采用余弦函数曲线拟合确定磁感应强度最大值的方法及实现系统

摘要

本发明属于电磁跟踪技术领域，具体为一种采用余弦函数曲线拟合确定磁感应强度最大值的方法及实现系统。本发明方法包括：由三轴磁传感器采集一组在磁场源扫描过程中产生的磁感应强度；对采集到的这组磁感应强度值进行滤波及插值等预处理；对经过预处理的数据做基于最小二乘法的余弦函数曲线拟合；最后确定拟合曲线的最大值以及这个最大值对应的磁场源的旋转角度。本发明可用于电磁跟踪系统，该类电磁跟踪系统通常还包括可旋转的磁场源的单元、三轴磁传感器单元以及控制处理单元。本发明采用余弦函数曲线拟合方法准确检测磁感应强度最大值位置，可以提高旋转磁场指向磁传感器的精确度，进而提升电磁跟踪系统的定位精度。

主权项

一种旋转磁场源电磁跟踪系统中采用余弦函数曲线拟合确定磁感应强度最大值的方法，所述旋转磁场源电磁跟踪系统，其组成包括磁场源单元、三轴磁传感器单元和控制处理单元三部分；其中磁场源单元通过旋转扫描实现磁感应强度最大值的任意指向；三轴磁传感器单元包括三轴磁传感器、信号调理电路和模数转换电路；其中三轴磁传感器采集三个正交方向的磁感应强度值并通过矢量合成的方式获得磁传感器所在位置的磁感应强度的大小和方向；信号调理电路对三轴磁传感器的输出信号进行放大、滤波处理；模数转换电路则将信号调理电路输出的模拟信号转换成数字信号，并送入控制处理单元进行进一步的处理；控制处理单元一方面控制磁场源的旋转扫描并为组成磁场源的电磁线圈提供合适的激励电流；另一方面，对三轴磁传感器单元采集到的数据进行处理并进行曲线拟合；其特征在于确定磁感应强度最大值的具体步骤如下：（一）首先，数据采集；（二）然后，对采集到的数据进行预处理，预处理包括低通滤波和插值；（三）然后，对经过预处理的数据做基于最小二乘法的余弦函数曲线拟合；（四）最后，确定拟合曲线的最大值即这组磁感应强度数据的最大值以及这个最大值对应的磁场源的旋转角度；步骤（一）所述数据采集是在磁场源扫描的过程中完成；磁场源以设定的步长旋转扫描，扫描范围根据跟踪目标可能出现的范围确定，最大为360°；三轴磁传感器在磁场源每旋转一个步长后采集一次其所在空间位置的三个正交方向的磁感应强度信号，该信号经模数转换后存储；当磁场源完成一个平面的扫描，即可采集到一组磁感应强度数据；步骤（二）所述的数据预处理，包括为了消除采集数据中的高频干扰信号的低通滤波，以及在磁场源旋转步长较大，造成数据量不足时的线性插值；所述低通滤波采用一种22阶FIR低通滤波器，滤波器的截止频率根据磁场源产生的磁感应强度信号的频带范围确定；所述线性插值，即在相邻两个数据之间插入一个大小为该两数据均值的数据；步骤（三）所述的基于最小二乘法的余弦函数曲线拟合，是用如下式所示的余弦函数：与采集到的一组数据进行拟合；拟合的过程是基于最小二乘的原则确定这个余弦函数的四个参数E、f、φ、Q；这样就可以用这个参数确定的余弦函数描述所采集的一组数据的变化；步骤（四）所述的磁感应强度最大值的确定就是在步骤（三）通过曲线拟合确定余弦函数系数的基础上，求取该余弦函数的最大值，即在时，该余弦函数的最大值为；在确定了余弦函数最大值的基础上，可找到该最大值所对应的采样数据，以及该数据所对应的磁场源旋转角度。