一种六自由度主动式电磁定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种六自由度主动式电磁定位系统及方法，其中系统包括：感应模块，固定在待测物体上，感应模块包括磁传感器和惯性测量单元，磁传感器用于采集磁场强度信息，惯性测量单元用于采集姿态信息；可变磁矩电磁装置，用于产生磁源，可变磁矩电磁装置的位置固定；上位机，用于根据采集的磁场强度信息和姿态信息获取磁传感器的第一位姿，根据第一位姿调节可变磁矩电磁装置的磁场信息；根据可变磁矩电磁装置上更新的磁场信息，以及预设的模型估计传感器的第二位姿，作为待测物体的位姿。本发明专利技术采用主动控制电磁铁磁矩的方法，提高电磁定位系统的磁定位空间灵敏度，从而提升定位精度，扩大其测量范围，可广泛应用于电磁定位技术领域。术领域。术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种六自由度主动式电磁定位系统及方法


[0001]本专利技术涉及电磁定位
，尤其涉及一种六自由度主动式电磁定位系统及方法。

技术介绍

[0002]目前，面向中小范围内定位的移动物体定位系统主要是光学跟踪系统，可以达到很高的精度，但是基于光学传感的方法需要保证视线可及，无法应用于受遮挡物体的定位，如定位在体内运动的医疗器械。基于超声的定位系统是另一种常用定位系统，但超声定位的测量精度在非均匀介质中会受到影响。有些定位系统采用了基于射频波(Radio Frequency Wave)的方法，但射频波在非均匀或衰减的介质(如人体)中传输，难以准确建立测量到的信号强度或传播时间与被测物体位置之间的关系，定位精度受到限制。
[0003]磁场可以穿透大多数非铁磁性的物体(如人体)，因此基于磁场的定位方法不受视线遮挡的影响，在视线受阻的中小范围空间定位有良好的应用前景，例如在经人体自然腔道的柔性医疗机器人定位方面。
[0004]磁定位系统具有一个固有缺陷：磁源的磁场强度和磁场关于位置的梯度在空间中分布极不均匀，随着传感器与磁源的距离和相对姿态变化而变化，被测物体在距离磁源较远处或处于某些相对于磁源的特定位置时的定位精度比较低，定位系统的有效测量范围受到限制。

