CN102813515A - 基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位方法，包括以下工作步骤：步骤一、将含磁场的定位对象放在目标区域内，放置磁性传感器阵列以探测目标磁场；步骤二、将目标区域位于磁场传感器阵列平面附近；步骤三、利用磁场传感器找出平面场强内最强的那个点；步骤四、假设空间磁场强度最大的点在某一位置A，等磁感应强度曲线一个切平面经过此点；步骤五、利用公式算出磁场的中点B，并结合曲线方程，最后结合曲线的表面矢量公式以及切平面过最强磁场的法向量，通过求解方程组可以算出步骤四中假设的磁场强度最大点的空间坐标位置。本方法摒弃了传统远程定位的弊端，具有定位准确、成本低、效率高等优点。

Description

基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位方法及***

技术领域

本发明涉及磁场定位方法，具体涉及一种基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位方法及***。 

背景技术

勘测无线医疗胶囊在医疗界广为人知。这种勘测胶囊可将数据发回一个置于体外的接收及记录装置。患者将该胶囊吞入腹中，它就会沿着消化道前行，在途中收集并传送数据至接收及记录装置。一般而言，一至两天之后，这种一次性胶囊将会随***物排出体外，并将诸如体温、pH值、血压及运输时间等数据记录下来用于分析和/或存储传输。业内普遍认同配备摄像头的无线医疗胶囊可用于采集图像，而带有药物储层的胶囊则可以将各种不同剂量的药物释放到消化***的各个区域。 

部署和检测用在密闭、无法访问或者远程空间侦察的微型探针或传感器在许多环境中非常有用。而在部署过程中确定对象的位置是比较困难的，在很多应用过程中，目标环境的体积可能不超过几个立方分米。尽管如此，人们仍能尽可能地精确定位一个极小的目标，如探针或传感器。遥感技术被人们广泛应用于工业或医疗等领域，例如，如目前医疗领域中常用的无线胶囊是蠕动着进入消化道的，而在此过程中，胶囊的具***置是不可知的，或是仅能近似知道其大概位置。同样的，在非医疗设备中，探针胶囊是由流体或重力作用带入，以管道***为例，在确定的时间仅能知道其大概的位置。位置信息的缺乏是目前无线胶囊技术的一个缺陷。例如，医生在检查来自体内胶囊的数据时无法获知由该数据显示的病理特征，如肠道肿瘤 的具***置。而为了探查问题所在的精确位置常常需要额外的定位过程，甚至需要手术来完成。 

在现今的医疗设备当中，已出现了一些磁性定位技术。其中一种是由美国Acker开发的专利5,558,091，它是利用在体内胶囊中的嵌入式磁性传感器配合体外磁场工作，从而实现体内追踪。虽然这种方法可能在一定程度上是有用的，但它没有考虑到诸如地磁场或是那些可能由电流和铁磁材料产生的额外磁场的干扰作用。另一种方法则是由美国的Haynor开发的6,216,028号专利，它将磁铁安装在诸如探针尖端这样的医疗器械上，再植入病人体内，然后利用体外传感器检测磁场分布以达到定位的作用。这种方法提出使用四个磁性传感器来测量在X，Y和Z轴的磁场，以磁场尖端作为磁偶极子来建模，通过求解非线性方程组来确定磁偶极子的位置。由于所涉及计算的复杂性，该方法需要相当大的计算能力和/或大量的时间来完成。而该方法的复杂性也极大地增加了失误的机率。 

用于精确判断远程对象位置的改进的方法及***，如定位无线胶囊和探针等是十分有效的，并且其具有极大的优势，它能准确地将所探测到的图像或其它参数诸如pH值、体温、血压等与位置精确匹配。并且它在精确指导药物剂量、采取活检及术后恢复方面更具潜力和优势。而在非医疗应用方面，它可用于管道检测或液体处理***。当胶囊或探针与运动控制能力结合使用时，及时探查探头或胶囊的位置就变得极为有利。由于上述和其它原因，以及其一些潜在优势，利用磁场的改进的定位方法和***将在应用领域具备极大地应用前景。 

