【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及磁場(chǎng)測(cè)量及定位，特別是涉及一種基于生成式低頻磁場(chǎng)的磁定位系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
1、動(dòng)作捕捉是在運(yùn)動(dòng)物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，經(jīng)計(jì)算處理后得到跟蹤器在三維空間中的六自由度位姿數(shù)據(jù)，輔助重建目標(biāo)物體在空間范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程。
2、定位的結(jié)果對(duì)動(dòng)作捕捉整個(gè)過程十分重要。常見的空間定位方法可以分為光學(xué)式、慣性式、磁定位式等。其中，光學(xué)定位法是使用最廣泛、精度最高的一種定位方法。然而光學(xué)定位系統(tǒng)成本高、易受遮擋影響，且定位標(biāo)記物體積較大，對(duì)適用環(huán)境要求較高；慣性式定位系統(tǒng)具有較高的捕捉速率，不受環(huán)境干擾，但定位精度相對(duì)較低；磁定位具有無視線干擾的特點(diǎn)，且響應(yīng)靈敏度高、體積小，是動(dòng)作捕捉的一種常用定位方法。
3、磁定位系統(tǒng)根據(jù)所依靠的磁場(chǎng)頻率可以分為高頻電磁和低頻磁定位系統(tǒng)，現(xiàn)有的高頻電磁定位系統(tǒng)利用線圈及外圍頻率匹配電路構(gòu)建信號(hào)發(fā)射、接收模塊，通過周期信號(hào)非線性擬合求解模塊位姿信息。低頻磁定位系統(tǒng)通常利用磁鐵自身對(duì)外輻射的信號(hào)源構(gòu)建低頻磁場(chǎng)信號(hào)，并利用陣列傳感器對(duì)目標(biāo)磁鐵進(jìn)行空間位姿解析。
4、傳統(tǒng)的高頻磁定位系統(tǒng)具有較高的定位精度和刷新率，然而易受金屬器械等外界環(huán)境干擾，影響跟蹤過程中的定位使用。雖然傳統(tǒng)的低頻磁定位系統(tǒng)不易受到金屬渦流干擾，但是存在定位速度較慢、位姿信息較少的問題，會(huì)影響動(dòng)作捕捉的實(shí)際使用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、鑒于上述問題，本專利技術(shù)提供用于克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種磁定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)低頻周期磁信號(hào)的瞬
2、本專利技術(shù)提供了如下方案：
3、一種磁定位系統(tǒng)，包括：
4、磁場(chǎng)發(fā)生單元，所述磁場(chǎng)發(fā)生單元包括磁鐵、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)組件以及角度編碼器；所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)組件用于驅(qū)動(dòng)所述磁鐵旋轉(zhuǎn)以便形成向周圍輻射的低頻磁場(chǎng)信號(hào)；所述角度編碼器用于獲取所述磁鐵在旋轉(zhuǎn)過程中的旋轉(zhuǎn)角度信息；
5、測(cè)量單元，所述測(cè)量單元包括磁場(chǎng)測(cè)量傳感器，所述磁場(chǎng)測(cè)量傳感器用于獲取磁信號(hào)信息；
6、計(jì)算單元，所述計(jì)算單元與所述測(cè)量單元以及所述角度編碼器可通信相連，所述計(jì)算單元用于執(zhí)行以下操作：
7、接收所述磁信號(hào)信息以及所述旋轉(zhuǎn)角度信息；
8、利用所述磁信號(hào)信息以及所述旋轉(zhuǎn)角度信息構(gòu)建磁鐵空間運(yùn)動(dòng)的物理模型；
9、利用所述物理模型結(jié)合解析算法得到所述磁場(chǎng)測(cè)量傳感器的初始空間坐標(biāo)信息；
10、利用所述初始空間坐標(biāo)結(jié)合非線性優(yōu)化算法解算獲得所述磁場(chǎng)測(cè)量傳感器的六自由度信息。
11、優(yōu)選地：所述物理模型用于表示所述磁場(chǎng)測(cè)量傳感器與所述磁鐵之間的幾何關(guān)系，由下式表示：
12、
13、式中：k表示傳感器感知磁場(chǎng)的感應(yīng)系數(shù)，d表示距離模值，表示磁場(chǎng)測(cè)量傳感器所在坐標(biāo)p(x,y,z)距離磁鐵的幾何中心距離，表示磁鐵的磁矩偏轉(zhuǎn)角度向量。
14、優(yōu)選地：所述非線性優(yōu)化算法優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)由下式表示：
15、
16、式中：x,y,z表示磁場(chǎng)測(cè)量傳感器的初始空間坐標(biāo)信息，α,β,γ表示磁場(chǎng)測(cè)量傳感器繞x,y,z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，vi表示第i個(gè)時(shí)刻傳感器接檢測(cè)到的磁感應(yīng)強(qiáng)度，r表示傳感器自身姿態(tài)角度所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣，bi表示根據(jù)物理模型構(gòu)建的該時(shí)刻理論磁感應(yīng)強(qiáng)度。
17、優(yōu)選地：通過模值關(guān)系及z＞0的約束條件得到坐標(biāo)z的值，通過以下兩式解算獲得坐標(biāo)x以及坐標(biāo)y的值：
18、
19、
20、式中：d表示距離模值，k表示傳感器與永磁體的感應(yīng)系數(shù)，bx，by，bz表示三軸分量。
21、優(yōu)選地：利用磁矩夾角之間的關(guān)系，得到坐標(biāo)p(x,y,z)與平面xoy的夾角cosθ值，借由磁偶極子公式的模值形式求解獲得所述距離模d。
22、優(yōu)選地：所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)組件包括步進(jìn)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)編碼器。
