WO2018017000A1 - Устройство для определения положения объекта в пространстве - Google Patents

Устройство для определения положения объекта в пространстве Download PDF

Info

Publication number
WO2018017000A1
WO2018017000A1 PCT/RU2017/050052 RU2017050052W WO2018017000A1 WO 2018017000 A1 WO2018017000 A1 WO 2018017000A1 RU 2017050052 W RU2017050052 W RU 2017050052W WO 2018017000 A1 WO2018017000 A1 WO 2018017000A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
magnetometer
output
phase
input
inductor
Prior art date
Application number
PCT/RU2017/050052
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Евгений Сергеевич ЧЕРНЫШОВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Настэк"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Настэк" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Настэк"
Priority to EP17831433.2A priority Critical patent/EP3486610A4/en
Priority to CN201780041295.9A priority patent/CN109416255B/zh
Priority to KR1020197002621A priority patent/KR20190028450A/ko
Priority to US16/313,893 priority patent/US10540021B2/en
Priority to SG11201811805UA priority patent/SG11201811805UA/en
Priority to JP2019503478A priority patent/JP2019525335A/ja
Publication of WO2018017000A1 publication Critical patent/WO2018017000A1/ru

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1113—Local tracking of patients, e.g. in a hospital or private home
    • A61B5/1114—Tracking parts of the body
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments
    • G01C21/1654—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments with electromagnetic compass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/18—Stabilised platforms, e.g. by gyroscope
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
    • G01C25/005—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass initial alignment, calibration or starting-up of inertial devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/04—Generating or distributing clock signals or signals derived directly therefrom
    • G06F1/12—Synchronisation of different clock signals provided by a plurality of clock generators
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/16—Constructional details or arrangements
    • G06F1/1613—Constructional details or arrangements for portable computers
    • G06F1/1633—Constructional details or arrangements of portable computers not specific to the type of enclosures covered by groups G06F1/1615 - G06F1/1626
    • G06F1/1684—Constructional details or arrangements related to integrated I/O peripherals not covered by groups G06F1/1635 - G06F1/1675
    • G06F1/1694—Constructional details or arrangements related to integrated I/O peripherals not covered by groups G06F1/1635 - G06F1/1675 the I/O peripheral being a single or a set of motion sensors for pointer control or gesture input obtained by sensing movements of the portable computer
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/26—Power supply means, e.g. regulation thereof
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0346—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of the device orientation or free movement in a 3D space, e.g. 3D mice, 6-DOF [six degrees of freedom] pointers using gyroscopes, accelerometers or tilt-sensors
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/038—Control and interface arrangements therefor, e.g. drivers or device-embedded control circuitry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/004—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/04—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by terrestrial means
    • G01C21/08—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by terrestrial means involving use of the magnetic field of the earth
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2200/00—Indexing scheme relating to G06F1/04 - G06F1/32
    • G06F2200/16—Indexing scheme relating to G06F1/16 - G06F1/18
    • G06F2200/163—Indexing scheme relating to constructional details of the computer
    • G06F2200/1637—Sensing arrangement for detection of housing movement or orientation, e.g. for controlling scrolling or cursor movement on the display of an handheld computer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Definitions

