[发明专利]一种基于正交磁棒旋转搜索的电磁跟踪方法及系统

权利要求书

1.一种基于正交磁棒旋转搜索的电磁跟踪系统，其特征在于：由一个传感器装置、一个正交三轴线圈装置、一个控制处理显示装置组成；所述传感器装置附着于待跟踪物体，用于测量三个正交方向的磁场；所述正交三轴线圈装置由控制处理显示装置提供直流脉冲激励，用以模拟轴线所在方向为空间任意方向的两个正交的磁棒；该磁棒通过同时改变输出到正交线圈三轴上的直流脉冲电流大小，实现磁棒轴线所在方向的改变即旋转，来搜索传感器装置；所述控制处理显示装置由嵌入式系统和显示器组成，实现对其他组件的控制、数据的采集和处理、跟踪结果的显示、输出；其中：

所述三轴磁场传感器装置2包括三轴分量传感器5、6、7，和一个信号调理和模拟-数字转换模块8，三轴分量传感器5、6、7分别用来检测三个正交方向X’、Y’和Z’的磁场，其输出经后续的信号调理和模拟-数字转换模块8送入控制处理显示装置4，由控制处理显示装置4中的采样处理模块16采样处理；

所述正交三轴线圈装置3包括：三组电磁铁线圈9、10、11,和3个控制驱动电路12、13、14，三组电磁铁线圈9、10和11分别由控制驱动电路12、13和14控制驱动，三组电磁铁线圈几何中心重合，电磁铁采用脉冲直流的激励方式，由控制处理显示装置4控制脉冲直流的激励；

所述控制处理显示装置4由控制单元17、算法单元18、显示输出单元19组成，所述控制单元17包括两个部分：采样处理模块16和脉冲直流控制模块15，采样处理模块16用于采样处理来自信号调理和模拟-数字转换模块8的信号；脉冲直流控制模块15提供对三轴正交线圈9、10和11的激励控制；脉冲直流的激励的每个周期分三个时间段，前两个时间段分别激励三轴正交线圈9、10和11合成主磁棒和副磁棒，第三个时间段三轴正交线圈均不激励；将主、副磁棒合成激励时测得的磁场与第三时间段的磁场相减作为对应磁棒在传感器位置产生的磁场强度。

2.一种基于权利要求1所述的电磁跟踪系统的电磁跟踪方法，其特征在于通过直流脉冲激励方式交替激励由正交三轴线圈装置3模拟的两个可旋转的正交磁棒，分别产生磁场分布情况已知的电磁场；用三轴磁场传感器装置2测量其所在位置的磁场大小和方向，用控制处理显示装置4根据搜索策略进行搜索，当主磁棒指向传感器时搜索完毕；此时根据磁棒旋转的角度信息和沿主磁棒轴向的磁场强度标定信息计算求得其六自由度的空间位置和空间姿态；

所述的直流脉冲激励方式为交替激励，是将每个激励周期分三个时间段，在脉冲直流激励周期的第一个时间段，在x轴发射线圈上给予sinαcosβ安培的激励电流，在y轴发射线圈上给予cosαcosβ安培的激励电流，在z轴发射线圈上给予sinβ安培的激励电流，以合成大小为1安培电流激励的、从x轴旋转水平角度α、垂直角度β的主磁棒；在脉冲直流激励周期的第二个时间段，在x轴发射线圈上给予sin(α+90°)安培的激励电流，在y轴发射线圈上给予cos(α+90°)安培的激励电流，在z轴发射线圈上给予0安培的激励电流，用于合成与前一时间段合成主磁棒相正交的副磁棒；在脉冲直流激励周期的第三时间段，各轴线圈均不给予激励电流；将各磁棒激励时测得的磁场与第三时间段的磁场相减作为对应磁棒在传感器位置产生的磁场强度；

所述的搜索策略为正交磁棒组的主磁棒在两个正交平面内依次旋转，副磁棒始终与即时的主磁棒保持正交；根据磁棒指向传感器装置时传感器测得的磁场强度最大的特性，锁定主磁棒指向传感器的位置；其中磁棒旋转角度采用自适应步长，即每次旋转的角度根据传感器距离正交磁棒组的距离的增大而减小。

3.根据权利要求2所述的电磁跟踪方法，其特征在于所述电磁跟踪的搜索策略，具体过程分为两个阶段：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；完成初始搜索后，进入实时跟踪阶段，实时跟踪搜索过程分两步进行，即正交磁棒组的主磁棒在两个正交平面内依次旋转进行搜索，在主磁棒搜索过程中，副磁棒始终与即时的主磁棒保持正交；这样经过两次搜索，当主磁棒指向传感器时，停止搜索，实现对传感器位置的锁定；其中，主磁棒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，则主磁棒的前一个搜索位置即为当前搜索平面里的最大场强方向。