ, λ, τ) is often expressed as normal (A, E, R).
[0039]
Next, the operation of the apparatus when measuring and storing the reference geomagnetic vector V (GA) in the magnetic memory 14 of the digitizer of the embodiment will be described with reference to the drawings.
[Step S1] First, as shown in FIG. 5, any one of the four 1/8 spheres of the upper hemisphere assumed around the origin of the XYZ orthogonal coordinate system, which is the reference immobile coordinate system, has a magnetic field sensor a. , B and c are set so that the movable body 1 can be seen. At this time, on the surface of the cover CV of the case CS in which the magnetic field sources A, B, and C are installed, as shown in FIG. 5, for example, a mark MK that indicates the direction in which the X axis and the Y axis are positive If it is provided, an appropriate set of the movable body 1 becomes easy.
[0040]
[Step S2] An AC magnetic field is radiated from the magnetic field sources A, B, and C, and magnetic field detection signals are obtained from the magnetic field sensors a, b, and c.
[0041]
[Step S3] | Fb | / | Fa |, | Fc | / | Fa | are calculated from the magnetic field detection signals from the magnetic field sensors a, b, and c.
[0042]
[Step S4] The calculated | Fb | / | Fa |, | Fc | / | Fa | and | Fb | / | Fa |, | Fc | / stored in the magnetic field intensity ratio / angle correspondence data memory 13 in advance. Based on | Fa | and each data of φa and θa, the computer 5 calculates φa and θa. In this case, since one-eighth sphere with the magnetic field sensors a, b, and c of the movable body 1 has already been determined, φa and θa are also immediately determined.
[0043]
[Step S5] The geomagnetic vector V (Ga) is measured by the magnetic field sensors a, b, and c, and the magnetic field vehicles V of the magnetic field sensors a, b, and c are based on the magnetic field detection signals from the magnetic field sensors a, b, and c. Fa], V [Fb], and V [Fc] are obtained, and αsg, βsg, and γsg in the following equation (8) are obtained.
V (Ga) = αsgV [Fa] + βsgV [Fb] + γsgV [Fc] (8)
[0044]
[Step S6] Magnetic field vectors V [FA], V [FB], and V [FC] in the reference coordinate system corresponding to the magnetic field vehicles V [Fa], V [Fb], and V [Fc] are calculated.
[0045]
[Step S7] As shown in the following equation (9), the calculated magnetic field vectors V [FA], V [FB], and V [FC] are respectively multiplied by αsg, βsg, and γsg obtained previously. The three are added together to obtain the reference geomagnetic vector V (GA).
V (GA) = αsgV [FA] + βsgV [FC] + γsgV [Fc] (9)
[0046]
[Step S8] When the obtained reference geomagnetic vector V (GA) is stored in the geomagnetic memory 14, the measurement storage operation for the geomagnetic memory 14 is completed.
A series of flows when measuring and storing the reference geomagnetic vector V (GA) in the magnetic memory 14 are collectively shown in the flowchart of FIG.
[0047]
Next, the operation of the apparatus when measuring each coordinate at the current position of the movable body 1 by the digitizer of the embodiment will be described.
[Step F1] An AC magnetic field is radiated from the magnetic field sources A, B, and C, and magnetic field detection signals are obtained from the magnetic field sensors a, b, and c.
[0048]
[Step F2] | Fb | / | Fa |, | Fc | / | Fa | are calculated from the magnetic field detection signals from the magnetic field sensors a, b, and c.
[0049]
[Step F3] The calculated | Fb | / | Fa |, | Fc | / | Fa | and | Fb | / | Fa |, | Fc | / stored in the magnetic field intensity ratio / angle correspondence data memory 13 in advance. Based on | Fa | and each data of φa and θa, the computer 5 calculates φa and θa. In this case, the 1/8 sphere with the magnetic field sensors a, b, and c of the movable body 1 has not yet been determined.
[0050]
[Step F4] The geomagnetic vector V (Ga) is measured by the magnetic field sensors a, b, c, and the magnetic field vectors V [Fa], V [Fb], V based on the magnetic field detection signals from the magnetic field sensors a, b, c. [Fc] is obtained, and αs, βs and γs in the above equation (5) are obtained.
[0051]
[Step F5] Magnetic field vectors V [FA] and V [FB] in the reference coordinate system corresponding to the magnetic field vehicles V [Fa], V [Fb], and V [Fc] for φa and θa in each 1/8 sphere. , V [FC].
[0052]
[Step F6] The reference geomagnetic vector V (GA) is read from the geomagnetic memory 14, and αc and βc of the previous equation (6) are respectively obtained for the magnetic field vectors V [FA], V [FB] and V [FC]. , Γc.
[0053]
[Step F7] The obtained αc, βc, γc are compared with the previously obtained αs, βs, γs, and the one-eighth sphere when they coincide is detected as one eighth sphere with the movable body 1; Determine the correct φa and θa.
[0054]
[Step F8] In accordance with the above equation (7), r, which is the distance between the origin of the XYZ coordinate system and the current position of the movable body 1, is calculated.
