CN109416255B - 目标物体在空间中定位装置 - Google Patents

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Abstract

本发明装置涉及测量技术，可以用于创建测量物体坐标和角度值装置，该物体在空间中具有六个自由度，并且可以自由移动。本发明装置可以在人机界面作为坐标输入设备，使用范围包括训练***、机器人***、增强现实、虚拟现实和混合现实***、游戏(作为操纵器、游戏控制器等)、工业(工业设备定位***、工艺控制器)、自动化设计***(输入***，设计过程控制)。此项技术结果是通过消除由传感器平台的运动引起的自由落体加速度矢量方向的测量误差来提高测量精度。所申请的装置用于确定物体在空间的位置，其特征在于该装置包含固定配置在水平面上的感应线圈，感应线圈的电源，计算单元，以及配置在移动物体上的传感器平台，传感器平台包括三轴磁力计、三轴加速度计和三轴陀螺仪，同时，感应线圈的电源包含控制时钟发生器的线圈电流稳定器，而计算单元包含频率的相位自动调节装置，可以确保磁力计的计时，并且保证磁力计的测量相位与感应线圈产生的磁场脉冲的相位同步。

Description

目标物体在空间中定位装置
技术领域
本发明装置涉及测量技术领域，该装置可以用于测量***物体的位置坐标和角度，并且该物体在空间中具有六个自由度。本发明装置可以在人机界面作为坐标输入设备，使用范围包括训练***、机器人***、增强现实***、虚拟现实***和混合现实***、游戏(作为操纵器、游戏控制器等)、工业(工业设备定位***、工艺控制器)、自动化设计***(输入***，设计过程控制)。
背景技术
所申请的装置基于已知空间定位装置(专利RU2542793,切尔内绍·叶夫格尼·谢尔盖耶维奇，G01C21/08，颁发日期：2015年2月27日)。已知空间定位装置基本特征与本次发明装置特征最接近，所以已知空间定位装置作为本次发明装置的原型。该已知的空间定位装置包括感应线圈(场源)、电流控制稳定器、数字三轴磁力计、数字三轴加速度计和计算单元。已知的装置通过如下的程序确定物体在空间的位置：加速计测量重力加速度矢量，磁力计测量地球磁场的感应矢量和固定配置在水平面上感应线圈的磁场感应矢量。
原型的缺点为动态精度低。动态精度低引起的原因是加速度计测量重力加速度矢量有方向误差，该误差存在因为传感器平台移动时有自身的加速度。另外，计算单元和电流稳定器之间存在线路，这对装置的实用性产生负面影响，并且限制物体的移动自由度。
发明内容
本发明目标是设计简单、使用方便、能够对不同方向移动的物体定位装置。本发明装置在动态测量精度、实用性、功能(可扩展性和模块性)超越原型。
此项技术结果是通过消除由传感器平台的运动引起的自由落体加速度矢量方向的测量误差来提高测量精度。
消除自由落体加速度矢量方向的测量误差是通过在传感器平台上另外配装三轴陀螺仪来实现，然后利用对三轴陀螺仪的测量来修正加速度计的测量值。
本发明另外优势是该装置不需要计算单元和电源之间的通信线路。
消除计算单元和电源之间存在的通信线路的要求通过以下方法实现：电源另外配装时钟发生器，该时钟发生器以设定的周期定期向线圈电流控制调节器发送改变电流极性的信号，而在计算单元上另外配装一个频率的相位自动调节单元，该单元可实现磁力计的计时，并保证磁力计的测量相位与感应线圈产生的磁场脉冲相位同步。
所申请的装置用于确定物体在空间的位置，其中，该装置包含固定配置在水平面上的感应线圈，感应线圈的电源，计算单元，以及配置在移动物体上的传感器平台，传感器平台包括三轴磁力计、三轴加速度计和三轴陀螺仪，同时，感应线圈的电源包含控制时钟发生器的线圈电流稳定器，而计算单元包含频率的相位自动调节装置，可以确保磁力计的计时，并且保证磁力计的测量相位与感应线圈产生的磁场脉冲的相位同步。