  • the present invention relates to measuring technique and can be used to create means for measuring the coordinates and angular values of an object freely moving in a space with six degrees of freedom.
  • the invention can find application in human-machine interfaces, as a coordinate input device, in particular, in training systems, in robotics, in augmented, virtual reality and mixed reality systems, also in the gaming industry (as manipulators, game controllers, etc.) p.), industry (positioning systems of working bodies of industrial equipment, process control), CAD design (input systems, design process management).
  • a device for determining the position of an object in space (patent RU2542793, Chernyshov ES, G01C21 / 08, publ. 02.27.2015).
  • This invention in combination with the essential features, is most closely proposed and is taken as a prototype.
  • the known device consists of an inductor (field source), a controlled current stabilizer, a digital three-component magnetometer, a digital three-component accelerometer and a computing unit.
  • the known device determines the position of an object by measuring the acceleration vector of the gravity acceleration accelerometer, and the magnetometer - the induction vector of the Earth’s magnetic field and the magnetic field induction vector of the inductor located motionless in the horizontal plane.
  • the disadvantages of the prototype include low dynamic accuracy due to the error of the accelerometer measuring the direction of the free fall acceleration vector caused by the presence of its own acceleration in the platform with sensors during its movement.
  • the presence of a communication line between the computing unit and the current stabilizer negatively affects the ergonomics of the device, and may limit the freedom of movement of the object.
  • the objective of the present invention is to create a simple in design, easy to use device for determining the position and orientation of a movable object, different from the prototype of the increased dynamic measurement accuracy, increased ergonomics, advanced functionality (extensibility and modularity).
  • the technical result consists in increasing the measurement accuracy by eliminating the error in measuring the direction of the free fall acceleration vector caused by the movement of the platform with sensors.
  • the error in measuring the direction of the free fall acceleration vector is eliminated by the fact that the movable platform with sensors is additionally equipped with a three-component gyroscope, the measurements of which are then used to correct the measurements of the accelerometer.
  • An additional effect achieved by the claimed invention is the elimination of the requirement for a communication link between the computing unit and the power source. Elimination of the requirement of a communication line between the computing unit and the power source is achieved by the fact that the power source is additionally equipped with a clock generator, which with a given frequency sends a signal to change the polarity of the current to the controlled current stabilizer of the coil, and the computing unit is additionally equipped with a phase-locked loop, clocking the magnetometer, and ensuring the synchronization of the measurement phase of the magnetometer with the phase of the magnetic field pulses generated by the inductor.
  • the claimed device for determining the position of an object in space is characterized by the fact that it contains an inductor placed motionless in the horizontal plane, a power source of the inductor, a computing unit, and a platform with sensors located on a moving object, including a three-component magnetometer, three-component accelerometer and three-component gyroscope moreover, the power source of the inductor includes a coil current regulator controlled by a clock generator, and subtract The compression unit is capable of phase-locked loop frequency adjustment, which ensures magnetometer clocking and synchronization of the magnetometer measurement phase with the phase of magnetic field pulses generated by the inductor.
  • the computing unit of the claimed device may include a unit for extracting frequency components of the magnetic field; block phase-locked loop frequency measurement magnetometer; block for calculating the orientation angles of the platform with sensors; platform rotation compensation unit with sensors; block coordinates calculation platform with sensors.
  • the output of the clock generator is connected to the input of the current stabilizer, the outputs of which are connected to the terminals of the inductor.
  • the output of the magnetometer is connected to the input of the unit for extracting the frequency components of the magnetic field.
  • the first output of the magnetic field frequency component extraction unit is connected to the input of the phase locked loop, the second output is connected to the first input of the rotation compensation unit, and the third output is connected to the orientation angle calculation unit.
  • the output of the phase locked loop is connected to the input of the magnetometer.
  • the gyroscope output is connected to the second input of the orientation angle calculation unit.
  • the output of the accelerometer is connected to the third input of the orientation angle calculation unit.
  • the output of the orientation angle calculation unit is connected to a second input of the rotation compensation unit, the output of which is connected to the input of the coordinate calculation unit.
  • FIG. 1 Block diagram of a device for determining the position of an object in space.
  • FIG. 2 - Graph of the inductor current versus time.
  • FIG. 3 Topology of a system containing several field sources and several independent positioned objects.
  • the proposed device consists of an inductor 1 (field source), placed motionless in a horizontal plane, and connected to a controlled current stabilizer 2, which with a given frequency receives a signal of changing the polarity of the current from the clock generator 3.
  • the controlled current stabilizer 2 together with the clock generator 3 form a power source for the inductor 4.
  • Digital three-component magnetometer 5, gyroscope 6 and accelerometer 7 are located on the platform 8.
  • a platform with sensors 8 is rigidly mounted on a moving object.
  • the magnetometer 5, the gyroscope 6 and the accelerometer 7 interact with the computing unit 14, which contains: a unit for extracting the frequency components of the magnetic field 9; 10 phase locked loop; a unit for calculating the orientation angles of the platform with sensors 11; a platform rotation compensation unit with sensors 12; block coordinates calculation platform with sensors 13.
  • the output of the magnetometer 5 is connected to the input of the block selection of the frequency components of the magnetic field 9, the first output of which is connected to the input of the phase locked loop 10, the second output is connected to the first input of the rotation compensation block 12, the third output is connected to the orientation angle calculation unit 11, the output of the phase locked loop 10 is connected to the input of the magnetometer 5, the gyroscope output 6 is connected to the second input of the orientation angle calculation unit 11, the output is by the accelerator Meter 7 is connected to the third input of the orientation angle calculation unit 11, the output of the orientation angle calculation unit 11 is connected to the second input of the rotation compensation unit 12, the output of which is connected to the input of the coordinate calculation unit 13.
  • the inductor 1 can be made by winding an insulated wire on a cylindrical base, or it can be made in the form of a planar coil made by concentric turns of a conductor on a printed circuit board, or in another way. In this case, it is undesirable to use a ferromagnetic core, since this will lead to significant local distortions of the Earth's magnetic field. However, this is permissible with small coil sizes and a sufficient distance from the sensor coil during operation of the device.
  • the diameter of the inductor 1, the number of turns and the cross section of the conductor are determined on the basis of the problem to be solved, to ensure the necessary radius of the working area of the device, power consumption and overall dimensions of the coil.
  • the working area is meant the area of space around the inductor 1 in which the platform with the sensors 8 is positioned.
  • the size of the working area depends on the characteristics of the inductor 1, power supply 4 and magnetometer 5, as well as the required measurement accuracy.
  • the measurement error is proportional to the square of the distance from the magnetometer to the inductor [1], therefore, to ensure the required measurement accuracy, it is necessary to limit the size of the working area of the device.
  • the accuracy of measurements in one or more coordinates will be lower than the required value.
  • a further increase in the distance leads to a decrease in the magnetic field induction measured by the magnetometer below the sensitivity / error of the magnetometer, which makes it impossible to determine the coordinates of the platform with the sensors.
