CN116269757A - 基于软磁体的六自由度无线磁定位系统、方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统、方法及装置，其中系统包括：磁源模块，用于产生交变磁场；软磁体，安装在被测器械的末端，且所述被测器械与所述软磁体采用刚性连接，以使软磁体所受力和力矩传递到被测器械上；所述软磁体工作在交变磁场中；磁场检测装置，用于检测由于所述软磁体的运动而带来的磁场变化；处理器，根据检测到的磁场变化对软磁体位姿进行测量，获得软磁体的位姿，根据软磁体的位姿来推算被测器械末端的位姿。本发明使用软磁体作为无源敏感元件，将软磁体与被测器械刚性连接，实现了对被测器械末端的无接触传感和安全、稳定、准确的全六自由度实时位姿测量。本发明可广泛应用于位置跟踪与定位领域。
Description
技术领域
本发明涉及位置跟踪与定位领域，尤其涉及一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统、方法及装置。
背景技术
医疗机器人等自动化医疗器械和设备已经越来越广泛地应用于疾病诊断、活检取样、手术治疗等医疗任务，可以有效提高医疗操作的准确性、稳定性和安全性，降低医疗成本，并减少医务人员的工作负担。例如，微创医疗器械可以很好地适应复杂狭窄的体内空间，进一步减少病人创伤，提高手术的安全性，减轻病人的术后不良反应。对微创医疗器械末端执行器的位姿进行实时跟踪测量可以实现其状态监测、自主导航和反馈控制，引导医生更加高效准确地操作器械抵达病灶，从而大大提高微创医疗操作的安全性、准确性和自动化水平。
现有的微创医疗器械末端位姿跟踪方法中使用最广泛的光学跟踪系统因其易受视线遮挡影响，无法感知在体内运动的微创医疗器械；基于其他传感原理的位姿跟踪方法在安全性、稳定性和测量精度等方面存在着各自的局限和不足，难以获得广泛应用。磁场可以安全地穿透人体，基于磁场传感原理的位姿跟踪方法可以用于跟踪体内运动的微创医疗器械。但现有的基于电磁铁或永磁铁磁源的定位方法在系统集成可靠性、抗磁干扰能力和全六自由度位姿感知能力等方面存在各自的局限，严重制约了磁定位技术在微创医疗器械定位方面的应用。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统、方法及装置。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统，包括：
磁源模块，用于产生交变磁场；
软磁体，安装在被测器械的末端，且所述被测器械与所述软磁体采用刚性连接，以使软磁体所受力和力矩传递到被测器械上；所述软磁体工作在交变磁场中；
磁场检测装置，用于检测由于所述软磁体的运动而带来的磁场变化；
处理器，根据检测到的磁场变化对软磁体位姿进行测量，获得软磁体的位姿，根据软磁体的位姿来推算被测器械末端的位姿。
进一步地，所述磁场检测装置包括：
磁传感器，用于将磁感应强度转化为差分电压信号；
信号处理单元，用于差分电压信号进行预处理，并输出。
进一步地，所述磁传感器为双路三轴隧道磁阻传感器。
进一步地，所述软磁体的材料为镍铁磁性合金或镍铁非晶合金。
进一步地，所述软磁体的形状为椭球体、椭圆柱或长方体，且三轴非对称，即其赤道半径a与b及极半径(高)c各不相等，且a＞b＞c。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种基于软磁体的六自由度无线磁定位方法，包括以下步骤：
建立磁场测量值与软磁体位姿之间的数学关系模型；
建立被测器械末端的运动学模型；
检测软磁体在交变磁场中平移和/或旋转时引起的磁场变化；
结合运动学模型与数学关系模型对磁场变化的数据进行分析，估计软磁体的位姿；
根据软磁体的位姿推算被测器械末端的位姿。
进一步地，所述数学关系模型具体为：
假设磁源与被磁化后的软磁体均可由磁偶极子模型近似：
其中，下标s表示磁传感器；e表示磁源；μ表示软磁体；h(·)表示偶极子磁场强度分布模型；P表示软磁体在世界坐标系中的位置向量；R表示软磁体姿态旋转矩阵；k表示软磁体的去磁化系数；