在特定实施方案中，所申请的装置的计算单元可包含提取磁场频率分量的单元；磁力计测量频率相位自动调节单元；传感器平台的定位角度计算单元；传感器平台的转动补偿单元；传感器平台的坐标计算单元。
在另一个特定实施方案中，所述时钟发生器的输出端被连接到所述电流稳定器的输入端，电流稳定器的输出端被连接到感应线圈的引出端。
在另一个特定实施方案中，磁力计的输出端被连接到提取磁场频率分量的单元输入端。
在另一个特定实施方案中，提取磁场频率分量的单元第一输出端被链接到锁相环的输入端，第二个输出端被连接到所述转动补偿单元的输入端，第三个输出端被连接到定位角度计算单元。
在另一个特定实施方案中，锁相环的输出端被连接到磁力计的输入端。
在另一个特定实施方案中，陀螺仪输出端被连接到定位角度计算单元的第二输入端。
在另一个特定实施方案中，加速度计的输出端被连接到定位角度计算单元的第三个输入端。
在另一个特定实施方案中，所述定位角度计算单元的输出端被连接到转动补偿器的第二输入端，而这个输出端被连接到坐标计算单元的输入端。
附图说明
图1是物体在空间定位装置的结构图；
图2是感应线圈与时间的关系图；
图3是多个场源和多个独立被定位对象的***布局。
具体实施方式
本装置包括感应线圈1(场源)，它被固定配置在水平平面上，并被连接到电流控制稳定器2上，电流控制稳定器2以给定的周期接收来自时钟发生器3的电流极性变化信号。电流控制稳定器2与时钟发生器3一起形成感应线圈的电源4。
数字三轴磁力计5、陀螺仪6和加速度计7被配置在平台8上。传感器平台8被刚性固定在移动物体上。磁力计5、陀螺仪6和加速度计7与计算单元14相互作用，计算单元14包含提取磁场频率分量的单元9：频率相位自动调节单元10；传感器平台的定位角度计算单元11；传感器平台的转动补偿单元12；传感器平台的坐标计算单元13。而且，磁力计5的输出端被连接到磁场频率分量提取单元9的输入端，磁场频率分量提取单元9的第一个输出端被连接到频率相位自动调节单元10的输入端，第二个输出端被连接到转动补偿单元12的第一个输入端，第三个输出端被连接到定位角度计算单元11上，频率相位自动调节单元10的输出端被连接到磁力计5的输入端，陀螺仪6的输出端被连接到定位角度计算单元11的第二个输入端，加速度计7的输出端被连接到定位角度计算单元11的第三个输入端，定位角度计算单元11的输出端被连接到转动补偿单元12的第二个输入端，转动补偿单元12的输出端被连接到坐标计算单元13的输入端。
感应线圈1可以通过将绝缘电线缠绕在圆柱形基座上的方式制成，或者可以制成平面线圈的形式，这种平面线圈由印刷电路板上的导体的同心式圈匝制成，或者以其它方式制成。在这种情况下，不需要使用铁磁芯，因为这会导致地球的磁场实质上区域失真。然而，如果线圈尺寸不大，并且在装置工作时传感器距离线圈有足够的距离，则这是允许的。
感应线圈1的直径，匝数和导体横截面根据要解决的问题确定，以确保装置的工作区域的必要半径，电力消耗和线圈的重量和尺寸特性。在一般情况下，在没有线圈电流成比例减小的情况下，直径和匝数的增加会导致工作区域增加，同时减小重量和尺寸特性并增加电力消耗，这是由于线圈的有效电阻成比例增加而引起的。为了减少电力消耗，必须增加导体的横截面，这也将减小重量和尺寸特性，并且可能显著影响线圈的成本。
工作区域为感应线圈1周围的空间，在这里执行传感器平台8定位。工作区域大小与感应线圈1、电源4、磁力计5的特性和测量精度有关系。第一个近似法中，测量误差与磁力计到感应线圈[1]的距离平方成正比，因此，为了确保所需的测量精度，应限制装置的工作区域大小。同时，在工作区域外，一个或多个坐标的测量精度会有所降低于所需值。距离的进一步增加导致磁力计测量的磁场强度会降低于磁力计的灵敏度/误差水平，这使得无法用传感器测量平台的坐标。
另外一个重要特性为感应线圈1的时间常数，时间常数确定转换线圈电流极性的持续时间，这又影响装置的最大测量频率。为了减少极性转换的持续时间，应减少时间常数，就是说减小电感和/或增加线圈的有效电阻。
