[發明專利]基于鑒相技術的電磁跟蹤系統及方法

有效

• 申請號: 201810298617.4
• 申請日: 2018-04-04
• 公開（公告）號: CN108662973B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 鄔小玫;黃興曼
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01B7/30
• 分類號: G01B7/30;A61B34/20
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

1.一種基于鑒相技術的電磁跟蹤系統，其特征在于，由如下三個部分組成：磁場源模塊，磁傳感器模塊以及控制模塊；其中：

所述磁場源模塊，包含磁場源和交流恒流源；所述磁場源是由三個纏繞在磁芯上的、中心點重合且相互正交的線圈組成，線圈通電后即產生磁場；所述交流恒流源為構成磁場源的線圈提供激勵電流，即交流恒流源在控制模塊的控制下輸出正余弦電流按一定順序激勵磁場源的各線圈；

所述磁傳感器模塊，包含一個三軸磁傳感器以及相應的信號調理電路；所述三軸磁傳感器附著于被跟蹤目標，測量跟蹤目標所處位置的三軸正交磁感應強度，輸入到信號調理電路中；信號調理電路對三軸磁傳感器檢測到的數據進行濾波和放大；

所述控制模塊，包含激勵控制電路、AD轉換與采樣電路以及處理器；所述激勵控制電路在處理器的控制下實現對磁場源各線圈激勵電流的通斷；AD轉換電路與采樣電路采集磁場源的余弦激勵信號及目標點所處位置的合成磁感應強度，兩路模擬信號經AD轉換后變成兩路數字信號輸入到處理器中進行處理，處理器對采樣得到的余弦激勵信號進行平方運算得到信號1，對合成磁感應強度信號進行平方運算得到信號2，再依次對兩組數據進行FFT運算，利用兩路信號的數字頻譜計算信號1和信號2的相位差；進而計算投影角，并進一步計算旋轉角，實現對目標點的跟蹤定位；

定義相關概念如下：

定義坐標系：該坐標系對應于磁場源，三個坐標軸分別沿組成磁場源的中心點重合且相互正交的三個線圈的軸線方向，坐標原點為(0，0，0)，對應于三個線圈重合的中心點；

定義投影角：用∠1、∠2、∠3表示，∠1、∠2、∠3分別指跟蹤目標的中心點在該坐標系的xy平面投影與x軸夾角，yz平面投影與y軸夾角，xz平面投影與z軸夾角；

定義線圈的編號：線圈磁芯與x軸平行的記作線圈1，與y軸平行的記作線圈2，與z軸平行的記作線圈3；

定義所測相位差：

相位差θ₁：用幅度和頻率一定的余弦信號激勵線圈1，同時以相同幅度和頻率的正弦信號激勵線圈2，線圈3不施加任何激勵；此時，磁傳感器所處位置的合成磁感應強度的平方與余弦激勵信號的平方為同頻余弦信號，相位差恒定，記為θ₁；

相位差θ₂：用幅度和頻率一定的余弦信號激勵線圈2，同時以相同幅度和頻率的正弦信號激勵線圈3，線圈1不施加任何激勵；此時，磁傳感器所處位置的合成磁感應強度的平方與余弦激勵信號的平方為同頻余弦信號，相位差恒定，記為θ₂；

相位差θ₃：用幅度和頻率一定的余弦信號激勵線圈3，同時以相同幅度和頻率的正弦信號激勵線圈1，線圈2不施加任何激勵；此時，磁傳感器所處位置的合成磁感應強度的平方與余弦激勵信號的平方為同頻余弦信號，相位差恒定，記為θ₃；

