基于多通道多频率磁场的定位跟踪方法和装置与流程

1.本发明属于电磁定位技术领域，具体涉及一种基于多通道多频率磁场的定位跟踪方法和装置。


背景技术：

2.电磁定位是一种应用电磁场来确定目标物体位置与姿态的技术，广泛应用在虚拟现实、医疗导航、生物力学和运动分析等领域。它不但可以获得目标物的位置信息，还可以获得其角度姿态信息，突出优点是精度高、不受视线阻挡的限制。
3.现有技术装置进行定位时，需要对发射通道与接收通道进行连线确定参考相位，从而确定磁场符号以计算定位结果，该方法的缺点是接收端不能进行较大范围的移动，测量范围较小，在室内位置信息和实时轨迹跟踪信息的精确测量领域不便应用。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明旨在公开了一种基于多通道多频率磁场的定位跟踪方法和装置，解决了在无参考相位条件下磁场符号的确认问题，实现电磁定位跟踪。
5.本发明公开了一种基于多通道多频率磁场的定位跟踪方法，包括：
6.接收端在位姿数据已知的初始定位点上，采用3个接收通道接收3种不同频率的磁场信号，确定出每个接收通道的频率间相对相位参考值；
7.接收端在后续逐个定位点上，对于每个接收通道的3个频率的无符号磁场计算频率间相对相位，根据该通道中频率间相对相位参考值，确定出3个频率的符号相对关系，得到2组3个频率的带符号磁场；3个接收通道进行组合共得到8组3个频率的带符号磁场；分别计算8组带符号磁场得到8个位姿候选数据；
8.将当前定位点上的8个位姿候选数据与前一定位点的位姿数据进行对比，将其中差值最小的位姿候选数据确定为当前定位点的位姿数据。
9.进一步地，所述接收端的3个接收通道分别采用3个相互正交的单轴磁感应线圈接收发射端发送的3种不同频率的三正交磁场信号。
10.进一步地，在初始定位点上，将接收端每个实际测得的3个频率的无符号磁场与根据发射端与接收端的位姿关系进行理论计算得到的磁场符号进行结合确定出每个接收通道的3个频率的带符号磁场；根据3个频率的带符号磁场确定出每个接收通道的频率间相对相位参考值。
11.进一步地，频率间相对相位参考值的确定过程，包括以下步骤：
12.1)确定出发射端与初始定位点上的接收端的位姿数据；
13.2)接收端的3个接收通道接收发射端发射的3种不同频率的磁场信号；测量得到9个无符号磁场；
14.3)根据所述位姿数据和3个频率数据，理论计算得到9个磁场的符号；
15.3)将理论计算得到的9个磁场的符号与测量得到9个无符号磁场相结合，得到9个
有符号磁场；
16.4)将每个接收通道中的3个有符号磁场分别对应比对，确定出初始定位点上3个接收通道3个磁场频率间的9个频率间相对相位参考值。
17.进一步地，所述频率间相对相位参考值其中接收端的通道编号i＝1,2,3；为在初始定位点通道i中编号为j、k频率的带符号磁场相位；j/k＝1,2,3。
18.进一步地，在确定每个接收通道的3个频率的符号相对关系时，
19.每个接收通道分别以测得3个频率的磁场信号中幅值最大的磁场频率为基准频率，计算其他两个频率与基准频率的相对相位；再与对应的其他两个频率与基准频率的频率间相对相位参考值进行比较，确定每个接收通道的3个频率的符号相对关系。
20.进一步地，所述得到2组3个频率的带符号磁场的方法，包括以下步骤：
21.1)从接收端的每个通道得到3个频率的无符号磁场中，确定出磁场幅值最大的频率作为基准频率；
22.2)以基准频率的相位为基准相位，计算其他两频率磁场的相位与基准相位的相位差为频率编号，i＝1,2,3为通道编号；