电流稳定器2的控制器和时钟发生器3可以按照已知电路配置在电子分立元件上，或者可以使用微控制器。如果使用微控制器，时钟发生器将是该微控制器的子程序。
磁强计5可以被做成任何已知类型的三轴磁场感应传感器(磁阻传感器，霍尔效应传感器)，制成按照MEMS(微型机电一体化***)技术的带有数字输出端的微型电路(芯片)的形式，或者制成组装件的形式，包含三个正交(垂直)敏感元件，以及放大和模拟数字信号变换电路。必要条件是磁力计应具有单一测量模式，并带有开始测量的外部信号。合适的磁力计型号是STMicroelectronics LIS3MDL、MEMSIC MMC3416xPJ和类似的型号。
陀螺仪6和加速度计7是按照微型机电一体化***技术制成的三轴传感器，制成具有数字输出端的微型电路(芯片)的形式。
从成本、质量和尺寸的角度来看，最合理的传感器为组合传感器。这种传感器按照微型机电一体化***技术制成的，制成具有数字单芯，包含三轴磁力计、三轴陀螺仪和三轴加速度计。例如，STMicroelectronics LSM9DS1。
传感器平台8是个印制电路板，印制电路板上配置磁力计5、陀螺仪6和加速度计7。当使用基于MEMS数字传感器时，平台8尺寸能小于15x15x3毫米。
可以采用微控制器或个人/单板电脑当作计算单元14，而计算单元的内部9、10、11、12和13号单元是子程序。计算单元基于人造磁场的矢量大小在给定点处的信息确定对象坐标的算法，同时也确定对象方向的算法。
有几种为装置供的电方法。计算单元的电源(第一图没有标记出来)可以与计算单元一起放置在机箱，也可以单独布置。如果计算单元是个个人电脑，它一般会包含符合要求的电源。计算单元也可以给传感器供电。
装置工作原理。
电流控制稳定器2向感应线圈1发送正负极***替的电流信号i(t)(见图2)。i(t)信号的极性由时钟发生器3所产生的周期控制信号来指定。通过线圈1的电流产生磁场。线圈1的人造磁场与地球磁场相加，磁力计5测量合成磁场的磁感应矢量。同时，陀螺仪6测量传感器平台的角速度，加速计7测量传感器平台所受的重力加速度矢量。
为确保提取磁场频率分量的单元9与相位频率自动微调单元10运作正常，磁力计5的最高测量频率fmag应该满足以下条件：
其中T0为线圈1的信号周期(见图2)。
陀螺仪6与加速计7的测量频率不受限制而可以取任何适当的数值。例如，为有效地数字化人体运动，测量频率为200赫兹就算足够。
5、6、7传感器的读数以数码形式而传到计算单元14。
为简单起见，通常假设传感器5、传感器6和传感器7的坐标系与移动平台8相关联的坐标系一致。否则，传感器的读数应在计算单元14中汇集成与移动平台相关联的统一的坐标系。
为了确定传感器平台的坐标和方向，计算单元执行以下操作。
磁场频率分量提取单元9对磁力计5的每个轴的坐标进行测量信号的累积，累积成感应线圈1的信号周期(至少一个周期)的完整数字，然后提取出磁场常数分量(地球磁场的感应矢量)，以及磁场的可变分量以及磁场的可变分量即线圈磁场矢量/>为此需要利用傅里叶变换，其中沃尔什函数作为基础[2]。也可以使用其它变换方法。
作为变换的结果，我们会从三个磁场可变分量中获得每个磁场可变分量的幅度和相位值，三个磁场可变分量分别对应于磁力计5的三个测量轴。
在这种情况下，作为分量的相位，其表征符号如下：如果两个被测量的分量的相位重合，则这些分量具有相同的符号；相位相差为π(相差半周期)，则这些分量具有相反的符号；相位跳跃为π，对应于分量变号。于是，矢量会有两个相反的方向。单值地确定矢量/>方向会影响相位的不确定性，这种不确定性与传感器在空间的位置和方向的不确定性相关联。
相位的不确定性可以通过以下方式来消除。
例如，可以知道关于目标(物体)的初始位置和方向的粗略的臆断的信息(位于给定的坐标象限中，具有给定的方向)。在这种情况下，可以在开始测量后立即消除相位的不确定性。然后，频率相位自动调节单元10将实施对信号相位的跟踪，一直跟踪到传感器平台8位于感应线圈1的磁场中。
