CN101361660A - 一种多磁性目标的定位方法及定位系统 - Google Patents

Abstract

一种多磁性目标的定位方法及定位系统，设置至少两个内置永磁体的磁性目标，以及设置传感器数量多于磁性目标5倍的磁传感器阵列，方法包括：A.获取各传感器的空间位置，以及各磁性目标作用在各传感器处的磁感应强度数据；B.利用测量获得的磁感应强度数据以及毕奥－萨伐尔定律，定义一误差目标函数；C.利用非线性优化算法寻找磁性目标的位置和方向参数，使误差目标函数最小，获得各磁性目标包括位置和方向参数的定位数据。同时，根据多磁性目标绝对坐标系的位置数据，对所述被测目标进行相对定位，实现对运动物体(人体)内置目标的精确定位跟踪。

Description

一种多磁性目标的定位方法及定位系统

技术领域

本发明涉及无线定位技术，尤其涉及一种对多目标定位的方法和定位系统。

背景技术

近年来，无线定位技术得到了越来越多的应用。诸如对交通工具和活动目标的跟踪、虚拟现实制作、机器人定位、人体内部微型医疗设备跟踪、手术导航、地下铁磁材料定位等等。目前，普遍应用的无线定位技术有GPS、射频无线信号强度定位、计算机视觉定位、磁定位，以及基于图像的X射线检查、CT检查、核磁共振检查、三维超声检查等。其中，GPS和射频无线信号强度定位适用于无遮挡空间中定位，对于室内和有物体阻挡时，定位误差较大。计算机视觉定位是基于视觉图像分析的定位，在被跟踪目标的图像不可采集(或不可见)的情况下该种定位技术便不再适用。而对于人体内物体活内置于人体内装置的位置确定，可用X射线检查、CT检查、核磁共振检查、三维超声检查。这些方法可以提供清晰度比较高的二维或三维影像，但是这些方法提供的是图像信息，需要进一步的处理计算才能给出体内装置的三维位置，尽管如此还是不能给出体内装置的面对方向。同时由于X射线、CT、核磁共振、三维超声这些设备价格昂贵而且操作复杂，不可能长时间来对微型设备进行实时跟踪，且X射线、CT等设备长时间跟踪对人体会有副作用，应用受到限制。而对于某些周围有非磁性材料阻挡物体的近距离目标，如人体内置目标(人体本身是非磁性材料)，采用磁场定位会有较高的精度，是一种合适的定位方法。并且在某些应用场合，希望定位系统能同时跟踪两个或多个目标，以满足应用需要。

目前，现有技术之一，在人体内设置多个具有电磁场发生器的设备，电磁场发生器产生不同频率的磁场，通过磁场传感器检测电磁场计算磁场源的位置和方向，可实现对体内多个设备进行跟踪。但是这种采用时变的电磁场定位有着明显的缺陷：首先，电磁场会使周围电导体产生涡流，影响磁场分布，从而影响系统定位精度；其次，用于微型设备跟踪时发射电磁场会消耗微型设备的电能，并需要特定的电磁激励电路，不利于目标的微型化。

现有技术之二，采用磁传感器来对人体内置有永磁体的一微型设备进行定位，即采用磁场矢量和方法，用磁场传感器测量体内永磁体发出的磁场强度。但是，该方法不能对吞入微型设备的随意走动和运动的测试者进行检测。因此，美国专利2005/0143648A1将小的永磁体放入无线胶囊内镜中，并将两根圆环分别固定在人体的胸部和腰部。两根圆环上分别固定了4个磁感受器，使磁传感器与体内无线胶囊内镜的相对位置固定，来检测胶囊内镜的位置和方向。但是，此方法无法消除在长时间的检测过程中，人体呼吸、转动、和相对伸缩引起的人体相对检测传感器的移动带来的测量误差，从而导致定位误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种多磁性目标的定位方法及定位系统，解决对多目标的定位问题。

本发明另一目的是：解决运动物体内置目标的精确定位跟踪问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种多磁性目标的定位方法，包括以下步骤：

A、获取传感器阵列上各传感器所处的空间位置，以及测量各磁性目标作用在所述各传感器处的磁感应强度数据，所述磁性目标内置永磁体；

B、利用测量获得的所述各传感器点的磁感应强度数据以及毕奥-萨伐尔定律，定义一误差目标函数；

C、利用非线性优化算法寻找所述磁性目标的位置和方向参数，使所述误差目标函数最小，此时所述磁性目标的位置和方向参数即为各磁性目标的定位数据。

所述的定位方法，其中：所述步骤A包括如下：测量各传感器所在位置磁场的三个正交磁感应强度分量；所述步骤B中的所述误差目标函数按照如下步骤获取：

B₁、利用测量得到的所述传感器处的三个正交磁感应强度分量定义误差函数三个分量分别为：

${\stackrel{\‾}{E}}_X=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{lx}}-\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{Tq}}\{\frac{3[m_q(x_l-a_q)+n_q(y_l-b_q)+p_q(z_l-c_q)](x_l-a_q)}{{R_{\mathrm{lq}}}^5}-\frac{m_q}{{R_{\mathrm{lq}}}^3}\}\}}^2$