表示传感器检测到的电磁铁磁场，hμ(·)表示软磁体的磁偶极子模型，he(·)表示电磁铁的磁偶极子模型，/>
表示软磁体的去磁化系数对角矩阵，/>
表示由软磁体系到电磁铁系的旋转矩阵，/>
表示电磁铁的磁矩，/>
表示电磁铁指向软磁体的位置向量，/>
表示电磁铁指向传感器的位置向量，/>
表示软磁体指向传感器的位置向量。
进一步地，所述运动学模型基于恒速度模型建立，待估计的状态量参数包括软磁体的三维坐标、三轴方向的速度分量、软磁体的姿态四元数以及三轴角速度分量，表示如下：
式中，P＝[xyz]T表示软磁体的三轴位置向量，v＝[vxvyvz]T表示软磁体的三轴速度分量，Q＝[q0q1q2q3]T表示软磁体的姿态四元数，ω＝[ωxωyωz]T表示软磁体的三轴角速度分量；
磁场测量值由三轴磁传感器给出(此处使用两个传感器)：
Y＝[Bx1By1Bz1Bx2By2Bz2]T
所使用的位姿跟踪算法为扩展卡尔曼滤波，建立系统的状态方程和磁场测量方程：
Xk＝Φk-1Xk-1+Gwk-1
Yk＝h(Xk)+nk
状态方程展开为：
Xk＝ΦXk-1+Gwk-1
式中，Pk表示k时刻的位置，vk表示k时刻的速度，qk表示k时刻的姿态，ωk表示k时刻的角速度，I3×3表示三阶单位矩阵，Δt表示采样时间间隔；h(Xk)表示系统测量模型，nk表示测量噪声。
进一步地，所述六自由度无线磁定位方法，还包括以下步骤：
建立全局坐标系，将所有器件使用统一坐标表示。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种基于软磁体的六自由度无线磁定位装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。
本发明的有益效果是：本发明使用软磁体作为无源敏感元件，将软磁体与被测器械刚性连接，实现了对被测器械末端的无接触传感和安全、稳定、准确的全六自由度实时位姿测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明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发明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。
图1是本发明实施例中一种基于软磁体的六自由度无线磁定位的流程图；
图2是本发明实施例中基于软磁体的微创医疗器械六自由度无线磁定位系统的结构示意图；
图3是本发明实施例中得到的旋转角估计值与参考值的对比示意图；
图4是本发明实施例中得到的坐标估计值与参考值的对比示意图。
附图标记：1、磁源；2、电源模块；3、功率放大器；4、软磁体；5、磁传感器；6、信号处理模块；7、计算机；8、信号发生器；9、微创医疗器械。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
软磁体是一种具有高磁导率和低矫顽力的铁磁体，其容易被外部磁场磁化而变为磁源，可在外部磁场中受到力和力矩的作用，因此，将软磁体固定在医疗器械上作为受力元件，实现对医疗器械的驱动。作为驱动磁源的电磁线圈置于体外，软磁体会被驱动磁源发出的磁场磁化而形成一个二次磁源，其磁矩(反映磁性强度和取向)取决于驱动磁源在软磁体位置磁化它的磁场。被磁化后的软磁体可以看作一个偶极子磁源，软磁体在驱动磁场中会受到取决于当地磁场和磁场梯度的力矩和力作用；通过调控外部驱动磁场和设计软磁体几何形状，对微创器械末端施加三自由度力和三自由度力矩，从而实现全六自由度灵巧驱动。因此在了解软磁体在驱动磁场中受力的磁-力耦合关系后，结合驱动控制系统，就可以精准操控微型医疗器械或其他工业微机器人。
参见图2，本实施例提供一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统，包括：
磁源模块，用于产生交变磁场；
软磁体，安装在被测器械的末端，且所述被测器械与所述软磁体采用刚性连接；所述软磁体工作在交变磁场中；其中，软磁体在磁源磁场作用下磁化形成二次磁源，其磁矩取决于软磁体所在位置的外部磁场，被磁化的软磁体在外部磁场作用下受到力和力矩，进而带动被测器械发生平移和转动；