另一种方案是利用感应线圈1的信号中的特定的时间模式，这种模式可以单值地确定被测量信号的相位。例如，最简单的模式可以是正的信号脉冲和负的信号脉冲的不同的宽度。
然后，磁场可变分量中三个分量的相位值传输到相位频率自动微调单元10，此单元通过调整磁力计测量的频率来执行来最小化信号指定相位与测量相位之间误差的算法(例如PID控制算法)。
磁力计应该与开始测量的外部信号一起在单次测量的模式下启动，在这种情况下，计算单元可以通过改变开始测量信号的振荡周期的方法来灵活地改变其测量的频率。
在单元10(频率相位自动调节单元)的工作结果中，磁力计5的测量频率和相位将与感应线圈1的信号的频率和相位相一致。
计算下一阶段，地球磁场感应矢量的数值从单元9传输到定位角度计算单元11，后者同样接收陀螺仪6和加速计7的测量值。
加速计7的测量值即为重力加速度矢量由于所使用的传感器的低精度特性，以及由于各种干扰(若所引起的串扰、传感器平台的振动及加速运动)，/>和/>数值可能会受到严重的噪声污染。因此，为了提高测量精度，在不降低设备动态特性的条件下，必须使用陀螺仪6的测量值以便对/>与/>等矢量的方向进行互补滤波。
利用转换矩阵[3]将矢量转换成角度，这些角度是通过陀螺仪的测量值的积分所获得的。设陀螺仪的测量周期以及与/>矢量的测量周期均等于T0。那么递归互补滤波[4]呈现以下形式：
其中为经滤波的地球磁场感应矢量；δ为滤δ＜＜1系数；Wx、Wy、Wz分别是所测的陀螺仪绕x、y、z轴旋转速度；T0为陀螺仪的测量周期；Rx(WxT0)为绕x轴的以WxT0角度旋转矩阵；Rz(WzT0)为绕y轴的以WyT0角度旋转矩阵；Rz(WzT0)为绕z轴的以WzT0角度旋转矩阵；/>为经滤波的重力加速度矢量。
计算取向角应用已知的方法[3]，沿着与/>矢量的方向。
接下来，所获得的物体的定向角度被用在转动补偿单元12中，以便将感应线圈的磁场感应矢量从磁力计5的坐标系转换为与固定的感应线圈1相关联的坐标系。为此，需将/>矢量转变成角度，这些角度与获得的物体的定向角度相反。矢量的转换利用转换矩阵来实现：
其中为线圈1的坐标系里的线圈磁场感应矢量(当φ＝θ＝ψ＝0条件下)；φ、θ、ψ为所求到的对象取向角(分别是倾斜角、俯仰角、偏航角)；Rz(-ψ)为绕z轴的以-ψ角度旋转矩阵；Ry(-θ)为绕y轴的以-θ角度旋转矩阵；Rx(-φ)为绕x轴的以-φ角度旋转矩阵。
之后，将矢量传送到坐标计算单元13。设矢量/>呈现以下形式：
因为感应线圈1被水平放置，球面坐标系中的矢量方向的方位角(象限在x0y平面上的投影与感应线圈1的坐标系的x轴之间的角度)与被定位物体的方位角坐标/>应该一致：
物体的剩余坐标(半径矢量和天顶角)可以通过分析[1]获得，或者利用给定的函数[3]用表格的方式获得。在第二种情况下，表格表示的是垂直平面的点的阵列(点的数组)，垂直平面是通过感应线圈1的坐标系的垂直轴z(与线圈相对称的轴)的那个平面。每个点都与感应线圈在该点产生的磁感应矢量相关联。矢量的计算可以利用毕奥·萨伐尔定律进行计算。为了确定物体的坐标，必须要在表格中找到最接近矢量的幅度和方向的磁场感应矢量和它们的坐标值。随后可以算出要寻找的物体的坐标，例如，利用双线性插值法[5]来计算。
上述的装置的结构和工作原理保证可以灵活地增加定位物体的数量并扩展装置的工作区域。第三图示出多个场源和多个独立传感器平台的***布局。
现代计算技术发展水平允许为每一个传感器平台(22、23、24)使用单独的微型计算单元(25、26、27)。这种布置方法，再加上计算单元和感应线圈的电源之间缺少通信线路，允许无限量增加定位对象，而且随时更改装置的结构。
为了扩展装置工作区域可以使用几个分开布置的感应线圈(15、16、17)。为了避免所有线圈的信号在几个工作区域界线混合在一起，所有线圈的信号应有频率或时间间隔。线圈信号分出应采用傅里叶变换以沃尔什函数[2]为基本函数，或可采用其他的方式。
