一种三维空间磁定位系统的标定系统和方法技术方案

本发明专利技术公布了一种三维空间磁定位系统的标定系统和方法，克服了磁定位系统在传统标定过程中对目标磁体的姿态角度的依赖；标定系统包括标定杆、目标磁体、霍尔传感器阵列、立体视觉定位模块、数据采集模块和标定模型。标定过程中手持标定杆以任意姿态在探测空间内随意运动使目标磁体遍历整个探测空间，立体视觉定位模块实时获取目标磁体的三维空间位置，霍尔传感器阵列实时获取各个传感器的磁感应强度；数据采集模块同时采集得到所有霍尔传感器的实时磁感应强度和立体视觉模块采集的三维空间位置数据，通过有监督机器学习训练得到标定模型；最后，将经过训练得到的标定模型作为预测模型用于空间实时磁定位探测。

A calibration system and method for three-dimensional space magnetic positioning system

The invention discloses a calibration system and system of a three-dimensional space magnetic positioning system, which overcomes the dependence of the magnetic positioning system on the attitude angle of the target magnet in the traditional calibration process; the calibration system includes a calibration rod, a target magnet, a Hall sensor array, a stereo vision positioning module, a data acquisition module and a calibration model. \u3002 In the process of calibration, the hand-held calibration rod moves randomly in the detection space with arbitrary posture to make the target magnet traverse the whole detection space. The stereo vision positioning module obtains the three-dimensional position of the target magnet in real time, and the Hall sensor array obtains the magnetic induction intensity of each sensor in real time. The data acquisition module obtains the three-dimensional position of the target magnet simultaneously. The real-time magnetic induction intensity of Hall sensor and the three-dimensional spatial position data collected by stereo vision module are trained by supervised machine learning to obtain the calibration model. Finally, the calibration model is used as a prediction model for real-time magnetic positioning detection in space.