  • control part of the current stabilizer 2 and the clock generator 3 can be assembled on discrete electronic components according to known schemes, or implemented using a microcontroller.
  • the clock generator will be a subprogram of this microcontroller.
  • the magnetometer 5 can be represented by a three-component magnetic field induction sensor of any known type (magnetoresistive sensor, Hall effect sensor) made in the form of a microcircuit with a digital output, using MEMS technology (microelectromechanical systems), or in the form of an assembly comprising three orthogonal sensing elements, as well as a gain and analog-to-digital signal conversion circuit.
  • MEMS technology microelectromechanical systems
  • a prerequisite is that the magnetometer has a single measurement mode with an external signal to start the measurement.
  • Suitable magnetometer models are STMicroelectronics LIS3MDL, MEMSIC MMC3416xPJ, and the like.
  • Gyroscope 6 and accelerometer 7 are three-component sensors made by MEMS technology in the form of microcircuits with digital output.
  • a combined sensor made in the form of a single digital MEMS microcircuit including a three-component magnetometer, three-component gyroscope and three-component accelerometer.
  • a sensor for example, is STMicroelectronics LSM9DS1.
  • the platform with sensors 8 is a printed circuit board on which a magnetometer 5, a gyroscope 6, and an accelerometer 7 are located.
  • platform 8 can have dimensions less than 15x15x3 mm.
  • the computing unit 14 may be represented by a microcontroller or a personal / single-board computer, while the internal units 9, 10, 11, 12, 13 of the computing unit are subroutines.
  • the computing unit implements an algorithm for determining the coordinates of an object based on information about the magnitude of the vector of an artificial magnetic field at a given point in space, together with an algorithm for determining the orientation of an object.
  • the power supply unit of the computing unit (not indicated in Fig. 1) can be placed both in the same housing as the computing unit, or separately from it. If the computing unit is represented by a personal computer, then, as a rule, it includes a power supply with the required characteristics. The computing unit can also power sensors.
  • the proposed device operates as follows.
  • the controlled current stabilizer 2 supplies the coil 1 with a current signal i (t) of alternately positive and negative polarity (Fig. 2).
  • the polarity of the signal i (t) is set by a periodic control signal generated by the clock generator 3.
  • the current passing through the coil 1 creates a magnetic field.
  • the artificial magnetic field of coil 1 is added to the Earth's magnetic field and magnetometer 5 measures the magnetic induction vector of the resulting field.
  • the gyroscope 6 measures the angular velocity of the platform with the sensors
  • the accelerometer 7 measures the acceleration vector of gravity acting on the platform with the sensors.
  • the maximum measurement frequency / mfl £ of the magnetometer 5 must satisfy the following condition: where T 0 is the period of the signal of the inductor 1 (see Fig. 2).
  • the measurement frequencies of the gyroscope 6 and accelerometer 7 are not standardized, and can be any suitable for solving the problem. For example, for effective digitization of human movements, a measurement frequency of 200 Hz is sufficient.
  • the readings of the sensors 5, 6 and 7 in digital form are transmitted to the computing unit 14.
  • the computing unit performs the following operations.
  • the unit for extracting the frequency components of the magnetic field 9 accumulates an array of measurements on each coordinate axis of the magnetometer 5 for an integer number of periods of the signal of the inductor 1 (at least for one period), after which it selects the constant component of the magnetic field - the Earth's magnetic field induction vector B E , as well as the variable component of the magnetic field - the induction vector of the magnetic field of the inductor B s .
  • Fourier transform in which Walsh functions are the basis [2].
  • Other conversion methods may be used.
  • the phase of the component characterizes its sign as follows: if the phases of the two measured components coincide, then the components have the same sign; if the phases differ by ⁇ (half the period), then the components have opposite signs; the phase jump by ⁇ corresponds to a change in the sign of the component.
  • the vector B s can have two opposite directions. Unambiguous determination of the direction of the vector B s is prevented by the phase uncertainty associated with the indeterminate location and orientation of the sensor in space.
  • Phase uncertainty can be resolved in several ways.
  • phase-locked loop 10 will monitor the phase of the signal until the platform with the sensors 8 is in the magnetic field of the inductor 1.
  • Another option is to use a specific time pattern in the signal of the inductor 1, which allows you to uniquely determine the phase of the measured signal.
  • the simplest pattern can be, for example, different durations of positive and negative signal pulses.
  • the algorithm for minimizing the error between the given and measured phase of the signal is performed by adjusting the frequency of measurements of the magnetometer (for example, the PID control algorithm).
  • the magnetometer should be started in the single measurement mode with an external signal to start the measurement, in which case the computing unit will be able to flexibly change its measurement frequency by changing the period of generation of the signal to start the measurement.
  • the frequency and measurement phase of the magnetometer 5 will correspond to the frequency and phase of the signal of the inductor 1.
  • the magnitude of the Earth's magnetic field induction vector B E is transferred from block 9 to the block for calculating orientation angles
  • the measurements of the accelerometer 7 are the gravity acceleration vector G. Due to the low accuracy characteristics of the sensors used, as well as due to the influence of various disturbances (interference from electrical equipment, vibration and accelerated movement of the platform with sensors), the values of E and G can be very noisy. Therefore, to increase the accuracy of measurements, without reducing the dynamic characteristics of the device, it is necessary to use the measurements of the gyroscope 6 for complementary filtering of the direction of the vectors B E and G.
  • orientation angles is carried out in a known manner [3], in the direction of the vectors B Ef and G f .
  • the obtained orientation angles of the object are used in the rotation compensation unit 12, for translating the magnetic field induction vector of the inductor B s from the coordinate system of the magnetometer 5 into the coordinate system associated with the fixed inductor 1.
  • the vector B s is rotated by the angles opposite the found orientation angles of the object.
  • the rotation of the vector is carried out using the rotation matrices:
  • B ⁇ Q R z ⁇ -) R y ⁇ -e) R x ⁇ ) B s ,
  • R ⁇ - ⁇ ) is the rotation matrix around the ⁇ axis by an angle - ⁇ ;
  • R (- ⁇ ) is the rotation matrix about the y-axis by the angle - ⁇ ;
  • the vector B SQ is then transmitted to the coordinate calculation unit 13. Let the vector have the following form:
  • the azimuthal angle of the direction of the vector B so in the spherical coordinate system coincides with the azimuthal coordinate ⁇ of the positioned object:
  • the remaining coordinates (radius vector and zenith angle) of the object can be found analytically [1], or using the table-defined function [3].
  • the table is an array of points of the vertical plane passing through the vertical axis z of the coordinate system of the inductor 1 (axis of symmetry of the coil). Each point is associated with a magnetic induction vector created by an inductor at a given point. Calculation of vectors can be done using the law of Bio-Savard-Laplace. To determine the coordinates of the object, it is necessary to find in the table the magnetic field induction vectors that are closest in magnitude and direction to the vector B SQ , and their coordinate values.
  • FIG. Figure 3 shows a variant of the system topology, including several field sources and several independent platforms with sensors.
  • the signals of the coils must have a frequency or time division, to prevent their mixing at the boundary between the working areas of several coils.
  • the signal extraction of one or another coil can be carried out using the Fourier transform with a basis in the form of Walsh functions [2], or in other ways.
  • the most suitable way to achieve this goal is to connect the inputs of controlled coil current stabilizers (pos. 18, 19, 20) to the outputs of one common clock generator 21, which provides the generation of signals of the required frequency and phase.
  • pos. 1 inductor
  • pos. 2 controlled current stabilizer
  • pos. 3 clock generator
  • pos. 4 power source
  • pos. 5 magnetometer
  • pos. 6 - gyroscope
  • pos. 7 accelerometer
  • pos. 8 platform with sensors
  • pos. 9 block allocation of the frequency components of the magnetic field
  • pos. 10 phase locked loop
  • pos. 11 is a block for calculating orientation angles
  • pos. 13 block calculation of coordinates
  • pos. 14 computing unit
  • pos. 15 - inductor 1 pos. 16 - inductor 2