将物体从一个感应线圈工作区域移动到另一个感应线圈的工作区域时，相邻感应线圈的不确定性信号相位差能导致导致锁相环失步。感应线圈电源信号同步化能解决这个问题。
同步化最合适的方式是将线圈的电流控制稳定器(18、19、20)的输入端被连接到一个共用时钟发生器(21)的输出端，时钟发生器(21)确保产生的信号具有所需频率和相位。
在一般情况下，为了创建任意大小和形状的工作区域，需要轮换场源，而场源要有至少四个不同频率(频分)或不同相位(时分)信号[6]。然而，如果项目允许盲区的存在，可以轮换有两个或者三个不同频率/相位信号的场源。
图纸节点编号：
1：感应线圈；
2：电流控制调节器；
3：时钟发生器；
4：电源；
5：磁力计；
6：陀螺仪；
7：加速度计；
8：传感器平台；
9：提取磁场频率分量的单元；
10：频率的相位自动调节单元；
11：定位角度计算单元；
12：转动补偿单元；
13：坐标计算单元；
14：计算单元；
15：感应线圈1；
16：感应线圈2；
17：感应线圈N；
18：电流控制调节器1；
19：电流控制调节器2；
20：电流控制调节器N；
21：时钟发生器；
22：传感器平台1；
23：传感器平台2；
24：传感器平台M；
25：计算单元1；
26：计算单元2；
27：计算单元M。
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Claims (9)

1.一种用于确定物体在空间的位置的装置，其特征在于，该装置包含固定配置在水平面上的感应线圈，感应线圈的电源，计算单元，以及配置在移动物体上的传感器平台；所述传感器平台包括三轴磁力计、三轴加速度计和三轴陀螺仪，而所述感应线圈的电源包含控制时钟发生器的线圈电流稳定器，而所述计算单元包含频率的相位自动调节装置，可以确保磁力计的计时，并且保证磁力计的测量相位与感应线圈产生的磁场脉冲的相位同步。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算单元包含：提取磁场频率分量的单元；磁力计测量频率相位自动调节单元；传感器平台的定位角度计算单元；传感器平台的转动补偿单元；传感器平台的坐标计算单元。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述时钟发生器的输出端被连接到电流稳定器的输入端，所述电流稳定器的输出端被连接到感应线圈的引出端。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，磁力计的输出端连接到提取磁场频率分量的单元输入端。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，提取磁场频率分量的单元第一输出端被链接到频率相位自动调节单元的输入端，第二个输出端被连接到转动补偿单元的输入端，第三个输出端被连接到定位角度计算单元。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，频率相位自动调节单元的输出端被连接到磁力计的输入端。
7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，陀螺仪输出端被连接到定位角度计算单元的第二输入端。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，加速度计的输出端被连接到定位角度计算单元的第三个输入端。
9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述定位角度计算单元的输出端被连接到转动补偿器的第二输入端，而这个输出端被连接到坐标计算单元的输入端。
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