為實現對目標點的定位，需獲取兩組投影角，每組包含∠1、∠2、∠3三個角，以下為利用鑒相技術獲取電磁跟蹤系統中目標點的投影角的過程：

對線圈1施加幅度為A、角頻率為w的余弦激勵信號Acoswt，對線圈2施加與線圈1相同幅度、相同頻率的正弦激勵信號Asinwt，對線圈3不施加任何激勵；此時，磁傳感器所處位置的合成磁感應強度記為B1，其三軸正交分量依次記為B_1x，B_1y，B_1z；定位的目標是一個三軸磁傳感器，設其空間位置坐標為(x,y,z)，其與系統坐標系原點之間的距離為r，有r²＝x²+y²+z²；

利用磁偶極子公式求解跟蹤目標所處位置的磁感應強度，則有：

其中，k為常系數；

于是，合成磁感應強度信號進行平方運算得到信號2的算式為：

對激勵信號I＝cos wt進行平方運算得到信號1的算式為：

由上述(3)式和(4)式知：激勵信號的平方I²與此時傳感器檢測到的合成磁感應強度的平方B1²之間的相位差θ₁＝2∠1，即：

同理得：

得到投影角∠1、∠2、∠3后，利用式(8)、式(9)，求得旋轉角如下：

α是水平旋轉角，即跟蹤目標的中心點在xy平面的投影與x軸之間的夾角，β是垂直旋轉角，即坐標系原點到跟蹤目標中心點之間的連線與該連線在xy平面的投影之間的夾角；確定跟蹤目標的兩組旋轉角，即可對跟蹤目標進行準確的定位。

2.基于權利要求1所述電磁跟蹤系統進行電磁跟蹤的方法，其特征在于，具體步驟如下：

(1)對線圈1施加幅度為A，角頻率為w的余弦激勵信號A cos wt，對線圈2施加與線圈1相同頻率的正弦激勵信號A sin wt，對線圈3不施加任何激勵；

(2)將余弦信號激勵A cos wt以及磁傳感器模塊的輸出作為輸入信號輸入到控制模塊中，將數模轉換內核設置成同步模式，對模擬輸入進行嚴格同步的采樣和轉換；根據奈奎斯特采樣定理，采樣頻率應在被測信號頻率的兩倍以上，可由定時器實現對采樣頻率的精確控制；

(3)上述模擬信號的采樣完成后，對采樣點的數據進行如下處理：對余弦激勵信號進行平方運算得到信號1；對磁傳感器合成磁感應強度信號求平方得到信號2；

(4)采用數字或模擬的方式獲取信號1和信號2的相位差：依次對兩組數據進行FFT運算，利用兩路信號的數字頻譜求取相位差；假設兩待測信號頻率均為f，采樣頻率為f_s，采樣點數為N，則待測信號對應的數字頻譜的譜點數為取出該點對應虛數的實部和虛部；設信號1對應的實部和虛部依次為a₁和b₁，信號2對應的實部和虛部依次為a₂和b₂，可知信號1相位信號2相位即相位差θ₁＝δ₂-δ₁；

(5)對線圈2施加幅度為A，角頻率為w的余弦激勵信號A cos wt，對線圈3施加與線圈2相同幅度、相同頻率的正弦激勵信號A sin wt，對線圈1不施加任何激勵；重復步驟(2)、(3)、(4)三步，得到相位差θ₂；

(6)對線圈3施加幅度為A，角頻率為ω的余弦激勵信號A cos wt，對線圈1施加與線圈3相同頻率的正弦激勵信號A sin wt，對線圈2不施加任何激勵；重復步驟(2)、(3)、(4)三步，得到相位差θ₃；

(7)利用相位差與角度之間的關系式(5)、(6)、(7)式，求解得投影角∠1、∠2、∠3，然后根據公式(8)、(9)即求解出旋轉角；

α是水平旋轉角，即跟蹤目標的中心點在xy平面的投影與x軸之間的夾角，β是垂直旋轉角，即坐標系原點到跟蹤目標中心點之間的連線與該連線在xy平面的投影之間的夾角；確定跟蹤目標的兩組旋轉角，即可對跟蹤目標進行準確的定位。