磁场检测装置，用于检测由于所述软磁体的运动而带来的磁场变化；
处理器，根据检测到的磁场变化对软磁体位姿进行测量，获得软磁体的位姿，根据软磁体的位姿来推算被测器械末端的位姿。
作为一种可选的实施方式，软磁体的材料为镍铁磁性合金(1J85)或镍铁非晶合金(1K501)，相对磁导率μr＝104-105；形状为椭球体或椭圆柱或长方体，三轴非对称，即其赤道半径a与b及极半径(高)c各不相等，且a＞b＞c。
作为一种可选的实施方式，所述磁场检测装置包括：
磁传感器，用于将磁感应强度转化为差分电压信号；
信号处理单元，用于差分电压信号进行预处理，并输出。
所使用的磁传感器为双路三轴隧道磁阻(TMR)传感器，两传感器间距120mm；磁源与传感器相距200mm。
作为一种可选的实施方式，磁源为电磁铁，线圈直径100mm，匝数为1000；产生的磁场为频率为300Hz的交变磁场。
以下结合附图及具体实施例对上述系统进行详细解释说明。本实施例中，采用镍铁磁性合金(1J85)为材料加工椭圆柱形软磁体，相对磁导率μr＝1.246×105。三轴长分别为：a＝8mm,b＝16mm,c＝40mm。所使用的磁传感器为江苏多维科技有限公司的TMR3205M三轴线性TMR传感器。
如图2所示，本实施例提供一种基于软磁体的微创医疗器械六自由度无线磁定位系统，包括：磁源模块1、电源模块2、功率放大器3、软磁体4、磁传感器5、信号处理模块6、计算机7、信号发生器8、微创医疗器械9。
软磁体4与微创医疗器械9的工作末端之间采用刚性连接，软磁体4在磁源模块1与磁传感器5之间的有效工作区域作平移及旋转运动。电源模块2输出的24V直流电与信号源8经过功率放大器3后变为频率为300Hz、幅值为24Vpp的正弦交流电，该正弦交流电为磁源模块1供能，以产生交变磁场。
由于软磁体4在磁场中运动而带来的磁场变化，该磁场变化由磁传感器5进行检测，检测到磁变化信号由信号处理模块6进行滤波、放大、取有效值及模-数转换后，通过串口通讯方式经由线缆传输至计算机7。
计算机7接收到来自磁传感器5的信号，根据所建立的磁场测量值与软磁体4位姿之间的数学模型，以及微创医疗器械9末端的运动学模型，对软磁体4的位姿进行估计。由于软磁体4与微创医疗器械9末端采用刚性连接，通过测量软磁体位姿即可推算待测微创医疗器械末端位姿。
作为可选的实施方式，计算机7在获得微创医疗器械末端位姿后，将计算获得的微创医疗器械末端位姿与预测的目标位姿进行比对，判断微创医疗器械是否达到预设位置，若检测到没有到底，则通过更新磁源模块的工作参数，促使微创器械运动，直至微创器械达到目标位姿。
作为可选的实施方式，所述电源模块置于磁源模块的后方，通过信号发生器与功率放大器为磁源模块供能。磁场检测装置设置在磁源模块正前方。软磁体的有效工作区间位于磁源模块与磁场检测装置之间。
基于上述的系统，如图1所示，本实施例提供一种基于软磁体的六自由度无线磁定位方法，包括以下步骤：
S1、建立全局坐标系，将所有器件使用统一坐标表示。
S2、建立磁场测量值与软磁体位姿之间的数学关系模型。
S3、建立被测器械末端的运动学模型。
S4、检测软磁体在交变磁场中平移和/或旋转时引起的磁场变化。
S5、结合运动学模型与数学关系模型对磁场变化的数据进行分析，估计软磁体的位姿。
S6、根据软磁体的位姿推算被测器械末端的位姿。
由于软磁体在磁源与磁场测量装置之间作平移及旋转运动，会引起磁场变化，通过磁场测量装置检测该磁场变化，并估计软磁体在全局坐标系中的六自由度坐标位置及姿态。软磁体与微创医疗器械末端采用刚性连接，通过测量软磁体位姿即可推算待测微创医疗器械末端位姿。另外，通过调控外部驱动磁场和设计软磁体几何形状，对微创器械末端施加三自由度力和三自由度力矩，从而实现全六自由度灵巧驱动。
其中，步骤S2中所建立的数学模型为：
假设磁源与被磁化后的软磁体均可由磁偶极子模型近似：
其中，下标s表示磁传感器；e表示磁源；μ表示软磁体；h(·)表示偶极子磁场强度分布模型；P表示软磁体在世界坐标系中的位置向量；R表示软磁体姿态旋转矩阵；k表示软磁体的去磁化系数；
