[發明專利]一種高背景磁場下的磁定位方法及裝置

有效

• 申請號: 200910076821.2
• 申請日: 2009-01-22
• 公開（公告）號: CN101476860A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發明（設計）人: 宋濤;王喆;王金光;楊芩玉;王明
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: G01B7/00
• 分類號: G01B7/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司
• 代理人: 關 玲;賈玉忠

技術領域

本發明涉及一種高背景磁場下的磁定位方法及裝置，特別涉及背景磁場的大小和方向均改變時目標物體的磁定位方法及裝置。

背景技術

根據磁場的某種特定分布，計算目標物體位置或者姿態的方法為磁定位方法。隨著現代工業技術的發展，利用磁場分布進行目標物體定位的應用場合越來越多。磁定位方式不僅可以應用在航海導航以及手術導航中，還可以完成浮標和水下裝置的定位、鉆井定位、航空定位、與GPS集成用于輛導航等各個方面。

一般來說，磁定位方法有兩類：一類是磁源在目標物體外，即環境空間中產生或存在特定的已知磁場，目標物體檢測自身位置的環境磁場信息從而進行定位，如在航海行車導航中，利用地磁場分布特點設計的磁羅盤，可以確定輪船和車輛的當前位置，完成定位的目的。中國專利200810102766.5“一種外場快速標定微型多傳感器組合導航系統的方法”，提出了一種微型多傳感器組合導航系統完成定位過程的方法，該系統包含二維傾角傳感器、微型磁羅盤、3個硅MEMS陀螺儀以及3個硅MEMS加速度計，完成定位過程。

另一類是磁源在目標物體內，通過在目標物體外部檢測磁源產生的磁場信息來進行定位，如在手術導航中，磁定位系統利用置入人體的微小磁塊能夠精確地定位患者體內物體的位置。如中國專利200710074398.3“一種跟蹤體內微型裝置的方法及系統”、中國專利200710045448.5“永磁定位式胃腸道pH值24小時無創監測系統”和中國專利200580005138.X“用于磁定位設備的測量值的校正”，均根據目標物體內產生的特定磁場分布進行目標物體的定位。中國專利200710074398.3“一種跟蹤體內微型裝置的方法及系統”通過人體外部的傳感器陣列檢測膠囊內部永磁體的磁場分布信息以及射頻天線發射的信息，進行綜合定位，能獲得永磁體的6維位置和方向信息，其永磁塊磁場分布模型采用等效偶極子模型。中國專利200580005138.X“用于磁定位設備的測量值的校正”中的目標物體內部的場發生器通過激勵線圈的形式，產生所需的磁場信息。通過磁場傳感器的信號測量得到空間某點的磁場幅值，計算得到目標物體的位置和方向信息。

本發明的磁定位屬于磁源在目標體內的磁定位。現有的磁源在目標體內的磁定位方式均在地磁場環境中進行，沒有涉及到高的背景磁場，特別是大小和方向均變化的背景磁場下的磁定位。當存在變化的高背景磁場時，以及背景磁場為旋轉磁場時，現有的磁定位方式將不再適用。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術無法適用大小和方向均有變化的高背景磁場環境的缺點，提出一種高背景磁場下跟蹤目標物體的方法和裝置。

本發明方法利用背景磁場大小和方向均相同的空間對稱位置點處的磁場強度相減后所得的差值，以及永磁塊空間磁場分布情況，采用差分磁定位算法，計算得到永磁塊的位置和姿態，完成高背景磁場下的目標物體的定位。

本發明方法克服了現有方向和大小均有變化的高背景磁場對磁定位的干擾，可在大小和方向均有變化的高背景磁場下實時跟蹤磁目標物體，并實時顯示磁目標物體的運動軌跡、方向信息及運動速度，進行準確、可靠以及實時的目標物體定位。

本發明所采用的技術方案是：

本發明所定位的目標物體固定有永磁塊，永磁塊的空間磁場分布為一恒定值。本發明的方法為選擇背景磁場大小和方向均相同的兩位置點處布置傳感器組，傳感器組檢測背景磁場以及目標物體永磁塊的磁感應強度，采用差分放大電路將傳感器組中差分傳感器和被差分傳感器所檢測得到的相等的背景磁場磁感應強度作為共模信號相減，剔除高背景磁場，得到兩傳感器位置點處目標物體永磁塊的磁感應強度差值；由N(N≥5)組傳感器組測量得到包含N(N≥5)個磁感應強度差值的磁感應強度差值向量；采用差分磁定位算法，得到差分磁定位方程組；將包含目標物體永磁塊位置和姿態變量的差分磁定位方程組與實際測量所得的磁感應強度差值向量建立目標函數；采用非線性優化算法求解目標函數，即可獲得目標物體永磁塊的三維位置和二維姿態，完成目標物體的定位過程。