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Position Input By Displaying (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Abstract

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для создания средств измерения координат и угловых величин объекта, свободно перемещаемого в пространстве с шестью степенями свободы. Изобретение может найти применение в человеко-машинных интерфейсах, в качестве устройства координатного ввода, в частности, в тренажерных системах, в робототехнике, в системах дополненной и виртуальной реальности. Технический результат заключается в повышении точности измерения за счет устранении ошибки измерения направления вектора ускорения свободного падения, вызванной движением платформы с датчиками. Заявленное устройство для определения положения объекта в пространстве характеризуется тем, что содержит катушку индуктивности, размещенную неподвижно в горизонтальной плоскости, источник питания катушки индуктивности, вычислительный блок, а также платформу с датчиками, размещенную на подвижном объекте, включающую трехкомпонентный магнитометр, трехкомпонентный акселерометр и трехкомпонентный гироскоп, причем источник питания катушки индуктивности включает в себя стабилизатор тока катушки, управляемый тактовым генератором, а вычислительный блок выполнен с возможностью фазовой автоподстройки частоты, обеспечивающей тактирование магнитометра и синхронизацию фазы измерений магнитометра с фазой импульсов магнитного поля, генерируемых катушкой индуктивности.

Description

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА В
ПРОСТРАНСТВЕ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для создания средств измерения координат и угловых величин объекта, свободно перемещаемого в пространстве с шестью степенями свободы. Изобретение может найти применение в человеко-машинных интерфейсах, в качестве устройства координатного ввода, в частности, в тренажерных системах, в робототехнике, в системах дополненной, виртуальной реальности и смешанной реальности, также в игровой индустрии (в качестве манипуляторов, игровых контроллеров и т.п.), промышленности (системы позиционирования рабочих органов промышленного оборудования, управление технологическим процессом), САПР проектировании (системы ввода, управление процессом проектирования) .
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно Устройство для определения положения объекта в пространстве (патент RU2542793, Чернышов Е.С., G01C21/08, опубл. 27.02.2015). Данное изобретение по совокупности существенных признаков наиболее близко предлагаемому и принято за прототип. Известное устройство состоит из катушки индуктивности (источник поля), управляемого стабилизатора тока, цифрового трёхкомпонентного магнитометра, цифрового трехкомпонентного акселерометра и вычислительного блока. Известное устройство определяет положение объекта за счет измерения акселерометром вектора ускорения свободного падения, а магнитометром - вектора индукции магнитного поля Земли и вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности, расположенной неподвижно в горизонтальной плоскости. К недостаткам прототипа можно отнести низкую динамическую точность вследствие наличия ошибки измерения акселерометром направления вектора ускорения свободного падения, вызванной наличием собственного ускорения у платформы с датчиками при её движении. Кроме того, наличие линии связи между вычислительным блоком и стабилизатором тока негативно сказывается на эргономичности устройства, и может ограничивать свободу перемещения объекта.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в создании простого по конструкции, удобного в эксплуатации устройства для определения положения и ориентации подвижного объекта, отличающегося от прототипа повышенной динамической точностью измерений, повышенной эргономичностью, расширенными функциональными возможностями (расширяемость и модульность). Технический результат заключается в повышении точности измерения за счет устранении ошибки измерения направления вектора ускорения свободного падения, вызванной движением платформы с датчиками.
Устранение ошибки измерения направления вектора ускорения свободного падения достигается тем, что подвижная платформа с датчиками дополнительно оснащается трехкомпонентным гироскопом, измерения которого затем используются для корректировки измерений акселерометра.
Дополнительным эффектом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является устранение требования наличия линии связи между вычислительным блоком и источником питания. Устранение требования наличия линии связи между вычислительным блоком и источником питания достигается тем, что источник питания дополнительно оснащается тактовым генератором, который с заданной периодичностью подает на управляемый стабилизатор тока катушки сигнал смены полярности тока, а вычислительный блок дополнительно оснащается блоком фазовой автоподстройки частоты, осуществляющим тактирование магнитометра, и обеспечивающим синхронизацию фазы измерений магнитометра с фазой импульсов магнитного поля, генерируемых катушкой индуктивности.
Заявленное устройство для определения положения объекта в пространстве характеризуется тем, что содержит катушку индуктивности, размещенную неподвижно в горизонтальной плоскости, источник питания катушки индуктивности, вычислительный блок, а также платформу с датчиками, размещенную на подвижном объекте, включающую трехкомпонентный магнитометр, трехкомпонентный акселерометр и трехкомпонентный гироскоп, причем источник питания катушки индуктивности включает в себя стабилизатор тока катушки, управляемый тактовым генератором, а вычислительный блок выполнен с возможностью фазовой автоподстройки частоты, обеспечивающей тактирование магнитометра и синхронизацию фазы измерений магнитометра с фазой импульсов магнитного поля, генерируемых катушкой индуктивности.
В частном варианте осуществления вычислительный блок заявленного устройства может включать в себя блок выделения частотных компонент магнитного поля; блок фазовой автоподстройки частоты измерений магнитометра; блок вычисления углов ориентации платформы с датчиками; блок компенсации поворота платформы с датчиками; блок вычисления координат платформы с датчиками.
В другом частном варианте осуществления выход тактового генератора подключен ко входу стабилизатора тока, выходы которого подключены к выводам катушки индуктивности.
В другом частном варианте осуществления выход магнитометра подключен ко входу блока выделения частотных компонент магнитного поля. В другом частном варианте осуществления первый выход блока выделения частотных компонент магнитного поля подключен ко входу блока фазовой автоподстройки частоты, второй выход подключен к первому входу блока компенсации поворота, третий выход подключен к блоку вычисления углов ориентации.
В другом частном варианте осуществления выход блока фазовой автоподстройки частоты подключен ко входу магнитометра.
В другом частном варианте осуществления выход гироскопа подключен ко второму входу блока вычисления углов ориентации.
В другом частном варианте осуществления выход акселерометра подключен к третьему входу блока вычисления углов ориентации.
В другом частном варианте осуществления выход блока вычисления углов ориентации подключен ко второму входу блока компенсации поворота, выход которого подключен ко входу блока вычисления координат.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - Структурная схема устройства для определения положения объекта в пространстве.
Фиг. 2 - График зависимости тока катушки индуктивности от времени.
