[发明专利]一种基于双磁棒旋转搜索的电磁跟踪方法及系统

权利要求书

1.一种基于双磁棒旋转搜索的电磁跟踪系统，其特征在于由传感器、磁场源、旋转控制装置和控制处理显示装置组成；所述传感器附着于待跟踪物体，旋转控制装置控制磁棒旋转指向空间或半空间任意方向；磁棒旋转依据旋转策略，旋转搜索传感器，当磁棒锁定传感器时，依据位置和方向算法，计算传感器六自由度的位置和方向；控制处理显示装置采用一台pc机或服务器，对其他组件进行控制，并进行数据的采集和处理、跟踪结果的显示输出。

2.根据权利要求1所述的基于双磁棒旋转搜索的电磁跟踪系统，其特征在于所述的传感器为三轴分量传感器，分别用来检测三个正交的局部方向X’、Y’和Z’的磁场；传感器输出经后续的信号调理和模拟-数字转换模块送入控制处理显示装置。

3.根据权利要求2所述的基于双磁棒旋转搜索的电磁跟踪系统，其特征在于所述的磁场源由两组电磁铁线圈组成，两组电磁铁线圈组分别由两个驱动电路控制驱动；其中一组电磁铁线圈保证在相同距离情况下轴线上磁场强度最大，且该处磁场方向沿着该轴线；另外，电磁铁采用脉冲直流的激励方式，由控制处理显示装置控制脉冲直流的激励。

4.根据权利要求3所述的基于双磁棒旋转搜索的电磁跟踪系统，其特征在于所述的旋转控制装置包含两个电机组，两个电机组由步进电机驱动器驱动，驱动器由控制处理显示装置控制；每个电机组包括两个步进电机，第一步进电机带动第二步进电机转动，第二步进电机带动磁棒转动，控制一磁棒沿两正交方向旋转，实现空间或半空间任意指向。

5.根据权利要求4所述的基于双磁棒旋转搜索的电磁跟踪系统，其特征在于所述的控制处理显示装置由控制单元、算法单元、显示输出单元组成；其中，控制单元包括三个部分：(1)脉冲直流控制部分，提供对磁棒激励的控制，磁棒激励采用脉冲直流方式，每周期三个时间段，前两个时间段顺序激励两根磁棒，第三个时间段两磁棒均不激励；将每个磁棒激励时测得的磁场与第三时间段的磁场相减作为该磁棒在传感器位置产生的磁场强度；(2)电机控制部分，控制两个电机组的电机旋转，保证两磁棒能分别在两个正交方向上旋转，实现空间或半空间任意位置的指向；电机控制部分依据旋转搜索策略，根据当前时刻测得的磁场强度与之前时刻测得的磁场强度的关系，决定电机旋转方向，根据磁棒当前位置决定电机旋转步进，控制磁棒以最佳的方式搜索到传感器；(3)采样处理部分，在脉冲直流控制部分的同步下，采样每个时间段的磁场，并求差以获得每个磁棒在当前周期内的传感器位置的磁场强度；搜索完成后，控制单元获得完成时的两个磁棒各自激励时的场强数据和磁棒指向数据，算法单元根据这些数据，依据算法计算出传感器的空间位置和空间姿态，送显示输出单元显示。

6.一种利用如权利要求5所述的基于双磁棒旋转搜索的电磁跟踪系统进行电磁跟踪的方法，其特征在于步骤如下：根据磁棒指向传感器时传感器测得的磁场强度最大的特性，采用双磁棒跟踪传感器进行搜索定位，应用几何算法计算得到传感器的空间位置；并进一步依据磁棒指向传感器时传感器测出的磁场方向沿着磁棒轴线方向的原理，应用几何算法计算得到传感器的空间姿态。

7.根据权利要求6所述的基于双磁棒旋转搜索的电磁跟踪方法，其特征在于所述的搜索分为两个阶段：初始搜索阶段和实时跟踪阶段；系统开始工作时进行初始搜索，从旋转的初始指向出发执行搜索；当完成初始搜索后，由于短时间内传感器运动距离有限，故磁棒当前指向距离传感器实际指向较近，即在有限步数内完成跟踪，保证跟踪的实时性，故这一阶段称为实时跟踪阶段；搜索过程分两步进行，先在一个正交平面进行，即一个电机旋转搜索，寻找传感器位置磁场强度的磁棒指向，当搜索完成时，再在另一个正交平面进行，在每个平面上开始搜索时，先向一个方向试探，若场强增大，则表示试探方向正确，否则反向搜索；找到正确方向后，沿该方向一步步搜索直至场强减小，则前一个搜索位置即为当前搜索平面里的最大场强方向。

8.根据权利要求7所述的基于双磁棒旋转搜索的电磁跟踪方法，其特征在于在所述的初始搜索阶段采用固定步长的方法，；实时跟踪阶段时，根据传感器当前位置设定步长，步长大小随传感器距离每个电机的距离的增大而减小。