23、優(yōu)選地：所述步進(jìn)電機(jī)編碼器用于控制所述步進(jìn)電機(jī)以目標(biāo)頻率周期轉(zhuǎn)動(dòng)。
24、優(yōu)選地：所述角度編碼器包括電容式角度編碼器或光電式角度編碼器中的任意一種。
25、優(yōu)選地：所述磁場(chǎng)測(cè)量傳感器包括各向異性磁阻amr傳感器。
26、根據(jù)本專利技術(shù)提供的具體實(shí)施例，本專利技術(shù)公開了以下技術(shù)效果：
27、本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種磁定位系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)跟蹤目標(biāo)在空間范圍內(nèi)的六自由度實(shí)時(shí)跟蹤。通過將磁鐵搭載轉(zhuǎn)動(dòng)軸承之上，采用控制器對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生低頻磁場(chǎng)信號(hào)，再由磁傳感器對(duì)產(chǎn)生的磁信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合固定電機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度編碼器所輸出的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)信息，利用計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)傳感器的空間位姿信息求解。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)低頻周期磁信號(hào)的瞬時(shí)定位，解決了低頻磁場(chǎng)定位技術(shù)速度慢，高頻磁場(chǎng)定位技術(shù)易受金屬干擾的問題，提高了磁定位方法的便捷性和穩(wěn)定性，降低了磁定位方法的成本。
28、當(dāng)然，實(shí)施本專利技術(shù)的任一產(chǎn)品并不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。
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1.一種磁定位系統(tǒng)，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁定位系統(tǒng)，其特征在于，所述物理模型用于表示所述磁場(chǎng)測(cè)量傳感器與所述磁鐵之間的幾何關(guān)系，由下式表示：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁定位系統(tǒng)，其特征在于，所述非線性優(yōu)化算法優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)由下式表示：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁定位系統(tǒng)，其特征在于，通過模值關(guān)系及z＞0的約束條件得到坐標(biāo)z的值，通過以下兩式解算獲得坐標(biāo)x以及坐標(biāo)y的值：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁定位系統(tǒng)，其特征在于，利用磁矩夾角之間的關(guān)系，得到坐標(biāo)P(x,y,z)與平面XOY的夾角cosθ值，借由磁偶極子公式的模值形式求解獲得所述距離模d。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁定位系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)組件包括步進(jìn)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)編碼器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁定位系統(tǒng)，其特征在于，所述步進(jìn)電機(jī)編碼器用于控制所述步進(jìn)電機(jī)以目標(biāo)頻率周期轉(zhuǎn)動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁定位系統(tǒng)，其特征在于，所述角度編碼器包括電容式角度編碼器或光電式角度編碼器中的任意一種。
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...【技術(shù)特征摘要】
1.一種磁定位系統(tǒng)，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁定位系統(tǒng)，其特征在于，所述物理模型用于表示所述磁場(chǎng)測(cè)量傳感器與所述磁鐵之間的幾何關(guān)系，由下式表示：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁定位系統(tǒng)，其特征在于，所述非線性優(yōu)化算法優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)由下式表示：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁定位系統(tǒng)，其特征在于，通過模值關(guān)系及z＞0的約束條件得到坐標(biāo)z的值，通過以下兩式解算獲得坐標(biāo)x以及坐標(biāo)y的值：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁定位系統(tǒng)，其特征在于，利用磁矩夾角之間的關(guān)系，得到坐標(biāo)p(x,y,z)與...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊健，贠景陽，陳濤，艾丹妮，宋紅，付天宇，范敬凡，肖德強(qiáng)，林毓聰，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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