${\stackrel{\‾}{E}}_Y=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{ly}}-\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{Tq}}\{\frac{3[m_q(x_l-a_q)+n_q(y_l-b_q)+p_q(z_l-c_q)](y_l-b_q)}{{R_{\mathrm{lq}}}^5}-\frac{n_q}{{R_{\mathrm{lq}}}^3}\}\}}^2$

${\stackrel{\‾}{E}}_Z=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{lz}}-\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{Tq}}\{\frac{3[m_q(x_l-a_q)+n_q(y_l-b_q)+p_q(z_l-c_q)](z_l-c_q)}{{R_{\mathrm{lq}}}^5}-\frac{p_q}{{R_{\mathrm{lq}}}^3}\}\}}^2$

其中：B_lx，B_ly，和B_lz为各传感器所在位置磁场的三个正交磁感应强度分量测量值；a_q，b_q，c_q为第q个磁性目标的位置参数；m_q，n_q，p_q为第q个磁性目标的方向参数；x_l、y_l、z_l为第l个传感器的空间位置坐标；N表示传感器阵列中的传感器数量，M表示磁性目标的数量；B_Tq为第q个磁性目标的磁体常数；并且有：

$R_{\mathrm{lq}}=\sqrt{{(x_l-a_q)}^2+{(y_l-b_q)}^2+{(z_l-c_q)}^2}$

B2、所述误差目标函数为所述三个误差函数分量之和。

所述的定位方法，其中：当所述磁性目标内置的永磁体被视为磁偶极子时，所述传感器数量至少为所述磁性目标的5倍。

所述的定位方法，其中：当所述磁性目标中至少一个被设定为被测目标，其余被设定为参考目标时，所述步骤C之后还包括执行步骤D：

D、计算所述被测目标相对所述参考目标的运动轨迹，对所述被测目标进行相对定位。

所述的定位方法，其中：所述步骤D包括如下：用所述被测目标的坐标减去所述参考目标的坐标，得到所述被测目标校正后的位置参数。

所述的定位方法，其中：所述被测目标设置在一运动物体内，并相对所述运动物体移动，所述参考目标相对所述运动物体静止。

所述的定位方法，其中：所述步骤D之后还包括执行以下步骤：

E、分析各磁性目标定位数据的合理性，剔除误差大的不合理数据后，用综合优化拟合算法对所述定位数据进行处理，获取各磁性目标的定位定向结果。

F、将所述定位定向结果作为下一次计算的历史数据，依次循环。

所述的定位方法，其中：所述磁性目标之间的距离大致大于所述永磁体自身长度的10倍。

所述的定位方法，其中：在所述步骤A之前还执行以下步骤A0：对所述传感器阵列中的各传感器进行定标，获得各传感器定标参数。

所述的定位方法，其中：所述传感器定标参数包括传感器灵敏度、传感器位置坐标和传感器对准方向；所述步骤A0包括如下步骤：在定位区域内规定至少一个空间点作为校正点，

A01、将一个标定磁体按确定方向置于一所述校正点上，测试所述传感器阵列中各传感器的磁感应强度数据，以及用毕奥-萨伐尔定律计算所述各传感器处的磁场强度；

A02、比较各传感器计算获取的磁场强度和测量获取的磁感应强度数据，得到一误差分值；

A03、重复步骤A01和A02，得到所述标定磁体在各校正点时的所述误差分值，并获得一误差值，所述误差值为所述各误差分值之和；

A04、调整所述传感器的灵敏度、位置和方向参数定标参数，使所述误差值为最小，此时，所述传感器的灵敏度、位置和方向即为传感器的标定参数。

所述的定位方法，其中：所述步骤F之后还包括执行以下步骤：跟踪记录各磁性目标的定位定向结果数据，并显示各磁性目标运动轨迹的三维图形。

所述的定位方法，其中：当所述磁性目标数量大于2，且把所述磁体常数作为变量时，所述传感器数量至少为所述磁性目标的6倍。

所述的定位方法，其中：所述步骤C中的非线性优化算法采用Levenberg-Marquardt算法。

一种多磁性目标的定位系统，包括至少二个内置永磁体的磁性目标，测量装置、以及多目标定位计算单元，所述测量装置至少包括传感器数量多于所述磁性目标5倍的磁传感器阵列，与磁传感器阵列电连接的数据采集处理单元；所述磁传感器阵列用于测量所述磁性目标在所述磁传感器空间各点上产生的磁场强度信号，所述数据采集处理单元用于对所述磁场强度信号进行数据采集和处理，并输出磁感应强度数据，所述多目标定位单元用于计算得到各磁性目标的位置和参数。

所述的定位系统，其中：当所述磁性目标中至少一个被设定为被测目标，其余被设定为参考目标时，所述多目标定位计算单元还用于根据所述被测目标相对所述参考目标的运动轨迹，对所述被测目标进行相对定位，获取所述被测目标校正位置参数。

