CN107132581B - 一种基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法 - Google Patents

一种基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法：对待追踪物体进行磁标记；使标记磁源的位置和姿态与待追踪物体的位置和姿态保持一致，位置参数和姿态参数之间满足映射关系；基于映射关系，对标记磁源的空间运动进行离散点采样标定，构建位姿映射关系数据库；通过双层逆问题求解算法计算获得标记磁源的准确位置参数和准确姿态参数；获取待追踪物体的位置参数和姿态参数。其中通过第一层逆问题求解算法得到标记磁源的初步位置参数和初步姿态参数，根据初步位置参数从位姿映射关系数据库中获取对应的映射姿态参数，将初步位置参数和对应的映射姿态参数作为第二层逆问题求解算法的初始值，求解得标记磁源的准确位置参数和准确姿态参数。

Description

一种基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法
技术领域
本发明涉及磁源定位方法，具体涉及一种基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法。
背景技术
在基于磁标记定位技术中，标记磁源激发磁场的空间分布与标记磁源的位置、姿态参数满足特定的物理模型，这里特指磁偶极子物理模型。利用磁场测量传感器检测传感器位置上标记磁源激发空间磁场的分布，结合标记磁源的磁偶极子物理模型，建立与标记磁源位置、姿态相关的目标函数，通过非线性迭代的反解方法，获得使目标函数最小的标记磁源的位置、姿态参数，实现标记磁源定位，进而获得待追踪物体的运动信息。
磁标记定位技术由于具有非接触、无需激励源、传播不依赖于介质和物理模型成熟等优点，在工业生产、生物医学中得到了广泛的应用，如医学上用于胃肠道检测的内窥镜胶囊定位等。
由于标记磁源位置、姿态求解是非线性逆问题求解，多采用迭代优化方法实现，而迭代算法的求解结果很大程度上受迭代初始值的影响，现有研究从软硬件着手改善标记磁源定位的精度和速度，包括增加用于测量标记磁源激发空间磁场的磁场测量传感器个数，获得更多的磁场分布信息，然而，传感器个数的增加使得整个磁源定位***成本增加、体积增大、使用不便，并且更大的检测信息样本会给后端信号处理以及非线性算法求解带来很大的负担；此外，通过矩阵和线性代数运算获得简化的非线性反解模型，然而，这些方法对噪声信号引入的干扰较为敏感。因此，如何在现有磁场测量传感器技术的基础上，获得高精度磁源定位参数是该磁标记定位领域研究的重点。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明目的在于提供一种基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法。
本发明提供了一种基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，对待追踪物体进行磁标记；步骤二，使标记磁源的位置和姿态与待追踪物体的位置和姿态保持一致，位置参数和姿态参数之间满足映射关系；步骤三，基于映射关系，对标记磁源的空间运动进行离散点采样标定，构建位姿映射关系数据库；步骤四，通过双层逆问题求解算法计算获得标记磁源的准确位置参数和准确姿态参数；步骤五，通过定位标记磁源获取待追踪物体的位置参数和姿态参数。
在本发明提供的基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法中，还可以具有这样的特征：其中，双层逆问题求解算法包括以下两层算法：
在第一层逆问题求解算法中，通过N个磁场测量传感器测得标记磁源的激发空间磁场的磁通密度分布Bm，
