用于电磁定位跟踪的可调节多偶极子磁场发射装置及方法

本申请涉及电磁定位跟踪，尤其涉及一种用于电磁定位跟踪的可调节多偶极子磁场发射装置及方法。

背景技术：

1、在电磁定位跟踪系统中，磁场发射装置是生成空间交变磁场以供传感器进行位置和姿态解算的核心部件。传统的磁场发射源往往只能产生单一的，或者磁矩方向和大小固定的偶极子磁场。当在复杂定位场景下需要使用多频率、多方向的交变磁场时，现有技术通常需要借助复杂的机械传动结构来物理旋转线圈，或者布置多个独立的单频发射器，这导致了系统体积庞大、灵活性差、控制复杂度高且难以实现磁场的实时动态调节。因此，需要一种能够在物理结构固定的前提下，通过电学控制在空间中同时产生多个磁矩方向和大小均可独立调节的交变偶极子磁场的装置。

技术实现思路

1、本申请实施例的主要目的在于提出一种用于电磁定位跟踪的可调节多偶极子磁场发射装置及方法，以解决现有技术中磁场发射源灵活性差、难以同时产生多个可独立调节的偶极子磁场的问题。

2、为实现上述目的，本申请实施例的一方面提出了一种用于电磁定位跟踪的可调节多偶极子磁场发射装置，包括：

3、磁场发射源，所述磁场发射源由三个互相共心且互不同轴的独立螺线管线圈嵌套组成；

4、驱动电路，所述驱动电路包含三个驱动通道，每个驱动通道对应连接并驱动一个所述螺线管线圈，用于对电流信号进行功率放大；

5、控制单元，所述控制单元用于根据预设的目标磁场信息，生成针对三个螺线管线圈的三个相互关联的电流驱动信号，每个所述电流驱动信号为由多个不同频率分量叠加而成的混叠信号；

6、所述控制单元通过调节所述混叠信号中不同频率分量的幅值，使得在每一个特定频率下，三个螺线管线圈产生的磁矩分量合成为一个合成磁矩向量，且不同频率对应的合成磁矩向量的方向和大小彼此独立可调，从而在空间中同时产生多个分别对应于不同频率的、磁矩方向和大小彼此独立可调的等效偶极子磁场。

7、在一些实施例中，所述三个螺线管线圈的驱动电流分别表示为：

8、

9、

10、

11、其中，至为n个不同的频率，分别为各频率分量在三个通道中的幅值系数。

12、在一些实施例中，在频率下，三个螺线管线圈产生的磁矩分量构成的合成磁矩向量的表达式为：

13、

14、其中，为合成磁矩向量在直角坐标系x、y、z轴的分量，分别为流经三个线圈的电流中频率为的分量的幅值，表示线圈a对磁矩x分量的增益比例系数，表示线圈b对磁矩x分量的增益比例系数，表示线圈c对磁矩x分量的增益比例系数，表示线圈a对磁矩y分量的增益比例系数，表示线圈b对磁矩y分量的增益比例系数，表示线圈c对磁矩y分量的增益比例系数，表示线圈a对磁矩z分量的增益比例系数，表示线圈b对磁矩z分量的增益比例系数，表示线圈c对磁矩z分量的增益比例系数。

15、在一些实施例中，所述合成磁矩向量与三个线圈的电流中频率为的分量的幅值向量之间满足以下矩阵变换关系：

16、

17、其中，k为3×3的增益矩阵，其元素通过数据标定获得；所述控制单元根据预设的目标磁矩向量，通过对所述增益矩阵k求逆得到目标电流幅值向量，从而确定各频率分量在三个线圈驱动电流中的幅值系数组合。