Фиг. 3 - Топология системы, содержащей несколько источников поля и несколько независимых позиционируемых объектов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаемое устройство состоит из катушки индуктивности 1 (источник поля), размещенной неподвижно в горизонтальной плоскости, и подключенной к управляемому стабилизатору тока 2, который с заданной периодичностью получает сигнал смены полярности тока от тактового генератора 3. Управляемый стабилизатор тока 2 вместе с тактовым генератором 3 образуют источник питания катушки индуктивности 4.
Цифровые трехкомпонентные магнитометр 5, гироскоп 6 и акселерометр 7 расположены на платформе 8. Платформа с датчиками 8 жестко закреплена на подвижном объекте. Магнитометр 5, гироскоп 6 и акселерометр 7 взаимодействуют с вычислительным блоком 14, который содержит: блок выделения частотных компонент магнитного поля 9; блок фазовой автоподстройки частоты 10; блок вычисления углов ориентации платформы с датчиками 11 ; блок компенсации поворота платформы с датчиками 12; блок вычисления координат платформы с датчиками 13. Причем выход магнитометра 5 подключен ко входу блока выделения частотных компонент магнитного поля 9, первый выход которого подключен ко входу блока фазовой автоподстройки частоты 10, второй выход подключен к первому входу блока компенсации поворота 12, третий выход подключен к блоку вычисления углов ориентации 11 , выход блока фазовой автоподстройки частоты 10 подключен ко входу магнитометра 5, выход гироскопа 6 подключен ко второму входу блока вычисления углов ориентации 11 , выход акселерометра 7 подключен к третьему входу блока вычисления углов ориентации 11 , выход блока вычисления углов ориентации 11 подключен ко второму входу блока компенсации поворота 12, выход которого подключен ко входу блока вычисления координат 13.
Катушка индуктивности 1 может быть изготовлена путем намотки изолированного провода на основание цилиндрической формы, или может быть выполнена в виде планарной катушки, изготовленной концентрическими витками проводника на печатной плате, или другим способом. При этом нежелательно использовать ферромагнитный сердечник, так как это приведет к существенным локальным искажениям магнитного поля Земли. Однако это допустимо при небольших размерах катушки и достаточном удалении датчика от катушки во время работы устройства. Диаметр катушки индуктивности 1 , количество витков и сечение проводника определяются исходя из решаемой задачи, для обеспечения необходимого радиуса рабочей области устройства, энергопотребления и массогабаритных характеристик катушки. В общем случае, увеличение диаметра и числа витков, без пропорционального снижения величины тока катушки, приведет к увеличению рабочей области, одновременно с понижением массогабаритных характеристик и повышением энергопотребления, вызванным пропорциональным увеличением активного сопротивления катушки. Для снижения энергопотребления необходимо увеличить сечение проводника, что также понизит массогабаритные характеристики, и может существенно отразиться на себестоимости катушки.
Под рабочей областью подразумевается область пространства вокруг катушки индуктивности 1, в которой осуществляется позиционирование платформы с датчиками 8. Размер рабочей области зависит от характеристик катушки индуктивности 1 , источника питания 4 и магнитометра 5, а также от требуемой точности измерений. В первом приближении погрешность измерений пропорциональна квадрату расстояния от магнитометра до катушки индуктивности [1], следовательно, для обеспечения требуемой точности измерений, необходимо ограничивать размер рабочей области устройства. При этом за пределами рабочей области точность измерений по одной или нескольким координатам будет ниже требуемой величины. Дальнейшее увеличение расстояния ведет к падению величины индукции магнитного поля, измеряемой магнитометром, ниже уровня чувствительности/погрешности магнитометра, что делает невозможным определение координат платформы с датчиками.
Важной характеристикой также является постоянная времени катушки индуктивности 1, так как от нее зависит длительность переключения полярности тока катушки, которая, в свою очередь, влияет на максимально достижимую частоту измерений устройства. Для снижения длительности переключения полярности необходимо уменьшать постоянную времени, т.е. уменьшать индуктивность и/или увеличивать активное электрическое сопротивление катушки.
Управляющая часть стабилизатора тока 2 и тактовый генератор 3 могут быть собраны на дискретных электронных компонентах по известным схемам, или реализованы с помощью микроконтроллера. Во втором случае тактовый генератор будет представлять собой подпрограмму данного микроконтроллера.
Магнитометр 5 может быть представлен трехкомпонентным датчиком индукции магнитного поля любого известного типа (магниторезистивный датчик, датчик на эффекте Холла), выполненным в виде микросхемы с цифровым выходом, по технологии МЭМС (микроэлектромеханические системы), или в виде сборки, включающей три ортогональных чувствительных элемента, а также схему усиления и аналого-цифрового преобразования сигнала. Обязательным условием является наличие у магнитометра режима одиночных измерений с внешним сигналом начала измерения. Подходящими моделями магнитометров являются STMicroelectronics LIS3MDL, MEMSIC MMC3416xPJ, и аналогичные им.
Гироскоп 6 и акселерометр 7 представляют собой трехкомпонентные датчики, выполненные по технологии МЭМС, в виде микросхемы с цифровым выходом.
С точки зрения себестоимости и массогабаритных показателей, наиболее предпочтительным вариантом является использование комбинированного датчика, выполненного в виде единой цифровой МЭМС микросхемы, включающей трехкомпонентный магнитометр, трехкомпонентный гироскоп и трехкомпонентный акселерометр. Таким датчиком, например, является STMicroelectronics LSM9DS1. Платформа с датчиками 8 представляет собой печатную плату, на которой расположены магнитометр 5, гироскоп 6 и акселерометр 7. При использовании цифровых датчиков, выполненных по технологии МЭМС, платформа 8 может иметь размеры менее 15x15x3 мм.
Вычислительный блок 14 может быть представлен микроконтроллером или персональным/одноплатным компьютером, при этом внутренние блоки 9, 10, 11, 12, 13 вычислительного блока представляют собой подпрограммы. Вычислительный блок реализует алгоритм определения координат объекта исходя из информации о величине вектора искусственного магнитного поля в данной точке пространства, совместно с алгоритмом определения ориентации объекта.
Возможны различные способы организации питания устройства. Блок питания вычислительного блока (не обозначен на фиг. 1) может размещаться как в одном корпусе с вычислительным блоком, так и отдельно от него. Если вычислительный блок представлен персональным компьютером, то, как правило, он включает в себя блок питания с требуемыми характеристиками. Вычислительный блок также может осуществлять питание датчиков.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Управляемый стабилизатор тока 2 подает на катушку 1 токовый сигнал i(t) поочередно положительной и отрицательной полярности (фиг. 2). Полярность сигнала i(t) задается периодическим управляющим сигналом, формируемым тактовым генератором 3. Ток, проходящий через катушку 1 , создает магнитное поле. Искусственное магнитное поле катушки 1 складывается с магнитным полем Земли и магнитометр 5 производит измерение вектора магнитной индукции результирующего поля. Одновременно с этим гироскоп 6 производит измерение угловой скорости платформы с датчиками, акселерометр 7 производит измерение вектора ускорения свободного падения, действующего на платформу с датчиками. Для корректной работы блока выделения частотных компонент магнитного поля 9 и блока фазовой автоподстройки частоты 10, максимальная частота измерений /mfl£ магнитометра 5 должна удовлетворять следующему условию:
Figure imgf000011_0001
где Т0 - период сигнала катушки индуктивности 1 (см. фиг. 2).
Частоты измерений гироскопа 6 и акселерометра 7 не нормируются, и могут быть любыми, подходящими для решения поставленной задачи. Например, для эффективной оцифровки движений человека достаточной является частота измерений 200 Гц. Показания датчиков 5, 6 и 7 в цифровом виде передаются на вычислительный блок 14.
Для простоты принято, что системы координат датчиков 5, 6 и 7 совпадают с системой координат, связанной с подвижной платформой 8. В ином случае показания датчиков должны приводиться в вычислительном блоке 14 к единой системе координат, связанной с подвижной платформой.
Для определения координат и ориентации платформы с датчиками 8 вычислительный блок выполняет следующие операции.
Блок выделения частотных компонент магнитного поля 9 производит накопление массива измерений по каждой оси координат магнитометра 5 за целое число периодов сигнала катушки индуктивности 1 (не менее чем за один период), после чего осуществляет выделение постоянной составляющей магнитного поля - вектора индукции магнитного поля Земли ВЕ , а также переменной составляющей магнитного поля - вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности Bs . Для этой цели используется преобразование Фурье, в котором базисом выступают функции Уолша [2]. Могут быть использованы и другие способы преобразования.
В результате преобразования получим значение амплитуды и фазы каждой из трех компонент переменной составляющей магнитного поля, соответствующих трем осям измерений магнитометра 5.
При этом фаза компоненты характеризует ее знак следующим образом: если фазы двух измеряемых компонент совпадают, то компоненты имеют одинаковый знак; если фазы различаются на π (половина периода), то компоненты имеют противоположные знаки; скачок фазы на π соответствует изменению знака компоненты. Таким образом, вектор Bs может иметь два противоположных направления. Однозначно определить направление вектора Bs мешает неопределенность фазы, связанная с неопределенным расположением и ориентацией датчика в пространстве.
Неопределенность фазы может быть устранена несколькими способами.
В частности, может быть известна грубая априорная информация о начальном положении и ориентации объекта (находится в заданном секторе координат, имеет заданную ориентацию). В таком случае, неопределенность фазы может быть устранена сразу после начала измерений. Затем блок фазовой автоподстройки частоты 10 будет осуществлять слежение за фазой сигнала до тех пор, пока платформа с датчиками 8 находится в магнитном поле катушки индуктивности 1.
Другим вариантом является использование определенного временного паттерна в сигнале катушки индуктивности 1, позволяющего однозначно определить фазу измеренного сигнала. Простейшим паттерном может служить, например, различная длительность положительного и отрицательного импульсов сигнала.
ю Значение фазы каждой из трех компонент переменной составляющей магнитного поля далее передается в блок фазовой автоподстройки частоты
10, в котором выполняется алгоритм минимизации ошибки между заданной и измеренной фазой сигнала путем корректировки частоты измерений магнитометра (например, алгоритм ПИД-регулирования).
Магнитометр должен быть запущен в режиме одиночных измерений с внешним сигналом начала измерения, в таком случае вычислительный блок сможет гибко менять его частоту измерений путем изменения периода генерации сигнала начала измерения.
В результате работы блока 10 частота и фаза измерений магнитометра 5 будут соответствовать частоте и фазе сигнала катушки индуктивности 1.
На следующем этапе вычислений величина вектора индукции магнитного поля Земли ВЕ передается из блока 9 в блок вычисления углов ориентации
11, куда также поступают измерения гироскопа 6 и акселерометра 7.
Измерения акселерометра 7 представляют собой вектор ускорения свободного падения G . В силу низких точностных характеристик используемых датчиков, а также из-за влияния различных возмущений (наводки от электрооборудования, вибрации и ускоренное движение платформы с датчиками), величины ВЕ и G могут быть сильно зашумлены. Поэтому для повышения точности измерений, без снижения динамических характеристик устройства, необходимо использовать измерения гироскопа 6 для комплементарной фильтрации направления векторов ВЕ и G .
Используем матрицы поворота [3] для вращения векторов на углы, полученные интегрированием измерений гироскопа. Пусть период измерений гироскопа и период измерения векторов ВЕ и G равны Т0. Тогда рекурсивный комплементарный фильтр [4] будет иметь следующий вид: ~ f = (1 - )R ^ R (W TQ)R WTQ)Bjf + δΤΕ; Gf * = (l - S) R (W T0 R (W T0)R (WTQ)G + SG, где BEf - отфильтрованный вектор индукции магнитного поля Земли; S - коэффициент фильтра, δ « 1 ; Wx, Wy, Wz - измеренные скорости вращения гироскопа вокруг осей х, у, z соответственно; Т0 - период измерений гироскопа; RX(WXTQ) - матрица поворота вокруг оси х на угол WXT0 Ry (WyTQ) - матрица поворота вокруг оси у на угол W TQ ; Rz (W T0) - матрица поворота вокруг оси z на угол W 0 ; Gf - отфильтрованный вектор ускорения свободного падения.
Вычисление углов ориентации производится известным способом [3], по направлению векторов BEf и Gf .
Далее полученные углы ориентации объекта используются в блоке компенсации поворота 12, для перевода вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности Bs из системы координат магнитометра 5 в систему координат, связанную с неподвижной катушкой индуктивности 1. Для этой цели производится поворот вектора Bs на углы, обратные найденным углам ориентации объекта. Поворот вектора осуществляется с помощью матриц поворота:
B^Q = Rz{- )Ry{-e)Rx{^)Bs, где BSQ - вектор индукции магнитного поля катушки индуктивности в системе координат, связанной с катушкой индуктивности 1 (при ф = θ = ψ = 0 ); ф , θ , ψ - найденные углы ориентации объекта (углы крена, тангажа и рыскания соответственно); R^-ψ) - матрица поворота вокруг оси ζ на угол -ψ ; R (-θ) - матрица поворота вокруг оси у на угол -Θ ; Rx (-ф) - матрица поворота вокруг оси х на угол -ф .
Вектор BS Q затем передается в блок вычисления координат 13. Пусть вектор имеет следующий вид:
В S 0x
Bso - В S Oy
В S 0z
Т.к. катушка индуктивности 1 расположена горизонтально, азимутальный угол направления вектора Bso в сферической системе координат (угол между проекцией вектора на плоскость хОу и осью х системы координат катушки индуктивности 1) совпадает с азимутальной координатой Ψ позиционируемого объекта:
Figure imgf000015_0001
Оставшиеся координаты (радиус-вектор и зенитный угол) объекта могут быть найдены аналитически [1], или с помощью таблично заданной функции [3]. Во втором случае таблица представляет собой массив точек вертикальной плоскости, проходящей через вертикальную ось z системы координат катушки индуктивности 1 (ось симметрии катушки). Каждой точке сопоставлен вектор магнитной индукции, создаваемый катушкой индуктивности в данной точке. Расчет векторов может быть произведен с помощью закона Био-Савара-Лапласа. Для определения координат объекта необходимо найти в таблице векторы индукции магнитного поля, наиболее близкие по модулю и направлению к вектору BS Q , и значения их координат.
После чего можно определить искомые координаты объекта, например, с помощью билинейной интерполяции [5]. Описанная структура и принцип действия устройства позволяют гибко наращивать количество позиционируемых объектов и расширять рабочую область устройства. На фиг. 3 представлен вариант топологии системы, включающий несколько источников поля и несколько независимых платформ с датчиками.