23.3)将相位差与对应的频率间相对相位参考值进行比对，根据比对结果确定出该通道其他两种频率与感应磁场最大的频率的磁场符号关系；在感应磁场最大的频率的磁场符号取正或负时，得到2组符号不相同的3个频率的带符号磁场。
24.进一步地，相位差与对应的频率间相对相位参考值的比对方式为当时，则认定通道中编号为j和k的两个频率点的磁场符号相反；否则认定通道中编号为j和k的两个频率点的磁场符号相同，d为预设角度阈值。
25.本发明还公开了一种基于通道间相位关系确认磁场符号的定位跟踪装置，包括发射端、接收端和跟踪处理端；
26.发射端，用于在设定位置发射3种频率的三正交磁场信号；
27.接收端，用于接收发射端的三正交磁场信号输出无符号磁场信号到跟踪处理端；
28.跟踪处理端，用于执行如权利要求1-8任一项所述的基于多通道多频率磁场的定位跟踪方法，进行接收端的定位跟踪。
29.进一步地，发射端包括3个正交的发射线圈，采用分频发射模式发送的3种不同频率的三正交磁场信号。
30.本发明至少可实现以下有益效果之一：
31.本发明发射通道与接收通道之间无需连线进行同步，无需参考相位，确认出磁场符号，实现电磁定位跟踪。并且接收端可以较大范围的移动，从而实现大范围测量。
附图说明
32.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
33.图1为本发明实施例中的基于多通道多频率磁场的定位跟踪方法流程图；
34.图2为本发明实施例中的得到2组3个频率的带符号磁场方法流程图；
35.图3为本发明实施例中的接收通道带符号磁场进行组合的示例图；
36.图4为本发明实施例中的定位跟踪过程流程图；
37.图5为本发明实施例中的基于多通道多频率磁场的定位跟踪装置组成示意框图。
具体实施方式
38.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
39.本发明的一个实施例公开了一种基于多通道多频率磁场的定位跟踪方法，如图1所示，包括：
40.步骤s1、接收端在位姿数据已知的初始定位点上，采用3个接收通道接收3种不同频率的磁场信号，确定出每个接收通道的频率间相对相位参考值；
41.步骤s2、接收端在后续逐个定位点上，对于每个接收通道的3个频率的无符号磁场计算频率间相对相位，根据该通道中频率间相对相位参考值，确定出3个频率的符号相对关系，得到2组3个频率的带符号磁场；3个接收通道进行组合共得到8组3个频率的带符号磁场；分别计算8组带符号磁场得到8个位姿候选数据；
42.步骤s3、将当前定位点上的8个位姿候选数据与前一定位点的位姿数据进行对比，将其中差值最小的位姿候选数据确定为当前定位点的位姿数据。
43.即，在初始定位点后的第二定位点上，根据接收端3个接收通道8组3个频率的带符号磁场；分别计算出8个位姿候选数据；其中1组带符号磁场可计算出对应的1个位姿候选数据；将第二定位点上的8个位姿候选数据与初始定位点的位姿数据进行对比，将其中差值最小的位姿候选数据确定为第二定位点的位姿数据。以此类推，得到所有定位点上的接收端的位姿数据。从而实现接收端的定位跟踪。
44.具体的，为了使在磁场中运动的接收端能够在以任何姿态都更够感应出磁场信号，本实施例中的接收端的3个接收通道分别采用3个相互正交的单轴磁感应线圈接收发射端发送的3种不同频率的三正交磁场信号；
45.发射端位置固定，包括3个相互正交的磁场发生线圈，采用分频发射模式发送的3种不同频率f1、f2和f3的三正交磁场信号。
46.具体的，接收端的单轴磁感应线圈感应的磁场信号为无符号磁场信号。在步骤s1中，在初始定位点上，根据接收端实际测得的无符号磁场结合根据发射端与接收端的位姿关系理论计算的磁场符号进行结合确定出每个接收通道的测量的带符号磁场；根据带符号磁场确定出1个接收通道中不同频率间的相对相位。