所述的定位系统，其中：还包括三维图形引擎，用于描述所述磁性目标的三维运动轨迹。

所述的定位系统，其中：所述永磁体为圆柱体或圆环，所述磁传感器为单轴或双轴或三轴的磁场传感器。

所述的定位系统，其中：所述测量装置采用非磁性材料。

本发明的有益效果为：采用本发明的定位方法和定位系统，可以实现对多目标的定位跟踪，由于被跟踪目标内置的微小永磁体产生的是静态磁场，对人体没有副作用，系统可以长时间运行，满足应用需求；由于永磁铁占用空间小，并且在定位跟踪过程中，被跟踪目标没有能量损耗，不需要配备能源，被跟踪目标结构简单，极易实现微型化，因此特别适宜于人体内目标的定位和跟踪，可以广泛应用于医疗诊断技术领域中。并且，通过多目标磁定位，以及利用被测目标与参考目标进行相对定位，可以实现对运动物体(人体)内置目标的精确定位跟踪，将人体呼吸、运动、扭曲等对被测目标位置的影响得以补偿，还能抵消环境扰动对多目标产生的同步干扰，从而实现对目标的高精度跟踪。

附图说明

图1为多磁性目标定位系统示意图；

图2为本发明一实施例的多磁性目标定位系统框图；

图3为永磁体的磁场示意图；

图4为永磁体磁场的位置和方向坐标示意图；

图5为多磁体目标坐标和方向示意图

图6为本发明一实施例的多磁性目标定位方法流程图；

图7为多磁性目标定位用于对人体体内目标跟踪时，消除人体移动对定位跟踪影响的示意图；

图8为定位跟踪数据和三维显示界面。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

参见图1和2，一种多磁性目标的定位系统，包括多个内置永磁体的磁性目标11和12，测量装置、以及多目标定位计算单元。测量装置包括磁传感器阵列20，以及与磁传感器阵列电连接的数据采集处理单元21，磁传感器阵列用于测量磁性目标在磁传感器空间各点上产生的磁场强度信号，如图2所示，其包括数量上等于或多于磁性目标5倍的磁场传感器、及放大电路和信号预处理电路，而信号预处理电路可以包括传感器调节电路和复位电路，传感器调节电路用于对传感器零点偏置的调节，以使传感器工作在较佳的线性区域，并排除地磁和环境磁场的影响；复位电路则能使传感器在受到强磁的干扰或长时间工作下，性能发生变化后进行复位，使传感器回到最佳的工作状态。数据采集处理单元用于对磁场强度信号进行数据采集和处理，并输出磁感应强度数据，可以包括多路切换、AD转换、和数据传送部分。多目标定位计算单元用于接收和处理数据采集处理单元输出磁感应强度数据，计算各磁性目标的位置和参数。实际应用中，还包括基于环境虚拟模型下的三维图形引擎，用于显示磁性目标的三维运动轨迹，其中多目标定位计算单元和三维图形引擎可采用工作站或个人计算机40实现，磁性目标中的永磁体为圆柱体或圆环，磁传感器可采用单轴或双轴或三轴的磁场传感器。

利用上述定位系统并采用以下方法就可以实现对多磁性目标的定位和跟踪。

当传感器阵列中的传感器以及测量装置的其它单元机构采用非磁性材料时，可认为永磁体产生的磁场和周围非铁磁材料所构成的环境结构无关，只同磁体目标的位置和方向有关。如图3所示，永磁体周围空间的磁场分布是静态场，是不变的。当选用的永磁体为沿轴均匀磁化的圆柱形或圆环永久磁铁，并且永磁体的尺寸远小于检测点和永磁体间的距离时，永磁体可等效为图4所示的磁偶极子，图中X-Y-Z为全局坐标系，(a，b，c)为磁体目标设备的位置；(x_l，y_l，z_l)为传感器所在空间上位置点；H₀为磁体磁场的方向，用矢量H₀＝(m，n，p)表示。此时，可以套用毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart定律)具体算出空间各点的磁感应强度，其磁感应强度计算可简化如公式(1)。

$\stackrel{\→}{B}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\δ}}{4\mathrm{\π}}[\frac{3({\stackrel{\→}{H}}_0\·\stackrel{\→}{R})\stackrel{\→}{R}}{R^5}-\frac{\stackrel{\→}{H_0}}{R^3}]---\left(1\right)$

其中，

是永磁体的磁矩向量， ${\stackrel{\→}{H}}_0=(m,n,p);$

是永磁体中心(a，b，c)与某一被测点(x，y，z)的距离向量(x-a，y-b，z-c)，R是

的标量，即距离值；δ是与磁体材料和体积有关的常量，μ₀是真空磁导率，人体的磁导率可视为与真空一致。

假定有N个磁传感器，且第l个磁场传感器的位置为(x_l，y_l，z_l)，1≤l≤N，则空间各点的磁感应强度B_l有

B_l＝B_lxi+B_lyj+B_lzk(1＝1，2，...，N)    (2)

式中i，j，k代表三个坐标轴的单位矢量，B_lx，B_ly，B_lz为磁感应强度的三个分量，即

$B_{\mathrm{lx}}=B_T\{\frac{3[m(x_l-a)+n(y_l-b)+p(z_l-c)](x_l-a)}{{R_l}^5}-\frac{m}{{R_l}^3}\}---\left(3\right)$

$B_{\mathrm{ly}}=B_T\{\frac{3[m(x_l-a)+n(y_l-b)+p(z_l-c)](y_l-b)}{{R_l}^5}-\frac{n}{{R_l}^3}\}---\left(4\right)$