技术实现思路

[0005]为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本专利技术的目的在于提供一种六自由度主动式电磁定位系统及方法。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]一种六自由度主动式电磁定位系统，包括：
[0008]感应模块，固定在待测物体上，所述感应模块包括磁传感器和惯性测量单元，所述磁传感器用于采集磁场强度信息，所述惯性测量单元用于采集姿态信息；
[0009]可变磁矩电磁装置，用于产生磁源，所述可变磁矩电磁装置的位置固定；
[0010]上位机，用于根据采集的磁场强度信息和姿态信息获取所述磁传感器的第一位姿，根据所述第一位姿调节所述可变磁矩电磁装置的磁场信息，以使磁矩方向对准传感器，并保证磁矩大小；根据所述可变磁矩电磁装置上更新的磁场信息，以及预设的模型估计传感器的第二位姿，作为待测物体的位姿。
[0011]进一步地，所述可变磁矩电磁装置为机械控制式的可变磁矩电磁装置，包括：
[0012]单轴电磁铁，用于产生磁场；
[0013]由两个电机组成的两轴云台，用于控制所述单轴电磁铁的位置和角度；
[0014]直流驱动板，用于控制所述单轴电磁铁上的电流。
[0015]进一步地，所述两轴云台包括：
[0016]第一支撑架，用于固定单轴电磁铁；
[0017]第一电机，与所述第一支撑架连接，用于带动单轴电磁铁在竖直面内转动；
[0018]第二支撑架，所述第二支撑架的一端与所述第一电机连接，所述第二支撑架的另一端与第二电机连接；
[0019]第二电机，用于带动单轴电磁铁在水平面内转动。
[0020]进一步地，所述第二支撑架为L型支撑架。
[0021]进一步地，所述可变磁矩电磁装置为电流控制式的可变磁矩电磁装置，包括：
[0022]三轴正交电磁线圈，包括三个电磁线圈，用于产生任意方向的磁矩；
[0023]三个直流驱动板，用于分别控制三个电磁线圈上的电流。
[0024]进一步地，所述可变磁矩电磁装置还包括用于增强磁场的铁芯。
[0025]本专利技术所采用的另一技术方案是：
[0026]一种六自由度主动式电磁定位方法，包括以下步骤：
[0027]将磁源和磁传感器建模为磁偶极子模型；
[0028]确定磁场与磁传感器位姿之间的关系，建立数学模型；
[0029]通过磁传感器采集磁场强度信息，通过惯性测量单元采集姿态信息；其中，磁传感器和惯性测量单元安装在待测物体上；
[0030]根据采集的磁场强度信息和姿态信息获取所述磁传感器的第一位姿；
[0031]根据所述第一位姿调节所述可变磁矩电磁装置的磁场信息，以使磁矩方向对准传感器，并保证磁矩大小；
[0032]根据所述可变磁矩电磁装置上更新的磁场信息，以及数学模型估计传感器的第二位姿，作为待测物体的位姿。
[0033]进一步地，所述可变磁矩电磁装置为机械控制式的可变磁矩电磁装置，包括单轴电磁铁、两轴云台和直流驱动板；
[0034]所述根据所述第一位姿调节所述可变磁矩电磁装置的磁场信息，包括：
[0035]根据所述第一位姿，获取所述磁传感器与单轴电磁铁的相对方位，通过两轴云台控制单轴电磁铁的磁矩方向，使磁矩方向对准传感器，以获得最大的磁定位灵敏度；
[0036]根据所述第一位姿，获取所述磁传感器与单轴电磁铁之间的距离，通过直流驱动板控制单轴电磁铁上的电流，来实时控制电磁铁磁矩大小，以保证足够的磁定位灵敏度。
[0037]进一步地，所述可变磁矩电磁装置为电流控制式的可变磁矩电磁装置，包括三个两两正交的电磁线圈和三个直流驱动板，所述三个直流驱动板分别与三个电磁线圈匹配；
[0038]所述根据所述第一位姿调节所述可变磁矩电磁装置的磁场信息，包括：
[0039]根据所述第一位姿分别控制所述三个直流驱动器，使产生的磁场发生改变，确保三个电磁线圈产生的磁矩的矢量和对准所述磁传感器，以获得最大的磁定位灵敏度；
[0040]根据所述第一位姿，获取所述磁传感器与电磁线圈之间的距离，通过直流驱动板控制电磁线圈上的电流，来控制磁矩矢量和的大小，以保证足够的磁定位灵敏度。
[0041]进一步地，所述数学模型的表达式为：
[0042][0043]其中，B
s
表示磁传感器测量的磁场强度值，μ0表示真空磁导率，R表示传感器姿态旋
转矩阵，M表示电磁铁磁矩向量，r表示磁传感器与电磁铁中心的距离的绝对值，T表示一个关于磁传感器位置的矩阵(x,y,z表示磁传感器在世界坐标系中X轴、Y轴、Z轴的位置)
[0044][0045]本专利技术的有益效果是：本专利技术采用主动控制电磁铁磁矩的方法，提高电磁定位系统的磁定位空间灵敏度，从而提升定位精度，扩大其测量范围。该系统尤其适用于在视线遮挡环境中运动物体的定位，如体内运动的医疗器械定位。
附图说明
[0046]为了更清楚地说明本专利技术实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本专利技术实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本专利技术的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
[0047]图1是本专利技术实施例中一种六自由度主动式电磁定位方法的步骤流程图；
[0048]图2是本专利技术实施例中机械控制式主动电磁定位装置示意图；
[0049]图3是本专利技术实施例中电流控制式主动电磁定位装置示意图；
[0050]图4是本专利技术实施例中3中万向磁源的装置示意图；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种六自由度主动式电磁定位系统，其特征在于，包括：感应模块，固定在待测物体上，所述感应模块包括磁传感器和惯性测量单元，所述磁传感器用于采集磁场强度信息，所述惯性测量单元用于采集姿态信息；可变磁矩电磁装置，用于产生磁源，所述可变磁矩电磁装置的位置固定；上位机，用于根据采集的磁场强度信息和姿态信息获取所述磁传感器的第一位姿，根据所述第一位姿调节所述可变磁矩电磁装置的磁场信息，以使磁矩方向对准传感器，并保证磁矩大小；根据所述可变磁矩电磁装置上更新的磁场信息，以及预设的模型估计传感器的第二位姿，作为待测物体的位姿。2.根据权利要求1所述的一种六自由度主动式电磁定位系统，其特征在于，所述可变磁矩电磁装置为机械控制式的可变磁矩电磁装置，包括：单轴电磁铁，用于产生磁场；由两个电机组成的两轴云台，用于控制所述单轴电磁铁的位置和角度；直流驱动板，用于控制所述单轴电磁铁上的电流。3.根据权利要求2所述的一种六自由度主动式电磁定位系统，其特征在于，所述两轴云台包括：第一支撑架，用于固定单轴电磁铁；第一电机，与所述第一支撑架连接，用于带动单轴电磁铁在竖直面内转动；第二支撑架，所述第二支撑架的一端与所述第一电机连接，所述第二支撑架的另一端与第二电机连接；第二电机，用于带动单轴电磁铁在水平面内转动。4.根据权利要求3所述的一种六自由度主动式电磁定位系统，其特征在于，所述第二支撑架为L型支撑架。5.根据权利要求1所述的一种六自由度主动式电磁定位系统，其特征在于，所述可变磁矩电磁装置为电流控制式的可变磁矩电磁装置，包括：三轴正交电磁线圈，包括三个电磁线圈，用于产生任意方向的磁矩；三个直流驱动板，用于分别控制三个电磁线圈上的电流。6.根据权利要求5所述的一种六自由度主动式电磁定位系统，其特征在于，所述可变磁矩电磁装置还包括用于增强磁场的铁芯。7.一种六自由度主动式电磁定位方法，其特征在于，包括以下步骤：将磁源和磁传感器建模为磁偶极子模型；确定磁场与磁传感器位姿之间的关系，建立数学模型；通...

【专利技术属性】
技术研发人员：王恒，刘德康，沈艺乐，张凯翔，刘骕骐，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：