18、在一些实施例中，所述控制单元通过调节所述电流驱动信号中不同驱动频率的个数n来调节所述等效偶极子磁场的数目。

19、在一些实施例中，所述预设的目标磁场信息包括待生成的多偶极子磁场的数目、频率、大小和方向。

20、在一些实施例中，所述磁场发射源的三个螺线管线圈两两正交放置。

21、在一些实施例中，所述磁场发射源的三个螺线管线圈以任意不为0度的夹角放置。

22、在一些实施例中，所述磁场发射源为圆柱形螺线管、方形螺线管或球形螺线管。

23、在一些实施例中，所述螺线管线圈包含铁芯。

24、在一些实施例中，所述螺线管线圈不包含铁芯。

25、为实现上述目的，本申请实施例的另一方面提出了一种用于电磁定位跟踪的可调节多偶极子磁场发射方法，包括以下步骤：

26、提供三个互相共心且互不同轴的独立螺线管线圈，三个线圈分别连接至驱动电路的三个驱动通道；

27、根据预设的目标磁场信息，生成三个相互关联的电流驱动信号，每个所述电流驱动信号为由多个不同频率分量叠加而成的混叠信号；

28、通过驱动电路对所述电流驱动信号进行功率放大，分别驱动三个螺线管线圈；

29、通过调节所述混叠信号中不同频率分量的幅值，使得在每一个特定频率下，三个螺线管线圈产生的磁矩分量合成为一个合成磁矩向量，且不同频率对应的合成磁矩向量的方向和大小彼此独立可调，从而在空间中同时产生多个分别对应于不同频率的、磁矩方向和大小彼此独立可调的等效偶极子磁场。

30、在一些实施例中，通过调节所述混叠信号中不同频率分量的幅值以在每一个特定频率下产生合成磁矩向量的步骤中，对于频率，根据预设的目标磁矩向量，通过矩阵变换计算得到三个线圈中频率为的电流分量的幅值，其中k为预先通过数据标定获得的增益矩阵。

31、在一些实施例中，根据预设的目标磁场信息生成三个相互关联的电流驱动信号的步骤中，所述电流驱动信号为数字信号，将所述电流驱动信号输出至数模转换器转换为模拟信号后输入所述驱动电路。

32、在一些实施例中，通过调节所述电流驱动信号中不同驱动频率的个数来调节所述等效偶极子磁场的数目。

33、本申请实施例至少包括以下有益效果：本申请提供一种用于电磁定位跟踪的可调节多偶极子磁场发射装置及方法，该方案通过控制单元生成三个相互关联的混叠电流驱动信号，并调节各信号中不同频率分量的幅值，使每个特定频率下三个共心且互不同轴的线圈产生的磁矩分量合成为一个方向和大小均可独立调控的合成磁矩向量，从而在物理结构完全固定的条件下实现多个等效偶极子磁场的磁矩方向和大小同时独立可调，既避免了现有技术中依赖机械旋转机构或多个独立发射器所带来的系统体积庞大和动态响应滞后问题，又通过频域分离确保各偶极子磁场互不干扰，显著提升了电磁定位跟踪系统的磁场灵活性、控制精度和环境适应性。

1.一种用于电磁定位跟踪的可调节多偶极子磁场发射装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三个螺线管线圈的驱动电流分别表示为：

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在频率下，三个螺线管线圈产生的磁矩分量构成的合成磁矩向量的表达式为：

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述合成磁矩向量与三个线圈的电流中频率为的分量的幅值向量之间满足以下矩阵变换关系：

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制单元通过调节所述电流驱动信号中不同驱动频率的个数n来调节所述等效偶极子磁场的数目。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预设的目标磁场信息包括待生成的多偶极子磁场的数目、频率、大小和方向。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁场发射源的三个螺线管线圈两两正交放置；或者，

8.一种用于电磁定位跟踪的可调节多偶极子磁场发射方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过调节所述混叠信号中不同频率分量的幅值以在每一个特定频率下产生合成磁矩向量的步骤中，对于频率，根据预设的目标磁矩向量，通过矩阵变换计算得到三个线圈中频率为的电流分量的幅值，其中k为预先通过数据标定获得的增益矩阵。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据预设的目标磁场信息生成三个相互关联的电流驱动信号的步骤中，所述电流驱动信号为数字信号，将所述电流驱动信号输出至数模转换器转换为模拟信号后输入所述驱动电路。