本申请人还同时申请了名称为“基于双磁场传感器阵列平面远程目标定位方法及***”和“基于不少于四磁场传感器阵列平面远程定位方法及***”的两项发明专利，虽然从名称上看所用方法类似，但实质上所用原理和方法以及侧重点都不一样。本发明通过一个场强最大点结合立体几何和代数方程组顺利找出目标点；而“基 于双磁场传感器阵列平面远程目标定位方法及***”通过两个场强最大点和磁力矩找出目标点，融入了物理学原理；而“基于不少于四磁场传感器阵列平面远程定位方法及***”是通过找出四个及四个以上的点，再将找出的点连成线，最后再找出交点，将立体几何的问题完美地转为平面几何的问题，使之迎刃而解。综上所述，三种方法及***形似而神不似，各有千秋，需要我们结合具体的问题具体分析，然后决定运用哪种方法及***。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，将目标区域位于一磁场传感器阵列平面附近，找出平面中场强最强的点，再利用电磁学、数学知识结合磁场补偿的信息即可对远程目标进行定位。此方法不仅适合开放环境，同样适用于封闭环境，如人体消化***、液体处理管道或某些机械***。本方法摒弃了传统远程定位的弊端，具有定位准确、成本低、效率高等优点。 

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案： 

本发明基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位方法及***，包括以下定位方法： 

步骤一、将含磁场的定位对象放在目标区域内，放置磁性传感器阵列以探测目标磁场； 

步骤二、将目标区域位于磁场传感器阵列平面附近； 

步骤三、利用磁场传感器找出平面场强内最强的那个点； 

步骤四、假设空间磁场强度最大的点在某一位置A（0，0，0），等磁感应强度曲线一个切平面经过此点,法向量（0，0，1）； 

步骤五、利用公式 $B(x,y,z)=\sqrt{B_x^2+B_y^2+B_z^2}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}{r}^4}\sqrt{3Q^2+m^2{r}^2}$

算出磁场的中点B（x，y，z），并结合曲线方程 Q=[m_x(x-x₀)+m_y(y-y₀)+m_z(z-z₀)] 

$r=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{(z-z_0)}^2}$ ，最后结合曲线的表面矢量公式  $F(x,y,z)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}{r}^4}\sqrt{3Q^2+m^2{r}^2}-B$

$B_x=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{3Q(x-x_0)-m_x{r}^2}{r^5}$ 以及切平面过最强磁场的法向量（0，0，1），通过求解方程组可以算出步骤四中假设的磁场强度最大点的空间坐标位置； 

步骤六、根据步骤五得到的数值，再结合背景磁场补偿传感器来修正当地测量磁场的方位数据，最后就可得出所需定位对象的准备位置。 

进一步地，所述步骤一中的目标区域不仅包括开放区域，而且包括封闭的区域，比如人体的消化道。 

基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位的***包括所需定位的对象、磁性传感器阵列、磁场空间分析设备与背景磁场补偿传感器；所述磁性传感器阵列包括一个非固定磁场传感器阵列平面、一个霍尔传感器、一个磁阻传感器。 

进一步地，所述所需定位的对象本身应具有磁场，如含有永磁体的胶囊或探针。 

本发明提供了基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位方法及***，将目标区域位于一磁场传感器阵列平面附近，找出平面中场强最强的点，再利用电磁学、数学知识结合磁场补偿的信息即可对远程目标进行定位。此方法不仅适合开放环境，同样适用于封闭环境，如人体消化***、液体处理管道或某些机械***。本方法摒弃了传统远程定位的弊端，具有定位准确、成本低、效率高等优点。 

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中： 

图1是本发明基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位方法及***的宏观结构简图； 

图2是本发明基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位方法及***的可供替换图解示例； 

图3是本发明基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位方法及***的额外可供替换的单磁场传感器阵列平面的优选定位方法及***图解示例； 

图4是本发明基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位方法及***的额外可供替换的单磁场传感器阵列平面的优选定位方法及***图解示例； 

图5所示为单磁场传感器阵列平面的磁场测量及定位概念图示。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。 

图1为基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位方法及***的宏观结构简图。操作环境[10]（非该发明的一部分）中，比如患者，或是狭窄环境如机械、液体处理及液压***中，有一个传感器阵列[12]在一个特定构造上彼此置入，该构造将会进一步于此说明。传感器阵列[12]包含一个或多个独立的传感器单元[14]，且均匀分布在与操作环境[10]中目标区[16]相对应的传感器平面上。传感器阵列[12]会与适当的计算机或数据处理设备[18]相连接用于实时显示计算结果。胶囊[20]或探针更适于安装在目标区域[16]的内部。作为一种医疗设备，它可以被人或者动物吞入；而在其他一些设备当中，胶囊则会被置入管道、罐体或其他导管、机械封仓等封闭受限环境中。而在上述各种条件下，遥感探测***均可以发挥效用。胶囊[20] 包含一个偶极磁场，该磁场最好是由永磁铁产生的。作为胶囊的一部分，偶极磁场由嵌入式图像表示，如公式1所示： 