47.更具体的，不同磁场频率间相对相位的确定过程，包括以下步骤：
48.1)确定出发射端与初始定位点上的接收端的位姿数据；
49.将发射端的固定安装，使发射端发生的磁场信号可覆盖接收端的运动区域。将接收端以预设位姿放置于磁场中，确定出接收端的位姿数据包括在磁场坐标系中三轴位置数据和包括方位角、俯仰角和横滚角的三轴姿态角数据。例如[3,0,0,90,0,0]。
[0050]
2)接收端的3个接收通道接收发射端发射的3种不同频率的磁场信号；测量得到9
个无符号磁场；
[0051]
3)根据所述位姿数据和3个频率数据，理论计算得到9个磁场的符号；
[0052]
对于在磁场坐标系中根据已知的位置姿态确定的单轴磁感应线圈在空间磁场中感应出磁场的符号，可使用本领域的任一种现有技术可以实现，并应用于本实施例，不对本发明的保护范围构成影响。
[0053]
3)将理论计算得到的9个磁场的符号与测量得到9个无符号磁场相结合，得到9个有符号磁场；
[0054]
4)将每个接收通道中的3个有符号磁场分别对应比对，确定出初始定位点上3个接收通道3个磁场频率间的9个频率间相对相位参考值。
[0055]
具体的，所述频率间相对相位参考值其中接收端的通道编号i＝1,2,3；为在初始定位点通道i中编号为j、k频率的带符号磁场相位；j/k＝1,2,3。
[0056]
即，根据相位关系公式，3个通道中的3种频率可确定出包括即，根据相位关系公式，3个通道中的3种频率可确定出包括在内的9种不同频率间的相位关系。
[0057]
具体的，在步骤s2中，在确定每个接收通道的3个频率的符号相对关系时，每个接收通道分别以测得3个频率的磁场信号中幅值最大的磁场频率为基准频率，计算其他两个频率与基准频率的相对相位；再与对应的其他两个频率与基准频率的频率间相对相位参考值进行比较，确定每个接收通道的3个频率的符号相对关系。
[0058]
具体的，步骤s2中得到2组3个频率的带符号磁场方法，如图2所示，包括以下步骤：
[0059]
1)从接收端的每个通道得到3个频率的无符号磁场中，确定出磁场幅值最大的频率；f1、f2或f3。
[0060]
2)以该频率的感应磁场的相位为基准相位，计算其他两频率磁场的相位与基准相位的相位差为频率编号，i＝1,2,3为通道编号；
[0061]
当感应磁场最大的频率为f1时；计算频率f1与频率f2、f3的相位差
[0062]
当感应磁场最大的频率为f2时；计算频率f2与频率f1、f3的相位差
[0063]
当感应磁场最大的频率为f3时；计算频率f3与频率f1、f2的相位差
[0064]
为通道i中频率f1、f2、f3的无符号相位。
[0065]
3)将相位差与对应的相对相位进行比对，根据比对结果确定出该通道其他两种频率与感应磁场最大的频率的磁场符号关系；在感应磁场最大的频率的磁场符号取正或负时，得到2组符号不相同的3个频率的带符号磁场。
[0066]
具体的，比对方式为当时，则认定该通
道两个频率点的磁场反相，否则认定通道中编号为j和k的两个频率点的磁场符号相同，d为预设角度阈值。
[0067]
其中，在非初始定位点，由于接收端的姿态未定，测量的幅值最大的磁场的符号也是未定的，包括正、负2种情况。因此，每个接收通道得到1组幅值最大的磁场的符号为正时3个频率的带符号磁场，1组幅值最大的磁场的符号为负时3个频率的带符号磁场，共2组3个频率的带符号测量磁场。
[0068]
例如，接收通道1中感应磁场最大的频率为f1；
[0069]
则，计算的频率f1与频率f2、f3的相位差
[0070]
则，判断是，则频率f2的磁场符号与频率f1的磁场符号相反；否，则频率f2的磁场符号与频率f1的磁场符号相同；