$B_{\mathrm{lz}}=B_T\{\frac{3[m(x_l-a)+n(y_l-b)+p(z_l-c)](z_l-c)}{{R_l}^5}-\frac{p}{{R_l}^3}\}---\left(5\right)$

式中，B_T表示一个与磁体体积和磁化强度有关的常量，为磁性目标的磁体常数； $R_l=\sqrt{{(x_l-a)}^2+{(y_l-b)}^2+{(z_l-c)}^2}.$

若在磁体周围空间点上放置传感器，则空间上传感器点的坐标(x_l，y_l，z_l)是预先可确定的，所以未知参数为磁体的位置(a，b，c)和方向(m，n，p)。这六个参数就是定位参数。由于采用磁偶极子表示磁体的磁场，它是绕其中心线对称的，所以磁体的方向H₀是2维变化的，也即(m，n，p)^T可是任意大小的，因此我们对其加上如下的约束：

m²+n²+p²＝1    (6)

由此可见，这样的定位问题是发现5维位置方向参数的问题。若能用5个(或更多)磁场传感器测量得到磁体周围的磁场强度B_lx，或B_ly，或B_lz，就可以用以上的公式解出这些参数。因此，本发明采用如下方法获取多磁性目标的定位数据，如图6所示，其中(a_q，b_q，c_q)q＝1，2，...M表示各磁体的空间位置；H₁，H₂，...H_M表示各磁体的磁场方向，且H_M用矢量(m_M，n_M，p_M)表示。所述方法包括以下步骤：

A、测量获得所述传感器阵列上各传感器所处的空间位置，以及测量得到各磁性目标作用在所述各传感器处的磁感应强度数据；

B、利用测量获得的所述各传感器点的磁感应强度数据以及毕奥-萨伐尔定律，定义一误差目标函数；

C、利用非线性优化算法寻找所述磁性目标的位置和方向参数，使所述误差目标函数最小，此时所述磁性目标的位置和方向参数即为各磁性目标的定位数据。

以下以多目标中的特例单目标为例，说明本发明方法：首先已知传感器阵列上各传感器所处的空间位置，通过各磁传感器测量得到其空间点上的磁感应强度B_lx，B_ly，和B_lz，可以计算单目标磁体的位置参数(a，b，c)和方向参数(m，n，p)。确定五个未知定位定向参数至少需要五个传感器，即，可以选择五个传感器来完成定位参数的确定，也可以使用更多的传感器来解决这一问题，即有更多的求解选择。但是，由于测量值中有噪声，对于单目标来讲无论是使用5个或5个以上的传感器，都需要定义一个综合所有传感器信号的目标函数，并使其为最小来获得各参数的解。针对三个正交的磁感应强度分量定义如下的误差函数三个分量分别为：

$E_x=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{lx}}-B_T[\frac{3[m(x_l-a)+n(y_l-b)+p(z_l-c)]\·(x_l-a)}{{R_l}^5}-\frac{m}{{R_l}^3}]\}}^2---\left(7\right)$

$E_y=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{ly}}-B_T[\frac{3[m(x_l-a)+n(y_l-b)+p(z_l-c)]\·(y_l-b)}{{R_l}^5}-\frac{n}{{R_l}^3}]\}}^2---\left(8\right)$

$E_z=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{lz}}-B_T[\frac{3[m(x_l-a)+n(y_l-b)+p(z_l-c)]\·(z_l-c)}{{R_l}^5}-\frac{p}{{R_l}^3}]\}}^2---\left(9\right)$

7-9公式中，B_lx，B_ly，和B_lz为各传感器所在位置磁场的三个正交磁感应强度分量测量值，a，b，c为磁性目标的位置参数；m，n，p为磁性目标的方向参数，N表示传感器阵列中的传感器数量，x_l、y_l、z_l为第l个传感器的空间位置坐标；其中B_T、x_l、y_l、z_l、和R_l均为已知值，未知量有a，b，c，m，n，p。定义总目标误差函数为以上三个误差份量之和：

E＝E_x+E_y+E_z    (10)

这样问题就转变为寻找最合适的参数(a，b，c)和(m，n，p)，使误差目标函数E为最小，这样求得的结果即为磁性目标的定位数据。求解误差目标函数E为最小的过程需要应用非线性优化方法，如Levenberg-Marquardt算法来完成。

对于磁性目标等于或多于2个的多目标定位，具体实施方法为：假定有M个磁性目标，如图5所示，M大于等于2，并假定M个磁性目标的位置参数分别为(a₁，b₁，c₁)，(a₂，b₂，c₂)...，和(a_M，b_M，c_M)；方向参数分别为(m₁，n₁，p₁)，(m₂，n₂，p₂)，...，和(m_M，n_M，p_M)。当各个磁性目标之间的距离相对磁性目标内置永磁体的尺寸较大，例如大于10倍磁体长度以上，传感器上的磁场可视为各永磁体产生的磁场之线性叠加，即 $\stackrel{\→}{B}={\stackrel{\→}{B}}_1+{\stackrel{\→}{B}}_2+...+{\stackrel{\→}{B}}_M.$ 则在第l个传感器位置(x_l，y_l，z_l)上的磁感应强度的三个分量为：

