[發明專利]一種基于雙磁棒旋轉搜索的電磁跟蹤方法及系統

有效

• 申請號: 201010179332.2
• 申請日: 2010-05-20
• 公開（公告）號: CN101852868A
• 公開（公告）日: 2010-10-06
• 發明（設計）人: 葛鑫;鄔小玫;方祖祥;賴大坤
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01V3/00
• 分類號: G01V3/00;G01C21/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

1.一種基于雙磁棒旋轉搜索的電磁跟蹤系統，其特征在于由傳感器、磁場源、旋轉控制裝置和控制處理顯示裝置組成；所述傳感器附著于待跟蹤物體，旋轉控制裝置控制磁棒旋轉指向空間或半空間任意方向；磁棒旋轉依據旋轉策略，旋轉搜索傳感器，當磁棒鎖定傳感器時，依據位置和方向算法，計算傳感器六自由度的位置和方向；控制處理顯示裝置采用一臺pc機或服務器，對其他組件進行控制，并進行數據的采集和處理、跟蹤結果的顯示輸出。

2.根據權利要求1所述的基于雙磁棒旋轉搜索的電磁跟蹤系統，其特征在于所述的傳感器為三軸分量傳感器，分別用來檢測三個正交的局部方向X’、Y’和Z’的磁場；傳感器輸出經后續的信號調理和模擬-數字轉換模塊送入控制處理顯示裝置。

3.根據權利要求2所述的基于雙磁棒旋轉搜索的電磁跟蹤系統，其特征在于所述的磁場源由兩組電磁鐵線圈組成，兩組電磁鐵線圈組分別由兩個驅動電路控制驅動；其中一組電磁鐵線圈保證在相同距離情況下軸線上磁場強度最大，且該處磁場方向沿著該軸線；另外，電磁鐵采用脈沖直流的激勵方式，由控制處理顯示裝置控制脈沖直流的激勵。

4.根據權利要求3所述的基于雙磁棒旋轉搜索的電磁跟蹤系統，其特征在于所述的旋轉控制裝置包含兩個電機組，兩個電機組由步進電機驅動器驅動，驅動器由控制處理顯示裝置控制；每個電機組包括兩個步進電機，第一步進電機帶動第二步進電機轉動，第二步進電機帶動磁棒轉動，控制一磁棒沿兩正交方向旋轉，實現空間或半空間任意指向。

5.根據權利要求4所述的基于雙磁棒旋轉搜索的電磁跟蹤系統，其特征在于所述的控制處理顯示裝置由控制單元、算法單元、顯示輸出單元組成；其中，控制單元包括三個部分：(1)脈沖直流控制部分，提供對磁棒激勵的控制，磁棒激勵采用脈沖直流方式，每周期三個時間段，前兩個時間段順序激勵兩根磁棒，第三個時間段兩磁棒均不激勵；將每個磁棒激勵時測得的磁場與第三時間段的磁場相減作為該磁棒在傳感器位置產生的磁場強度；(2)電機控制部分，控制兩個電機組的電機旋轉，保證兩磁棒能分別在兩個正交方向上旋轉，實現空間或半空間任意位置的指向；電機控制部分依據旋轉搜索策略，根據當前時刻測得的磁場強度與之前時刻測得的磁場強度的關系，決定電機旋轉方向，根據磁棒當前位置決定電機旋轉步進，控制磁棒以最佳的方式搜索到傳感器；(3)采樣處理部分，在脈沖直流控制部分的同步下，采樣每個時間段的磁場，并求差以獲得每個磁棒在當前周期內的傳感器位置的磁場強度；搜索完成后，控制單元獲得完成時的兩個磁棒各自激勵時的場強數據和磁棒指向數據，算法單元根據這些數據，依據算法計算出傳感器的空間位置和空間姿態，送顯示輸出單元顯示。

6.一種利用如權利要求5所述的基于雙磁棒旋轉搜索的電磁跟蹤系統進行電磁跟蹤的方法，其特征在于步驟如下：根據磁棒指向傳感器時傳感器測得的磁場強度最大的特性，采用雙磁棒跟蹤傳感器進行搜索定位，應用幾何算法計算得到傳感器的空間位置；并進一步依據磁棒指向傳感器時傳感器測出的磁場方向沿著磁棒軸線方向的原理，應用幾何算法計算得到傳感器的空間姿態。

7.根據權利要求6所述的基于雙磁棒旋轉搜索的電磁跟蹤方法，其特征在于所述的搜索分為兩個階段：初始搜索階段和實時跟蹤階段；系統開始工作時進行初始搜索，從旋轉的初始指向出發執行搜索；當完成初始搜索后，由于短時間內傳感器運動距離有限，故磁棒當前指向距離傳感器實際指向較近，即在有限步數內完成跟蹤，保證跟蹤的實時性，故這一階段稱為實時跟蹤階段；搜索過程分兩步進行，先在一個正交平面進行，即一個電機旋轉搜索，尋找傳感器位置磁場強度的磁棒指向，當搜索完成時，再在另一個正交平面進行，在每個平面上開始搜索時，先向一個方向試探，若場強增大，則表示試探方向正確，否則反向搜索；找到正確方向后，沿該方向一步步搜索直至場強減小，則前一個搜索位置即為當前搜索平面里的最大場強方向。

8.根據權利要求7所述的基于雙磁棒旋轉搜索的電磁跟蹤方法，其特征在于在所述的初始搜索階段采用固定步長的方法，；實時跟蹤階段時，根據傳感器當前位置設定步長，步長大小隨傳感器距離每個電機的距離的增大而減小。