[0071]
判断是，则频率f3的磁场符号与频率f1的磁场符号相反；否，则频率f3的磁场符号与频率f1的磁场符号相同。
[0072]
当频率f1的磁场符号分别为正时，得到2组频率f1、f2、f3的带符号测量磁场；
[0073]
当频率f1的磁场符号分别为负时，得到2组频率f1、f2、f3的带符号测量磁场。
[0074]
其中，预设角度阈值d可根据包括硬件的处理精度等实际情况进行设定，范围优选为30
°
～60
°
。
[0075]
每个接收通道得到2组3个频率的带符号的磁场；3个接收通道中磁场进行组合得到23＝8组3个频率的带符号磁场；
[0076]
如图3所示，给出了每个接收通道2组3个频率的带符号磁场进行组合得到8组带符号磁场的示例图。图中“+”、
“‑”
代表磁场的符号。每组频率的顺序为f1、f2、f3，如组1：f1为“+”、f2为
“‑”
、f3为“+”。
[0077]
利用这8组3个频率的带符号磁场，以前一点的位姿数据为初值，利用牛顿迭代的方法分别计算接收端的位置和姿态得到8个位姿候选数据。
[0078]
由于，8个位姿候选数据中只有1个位姿候选数据是符号完全正确的磁场计算出来的，而且，接收端在运动过程中不能发生突变，因此在步骤s3中，将当前定位点上的8个位姿候选数据与前一定位点的位姿数据进行对比，将其中差值最小的位姿候选数据确定为当前定位点的位姿数据。以此类推，得到从初始定位点之后的所有定位点上的接收端的位姿数据，实现接收端的定位跟踪。具体的定位跟踪过程如图4所示。
[0079]
综上所述，本发明实施例中，发射通道与接收通道之间无需连线进行同步，无需参考相位，就可确认出磁场符号，实现电磁定位跟踪。并且接收端可以较大范围的移动，从而实现大范围测量。
[0080]
本发明的另一个实施例公开了一种基于多通道多频率磁场的定位跟踪装置，如图5所示，包括：
[0081]
包括发射端、接收端和跟踪处理端；
[0082]
发射端，用于在设定位置发射3种频率的三正交磁场信号；
[0083]
接收端，用于接收发射端的三正交磁场信号输出无符号磁场信号到跟踪处理端；
[0084]
跟踪处理端，用于执行如上一实施例所述的基于多通道多频率磁场的定位跟踪方法，进行接收端的定位跟踪。
[0085]
具体的，发射端包括3个正交的发射线圈，采用分频发射模式发送的3种不同频率的三正交磁场信号。
[0086]
本实施例的具体细节和有益效果与上一实施例相同，请参见，在此就不一一赘述了。
[0087]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于多通道多频率磁场的定位跟踪方法，其特征在于，包括：接收端在位姿数据已知的初始定位点上，采用3个接收通道接收3种不同频率的磁场信号，确定出每个接收通道的频率间相对相位参考值；接收端在后续逐个定位点上，对于每个接收通道的3个频率的无符号磁场计算频率间相对相位，根据该通道中频率间相对相位参考值，确定出3个频率的符号相对关系，得到2组3个频率的带符号磁场；3个接收通道进行组合共得到8组3个频率的带符号磁场；分别计算8组带符号磁场得到8个位姿候选数据；将当前定位点上的8个位姿候选数据与前一定位点的位姿数据进行对比，将其中差值最小的位姿候选数据确定为当前定位点的位姿数据。2.根据权利要求1所述的定位跟踪方法，其特征在于，所述接收端的3个接收通道分别采用3个相互正交的单轴磁感应线圈接收发射端发送的3种不同频率的三正交磁场信号。3.根据权利要求1所述的定位跟踪方法，其特征在于，在初始定位点上，将接收端每个实际测得的3个频率的无符号磁场与根据发射端与接收端的位姿关系进行理论计算得到的磁场符号进行结合确定出每个接收通道的3个频率的带符号磁场；根据3个频率的带符号磁场确定出每个接收通道的频率间相对相位参考值。