Bm＝{Bm(1),Bm(2),…,Bm(i),…}i＝1：N (1)
将N个磁场测量传感器中检测信号最强的磁场测量传感器位置参数rp0和零姿态参数M0作为公式(2)最小二乘迭代优化算法的初始值，
公式(2)中，迭代步数为J；Bm(i)为第i个磁场测量传感器所处位置点上测得标记磁源所激发空间磁场的磁通密度；rp1为第一层逆问题求解所得标记磁源的位置参数；M1为第一层逆问题求解所得标记磁源的磁偶极矩；rpj为迭代过程中，第j步迭代对应的标记磁源的位置参数；Mj为迭代过程中，第j步迭代对应的标记磁源的磁偶极矩；Bc(rpj,Mj,i)为第i个磁场测量传感器上，第j步迭代，基于磁偶极子模型和迭代磁源定位参数(rpj,Mj)，计算所得标记磁源的激发空间磁场的磁通密度分布，
将求解目标函数f1(rp1，M1)得到的rp1作为标记磁源的初步位置参数，M1作为标记磁源的初步姿态参数，
根据初步位置参数rp1从位姿映射关系数据库中搜索获取相应的位置参数r′p以及对应的映射姿态参数M′，
在第二层逆问题求解算法中，将初步位置参数rp1和映射姿态参数M′作为公式(3)最小二乘迭代优化算法的初始值，
公式(3)中，迭代步数为K；Bm(i)为第i个磁场测量传感器所处位置点上测得标记磁源所激发空间磁场的磁通密度；rp为第二层逆问题求解所得标记磁源的位置参数；M为第二层逆问题求解所得标记磁源的磁偶极矩；rpk为迭代过程中，第k步迭代对应的标记磁源的位置参数；Mk为迭代过程中，第k步迭代对应的标记磁源的磁偶极矩；Bc(rpk,Mk,i)为第i个磁场测量传感器上，第k步迭代，基于磁偶极子模型和迭代磁源定位参数(rpk,Mk)，计算所得标记磁源的激发空间磁场的磁通密度分布，
将求解目标函数f2(rp，M)得到的rp作为标记磁源的准确位置参数，M作为标记磁源的准确姿态参数。
在本发明提供的基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法中，还可以具有这样的特征：其中，标记磁源由磁偶极子建模。
在本发明提供的基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法中，还可以具有这样的特征：其中，待追踪物体及该待追踪物体的近旁没有除标记磁源以外的磁场发生源或铁磁性材料。
发明的作用与效果
本发明提供了一种基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法，利用待追踪物体的运动特性所具有的位置和姿态映射关系，构建标记磁源所满足的位姿映射关系数据库，基于位姿映射关系数据库设计双层逆问题求解算法，在第一层算法中，采用磁场测量传感器阵列中输出信号最强的传感器位置参数rp0和零姿态参数M0作为初始值，利用传感器测量的磁通密度分布，通过第一层算法获得标记磁源的初步位置参数rp1和初步姿态参数M1，进一步地，搜索位姿映射关系数据库中与初步位置参数rp1相应的位置参数r′p及对应的映射姿态参数M′，然后以初步位置参数rp1和映射姿态参数M′作为第二层算法的初始值，结合传感器测量的磁通密度分布，通过第二层算法获得准确位置参数rp和准确姿态参数M。本发明通过逆问题求解算法实现高精度磁源位置、姿态信息获取，为基于标记磁源的定位技术提供了一种高精度方法。
附图说明
图1是本发明的实施例中双层逆问题求解算法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法作具体阐述。
一种基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法主要包括以下步骤：
步骤一，对待追踪物体进行磁标记。待追踪物体及其附近没有除标记磁源以外的磁场发生源或铁磁性材料。
步骤二，使标记磁源的位置和姿态与待追踪物体的位置和姿态保持一致，位置参数和姿态参数之间满足映射关系。