$B_{\mathrm{lx}}=\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{Tq}}\{\frac{3[m_q(x_l-a_q)+n_q(y_l-b_q)+p_q(z_l-c_q)](x_l-a_q)}{{R_{\mathrm{lq}}}^5}-\frac{m_q}{{R_{\mathrm{lq}}}^3}\}---\left(11\right)$

$B_{\mathrm{ly}}=\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{Tq}}\{\frac{3[m_q(x_l-a_q)+n_q(y_l-b_q)+p_q(z_l-c_q)](y_l-b_q)}{{R_{\mathrm{lq}}}^5}-\frac{n_q}{{R_{\mathrm{lq}}}^3}\}---\left(12\right)$

$B_{\mathrm{lz}}=\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{Tq}}\{\frac{3[m_q(x_l-a_q)+n_q(y_l-b_q)+p_q(z_l-c_q)](z_l-c_q)}{{R_{\mathrm{lq}}}^5}-\frac{p_q}{{R_{\mathrm{lq}}}^3}\}---\left(13\right)$

式中， $R_{\mathrm{lq}}=\sqrt{{(x_l-a_q)}^2+{(y_l-b_q)}^2+{(z_l-c_q)}^2},$ 并且有m_q ²+n_q ²+p_q ²＝1，定义总目标误差函数E为误差函数三个分量之和：

E＝E_X+E_Y+E_Z

式中：

${\stackrel{\‾}{E}}_X=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{lx}}-\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{Tq}}\{\frac{3[m_q(x_l-a_q)+n_q(y_l-b_q)+p_q(z_l-c_q)](x_l-a_q)}{{R_{\mathrm{lq}}}^5}-\frac{m_q}{{R_{\mathrm{lq}}}^3}\}\}}^2---\left(14\right)$

${\stackrel{\‾}{E}}_Y=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{ly}}-\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{Tq}}\{\frac{3[m_q(x_l-a_q)+n_q(y_l-b_q)+p_q(z_l-c_q)](y_l-b_q)}{{R_{\mathrm{lq}}}^5}-\frac{n_q}{{R_{\mathrm{lq}}}^3}\}\}}^2---\left(15\right)$

${\stackrel{\‾}{E}}_Z=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{lz}}-\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{Tq}}\{\frac{3[m_q(x_l-a_q)+n_q(y_l-b_q)+p_q(z_l-c_q)](z_l-c_q)}{{R_{\mathrm{lq}}}^5}-\frac{p_q}{{R_{\mathrm{lq}}}^3}\}\}}^2---\left(16\right)$

这里，l＝1，2，…，N，表示传感器的序号；q＝1，2，…，M，表示磁体的序号，B_Tq为第q个磁性目标的磁体常数。由此可见，问题转化为通过测量各个传感器上磁感应强度B_lx，B_ly，和B_lz(l＝1，2，…，N)，然后用优化算法计算磁体的位置参数(a_q，b_q，c_q)和方向参数(m_q，n_q，p_q)，(q＝1，2，…，M)，使目标误差函数E为最小。此时求解得到的位置参数(a_q，b_q，c_q)和方向参数(m_q，n_b，p_q)即为各磁性目标的定位数据。本发明方法中，由于每一个磁性目标都有5个未知参数(3个位置、2个方向)，所以M个磁性目标就有5×M个未知量，这就要求传感器阵列中的传感器数量最少为5×M个，即传感器数量至少为磁性目标的5倍以确定这些未知量。例如对3个磁性目标的定位，传感器数量至少应为15个。对于多目标来讲，无论是使用5×M个或5×M个以上的传感器，同样都需要定义一个综合所有传感器信号的目标函数，并使其为最小来获得各参数的解。由于当被跟踪的磁性目标为多个时(超过2个)，在进行实时定位时，预先确定磁体常数B_Tq是困难且不便的，因此，在实际应用中，在多目标定位时可将B_Tq作为变量来处理，此时，当有M个磁性目标时要求传感器阵列中的传感器数量最少为6×M个，即传感器数量至少为磁性目标的6倍以确定这些未知量。而对传感器数目上限没有限制，由于传感器信号强度与传感器和磁体之间间距的逆三次方关系，可以布置更多的传感器，使某些传感器到磁体的间距缩小，有利于信噪比提高；同时更多的传感器对信号会起平均的作用；可见所有传感器都在计算中有贡献，布置更多的传感器会改善定位精度。

采用本发明方法，实现了对多目标的定位跟踪，由于被跟踪目标内置的永磁体产生的是静态磁场，对人体没有副作用，系统可以长时间运行，并且由于永磁铁占用空间小，没有能量损耗，不需要配备能源，极易实现微型化，因此本发明多目标定位方法特别适宜于人体内微型装置的定位和跟踪。