表示传感器检测到的电磁铁磁场，hμ(·)表示软磁体的磁偶极子模型，he(·)表示电磁铁的磁偶极子模型，/>
表示软磁体的去磁化系数对角矩阵，/>
表示由软磁体系到电磁铁系的旋转矩阵，/>
表示电磁铁的磁矩，/>
表示电磁铁指向软磁体的位置向量，/>
表示电磁铁指向传感器的位置向量，/>
表示软磁体指向传感器的位置向量。
步骤S3中，运动学模型基于恒速度模型建立，待估计的状态量参数包括软磁体的三维坐标、三轴方向的速度分量、软磁体的姿态四元数以及三轴角速度分量，表示如下：
X＝[PvQω]T
＝[xyzvxvyvzq0q1q2q3ωxωyωz]T
式中，P＝[xyz]T表示软磁体的三轴位置向量，v＝[vxvyvz]T表示软磁体的三轴速度分量，Q＝[q0q1q2q3]T表示软磁体的姿态四元数，ω＝[ωxωyωz]T表示软磁体的三轴角速度分量；
磁场测量值由三轴磁传感器给出：
Y＝[Bx1By1Bz1Bx2By2Bz2]T
所使用的位姿跟踪算法为扩展卡尔曼滤波，建立系统的状态方程和磁场：
Xk＝Φk-1Xk-1+Gwk-1
Yk＝h(Xk)+nk
状态方程展开为：
Xk＝ΦXk-1+Gwk-1
通过实验验证，图3为通过上述方法得到的旋转角估计值与参考值的对比的示意图，图4为通过上述方法得到的位置估计值与参考值的示意图，由图可知，本实施例方法能够准确地测量微创医疗器械末端的六自由度实时位姿，为精准控制控制微创医疗器械打下基础。
本实施例还提供一种基于软磁体的六自由度无线磁定位装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现图1所示方法。
本实施例的一种基于软磁体的六自由度无线磁定位装置，可执行本发明方法实施例所一种基于软磁体的六自由度无线磁定位方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的方法。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统，其特征在于，包括：
磁源模块，用于产生交变磁场；
软磁体，安装在被测器械的末端，且所述被测器械与所述软磁体采用刚性连接，以使软磁体所受力和力矩传递到被测器械上；所述软磁体工作在交变磁场中；
磁场检测装置，用于检测由于所述软磁体的运动而带来的磁场变化；
处理器，根据检测到的磁场变化对软磁体位姿进行测量，获得软磁体的位姿，根据软磁体的位姿来推算被测器械末端的位姿。
2.根据权利要求1所述的一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统，其特征在于，所述磁场检测装置包括：
磁传感器，用于将磁感应强度转化为差分电压信号；
信号处理单元，用于差分电压信号进行预处理，并输出。
3.根据权利要求2所述的一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统，其特征在于，所述磁传感器为双路三轴隧道磁阻传感器。
4.根据权利要求1所述的一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统，其特征在于，所述软磁体的材料为镍铁磁性合金或镍铁非晶合金。
5.根据权利要求1所述的一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统，其特征在于，所述软磁体的形状为椭球体、椭圆柱或长方体，且三轴非对称。
6.一种基于软磁体的六自由度无线磁定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立磁场测量值与软磁体位姿之间的数学关系模型；
建立被测器械末端的运动学模型；
检测软磁体在交变磁场中平移和/或旋转时引起的磁场变化；
结合运动学模型与数学关系模型对磁场变化的数据进行分析，估计软磁体的位姿；
根据软磁体的位姿推算被测器械末端的位姿。