步骤三，采用磁偶极子对标记磁源进行建模。基于映射关系，对标记磁源的空间运动进行离散点采样标定，构建如下位姿映射关系数据库：
表1.位姿映射关系数据库
标记磁源的位置参数r<sub>p</sub>’ 标记磁源的姿态参数(磁偶极距)M’
r<sub>p</sub>’(1) M’(1)
r<sub>p</sub>’(2) M’(2)
… …
r<sub>p</sub>’(j) M’(j)
… …
步骤四，通过双层逆问题求解算法计算获得标记磁源的准确位置参数和准确姿态参数。
步骤五，通过定位标记磁源获取待追踪物体的位置参数和姿态参数，以实现待追踪物体的准确定位。
双层逆问题求解算法包括以下两层算法：
在第一层逆问题求解算法中，通过由N个磁场测量传感器组成的磁场测量传感器阵列测得所处位置点上标记磁源的激发空间磁场的磁通密度分布Bm。
Bm＝{Bm(1),Bm(2),…,Bm(i),…}i＝1:N (1)
将N个磁场测量传感器中检测信号最强的磁场测量传感器位置参数rp0和零姿态参数M0作为公式(2)最小二乘迭代优化算法的初始值。
公式(2)中，迭代步数为J；Bm(i)为第i个磁场测量传感器所处位置点上测得标记磁源所激发空间磁场的磁通密度rp1为第一层逆问题求解所得标记磁源的位置参数；M1为第一层逆问题求解所得标记磁源的磁偶极矩；rpj为迭代过程中，第j步迭代对应的标记磁源的位置参数；Mj为迭代过程中，第j步迭代对应的标记磁源的磁偶极矩；Bc(rpj,Mj,i)为第i个磁场测量传感器上，第j步迭代，基于磁偶极子模型和迭代磁源定位参数(rpj,Mj)，计算所得标记磁源的激发空间磁场的磁通密度分布。
将求解目标函数f1(rp1，M1)得到的rp1作为标记磁源的初步位置参数，M1作为标记磁源的初步姿态参数。
根据初步位置参数rp1从位姿映射关系数据库中搜索获取最接近的位置参数r′p以及对应的映射姿态参数M′。
在第二层逆问题求解算法中，将初步位置参数rp1和映射姿态参数M′作为公式(3)最小二乘迭代优化算法的初始值。
公式(3)中，迭代步数为K；Bm(i)为第i个磁场测量传感器所处位置点上测得标记磁源所激发空间磁场的磁通密度；rp为第二层逆问题求解所得标记磁源的位置参数；M为第二层逆问题求解所得标记磁源的磁偶极矩；rpk为迭代过程中，第k步迭代对应的标记磁源的位置参数；Mk为迭代过程中，第k步迭代对应的标记磁源的磁偶极矩；Bc(rpk,Mk,i)为第i个磁场测量传感器上，第k步迭代，基于磁偶极子模型和迭代磁源定位参数(rpk,Mk)，计算所得标记磁源的激发空间磁场的磁通密度分布。
将求解目标函数f2(rp，M)得到的rp作为标记磁源的准确位置参数，M作为标记磁源的准确姿态参数，即获取待追踪物体运动信息(位置参数和姿态参数)，从而实现了待追踪物体的准确定位。
图1是本发明的实施例中双层逆问题求解算法的流程图。
如图1所示，双层逆问题求解算法的简明流程如下：
步骤S1：磁场测量传感器阵列测得所处位置点上标记磁源的激发空间磁场的磁通密度分布Bm，然后进入步骤S2。
步骤S2：将N个磁场测量传感器中检测信号最强的磁场测量传感器位置参数rp0和零姿态参数M0第一层逆问题求解算法的初始值，然后进入步骤S3。
步骤S3：结合Bm求解第一层逆问题求解算法得到初步位置参数rp1和初步姿态参数M1，然后进入步骤S4。
步骤S4：根据初步位置参数rp1从位姿映射关系数据库中搜索获取最接近的位置参数rp’以及对应的映射姿态参数M’，然后进入步骤S5。
步骤S5：将初步位置参数rp1和映射姿态参数M’作为第二层逆问题求解算法的初始值，然后进入步骤S6。
步骤S6：结合Bm求解第二层逆问题求解算法得到标记磁源的准确位置参数rp和准确姿态参数M，接着结束状态。
实施例的作用与效果