本系统的一个很好的应用是对一个运动物体(如人体)内部的目标进行定位跟踪，解决运动物体内置目标的精确定位跟踪问题。例如在医疗诊断中，通常通过对人体内的微型装置的定位跟踪来获取人体内的病理信息。由于传感器阵列的位置是固定的，含有磁体的微型装置(如内窥镜)设置在人体内，人体在检查过程中会因呼吸、转动、相对伸缩引起人体相对传感器阵列的移动，尤其是运动时的呼吸会使横膈膜被迫下降而压挤腹内各脏器，使大小肠等较柔软的器官产生位置的变化发生相对传感器坐标系的移动，使被跟踪目标的位置或方向会随运动物体的位置方向变化而变化，因此会造成对人体内微型装置定位跟踪的误差。采用本发明同时对多目标跟踪定位的方法，可以消除定位跟踪时人体动作对体内目标的影响，消除这种定位误差，因此可以广泛应用于人体医疗诊断领域中。

如图1和图7所示，将磁性目标中的之一12设定为被测目标，该被测目标置于运动物体内，相对运动物体移动，例如人体吞服一个包含有磁体的微型装置，如胶囊内窥镜；其余磁性目标11被设定为参考目标，例如采用两个或多个参考目标11，并将参考目标11固定在运动物体的某些特殊部位上，参考目标11相对运动物体静止，由于人的躯体和其它动作，会使被测目标和参考目标均随运动物体(人体)相对测量系统中的磁传感器阵列移动。测量装置和多目标定位计算单元对体内的被测目标和体外的参考目标进行同时的跟踪，同时获取体内被测目标和参考目标的定位数据，即在绝对坐标系的位置变化；然后多目标定位计算单元还计算被测目标相对参考目标的轨迹，相比较后计算获得体内被测目标相对参考目标的抵消了人体移动的运动轨迹。对被测目标与参考目标进行相对定位，可补偿由呼吸、心跳、人体运动所产生对被测目标12位置的跟踪影响，提高定位精度。具体方法是：对被测目标及一参考目标的位置跟踪结果用(a_目标，b_目标，c_目标)和(a_参考，b_参考，c_参考)来表示，用被跟踪的体内被测目标坐标(a_目标，b_目标，c_目标)减去体外参考目标的坐标(a_参考，b_参考，c_参考)，得到(a_目标-a_参考，b_目标-b_参考，c_目标-c_参考)，这一结果就是相对于参考目标的体内被测目标的坐标，即被测目标校正后的位置参数。长时间纪录这一坐标数据，就形成相对参考目标点的体内目标的精确轨迹，可以将人体呼吸、运动、扭曲等影响得以补偿，消除定位跟踪时人体动作对体内目标的影响，病人可以实现更自由的活动，而不影响诊断结果，为相关的诊断治疗提供准确的病理信息，为具体病状和病变部位提供精确定位。特别是作为消化道的微型医疗设备时，可提供微型医疗设备在消化道内的运动轨迹、方向、和速度信息，以使医生能准确地确定进一步治疗和手术位置。通过多目标磁定位并利用被观测目标与参考目标进行相对定位，还能抵消环境扰动对多目标产生的同步干扰，从而实现对目标的高精度跟踪。同时，通过掌握目标的位置方向信息，使进一步实现对微型设备的反馈控制成为可能。

在具体应用中，完成了上述定位参数的计算后，系统还对得到的各磁性目标三维定位结果参数(a，b，c)和三个定向参数(m，n，p)进行数据合理性分析和处理，包括以下步骤：

E、跟踪历史数据分析各磁性目标定位数据的合理性，若误差明显偏大，将剔除本次数据；若数据是合理的，进一步用综合优化拟合算法对已得到的定位(位置和方向)数据进行处理，如实施二次抛物线函数进行拟合，获取更为稳定的各个磁性目标的定位定向结果。

F、将所述定位定向结果作为下一次计算的历史数据，依次循环。

采用步骤E和F的优点在于：依靠信号动态拟合技术来滤除各种噪声，滤除外界对跟踪系统的随机干扰，从而大幅度提高定位系统的精度，从而在不同的应用环境下保证测量精度，使跟踪稳定性大大提高，跟踪轨迹更为光滑，结果更为精确，相对的有效定位区域更为扩大。

由于本发明定位系统还采用基于虚拟环境模型下的3维图形引擎，可完成对跟踪环境的3维虚拟图像输出，即，将被跟踪目标的运动轨迹结合在虚拟环境中进行3维图像输出，因此可在跟踪过程中记录环境的相对运动和跟踪数据，并在计算机显示器上进行数据和3维显示，如图8所示，给人以直观和真实的展示。

在实际应用中，为提高对磁性目标定位跟踪的准确性，传感器阵列和定位系统需要经过定标以后才能进行应用。定标内容包括：传感器阵列中各个传感器的灵敏度测量和校准；多轴(双轴或三轴)传感器位置的精确确定；多轴(双轴或三轴)传感器(最灵敏)的方向确定与校准。其步骤如下：

A01、将一个标定磁体按确定方向放在有效定位区域内若干规定的空间点上，该空间各点为校正点；测试各个传感器的响应数值，即其输出电压信号，通过预定的传感器灵敏度，可以得到传感器所在位置的磁场强度。由于这些校正点的坐标和磁体的位置方向事先已知，传感器位置上的磁场强度可用Biot-Savart定律的公式(3)～(5)计算。

