本發(fā)明屬于電磁跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電磁跟蹤系統(tǒng)的磁感應(yīng)強度最大值旋轉(zhuǎn)角測量的優(yōu)化方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
電磁跟蹤（ElectromagneticTracking），或稱電磁場定位，是一種利用電磁場對跟蹤目標(biāo)的空間位置和姿態(tài)進行檢測和實時跟蹤的方法。該方法可應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)的導(dǎo)航，亦可運用于虛擬（增強）現(xiàn)實、三維超聲成像等領(lǐng)域。電磁跟蹤系統(tǒng)一般由磁場源（如永磁鐵、電磁鐵線圈）、磁場傳感器、控制處理單元三部分組成。磁場源在固定位置產(chǎn)生磁場，然后利用附著在跟蹤目標(biāo)上的磁傳感器測得的磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，求解出跟蹤目標(biāo)的空間位置和姿態(tài)?；谛D(zhuǎn)磁場的電磁跟蹤方法是通過磁傳感器捕捉磁感應(yīng)強度最大值，確定旋轉(zhuǎn)磁場源（由電磁線圈構(gòu)成）產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度最大值指向固定在跟蹤目標(biāo)上的磁傳感器，從而計算出跟蹤目標(biāo)相對于磁場源的位置和姿態(tài)。因此，如果采用兩個相對距離已知的磁場源，進行交替激勵地旋轉(zhuǎn)搜索，并使它們產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度最大值最終指向磁傳感器，即可以獲取跟蹤目標(biāo)與兩個磁場源之間的幾何關(guān)系，通過非迭代算法快速計算出跟蹤目標(biāo)六自由度的位置和姿態(tài)。相比迭代的位置和姿態(tài)算法，非迭代算法計算速度快、運算簡單、性能穩(wěn)定、對硬件配置要求低，可以克服迭代算法需要依賴無限遠偶極子模型、計算復(fù)雜度高、易發(fā)散、存在局部極值點等的問題。然而，對于上述基于旋轉(zhuǎn)磁場的電磁跟蹤系統(tǒng)，如何快速準(zhǔn)確地使磁場源產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度最大值精確指向傳感器，將直接影響整個系統(tǒng)的性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種基于旋轉(zhuǎn)磁場電磁跟蹤系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)磁場快速跟蹤方法及系統(tǒng)。本發(fā)明中，旋轉(zhuǎn)磁場電磁跟蹤系統(tǒng)包括由兩個相對位置固定且已知的磁場源組成的磁場源單元、三軸磁傳感器單元和控制處理單元三部分。其中磁場源可以通過旋轉(zhuǎn)掃描實現(xiàn)磁感應(yīng)強度最大值的任意指向；這種旋轉(zhuǎn)可以通過機械系統(tǒng)或電子系統(tǒng)實現(xiàn)。三軸磁傳感器則可以采集三個正交方向的磁感應(yīng)強度值并通過矢量合成的方式獲得磁傳感器所在位置的磁感應(yīng)強度的大小和方向。控制處理單元一方面為組成磁場源的電磁線圈提供合適的激勵并電流控制磁場源的旋轉(zhuǎn)掃描，使兩個磁場源產(chǎn)生的最大磁感應(yīng)強度最終指向磁傳感器（跟蹤目標(biāo)）；另一方面，對三軸磁傳感器單元采集到的數(shù)據(jù)進行處理并計算磁感應(yīng)強度最大值指向磁傳感器時的旋轉(zhuǎn)角。本發(fā)明的實現(xiàn)還基于以下先驗知識及條件：①在固定點觀察，平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強度具有180°周期性，周期內(nèi)最大/最小值唯一；且在360°一周的旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的兩個最大/最小值相差180°。②根據(jù)本發(fā)明所適用的基于旋轉(zhuǎn)磁場的電磁跟蹤系統(tǒng)的工作原理，磁場源在任意的180°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)搜索，即可使一個磁感應(yīng)強度最大值指向傳感器；但最大值在360°范圍內(nèi)可能與兩個旋轉(zhuǎn)角對應(yīng)。當(dāng)兩個相對位置固定且已知的磁場源產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度最大值均指向傳感器時，由于傳感器只能位于可能的四個旋轉(zhuǎn)角（每個磁場源2個）的交點，通過排除法可唯一確定兩個磁場源的旋轉(zhuǎn)角。為簡化問題，本發(fā)明將磁場源的旋轉(zhuǎn)搜索范圍限定在180°。