Современный уровень развития вычислительной техники позволяет использовать отдельный миниатюрный вычислительный блок (поз. 25, 26, 27) для каждой платформы с датчиками (поз. 22, 23, 24). Такой подход, вместе с отсутствием линии связи между вычислительными блоками и источником питания катушки индуктивности, позволяет неограниченно наращивать количество позиционируемых объектов, без внесения каких-либо изменений в структуру устройства.
Для расширения рабочей области устройства может быть использовано несколько катушек индуктивности (поз. 15, 16, 17), расположенных раздельно. При этом сигналы катушек должны иметь частотное или временное разделение, для предотвращения их смешивания на границе между рабочими областями нескольких катушек. Выделение сигнала той или иной катушки может быть осуществлено с помощью преобразования Фурье с базисом в виде функций Уолша [2], или другими способами.
Неопределенная разность фаз сигналов соседних катушек индуктивности может приводить к рассинхронизации блока фазовой автоподстройки частоты устройства при перемещении объекта из рабочей области одной катушки индуктивности в рабочую область другой катушки индуктивности. Для устранения данной проблемы сигналы источников питания катушек должны быть синхронизированы между собой.
Наиболее подходящим способом достижения указанной цели является подключение входов управляемых стабилизаторов тока катушек (поз. 18, 19, 20) к выходам одного общего тактового генератора 21, обеспечивающего генерацию сигналов требуемой частоты и фазы.
В общем случае, для создания рабочей области произвольных размеров и формы требуется чередование источников поля с не менее чем четырьмя различными частотами (при частотном разделении) или фазами (при временном разделении) сигнала [6]. Однако, если допустимо наличие "мертвых" зон, то также возможно чередование источников поля с двумя или тремя различными частотами/фазами.
Используемые обозначения на чертежах: поз. 1 - катушка индуктивности; поз. 2 - управляемый стабилизатор тока; поз. 3 - тактовый генератор; поз. 4 - источник питания; поз. 5 - магнитометр; поз. 6 - гироскоп; поз. 7 - акселерометр; поз. 8 - платформа с датчиками; поз. 9 - блок выделения частотных компонент магнитного поля; поз. 10 - блок фазовой автоподстройки частоты; поз. 11 - блок вычисления углов ориентации; поз. 12 - блок компенсации поворота; поз. 13 - блок вычисления координат; поз. 14 - вычислительный блок; поз. 15 - катушка индуктивности 1 ; поз. 16 - катушка индуктивности 2; поз. 17 - катушка индуктивности N; поз. 18 - управляемый стабилизатор тока 1 ; поз. 19 - управляемый стабилизатор тока 2; поз. 20 - управляемый стабилизатор тока N; поз. 21 - тактовый генератор; поз. 22 - платформа с датчиками 1 ; поз. 23 - платформа с датчиками 2; поз. 24 - платформа с датчиками М; поз. 25 - вычислительный блок 1 ; поз. 26 - вычислительный блок 2; поз. 27 - вычислительный блок М.
Источники информации:
1. Raab F., Blood Е., Steiner О., Jones Н. Magnetic position and orientation tracking system // IEEE Transactions on Aerospace and Electronics Systems. - Vol. AES-15, No. 5, September 1979. - P. 709-717.
2. Залманзон Л. А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. - 496 с.
3. Чье Е.У., Чернышов Е.С. Магнитно -инерциальный метод определения положения и ориентации объекта // Вестник Тихоокеанского государственного университета. - 2014. - N° 1 (32). - С. 69-78. 4. Чернышов E.C., Отческий С. А. Микроэлектромеханические системы отслеживания перемещений // Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 31 января 2013 г.: в 13 частях. Часть 8. - Тамбов: Изд-во ТРОО "Бизнес-Наука-Общество", 2013. - С. 147-148.
5. Ярославский Л. П. Введение в цифровую обработку изображений. - М.: Сов. радио, 1979. - 312 с.
6. Желамский М.В. Особенности создания поля позиционирования для локальной навигации в закрытых пространствах // Измерительная техника. - 2014. - N° 7. - С. 40-45; Zhelamskii M.V. Features of the construction of a positioning field for local navigation in enclosed spaces // Measurement Techniques. - 2014. - Vol. 57. - No. 7. P. 791-799.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство для определения положения объекта в пространстве, содержащее катушку индуктивности, размещенную неподвижно в горизонтальной плоскости, источник питания катушки индуктивности, вычислительный блок, а также платформу с датчиками, размещенную на подвижном объекте, включающую трехкомпонентный магнитометр, трехкомпонентный акселерометр и трехкомпонентный гироскоп, причем источник питания катушки индуктивности включает в себя стабилизатор тока катушки, управляемый тактовым генератором, а вычислительный блок выполнен с возможностью фазовой автоподстройки частоты, обеспечивающей тактирование магнитометра и синхронизацию фазы измерений магнитометра с фазой импульсов магнитного поля, генерируемых катушкой индуктивности.
2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что вычислительный блок содержит блок выделения частотных компонент магнитного поля; блок фазовой автоподстройки частоты измерений магнитометра; блок вычисления углов ориентации платформы с датчиками; блок компенсации поворота платформы с датчиками; блок вычисления координат платформы с датчиками.
3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что выход тактового генератора подключен ко входу стабилизатора тока, выходы которого подключены к выводам катушки индуктивности.
4. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что выход магнитометра подключен ко входу блока выделения частотных компонент магнитного поля.
5. Устройство по п.4, характеризующееся тем, что первый выход блока выделения частотных компонент магнитного поля подключен ко входу блока фазовой автоподстройки частоты, второй выход подключен к первому входу блока компенсации поворота, третий выход подключен к блоку вычисления углов ориентации.
6. Устройство по п.4, характеризующееся тем, что выход блока фазовой автоподстройки частоты подключен ко входу магнитометра.
7. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что выход гироскопа подключен ко второму входу блока вычисления углов ориентации.
8. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что выход акселерометра подключен к третьему входу блока вычисления углов ориентации.
9. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что выход блока вычисления углов ориентации подключен ко второму входу блока компенсации поворота, выход которого подключен ко входу блока вычисления координат.
PCT/RU2017/050052 2016-07-18 2017-06-22 Устройство для определения положения объекта в пространстве WO2018017000A1 (ru)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17831433.2A EP3486610A4 (en) 2016-07-18 2017-06-22 DEVICE FOR DETERMINING THE POSITION OF AN OBJECT IN SPACE
CN201780041295.9A CN109416255B (zh) 2016-07-18 2017-06-22 目标物体在空间中定位装置
KR1020197002621A KR20190028450A (ko) 2016-07-18 2017-06-22 공간에서 물체의 위치를 결정하기 위한 장치
US16/313,893 US10540021B2 (en) 2016-07-18 2017-06-22 Device for determining the position of an object in space
SG11201811805UA SG11201811805UA (en) 2016-07-18 2017-06-22 Device for determining the position of an object in space
JP2019503478A JP2019525335A (ja) 2016-07-18 2017-06-22 空間内で物体を位置決めする装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016129260A RU2626755C1 (ru) 2016-07-18 2016-07-18 Устройство для определения положения объекта в пространстве
RU2016129260 2016-07-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018017000A1 true WO2018017000A1 (ru) 2018-01-25