A02、比较标定磁体在某一校正点时通过计算获取的磁场强度和测量获取的磁感应强度数据，得到一误差分值；

A03、将标定磁体在各校正点时得到的误差分值相加，得到一总误差值；

A04、重复地微小调整传感器灵敏度、位置坐标和对准方向数值，使总误差值为最小，此时各传感器的灵敏度、位置和对准方向即为传感器的标定后的参数。在确定了这些参数后，在实时的定位程序中对测量值和算法计算时都进行参数校准，以提高精度和测量的稳定性。定标中，至少规定一个空间点作为校正点，多个校正点可以提高定标准确性。

综上，本发明实施的多磁性目标定位方法包括如下步骤：

1、根据具体的应用环境和追踪对象确定被测目标和参考目标数量，即，磁性目标的总数量；

2、选取适当的传感器阵列类型，如单轴、双轴、或三轴；选取传感器数量规模以及传感器分布方式；

3、系统对传感器阵列和定位系统进行定标；

4、对所有磁场传感器进行复位和灵敏度校正；

5、系统滤除应用环境中的静态磁场(主要为地磁)；

6、磁场传感器阵列对所有磁性目标中永磁体产生的磁场强度进行检测；

7、模数转换器对各传感器信号进行转换；

8、计算机对采集的数据进行滤波和灵敏度调整。由于传感器所采集的磁场传感器信号是很低的，采集信号经过放大后噪声较大，应进行相关信号处理。即对各磁场传感器的信号进行快速采集，并用二次抛物线函数进行拟合，以降低传感器信号的随机噪声，滤除时间漂移、白噪声、环境扰动等对微型设备定位结果的影响。

9、计算机利用非线性优化算法(Levenberg-Marquardt算法)计算各个磁体目标的位置和方向，使误差目标函数最小。

10、计算被测目标相对参考目标的运动轨迹，滤除环境相对运动对被测目标设备的影响。

11、分析结果合理性，并用适当的综合优化拟合算法对定位结果进行进一步滤波、优化，获取更精确的定位定向结果；

12、新的结果将被储存作为下一次的计算的历史数据，依次循环。

13、记录环境的相对运动和跟踪数据，并在计算机显示器上进行数据和3维显示。

对于多目标跟踪的一个必须考虑的问题是人体和周围物体对定位的影响。本系统要求在磁体目标和磁场传感器阵列之间，以及它们的周围避免出现任何铁磁材料物体；因此可以用非铁磁材料的部件构成测量装置，如铜、铝等。人体对静态磁场的分布是没有影响的，所以本系统特别适宜于人体体内目标的跟踪。多磁性目标定位系统操作流程为：本发明的定位系统在系统运行前需检测并保存应用环境的静态磁场，在应用中环境设置参考目标；将带有永磁体的微型设备放入跟踪区域，传感器阵列进行信号采样，然后实施跟踪定位。在跟踪过程中记录环境的相对运动和跟踪数据，并在计算机显示器上进行数据和3维显示。

本发明方法和系统具有以下优点：本系统采用永磁体作多目标信号源，被跟踪的微型设备只要包含微型磁体即可实现系统定位，被跟踪目标装置的结构实现十分简单，不会给跟踪微型目标设备带来额外的能量损耗，定位可以以无线方式实现；本系统和方法在完成多目标同时定位时，可以选择其中一个或几个作参考目标，其它目标作相对参考目标的定位，所以可实现运动物体(如人体)内目标的相对精确定位；因此本系统特别适用于医疗技术领域，并且由于磁体信号强度较弱，可以长时间运行，不会对人体造成伤害；本系统采用普通永磁体作信号源和通用商业磁传感器作检测元件，并用通用微计算机作主处理平台，实现容易；本系统采用模块式优化设计的磁场传感器阵列，可根据不同的精度、稳定性、定位空间范围等应用要求灵活配置系统。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (18)

1、一种多磁性目标的定位方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

A、获取传感器阵列上各传感器所处的空间位置，以及测量各磁性目标作用在所述各传感器处的磁感应强度数据，所述磁性目标内置永磁体；

B、利用测量获得的所述各传感器点的磁感应强度数据以及毕奥-萨伐尔定律，定义一误差目标函数；

C、利用非线性优化算法寻找所述磁性目标的位置和方向参数，使所述误差目标函数最小，此时所述磁性目标的位置和方向参数即为各磁性目标的定位数据。

2、根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：所述步骤A包括如下：测量各传感器所在位置磁场的三个正交磁感应强度分量；所述步骤B中的所述误差目标函数按照如下步骤获取：

B₁、利用测量得到的所述传感器处的三个正交磁感应强度分量定义误差函数三个分量分别为：

${\stackrel{\‾}{E}}_X=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{lx}}-\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{Tq}}\{\frac{3[m_q(x_l-a_q)+n_q(y_l-b_q)+p_q(z_l-c_q)](x_l-a_q)}{{R_{\mathrm{lq}}}^5}-\frac{m_q}{{R_{\mathrm{lq}}}^3}\}\}}^2$

${\stackrel{\‾}{E}}_Y=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{ly}}-\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{Tq}}\{\frac{3[m_q(x_l-a_q)+n_q(y_l-b_q)+p_q(z_l-c_q)](y_l-b_q)}{{R_{\mathrm{lq}}}^5}-\frac{n_q}{{R_{\mathrm{lq}}}^3}\}\}}^2$

