[发明专利]一种单线圈接收端的电磁空间定位模型与定位算法

说明书

本发明属于空间定位技术领域，特别是涉及一种单线圈接收端的电磁空间定位模型与定位算法。包括若干正交线圈组构建的电磁空间定位模型发射端，以及单线圈的定位模型接收端，每组正交线圈组包括三个线圈，三个线圈平面的法向分别为三个坐标轴正向；电磁传感器安装在单线圈接收端，用于感应对应空间点的磁场强度。本发明定位精度高稳定性强：通过空间定位算法和两轮精度提升算法，确保了较高的空间定位精度，且定位系统基于多个正交线圈组构成的阵列，计算结果可以相互检验，增加了结果的可靠性和稳定性。

技术领域

本发明属于空间定位技术领域，特别是涉及一种单线圈接收端的电磁空间定位模型与定位算法。

背景技术

常见的空间定位技术有光学定位、惯性定位、超声定位及电磁定位等。光学定位技术是将发光体安装到定位目标，并通过事先设计好的摄像机阵列计算发光体在空间中的位置。光学定位技术具有精度高的特点，但当定位目标与摄像机之间有物体遮挡时，定位会受到严重的限制。惯性定位技术主要利用陀螺仪和加速度计计算定位目标的角速度和加速度，由此计算出目标实时的姿态和位置信息。但惯性定位设备一般较为笨重，传感器尺寸较大，而且不便于操作。超声定位原理是用超声设备对目标发射超声波，通过接收反射信号，对数据进行处理得到目标到传感器的距离。但超声定位受温度、湿度、空气流速等因素影响较大，由此产生的误差较难控制。电磁定位技术基于电磁感应原理，用磁场传感器测得磁场发射线圈在空间中产生的磁场大小和方向信息，根据一定算法得到目标在空间中的姿态和位置信息。由于磁场可穿透性强和受环境影响小，电磁定位技术解决了光学定位中遮挡物导致无法定位的情况，同时也避免了声学定位中复杂环境对定位的影响。

在电磁空间定位领域，国内外研究者不断提出相关方法及应用，其中主要依赖的基本原理和算法包括：圆电流磁偶极子模型、旋转矩阵算法、欧拉角算法、四元数算法等。在具体产品方面，美国Polhemus公司、加拿大NDI公司、美国Ascension公司等都推出了电磁定位设备与系统。电磁定位系统中接收端的类型和尺寸决定了该系统的应用领域，其中线圈型传感器具有灵敏度高、响应快、容易微型化的优点，方便用于要求小体积接收端的场合，例如定位医疗器械的介入手术领域。已有电磁空间定位产品中，主要采用了三个正交激励线圈/发射端和三个正交感应线圈/接收端配对的模型，如图1左所示。在此基础上，向茜等提出了接收端采用一组两正交线圈且其中心不重合的设计，可减小测量误差及制造工艺难度，如图1中所示。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种单线圈接收端的电磁空间定位模型，其特征在于，包括若干正交线圈组构建的电磁空间定位模型发射端，以及单线圈的定位模型接收端，每组正交线圈组包括三个线圈，三个线圈平面的法向分别为三个坐标轴正向；电磁传感器安装在单线圈接收端，用于感应对应空间点的磁场强度。

在上述的一种单线圈接收端的电磁空间定位模型，线圈为环形多扎线圈，并将环形多扎线圈等效为单扎线圈，各轴向线圈单独通电，相互无交点。

在上述的一种单线圈接收端的电磁空间定位模型，正交线圈组为4组，依次将几何中心位于坐标(0,0,0)，(Ncm,0,0)，(0,Ncm,0)，((Ncm,(Ncm,0)处的正交线圈组命名为1号、2号、3号、4号线圈组，并建立符合右手规则的局部空间直角坐标系；其中，1号线圈组的几何中心为坐标系原点，1号线圈组指向2号线圈组的方向为x轴正方向，1号线圈组指向3号线圈组的方向为y轴正方向，其中N为正整数，cm为厘米。

一种单线圈接收端的电磁空间定位模型的定位算法，其特征在于，包括：

步骤1、求解目标点到单正交线圈组几何中心距离，具体是：对于发射端的第i号线圈组，对其三个正交线圈x_i，y_i，z_i按照时序接通直流电；此时正交线圈组会在空间产生磁场，记为Bi[1]，Bi[2]，Bi[3]；对该磁场空间中的任意目标点，单线圈接收端可以获得该点的磁场信息，利用磁场信息可以求得该目标点到第i号正交线圈组几何中心的距离；