$B(r,\mathrm{\θ})=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}m}{4\mathrm{\π}{r}^3}\sqrt{1+3{\cos }^2\mathrm{\θ}}$ （公式1） 

传感器单元[14]，包括霍尔效应传感器，其输出电压随着磁场的变化而发生变化；而磁电阻传感器，其电阻也随着外部磁场的变化而发生变化。霍尔传感器的有效探测范围很大，而磁阻传感器则具有更高的探测精度。至于其他类型的磁性传感器或者组合传感器，在不脱离本发明原理的条件下也可以使用。有机体内***的典型代表即是目前市面上常见的尺寸为2mm x2mm的场适应性磁性传感器。例如，在磁场传感器阵列外5mm的一个2mm的阵列，当其探测到磁场强度为0.01高斯时，使用该方法及***的空间分辨率可达0.05mm。因此，磁场的位置，如磁偶极子或胶囊[20]，可以在1mm范围内被精确探测。为了使被扫描的目标区域大于传感器阵列，同时/或需要一个阵列用以减少传感器单体的数量，那么传感器阵列则可以被移动至目标区域，反之亦然。磁性传感器和/或目标区域的移动最好沿着传感器阵列所在的平面，且最好按照机械指南进行操作，以确保它在自动或人力的推进下沿着正确的方向进行。 

除此之外，由于在此进行定位计算的过程中考虑进了磁场值的补偿，定位精度也得到了提高。比如说，地磁场的值可能被存储下来并用于修正基于磁场传感器计算所得的胶囊位置。而且磁场补偿传感器[22]可被用于探测一定位置及条件下的磁场的实际偏移量，例如地磁场、磁性材料或感应电流的磁场的影响。胶囊的位置数据最好由磁场补偿数据修正，磁场补偿传感器[22]最好被置于探测不到胶囊[20]磁场的位置。众所周知，传感器阵列[12]的传感器单元[14]的空间参数最好是一个常数。 

本发明的一个典型示例如图2所示：单磁场传感器阵列平面[12]用于对胶囊[20]定位，通过对磁场曲线进行分析，可推出场强最强的条件。下列非线性方程组2至5.6表示的是由感应磁场求解偶极子的位置和欠量方向。 

$B(x,y,z)=\sqrt{B_x^2+B_y^2+B_z^2}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}{r}^4}\sqrt{3Q^2+m^2{r}^2}$ (公式2) 

Q＝[m_x(x-x₀)+m_y(y-y₀)+m_z(z-z₀)] 

$r=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{(z-z_0)}^2}$

$F(x,y,z)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}{r}^4}\sqrt{3Q^2+m^2{r}^2}-B$ (公式3) 

$(\frac{\∂F}{\∂x},\frac{\∂F}{\∂y},\frac{\∂F}{\∂z})$ (公式4) 

$\frac{\∂F}{\∂x}=0$ (公式5.1)， $\frac{\∂F}{\∂y}=0$ (公式5.2)， $\frac{\∂F}{\∂z}=1$ (公式5.3) 

$B_x=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{3Q(x-x_0)-m_x{r}^2}{r^5}$ (公式5.4) 

$B_y=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{3Q(y-y_0)-m_y{r}^5}{r^5}$ (公式5.5) 

$B_z=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{3Q(z-z_0)-m_z{r}^2}{r^5}$ (公式5.6) 

若假设磁场强度最大值在点A(0，0，O)，等磁感应强度曲线Q的一个切平面(z＝0)过点A和法向量(0，0，1)。磁场中点B(x，y，z)由公式2给出，曲线Q的轨迹方程由公式3给出，曲线的表面欠量由公式4给出。而对于切平面上过点A的法向量，式5.1-5.6可解出它的六个未知参数，记作x0，y0，z0，mx，my和mz，分别代表磁偶极子即胶囊[20]的位置和方向。 

该发明的另一个典型示例如图3和4所示：用单磁场传感器阵列平面[12]来确定磁场位置。在此方法中，非线性方程组(公式2-5.6)利用磁矩求解更为简洁迅速， 并且该方法可以同前一种方法结合使用，而不必知道磁矩的大小，因为该参数在前一种方法中必是已知的。 

（公式6.1） 

（公式6.2） 

（公式6.3） 

tan(β+α)=2^2/3tanα    （公式6.4） 

假设示例中磁偶极子在点（0，0，0）处方向沿着z轴方向，切平面法线n过测得的磁场最大值B点，由几何对称性，最强场向量B和法向量n及磁偶极矩向量m处于同一平面内，这就有效地将三维定位问题转化为而为二维定位问题。向量B和向量n的夹角为 