4.根据权利要求3所述的定位跟踪方法，其特征在于，频率间相对相位参考值的确定过程，包括以下步骤：1)确定出发射端与初始定位点上的接收端的位姿数据；2)接收端的3个接收通道接收发射端发射的3种不同频率的磁场信号；测量得到9个无符号磁场；3)根据所述位姿数据和3个频率数据，理论计算得到9个磁场的符号；3)将理论计算得到的9个磁场的符号与测量得到9个无符号磁场相结合，得到9个有符号磁场；4)将每个接收通道中的3个有符号磁场分别对应比对，确定出初始定位点上3个接收通道3个磁场频率间的9个频率间相对相位参考值。5.根据权利要求4所述的定位跟踪方法，其特征在于，所述频率间相对相位参考值其中接收端的通道编号i＝1,2,3；为在初始定位点通道i中编号为j、k频率的带符号磁场相位；j/k＝1,2,3。6.根据权利要求1所述的定位跟踪方法，其特征在于，在确定每个接收通道的3个频率的符号相对关系时，每个接收通道分别以测得3个频率的磁场信号中幅值最大的磁场频率为基准频率，计算其他两个频率与基准频率的相对相位；再与对应的其他两个频率与基准频率的频率间相对相位参考值进行比较，确定每个接收通道的3个频率的符号相对关系。7.根据权利要求6所述的定位跟踪方法，其特征在于，所述得到2组3个频率的带符号磁场的方法，包括以下步骤：1)从接收端的每个通道得到3个频率的无符号磁场中，确定出磁场幅值最大的频率作为基准频率；2)以基准频率的相位为基准相位，计算其他两频率磁场的相位与基准相位的相位差
j/k＝1,2,3为频率编号，i＝1,2,3为通道编号；3)将相位差与对应的频率间相对相位参考值进行比对，根据比对结果确定出该通道其他两种频率与感应磁场最大的频率的磁场符号关系；在感应磁场最大的频率的磁场符号取正或负时，得到2组符号不相同的3个频率的带符号磁场。8.根据权利要求7所述的定位跟踪方法，其特征在于，相位差与对应的频率间相对相位参考值的比对方式为当时，则认定通道中编号为j和k的两个频率点的磁场符号相反；否则认定通道中编号为j和k的两个频率点的磁场符号相同，d为预设角度阈值。9.一种基于通道间相位关系确认磁场符号的定位跟踪装置，其特征在于，包括发射端、接收端和跟踪处理端；发射端，用于在固定位置发射3种频率的三正交磁场信号；接收端，用于接收发射端的三正交磁场信号输出无符号磁场信号到跟踪处理端；跟踪处理端，用于执行如权利要求1-8任一项所述的基于多通道多频率磁场的定位跟踪方法，进行接收端的定位跟踪。10.根据权利要求9所述的定位跟踪装置，其特征在于，发射端包括3个正交的发射线圈，采用分频发射模式发送的3种不同频率的三正交磁场信号。

技术总结
本发明涉及一种基于多通道多频率磁场的定位跟踪方法及装置，包括：在初始定位点上接收端采用3个接收通道接收3种不同频率的磁场信号，确定出频率间相对相位参考值；在后续逐个定位点上，对于每个接收通道的3个频率的无符号磁场计算频率间相对相位，根据该通道中频率间相对相位参考值，确定出3个频率的符号相对关系，得到2组3个频率的带符号磁场；3个接收通道进行组合共得到8组3个频率的带符号磁场；分别计算8组带符号磁场得到8个位姿候选数据；将当前定位点上的8个位姿候选数据与前一定位点的位姿数据进行对比，将其中差值最小的位姿候选数据确定为当前定位点的位姿数据。本发明在无参考相位条件下确认磁场符号实现电磁定位跟踪。位跟踪。位跟踪。


技术研发人员：李舒悦 徐玉峰 张硕 许振丰
受保护的技术使用者：北京华航无线电测量研究所
技术研发日：2022.01.06
技术公布日：2023/7/21