Family

ID=59632435

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2017/050052 WO2018017000A1 (ru) 2016-07-18 2017-06-22 Устройство для определения положения объекта в пространстве

Country Status (8)

Country Link
US (1) US10540021B2 (ru)
EP (1) EP3486610A4 (ru)
JP (1) JP2019525335A (ru)
KR (1) KR20190028450A (ru)
CN (1) CN109416255B (ru)
RU (1) RU2626755C1 (ru)
SG (1) SG11201811805UA (ru)
WO (1) WO2018017000A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020011298A1 (de) * 2018-07-13 2020-01-16 Fachhochschule Dortmund Verfahren und einrichtung zur 3d-orientierungs- und 3d-positionsbestimmung auf basis einer einachsigen spule und eines marg-sensors

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107421566B (zh) * 2017-08-25 2020-08-11 北京理工大学 一种无人车多源传感器信息仿真平台
CN111184345B (zh) * 2020-03-13 2024-06-25 常州市凯迪电器股份有限公司 电动桌安全运行的控制方法及其控制单元
CN111272168B (zh) * 2020-03-24 2022-03-29 哈尔滨工业大学 一种基于磁场特征矢量的定位方法、装置及系统
CN112710219B (zh) * 2021-01-21 2022-06-21 中北大学 一种面向城市地下空间的绝对位移检测方法
RU2767174C1 (ru) * 2021-04-09 2022-03-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет" Способ трекинга гибкого хирургического инструмента на основе инерциальных МЭМС датчиков

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06221805A (ja) * 1992-07-09 1994-08-12 Polhemus Inc 離れた物体の位置及び方向を決定するための装置及びその方法
RU2103664C1 (ru) * 1996-12-11 1998-01-27 Борис Михайлович Смирнов Устройство для дистанционного определения положения объекта (его варианты)
US5752513A (en) * 1995-06-07 1998-05-19 Biosense, Inc. Method and apparatus for determining position of object
DE19858147A1 (de) * 1998-06-24 1999-12-30 Mitsubishi Electric Corp Induktivitätsänderungs-Detektierschaltung
RU2542793C1 (ru) * 2013-09-16 2015-02-27 Общество с ограниченной ответственностью "Континент-Тау" Устройство для определения положения объекта в пространстве

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1220279A (en) * 1985-06-20 1987-04-07 Her Majesty The Queen In Right Of Canada As Represented By The Minister Of National Defence Of Her Majesty's Canadian Government Precision magnetometer orientation device
US4945305A (en) * 1986-10-09 1990-07-31 Ascension Technology Corporation Device for quantitatively measuring the relative position and orientation of two bodies in the presence of metals utilizing direct current magnetic fields
JP2004093373A (ja) * 2002-08-30 2004-03-25 Japan Aviation Electronics Industry Ltd 位置姿勢測定装置
RU2257546C1 (ru) * 2004-10-14 2005-07-27 Смирнов Борис Михайлович Устройство для определения углового положения подвижного объекта (варианты)
WO2012028210A1 (en) * 2010-09-03 2012-03-08 Sony Ericsson Mobile Communications Ab Method for determining the relative position of devices
US9454245B2 (en) * 2011-11-01 2016-09-27 Qualcomm Incorporated System and method for improving orientation data
US20130326364A1 (en) * 2012-05-31 2013-12-05 Stephen G. Latta Position relative hologram interactions
US9159133B2 (en) * 2012-11-05 2015-10-13 Qualcomm Incorporated Adaptive scale and/or gravity estimation
US10234306B2 (en) * 2014-07-11 2019-03-19 Sixense Enterprises Inc. Method and apparatus for synchronizing a transmitter and receiver in a magnetic tracking system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06221805A (ja) * 1992-07-09 1994-08-12 Polhemus Inc 離れた物体の位置及び方向を決定するための装置及びその方法
US5752513A (en) * 1995-06-07 1998-05-19 Biosense, Inc. Method and apparatus for determining position of object
RU2103664C1 (ru) * 1996-12-11 1998-01-27 Борис Михайлович Смирнов Устройство для дистанционного определения положения объекта (его варианты)
DE19858147A1 (de) * 1998-06-24 1999-12-30 Mitsubishi Electric Corp Induktivitätsänderungs-Detektierschaltung
RU2542793C1 (ru) * 2013-09-16 2015-02-27 Общество с ограниченной ответственностью "Континент-Тау" Устройство для определения положения объекта в пространстве

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3486610A4 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020011298A1 (de) * 2018-07-13 2020-01-16 Fachhochschule Dortmund Verfahren und einrichtung zur 3d-orientierungs- und 3d-positionsbestimmung auf basis einer einachsigen spule und eines marg-sensors

Also Published As

Publication number Publication date
RU2626755C1 (ru) 2017-07-31
KR20190028450A (ko) 2019-03-18
CN109416255B (zh) 2023-07-25
US10540021B2 (en) 2020-01-21
EP3486610A4 (en) 2020-04-01
EP3486610A1 (en) 2019-05-22
SG11201811805UA (en) 2019-01-30
JP2019525335A (ja) 2019-09-05
US20190171301A1 (en) 2019-06-06
CN109416255A (zh) 2019-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018017000A1 (ru) Устройство для определения положения объекта в пространстве
US10215564B2 (en) Automatic compass calibration systems and methods
CN107024198B (zh) 一种捷联惯导式测波方法及系统
US7555398B2 (en) Sensor system error reduction
US10704929B1 (en) Tracking position and movement using a magnetic field
JP2017510307A5 (ru)
US20100277163A1 (en) Spatial Information Detecting System, its Detecting Method, and Spatial Information Detecting Device
GB2378765A (en) Error compensation in an inertial navigation system
Zhilenkov et al. Based on MEMS sensors man-machine interface for mechatronic objects control
KR101210394B1 (ko) 지자기 검지장치
Tsai et al. EcoIMU: A dual triaxial-accelerometer inertial measurement unit for wearable applications
JP2011059091A (ja) 室内位置検出装置
EP3101804B1 (en) Hybrid architecture and method for absolute position to quadrature synthesis for motion detection and control
RU2542793C1 (ru) Устройство для определения положения объекта в пространстве
CN109099910A (zh) 基于惯性导航单元阵列的高精度惯性导航系统及实现方法
RU137953U1 (ru) Устройство для определения положения объекта в пространстве
RU2629691C1 (ru) Способ автономного определения угловых положений объекта с шестью степенями свободы пространственного движения
CN110568387A (zh) 一种基于磁梯度张量的航天器磁矩测试方法
RU2365877C1 (ru) Способ определения магнитной девиации на подвижном объекте
CN109211226A (zh) 一种基于mems运动传感器二维姿态解算的方法及装置
Wang et al. Research on data drift suppression method of gyroscope sensor Based on First-order Inertia and Low Pass Filter
JP4125059B2 (ja) 多軸傾斜検出装置
CN108169517A (zh) 一种加速度计的误差标定方法及装置
CN109798884B (zh) 一种多旋翼无人机磁力计动态实时校准方法
Günthner Enhancing cognitive assistance systems with inertial measurement units

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17831433

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2019503478

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20197002621

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017831433

Country of ref document: EP

Effective date: 20190218