7.根据权利要求6所述的一种基于软磁体的六自由度无线磁定位方法，其特征在于，所述数学关系模型具体为：
假设磁源与被磁化后的软磁体均可由磁偶极子模型近似：
其中，下标s表示磁传感器；e表示磁源；μ表示软磁体；h(·)表示偶极子磁场强度分布模型；P表示软磁体在世界坐标系中的位置向量；R表示软磁体姿态旋转矩阵；k表示软磁体的去磁化系数；
表示传感器检测到的电磁铁磁场，hμ(·)表示软磁体的磁偶极子模型，he(·)表示电磁铁的磁偶极子模型，/>
表示软磁体的去磁化系数对角矩阵，/>
表示由软磁体系到电磁铁系的旋转矩阵，/>
表示电磁铁的磁矩，/>
表示电磁铁指向软磁体的位置向量，/>
表示电磁铁指向传感器的位置向量，/>
表示软磁体指向传感器的位置向量。
8.根据权利要求6所述的一种基于软磁体的六自由度无线磁定位方法，其特征在于，所述运动学模型基于恒速度模型建立，待估计的状态量参数包括软磁体的三维坐标、三轴方向的速度分量、软磁体的姿态四元数以及三轴角速度分量，表示如下：
X＝[P v Qω]T
＝[x y z vx vy vz q0 q1 q2 q3ωxωyωz]T
式中，P＝[x y z]T表示软磁体的三轴位置向量，v＝[vx vy vz]T表示软磁体的三轴速度分量，Q＝[q0 q1 q2 q3]T表示软磁体的姿态四元数，ω＝[ωxωyωz]T表示软磁体的三轴角速度分量；
磁场测量值由三轴磁传感器给出：
Y＝[Bx1 By1 Bz1 Bx2 By2 Bz2]T
所使用的位姿跟踪算法为扩展卡尔曼滤波，建立系统的状态方程和磁场测量方程：
Xk＝Φk-1Xk-1+Gwk-1
Yk＝h(Xk)+nk
状态方程展开为：
Xk＝ΦXk-1+Gwk-1
式中，Pk表示k时刻的位置，vk表示k时刻的速度，qk表示k时刻的姿态，ωk表示k时刻的角速度，I3×3表示三阶单位矩阵，Δt表示采样时间间隔；h(Xk)表示系统测量模型，nk表示测量噪声。
9.根据权利要求6所述的一种基于软磁体的六自由度无线磁定位方法，其特征在于，所述六自由度无线磁定位方法，还包括以下步骤：
建立全局坐标系，将所有器件使用统一坐标表示。
10.一种基于软磁体的六自由度无线磁定位装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求6-9任一项所述方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310095171.6A CN116269757A (zh) | 2023-02-06 | 2023-02-06 | 基于软磁体的六自由度无线磁定位系统、方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310095171.6A CN116269757A (zh) | 2023-02-06 | 2023-02-06 | 基于软磁体的六自由度无线磁定位系统、方法及装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN116269757A true CN116269757A (zh) | 2023-06-23 |
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ID=86819509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310095171.6A Pending CN116269757A (zh) | 2023-02-06 | 2023-02-06 | 基于软磁体的六自由度无线磁定位系统、方法及装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN116269757A (zh) |
-
2023
- 2023-02-06 CN CN202310095171.6A patent/CN116269757A/zh active Pending
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