${\stackrel{\‾}{E}}_Z=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{lz}}-\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{Tq}}\{\frac{3[m_q(x_l-a_q)+n_q(y_l-b_q)+p_q(z_l-c_q)](z_l-c_q)}{{R_{\mathrm{lq}}}^5}-\frac{p_q}{{R_{\mathrm{lq}}}^3}\}\}}^2$

其中：B_lx，B_ly，和B_lz为各传感器所在位置磁场的三个正交磁感应强度分量测量值；a_q，b_q，c_q为第q个磁性目标的位置参数；m_q，n_q，p_q为第q个磁性目标的方向参数；x_l、y_l、z_l为第l个传感器的空间位置坐标；N表示传感器阵列中的传感器数量，M表示磁性目标的数量；B_Tq为第q个磁性目标的磁体常数；并且有：

$R_{\mathrm{lq}}=\sqrt{{(x_l-a_q)}^2+{(y_l-b_q)}^2+{(z_l-c_q)}^2}$

B2、所述误差目标函数为所述三个误差函数分量之和。

3、根据权利要求2所述的定位方法，其特征在于：当所述磁性目标内置的永磁体被视为磁偶极子时，所述传感器数量至少为所述磁性目标的5倍。

4、根据权利要求3所述的定位方法，其特征在于：当所述磁性目标中至少一个被设定为被测目标，其余被设定为参考目标时，所述步骤C之后还包括执行步骤D：计算所述被测目标相对所述参考目标的运动轨迹，对所述被测目标进行相对定位。

5、根据权利要求4所述的定位方法，其特征在于：所述步骤D包括如下：用所述被测目标的坐标减去所述参考目标的坐标，得到所述被测目标校正后的位置参数。

6、根据权利要求5所述的定位方法，其特征在于：所述被测目标设置在一运动物体内，并相对所述运动物体移动，所述参考目标相对所述运动物体静止。

7、根据权利要求5所述的定位方法，其特征在于：所述步骤D之后还包括执行以下步骤：

E、分析各磁性目标定位数据的合理性，剔除误差大的不合理数据后，用综合优化拟合算法对所述定位数据进行处理，获取各磁性目标的定位定向结果。

F、将所述定位定向结果作为下一次计算的历史数据，依次循环。

8、根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于：所述磁性目标之间的距离大致大于所述永磁体自身长度的10倍。

9、根据权利要求1至8任一权利要求所述的定位方法，其特征在于：在所述步骤A之前还执行以下步骤A0：对所述传感器阵列中的各传感器进行定标，获得各传感器定标参数。

10、根据权利要求9所述的定位方法，其特征在于：所述传感器定标参数包括传感器灵敏度、传感器位置坐标和传感器对准方向；所述步骤A0包括如下步骤：在定位区域内规定至少一个空间点作为校正点，

A01、将一个标定磁体按确定方向置于一所述校正点上，测试所述传感器阵列中各传感器的磁感应强度数据，以及用毕奥-萨伐尔定律计算所述各传感器处的磁场强度；

A02、比较各传感器计算获取的磁场强度和测量获取的磁感应强度数据，得到一误差分值；

A03、重复步骤A01和A02，得到所述标定磁体在各校正点时的所述误差分值，并获得一误差值，所述误差值为所述各误差分值之和；

A04、调整所述传感器的灵敏度、位置和方向参数定标参数，使所述误差值为最小，此时，所述传感器的灵敏度、位置和方向即为传感器的标定参数。

11、根据权利要求10所述的定位方法，其特征在于：所述步骤F之后还包括执行以下步骤：跟踪记录各磁性目标的定位定向结果数据，并显示各磁性目标运动轨迹的三维图形。

12、根据权利要求2所述的定位方法，其特征在于：当所述磁性目标数量大于2，且把所述磁体常数作为变量时，所述传感器数量至少为所述磁性目标的6倍。

13、根据权利要求11所述的定位方法，其特征在于：所述步骤C中的非线性优化算法采用Levenberg-Marquardt算法。

14、一种多磁性目标的定位系统，其特征在于：包括至少二个内置永磁体的磁性目标，测量装置、以及多目标定位计算单元，所述测量装置至少包括传感器数量多于所述磁性目标5倍的磁传感器阵列，与磁传感器阵列电连接的数据采集处理单元；所述磁传感器阵列用于测量所述磁性目标在所述磁传感器空间各点上产生的磁场强度信号，所述数据采集处理单元用于对所述磁场强度信号进行数据采集和处理，并输出磁感应强度数据，所述多目标定位单元用于计算得到各磁性目标的位置和参数。

15、根据权利要求14所述的定位系统，其特征在于：当所述磁性目标中至少一个被设定为被测目标，其余被设定为参考目标时，所述多目标定位计算单元还用于根据所述被测目标相对所述参考目标的运动轨迹，对所述被测目标进行相对定位，获取所述被测目标校正位置参数。

16、根据权利要求14或15所述的定位系统，其特征在于：还包括三维图形引擎，用于描述所述磁性目标的三维运动轨迹。

17、根据权利要求16所述的定位系统，其特征在于：所述永磁体为圆柱体或圆环，所述磁传感器为单轴或双轴或三轴的磁场传感器。

18、根据权利要求17所述的定位系统，其特征在于：所述测量装置采用非磁性材料。

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