，可由传感器数据求出。为解决这一问题，就要首先确定α和β值、所得的最大磁场矢量和磁偶极子矢量如图3中虚线所示，计算方程为6.1和6.2。第一个角度方程（式6.3和6.4）来源于图4中的拓扑变换，虚线所示是沿z方向的固体线性几何变换定义的空间。由偶极子场方程得到z轴上的曲面可看做一个球体，而像切点这样的拓扑结构特征则保持不变。基于各点的几何关系，由公式6.3-6.4可求出α和β值，并确定偶极子方向。若磁矩m已知，利用公式2或公式3，可确定距离R，R代表偶极子的位置。这种方法在计算上相对其他方法更简单，更有效，特别是它可以确定瞬时位置，如实时检测***和/或胶囊和探针的受控运动。 

图5所示为单磁场传感器阵列平面的磁场测量及定位概念图示。磁场传感器(图中[HMC5843])被均匀镶嵌在电路板上，行数和列数可随实际应用要求确定，如10*10，一块电路板上的传感器阵列即可测量并确定一个磁场平面。该电路板由I²C 并行联接到nRFLE1上，再将测得的磁场数据通过无线传输到nRFLU1，进一步处理过的磁场通过USB接口可连接至PC端口，通过显示屏实现对目标的实时定位及监控。相对于四磁场传感器平面定位***和双磁场传感器平面定位***，该***将所需磁场平面数进一步减少至一个，在算法上略有区别，但并不影响实际应用时的数据处理及传输速度，且同样能达到对目标的实时定位的需求。而减少磁场平面意味着镶嵌有磁场传感器的电路板数量的减少，亦可达到进一步节约成本的目的。 

该发明的方法及***有诸多优点，如：利用基于磁场的测量和分析对远程对象的准确定位，高效率，低成本等，另外它还具有其他一些优点。当该发明被实际应用具体化时，其意义就不仅限于此了。例如，实际应用中，在不脱离本发明原理的一些特定条件下，材料和步骤发生是可以变化和重新组合的。虽然就平面或平面几何这方面而说，这里提到的都是现今的主流选择，但若采用本发明，以曲面替代平面，根据所选曲率进行计算在实际应用中也是可行的。此外，在不背离本发明原理的基础上，计算的最大值的方法也同样适用于求解最小值或任选的中间值。参照附图及相关说明，对于业内的专业人士而言，这些示例和其它一些基于本项发明的应用示例，其中的修正、组合及其它优势都是显而易见的。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位方法，其特征在于包括以下工作步骤：

步骤一、将含磁场的定位对象放在目标区域内，放置磁性传感器阵列以探测目标磁场；

步骤二、将目标区域位于磁场传感器阵列平面附近；

步骤三、利用磁场传感器找出平面场强内最强的那个点；

步骤四、假设空间磁场强度最大的点在某一位置A（0，0，0），等磁感应强度曲线一个切平面经过此点,法向量（0，0，1）；

步骤五、利用公式 $B(x,y,z)=\sqrt{B_x^2+B_y^2+B_z^2}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}{r}^4}\sqrt{3Q^2+m^2{r}^2}$

算出磁场的中点B（x，y，z），并结合曲线方程Q=[m_x(x-x₀)+m_y(y-y₀)+m_z(z-z₀)]

$r=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{(z-z_0)}^2}$ ，最后结合曲线的表面矢量公式 $F(x,y,z)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}{r}^4}\sqrt{3Q^2+m^2{r}^2}-B$

$B_x=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{3Q(x-x_0)-m_x{r}^2}{r^5}$ 以及切平面过最强磁场的法向量（0，0，1），通过求解方程组可以算出步骤四中假设的磁场强度最大点的空间坐标位置；

步骤六、根据步骤五得到的数值，再结合背景磁场补偿传感器来修正当地测量磁场的方位数据，最后就可得出所需定位对象的准备位置。

2.根据权利要求1所述的基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位方法，其特征在于：所述步骤一中的目标区域不仅包括开放区域，而且包括封闭的区域。

3.基于权利要求1所述的单磁场传感器阵列平面远程目标定位方法包括所需定位的对象、磁性传感器阵列、磁场空间分析设备与背景磁场补偿传感器；所述磁性传感器阵列包括一个非固定磁场传感器阵列平面、一个霍尔传感器、一个磁阻传感器。

4.根据权利要求3所述的基于单磁场传感器阵列平面远程目标定位***，其特征在于：所述定位的对象本身应具有磁场。

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