本發(fā)明提高定位速度的關(guān)鍵在于，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場源產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度分布特點，僅采集依次相差45°的四個角度的磁感應(yīng)強度信號，就可確定磁感應(yīng)強度最大值的旋轉(zhuǎn)角度。本發(fā)明提出的基于四點測量的旋轉(zhuǎn)磁場快速跟蹤方法，具體步驟為：首先，進行數(shù)據(jù)采集，磁場源在180°搜索范圍內(nèi)，以45°步長（步長即每次旋轉(zhuǎn)的角度）進行旋轉(zhuǎn)掃描；每旋轉(zhuǎn)45°磁傳感器采集一個磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)；然后進行數(shù)據(jù)分組，根據(jù)采集到的四個數(shù)據(jù)的大小，按照一定的規(guī)則將它們分成分別位于磁感應(yīng)強度最大值兩側(cè)的兩組；然后，計算兩組數(shù)據(jù)的斜率，并得到分別經(jīng)過每組數(shù)據(jù)2個點的兩條直線；最后，由于采集的四個點不一定關(guān)于最大值對稱，為了減小估計誤差，在求取兩個斜率絕對值均值的基礎(chǔ)上，按照一定的規(guī)則對得到的兩條直線進行修正，使其交點所對應(yīng)的角度與磁感應(yīng)強度最大值所對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度一致。該方法可用于基于旋轉(zhuǎn)磁場確定跟蹤目標(biāo)（磁傳感器固定在跟蹤目標(biāo)上）六自由度位置和姿態(tài)的非迭代電磁跟蹤系統(tǒng)。本發(fā)明中，所述的數(shù)據(jù)采集是指磁場源每旋轉(zhuǎn)45°，磁傳感器采集一次其所在位置的磁感應(yīng)強度；磁場源在180°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，則磁傳感器可采集到四個磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，依次記為Ba、Bb、Bc、Bd。由于平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強度具有180°周期性，可將這個旋轉(zhuǎn)過程用如圖1所示的閉合圓周表達。本發(fā)明中，所述的數(shù)據(jù)分組的依據(jù)是采集到的四個磁感應(yīng)強度大小。如圖2所示，由于旋轉(zhuǎn)磁場的180°周期性，在180°搜索范圍內(nèi)總是存在一個最大和/或最小值。且磁感應(yīng)強度最大值總是距四個采樣點中的最大值最近；而磁感應(yīng)強度最小值總是距四個采樣點中的最小值最近。這樣四個采樣點總是能被分為位于磁感應(yīng)強度最大值兩側(cè)的兩組（每組兩個點）。表1列出了采集到的四個磁感應(yīng)強度值的所有可能情況并給出了相應(yīng)的分組規(guī)則。其中第1列列出了采集到的四個磁感應(yīng)強度的所有可能情況，第2列則結(jié)合圖1給出了每種情況下磁感應(yīng)強度最大值所在區(qū)間，并據(jù)此將采集到的四個磁感應(yīng)強度分為位于磁感應(yīng)強度最大值兩側(cè)的兩組（表1第3列）。表1四次測量后的各種情況的采樣點分組本發(fā)明中，所述磁感應(yīng)強度最大值旋轉(zhuǎn)角的確定原理如圖3所示：若在最大值左右兩側(cè)各取對稱的兩點，則左側(cè)兩點連線與右側(cè)兩點連線的交點一定在磁感應(yīng)強度曲線的最大值方向上，該交點的橫坐標(biāo)即為磁感應(yīng)強度最大值旋轉(zhuǎn)角的估計值。根據(jù)數(shù)據(jù)采集及分組步驟，不失一般性，將圖3中位于磁感應(yīng)強度最大值兩側(cè)的四個采樣點的坐標(biāo)定義為：，則兩條直線的斜率分別由公式（1），（2）計算（其中）：（1）（2）本發(fā)明中，所述兩條直線的修正及最大磁感應(yīng)強度旋轉(zhuǎn)角確定，針對采樣得到的四個磁感應(yīng)強度值不一定關(guān)于最大值對稱，造成的絕對值不等，導(dǎo)致最終得到的磁感應(yīng)強度最大值產(chǎn)生誤差。為此首先通過公式（3）計算均值：（3）再根據(jù)表2的四種確定直線的方法，通過公式（4）-（7）計算得到最大磁感應(yīng)強度旋轉(zhuǎn)角（其中表示根據(jù)第*種方法計算得到的磁感應(yīng)強度最大值所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角，*取1、2、3、4）。表2四種確定直線的方法（4）（5）（6）（7）上述四種確定直線方法等效，實際系統(tǒng)中可任選其中一種實施。本發(fā)明還涉及基于上述旋轉(zhuǎn)磁場快速跟蹤方法的旋轉(zhuǎn)磁場電磁跟蹤系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。