【技术实现步骤摘要】
一种三维空间磁定位系统的标定系统和方法
本专利技术涉及磁定位领域，尤其涉及一种三维空间磁定位系统的标定系统和方法。
技术介绍
磁定位系统利用霍尔传感器阵列测量目标磁体在空间中激发的磁场，通过测量得到的多个霍尔传感器对应的磁感应强度，根据毕奥-萨伐尔定律准确定位目标磁体在空间中的位置。根据《一种磁性目标定位跟踪系统的标定方法》(胡超，任宇鹏，王文虎，等.集成技术，2014(5)：85-96.)可知，在磁定位系统实际使用之前，需要对系统中的各个霍尔传感器的空间位置和角度进行标定。目前经典的标定方式为：在磁定位系统的探测空间中放置标定平台，在标定平台上移动目标磁体，分别记录标定点的三维空间位置以及对应位置下每个霍尔传感器的输出，利用这些信息完成对磁定位系统中参数的标定。这种标定方法存在明显的局限性，即在标定过程中目标磁体姿态的各个方向角度需要在标定时预先已知，因此对磁定位系统的标定造成了很大的困难。
技术实现思路
：本专利技术公开了一种三维空间磁定位系统的标定系统和方法，在原有的三维空间磁定位系统外，引入预先标定的立体视觉定位模块得到目标磁体的三维定位数据；在标定过程中，目标磁体在探测空间内以任意姿态随意运动并遍历整个探测空间，霍尔传感器阵列得到相应各个传感器的磁感应强度数据，立体视觉定位模块得到相应的三维空间位置数据，组成训练数据集合；在数据采集处理模块中利用有监督机器学习得到磁定位系统的标定模型，训练得到的标定模型作为预测模型用于实时磁定位测量。这种标定方法能够有效克服磁定位系统在传统标定过程中对目标磁体姿态角度的依赖。本专利技术提供的具体
技术实现思路
是：本专利技术公开的一种三维空间磁定位系统的标定系统是由标定杆L、目标磁体O、霍尔传感器阵列C、立体视觉定位模块V、数据采集处理模块D、标定模型M构成；目标磁体O固定在标定杆L的一端；标定时使用的目标磁体O与实际测量时使用的探测磁体一致，标定时使用的霍尔传感器阵列C中霍尔传感器的数量、型号和分布与实际测量时使用的霍尔传感器阵列一致。本专利技术公开的标定方法为：在标定过程中，手持标定杆L的一端随意运动使目标磁体O以任意姿态遍历整个探测空间；立体视觉定位模块V负责实时获取目标磁体O的三维空间位置，霍尔传感器阵列C负责实时获取各个传感器的磁感应强度；数据采集处理模块D负责同时采集立体视觉定位模块V和霍尔传感器阵列C中所有传感器的实时数据；进一步，利用数据采集处理模块D同时采集得到所有霍尔传感器的实时磁感应强度和立体视觉定位模块V得到的对应三维空间位置数据，在数据采集处理模块D中进行有监督训练得到标定模型M。为了保证标定杆L不影响探测空间内的磁场分布，其材质为非铁磁性材质；作为优选，可以是木质或塑料材质。目标磁体O能够产生磁场，作为优选，可以为永磁铁；目标磁体O与实际测量时使用的目标磁体一致，为了便于立体视觉定位模块V对目标磁体O的识别与跟踪，目标磁体O的外表面与标定杆L的视觉特征需要有明显区分，例如，目标磁体O的外表面可以涂覆具有特殊颜色、纹理特征的条纹、贴纸或发光LED灯。为了保证标定范围的有效性，立体视觉定位模块V视觉测量空间有效范围完全覆盖磁定位探测空间的有效范围；立体视觉定位模块V由不少于2个摄像机以及目标检测和跟踪算法、立体视觉三维定位算法构成。其中，目标检测和跟踪算法可以为光流法、或相关滤波追踪算法，立体视觉三维定位算法可以采用线性转换方法或连续视差空间算法。标定模型M为人工神经网络，训练方法为有监督训练，训练集为数据采集处理模块D获得的大量标定数据；其中，训练样本为霍尔传感器阵列C中所有传感器的实时数据，样本标签为立体视觉定位模块V对应的三维空间位置数据；模型训练完成的判定标准为在整个探测空间内的平均误差不大于预设值e。为了解决传统标定过程中的磁体姿态角度需要预先设置带来的困难，本专利技术的基本思想为：由于立体视觉空间定位系统的标定是容易做到的，首先，在标定过程中，通过引入事先标定好的立体视觉定位模块，就能够得到目标磁体的三维空间位置作为标定的真值(GroundTruth)；同时，磁定位系统中霍尔传感器阵列中各个传感器的磁感应强度可以作为训练样本，进一步通过有监督机器学习方法得到标定模型，最终训练得到的标定模型就可以作为预测模型用于实时磁定位空间探测。其次，在标定过程中，将标定杆随意运动，包括转动和平动，从而带动目标磁体遍历整个探测空间，也使得目标磁体自身遍历了各种姿态，这样就不再需要在标定时预先准确知道目标磁体姿态的各个方向角度，从而有效避免了磁定位系统在传统标定策略中对目标磁体姿态角度的依赖，这也就是本专利技术带来的益处。附图说明图1为本专利技术提供的三维空间磁定位系统的标定系统；图1中，D-数据采集处理模块；L-标定杆；C-霍尔传感器阵列；V-立体视觉定位模块；O-目标磁体；M-标定模型；S-霍尔传感器具体实施方式下面结合附图，通过实施例进一步描述本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术的范围。本专利技术涉及到的磁定位系统包含以下几个部分：标定杆、目标磁体、霍尔传感器阵列、立体视觉定位模块、数据采集处理模块、标定模型。所述目标磁体固定在标定杆一端，目标磁体为黑色钕铁硼N35永磁铁，与白色标定杆的视觉特征有明显区分，标定杆长度为10cm；所述霍尔传感器阵列由9个霍尔传感器构成，相邻传感器之间的水平和垂直距离均为6cm；所述立体视觉定位模块由2个不同视角的摄像机以及光流目标追踪算法、线性转换立体视觉算法构成；所述数据采集处理模块负责同时采集立体视觉定位模块和霍尔传感器阵列中所有传感器的实时数据；所述标定模型为有监督训练的径向基神经网络，训练得到的标定模型可作为预测模型用于实时磁定位空间探测。参照图1，本专利技术提供的一种三维空间磁定位系统的标定系统包括：数据采集处理模块D，标定杆L，霍尔传感器阵列C，立体视觉定位模块V，目标磁体O，标定模型M。其中，立体视觉定位模块V使用的两个摄像机是通过常规直接线性法(DirectLinearTransformation)事先标定好的，空间测量精度为0.1mm，双目立体视觉的探测区域范围完全覆盖磁场定位的有效探测空间范围，调整双目摄像机的焦距使得能够清晰地拍摄到目标磁体O的运动视频数据。利用光流法(OpticalFlow)定位出目标磁体在两幅图像中实时运动轨迹和位置，然后通过双目立体视觉原理重建出目标磁体的三维空间位置。霍尔传感器阵列C固定在探测区域下方，目标磁体O固定在标定杆L一端。标定过程中手持标定杆L的另一端，在探测空间内以任意角度姿态随意运动使目标磁体O遍历整个探测空间；立体视觉定位模块V负责实时获取目标磁体的三维空间位置，霍尔传感器阵列C负责实时获取各个传感器的磁感应强度，数据采集处理模块D负责同时采集立体视觉定位模块V和霍尔传感器阵列C中所有传感器的实时数据，利用数据采集处理模块D采集得到所有霍尔传感器的实时磁感应强度和对应的三维空间位置数据，在数据采集处理模块D中进行有监督训练得到标定模型M；其中，训练样本为霍尔传感器阵列C中所有传感器的实时数据，立体视觉定位模块V得到目标磁体O的三维空间位置并作为标定的真值；通过训练径向基神经网络获得标定模型M，径向基神经网络的结构为三层前向网络，包括一个输入层、一个隐含层和一个输出层。输入层的节点个数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维空间磁定位系统的标定系统和方法，其特征在于：标定系统由标定杆L、目标磁体O、霍尔传感器阵列C、立体视觉定位模块V、数据采集处理模块D、标定模型M构成；目标磁体O固定在标定杆L的一端；标定时使用的目标磁体O与实际测量时使用的探测磁体一致；霍尔传感器阵列C由n个霍尔传感器构成，标定时使用的霍尔传感器阵列C中霍尔传感器的数量、型号和分布与三维空间磁定位系统实际测量时使用的霍尔传感器阵列一致；标定方法为：在标定过程中，手持标定杆L的另一端在探测空间内随意运动使目标磁体O遍历整个探测空间；立体视觉定位模块V负责实时获取目标磁体O的三维空间位置，霍尔传感器阵列C负责实时获取各个传感器的磁感应强度；数据采集处理模块D负责同时采集立体视觉定位模块V和霍尔传感器阵列C中所有传感器的实时数据；进一步，利用数据采集处理模块D采集得到所有霍尔传感器的实时磁感应强度和对应的三维空间位置数据，在数据采集处理模块D中进行有监督训练得到标定模型M；训练得到的标定模型M作为预测模型用于实时磁定位空间探测。