本实施例提供了一种基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法利用待追踪物体的运动特性所具有的位置和姿态映射关系，构建标记磁源所满足的位姿映射关系数据库，基于位姿映射关系数据库设计双层逆问题求解算法，在第一层算法中，采用磁场测量传感器阵列中输出信号最强的传感器位置参数rp0和零姿态参数M0作为初始值，利用传感器测量的磁通密度分布，通过第一层算法获得标记磁源的初步位置参数rp1和初步姿态参数M1，进一步地，搜索位姿映射关系数据库中与初步位置参数rp1最为接近的位置参数rp’及对应的映射姿态参数M’，然后以初步位置参数rp1和映射姿态参数M’作为第二层算法的初始值，结合传感器测量的磁通密度分布，通过第二层算法获得准确位置参数rp和准确姿态参数M。本实施例通过逆问题求解算法实现高精度磁源位置、姿态信息获取，为基于标记磁源的定位技术提供了一种高精度方法。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，对待追踪物体进行磁标记；
步骤二，使标记磁源的位置和姿态与所述待追踪物体的位置和姿态保持一致，位置参数和姿态参数之间满足映射关系；
步骤三，基于所述映射关系，对所述标记磁源的空间运动进行离散点采样标定，构建位姿映射关系数据库；
步骤四，通过双层逆问题求解算法计算获得所述标记磁源的准确位置参数和准确姿态参数；
步骤五，通过定位标记磁源获取所述待追踪物体的位置参数和姿态参数；
其中，所述双层逆问题求解算法包括以下两层算法：
在第一层逆问题求解算法中，通过N个磁场测量传感器测得所述标记磁源的激发空间磁场的磁通密度分布Bm，
Bm＝{Bm(1),Bm(2),…,Bm(i),…}i＝1:N (1)
将N个磁场测量传感器中检测信号最强的磁场测量传感器位置参数rp0和零姿态参数M0作为公式(2)最小二乘迭代优化算法的初始值，
公式(2)中，迭代步数为J；Bm(i)为第i个磁场测量传感器所处位置点上测得标记磁源所激发空间磁场的磁通密度；rp1为第一层逆问题求解所得标记磁源的位置参数；M1为第一层逆问题求解所得标记磁源的磁偶极矩；rpj为迭代过程中，第j步迭代对应的标记磁源的位置参数；Mj为迭代过程中，第j步迭代对应的标记磁源的磁偶极矩；Bc(rpj,Mj,i)为第i个磁场测量传感器上，第j步迭代，基于磁偶极子模型和迭代磁源定位参数(rpj,Mj)，计算所得标记磁源的激发空间磁场的磁通密度分布，
将求解目标函数f1(rp1，M1)得到的rp1作为所述标记磁源的初步位置参数，M1作为所述标记磁源的初步姿态参数，
根据初步位置参数rp1从所述位姿映射关系数据库中搜索获取相应的位置参数r′p以及对应的映射姿态参数M′，
在第二层逆问题求解算法中，将所述初步位置参数rp1和所述映射姿态参数M′作为公式(3)最小二乘迭代优化算法的初始值，
公式(3)中，迭代步数为K；Bm(i)为第i个磁场测量传感器所处位置点上测得标记磁源所激发空间磁场的磁通密度；rp为第二层逆问题求解所得标记磁源的位置参数；M为第二层逆问题求解所得标记磁源的磁偶极矩；rpk为迭代过程中，第k步迭代对应的标记磁源的位置参数；Mk为迭代过程中，第k步迭代对应的标记磁源的磁偶极矩；Bc(rpk,Mk,i)为第i个磁场测量传感器上，第k步迭代，基于磁偶极子模型和迭代磁源定位参数(rpk,Mk)，计算所得标记磁源的激发空间磁场的磁通密度分布，
将求解目标函数f2(rp，M)得到的rp作为所述标记磁源的所述准确位置参数，M作为所述标记磁源的所述准确姿态参数。
2.根据权利要求1所述的基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法，其特征在于：
其中，所述标记磁源由磁偶极子建模。
3.根据权利要求1所述的基于位姿映射关系数据库的双层磁源定位方法，其特征在于：
其中，所述待追踪物体及该待追踪物体的近旁没有除所述标记磁源以外的磁场发生源。
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