[0055]
[Step F9] If the posture (ζ, λ, τ) of the movable body 1 at the point P is calculated and determined according to a conventional method, the measurement operation is completed.
A series of flows when measuring the coordinates of the movable body 1 are collectively shown in the flowchart of FIG.
[0056]
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified as follows.
(1) In the digitizer of the embodiment, the magnetic sensor is a fluxgate type magnetic sensor, but it goes without saying that it may be another appropriate high sensitivity magnetic sensor.
[0057]
(2) In the case of the embodiment, the configuration is such that the alternating magnetic field and the geomagnetism are detected by the same magnetic sensor, but the configuration and analysis may be complicated by detecting the alternating magnetic field and the geomagnetism by separate magnetic sensors. That's true, but it is possible.
[0058]
(3) In the embodiment, one oscillating unit and one amplifier are provided for each magnetic field source and each magnetic sensor. However, only one oscillating unit and one amplifier are provided, and the multiplexer and the amplifier are sequentially switched. As a modification.
[0059]
(4) In the embodiment, both the position coordinates and the attitude coordinates of the movable body are measured. However, the present invention may be configured to measure only the position coordinates of the movable body.
[0060]
【The invention's effect】
According to the magnetic three-dimensional digitizer of the first aspect of the present invention, the direction of the current position of the movable body viewed from the origin of the stationary coordinate system is determined using geomagnetism without using a synthetic magnetic field source as in the prior art. Since there is no need to collect magnetic field data by magnetic field radiation from a synthetic magnetic field source, the measurement speed is increased, and as a result, there is virtually no movement of the measurement target during data acquisition, so sufficient measurement is possible. In addition to the accuracy, the hardware for forming the synthetic magnetic field source is not necessary, and the apparatus configuration is simplified. As a result, cost reduction can be expected.
[0061]
According to the magnetic three-dimensional digitizer of the second aspect of the invention, since the fluxgate type magnetic sensor for detecting geomagnetism is a high-sensitivity sensor, as a result of detecting geomagnetism accurately, more sufficient measurement accuracy can be obtained. In addition to being obtained, since the AC magnetic field and the geomagnetism are detected by the same sensor, the coordinate shift that occurs when the AC magnetic field and the geomagnetism are not detected by the same sensor does not occur.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an overall configuration of a magnetic three-dimensional digitizer according to an embodiment.
FIG. 2 is a plan view showing a detailed configuration of a magnetic sensor in the three-dimensional digitizer of the embodiment.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a magnetic field vector detected by a magnetic field sensor.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a magnetic field vector of a reference coordinate system corresponding to a magnetic field vector detected by a magnetic field sensor.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a state when a reference geomagnetic vector is measured.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the magnetic field detected by the magnetic field sensor and φa and θa.
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a magnetic field intensity display method in polar coordinates.
FIG. 8 is a schematic diagram showing an installation state of a magnetic field source.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a magnetic field vector detected by a magnetic field sensor.
FIG. 10 is a schematic diagram showing four 1/8 spheres in the upper hemisphere.
FIG. 11 is a flowchart showing a series of flows when measuring and storing a reference geomagnetic vector.
FIG. 12 is a flowchart showing a series of flows when various coordinates of a movable body are measured.
[Explanation of symbols]
1 ... movable body
5 ... Computer
14 ... Geomagnetic memory
Xs, Ys, Zs ... movable coordinate system
X, Y, Z ... Fixed coordinate system for reference
r, φ, θ ... position coordinates
ζ, λ, τ ... posture
A, B, C ... Magnetic field source
a, b, c ... Magnetic field sensor

Claims

A three-dimensional digitizer that measures the current coordinates of a movable body from moment to moment, and is installed at a fixed position in a reference immovable coordinate system that is set independently of the movable body that is the object to be measured, and radiates an alternating magnetic field. A magnetic field radiating means, an AC magnetic field receiving means that is set on the movable body and is integrally installed with respect to the movable body at a fixed position of a movable coordinate system that varies according to the movement of the movable body, and that receives an alternating magnetic field; A magnetic three-dimensional digitizer comprising a coordinate analysis means for obtaining a current coordinate of a movable body based on a magnetic field detection signal output from a reception means, comprising a geomagnetism detection means for detecting a geomagnetic signal, and the coordinate analysis The means obtains a first correspondence relationship that is a correspondence relationship between the detected magnetic field in the movable coordinate system and the detected geomagnetism in the movable coordinate system, and in the movable coordinate system A second correspondence relationship that is a correspondence relationship between the calculated magnetic field calculated as the magnetic field in the immobile coordinate system corresponding to the outgoing magnetic field and the geomagnetism in the immobile coordinate system is obtained, and the obtained first correspondence relationship and the first correspondence relationship are obtained. A calculation process for comparing the two correspondence relations with the two correspondence relations, and a process for determining the direction of the current position of the movable body viewed from the origin of the reference fixed coordinate system based on the comparison result obtained by the calculation process. A magnetic three-dimensional digitizer characterized by performing.