【技术特征摘要】
1.一种三维空间磁定位系统的标定系统和方法，其特征在于：标定系统由标定杆L、目标磁体O、霍尔传感器阵列C、立体视觉定位模块V、数据采集处理模块D、标定模型M构成；目标磁体O固定在标定杆L的一端；标定时使用的目标磁体O与实际测量时使用的探测磁体一致；霍尔传感器阵列C由n个霍尔传感器构成，标定时使用的霍尔传感器阵列C中霍尔传感器的数量、型号和分布与三维空间磁定位系统实际测量时使用的霍尔传感器阵列一致；标定方法为：在标定过程中，手持标定杆L的另一端在探测空间内随意运动使目标磁体O遍历整个探测空间；立体视觉定位模块V负责实时获取目标磁体O的三维空间位置，霍尔传感器阵列C负责实时获取各个传感器的磁感应强度；数据采集处理模块D负责同时采集立体视觉定位模块V和霍尔传感器阵列C中所有传感器的实时数据；进一步，利用数据采集处理模块D采集得到所有霍尔传感器的实时磁感应强度和对应的三维空间位置数据，在数据采集处理模块D中进行有监督训练得到标定模型M；训练得到的标定模型M作为预测模型用于实时磁定位空间探测。2.如权利要求1所述的标定杆L，其特征在于，材质为非铁磁性材质。3.如权利要求1所述的目标磁体O，其特征在于，目标磁体O与三维空间磁定位系统实际测量时使用的目标磁体一致，且目标磁体O的外表面与标定杆L的视觉特征有明显区分...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯志恒，汪帝，安健，郑亦嘉，张凯，张珏，方竞，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11