包括由兩個相對位置固定且已知的磁場源組成的磁場源單元10、三軸磁傳感器單元20和控制處理單元30三部分。其中，磁場源單元10是由繞在磁棒上的線圈組成，磁棒固定在可在水平和垂直兩個平面旋轉(zhuǎn)的云臺上；三軸磁傳感器單元20包括三軸磁傳感器21、信號調(diào)理電路22以及模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）電路23；控制處理單元30包括；數(shù)據(jù)采樣及存儲單元31、采樣控制單元32、磁場源旋轉(zhuǎn)/激勵控制單元33、數(shù)據(jù)分組模塊34、斜率計算模塊35、修正模塊36、磁感應(yīng)強度最大值所對應(yīng)的磁棒旋轉(zhuǎn)角度確定模塊37；由磁場源旋轉(zhuǎn)/激勵控制單元33控制云臺的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)磁棒（即磁場源10）在空間的任意指向；另外，磁場源旋轉(zhuǎn)/激勵控制單元33還為線圈提供合適的激勵電流。三軸磁傳感器21感知傳感器所在空間位置三個正交方向的磁感應(yīng)強度；信號調(diào)理電路22對三軸磁傳感器21感知到的信號進行濾波和放大處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路23在采樣控制單元32的控制下，將信號調(diào)理電路22輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并送至控制處理單元30進行進一步的處理；控制處理單元30將傳感器輸出的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采樣及存儲單元31進行存儲，并在控制磁場源掃描完成后，通過數(shù)據(jù)分組模塊34對數(shù)據(jù)進行分組、通過斜率計算模塊35計算斜率、通過修正模塊36進行修正處理，最終根據(jù)得到兩條直線交點所對應(yīng)的角度，由磁感應(yīng)強度最大值所對應(yīng)的磁棒旋轉(zhuǎn)角度確定模塊37得到磁感應(yīng)強度最大值所對應(yīng)的磁棒旋轉(zhuǎn)角度。本發(fā)明系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)分組模塊34用于本發(fā)明的分組計算（即表1的計算）；所述斜率計算模塊35用于本發(fā)明的斜率計算（即公式（1）、（2）的計算）；所述的修正模塊36用于本發(fā)明的修正計算（即公式（3）的計算）；所述磁感應(yīng)強度最大值所對應(yīng)的磁棒旋轉(zhuǎn)角度確定模塊37用于磁感應(yīng)強度最大值所對應(yīng)的磁棒旋轉(zhuǎn)角度的計算（即公式（4）-（7）的計算）。為了使旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度最大值指向傳感器，傳統(tǒng)方法中磁場源要以小步長（步長為1°時可能產(chǎn)生的角度誤差為0.5°）在180°范圍內(nèi)搜索（每旋轉(zhuǎn)一步采樣一次），得到180個采樣數(shù)據(jù)才能可靠實現(xiàn)，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)定位的實時性。本發(fā)明提出的基于四點測量的旋轉(zhuǎn)磁場快速跟蹤方法，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場源平面磁感應(yīng)強度分布的特點，用45°大步長搜索的方式，僅需4個采樣數(shù)據(jù)就可確定旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度最大值指向傳感器時的旋轉(zhuǎn)角，使得系統(tǒng)的定位/跟蹤速度大大提高。附圖說明圖1為四點測量區(qū)域劃分示意圖。圖2為通過四點稀疏采樣確定最大值或最小值的可能范圍（T1\T2\T3之間為最大值范圍，T3\T4\T1之間為最小值范圍）。圖3為基于四點測量的磁感應(yīng)強度最大值旋轉(zhuǎn)角確定示意圖。圖4為本發(fā)明基于四點測量的旋轉(zhuǎn)磁場快速跟蹤方法的旋轉(zhuǎn)磁場電磁跟蹤系統(tǒng)框圖。圖5為本發(fā)明基于四點測量的旋轉(zhuǎn)磁場快速跟蹤方法的旋轉(zhuǎn)磁場電磁跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖6為磁場源掃描及數(shù)據(jù)采集流程圖。圖7為基于四點測量的旋轉(zhuǎn)磁場快速跟蹤方法實現(xiàn)流程圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖4~7對本發(fā)明作進一步說明。圖4是本發(fā)明基于四點測量的旋轉(zhuǎn)磁場快速跟蹤方法可應(yīng)用的一種電磁跟蹤系統(tǒng)的組成，包括磁場源單元10、磁傳感器單元20和控制處理單元30。其中控制處理單元30控制磁場源10在180°范圍內(nèi)掃描搜索；磁場源10每旋轉(zhuǎn)45°，磁傳感器20采集一次磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在控制處理單元30中；控制處理單元30通過基于四點測量的旋轉(zhuǎn)磁場快速跟蹤方法確定磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)最大值所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角。圖5是磁定位系統(tǒng)的詳細框圖。本實施例的磁場源10是由繞在磁棒上的線圈組成，磁棒固定在可在水平和垂直兩個平面旋轉(zhuǎn)的云臺上；三軸磁傳感器單元20包括三軸磁傳感器21、信號調(diào)理電路22以及模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）電路23；控制處理單元30包括；數(shù)據(jù)采樣及存儲單元31、采樣控制單元32、磁場源旋轉(zhuǎn)/激勵控制單元33、數(shù)據(jù)分組模塊34、斜率計算模塊35、修正模塊36、磁感應(yīng)強度最大值所對應(yīng)的磁棒旋轉(zhuǎn)角度確定模塊37；由磁場源旋轉(zhuǎn)/激勵控制單元33控制云臺的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)磁棒（即磁場源10）在空間的任意指向；另外，磁場源旋轉(zhuǎn)/激勵控制單元33還為線圈提供合適的激勵電流。三軸磁傳感器21感知傳感器所在空間位置三個正交方向的磁感應(yīng)強度；信號調(diào)理電路22對三軸磁傳感器21感知到的信號進行濾波和放大處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路23在采樣控制單元32的控制下，將信號調(diào)理電路22輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并送至控制處理單元30進行進一步的處理?？刂铺幚韱卧?0將傳感器輸出的數(shù)據(jù)進行存儲，并在控制磁場源掃描完成后，通過數(shù)據(jù)分組模塊34對數(shù)據(jù)進行分組、通過斜率計算模塊35計算斜率、通過修正模塊36進行修正處理，最終根據(jù)得到兩條直線交點所對應(yīng)的角度，由磁感應(yīng)強度最大值所對應(yīng)的磁棒旋轉(zhuǎn)角度確定模塊37得到磁感應(yīng)強度最大值所對應(yīng)的磁棒旋轉(zhuǎn)角度。圖6為磁場源掃描及數(shù)據(jù)采集流程圖示，具體步驟為：步驟41：首先，控制處理單元將磁場源復(fù)位至初始位置（此時磁棒指向規(guī)定為零度）；步驟42：然后，控制處理單元控制磁場源在水平面旋轉(zhuǎn)45°角，并以確定電流激勵磁場源線圈產(chǎn)生磁場；步驟43：三軸磁傳感器單元采集所在位置的磁感應(yīng)強度并將數(shù)據(jù)存儲于控制處理單元的存儲器單元30中；步驟44：判斷是否完成水平面掃描（本實施例磁場源掃描范圍定為180°），若沒有完成掃描則重復(fù)上述過程，否則，步驟45：完成一組數(shù)據(jù)采集，并通過圖7所示的基于四點測量的磁感應(yīng)強度最大值旋轉(zhuǎn)角快速確定方法，確定水平面上磁感應(yīng)強度最大值所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角；之后磁場源從該旋轉(zhuǎn)角出發(fā)，再在垂直面上進行與水平面相同的數(shù)據(jù)采集。圖7為基于四點測量的旋轉(zhuǎn)磁場快速跟蹤方法的流程圖示。具體步驟為：步驟51：采集到四個數(shù)據(jù)：步驟52：首先，對在數(shù)據(jù)采集過程中采集到的四個數(shù)據(jù)根據(jù)表1進行分組；步驟53：然后，連接每組的兩個數(shù)據(jù)得到兩條直線，并分別計算它們的斜率（按公式（1）、（2））；步驟54：然后，求取兩條直線斜率絕對值的均值（按公式（3）），并按照表2中的方法2對兩直線進行校正；步驟55：最后，由于兩條直線的交點所對應(yīng)的角度與磁感應(yīng)強度最大值所對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度一致，由公式計算得到磁感應(yīng)強度最大值所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度。以上，僅為本發(fā)明的較佳實施例，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或者替換，都應(yīng)涵蓋在發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書要求所界定的保護范圍為準(zhǔn)。