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技術 少なくとも3つの磁気発生器のセットによって生成された磁場中を移動する物体を位置特定する方法

出願人 シスナヴ
発明者 ヴィシエール,ダヴィドイリオン,マチューマイヤー,ヘンドリック
出願日 2018年7月17日 (2年8ヶ月経過) 出願番号 2020-502121
公開日 2020年9月3日 (7ヶ月経過) 公開番号 2020-527234
状態 未査定
技術分野 生体の呼吸・聴力・形態・血液特性等の測定
主要キーワード フーコー電流 車輪付き車両 周囲磁場 三軸センサ 劣化閾値 適合性テスト 位置特定結果 磁気発生器
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (3)

課題・解決手段

本発明は、共通基準座標系内で静止した少なくとも3つの三軸磁気発生器のセットによって生成された磁場中を移動する三軸磁気センサ一体化された物体位置特定する方法に関し、当該方法は、(a)各発生器について、センサによって取得された該発生器に関連した磁場測定結果の関数として、共通基準座標系内でのセンサの位置を決定するステップと、(b)各発生器について、該発生器についてのセンサの決定された位置の誤差を表すパラメータを計算するステップと、(c)発生器の各々について推定されたパラメータの関数として発生器のセットのうちのサブセットを選択するステップであり、発生器のセットのうちの選択されるサブセットは、その発生器について推定されたパラメータが少なくとも1つの基準閾値よりも小さいものである各発生器を含む、ステップと、(d)サブセット内の選択された各発生器についてのセンサの決定された位置を統合することによって、物体の位置を推定するステップと、を含むことを特徴とする。

概要

背景

磁気位置特定は、少なくとも1つのソースによって生成される人工的な磁場中で、少なくとも1つの磁場センサを備えた物体が位置特定される技術を指す。磁気位置特定は、高い精度(サブミリメートル誤差を有し、1度未満)を可能にする。用途は主に、例えば手術ナビゲーションのためといった、医療分野に見出される。

ソースすなわち磁場発生器は典型的に、例えば異なる周波数を持つAC磁場といった、区別可能な磁場を放射する3つの垂直コイルを含む。センサも、3つの軸に沿った磁場を測定する。その後、軸に沿ったセンサの信号が、放射コイルの周波数に関して復調される。このプロセスから得られるデータセットと、磁場の制御(モデリング及び較正)とで、センサ(又はその上にセンサが固定されたツール)の位置及び向きをリアルタイムで計算することを可能にする。

ソースによって放射される磁場を磁気センサで測定することによって物体の位置及び向きを推定する技術は、1970年代以来よく知られており、例えば、US3868565号(特許文献1)、US4737794号(特許文献2)、又はUS4945305号(特許文献3)を参照されたい。

センサによって受信された信号の処理は、ソースのコイルの各々から誘導された成分への当該信号の分解を含む。この分解は、(1)ソースの3つのコイルが順に信号を送信するようにパルス化されたDC磁場(例えば、US4945305号(特許文献3)を参照)、(2)異なる周波数をソースの3つのコイルに対して持つAC磁場であり、復調によってそれらを区別することを可能にする(例えば、US3868565号(特許文献1)を参照)を用いて実行され得る。センサからの三軸コイルによって受信された信号の、送信元の三軸コイルに対する分解は、3×3=9個の係数行列を提供し、それに基づいて、ソースに対するセンサの位置及び姿勢(すなわち、合計で6自由度)が計算され得る(US4737794号(特許文献2)参照)。

このようなソース−センサシステムにおいては主に2つの困難に遭遇する。

先ず、磁場は、ソース−センサ間距離の3乗で磁場が減衰するので、信号が急に弱くなり、市販のシステムでは典型的に約1メートルの距離でノイズレベルに達する。従って、距離の関数として性能の低下が存在する。ソース付近の限られた領域でしか良好な精度を達成することができない。1つのソリューションは、コイルのサイズを大きくすること、又は電流を大きくすることであるが、これは実際にはすぐに限界となる。

次に、ソースによって放射される磁場は、それがパルス化されたDCであろうと、ACであろうと、(1)導電性の材料(フーコー電流の誘導による)及び(2)透過性の材料によって乱されるが、これら2つの材料は応用において遭遇し得るものである。このような乱れは、測定を誤らせ、性能を低下させる。

動きのない乱れについて、1つの可能なソリューションは、空間の3Dネットワークに従って磁場のマップを作成することである。このソリューションは、専門家による較正を行うことを必要とし、例えばツールなどの乱す物体が通常的に動かされ、それにより、いつまでも再較正を必要とすることになるあらゆる状況で、全くもって実用的でない。

他のものとして、US6636757号(特許文献4)において、乱す金属物体に起因する磁場の歪みを制限する分離素子として作用する“シールド”上に最大3つの三軸ソースを取り付けることが提案されている。関連する較正方法が提供される。理解されることには、そのようなソリューションは、恐らく効果的であるが、実際には非常に煩雑である。

US6400139号(特許文献5)において、単一のソースと、2つのセンサ、すなわち、“制御”センサ、及び、二次AC磁場源として考えられる、その位置が探索されるセンサ(“プローブ”)と、を使用することが提案されている。換言すれば、提案されたアーキテクチャは、2つのソースと1つのセンサを用いるアーキテクチャに相当するが、センサの位置は知られていて、ソースの位置が探索される。信号センサ位相調査が、導電性材料による乱れを分離することを可能にするが、透過性材料の乱れについてはそうでない。

他の文献(US2011224537号(特許文献6)又はUS2011004430号(特許文献7)を参照)では、乱れを単に検出するのみであり、乱れの影響を補正することは試みられていない。

言い得ることには、一般的な状況において一度に同時に適用可能であり且つ性能又は時間分解能損失のないソリューションの探索は、未解決の問題のままである。

故に、依然として効率的であるがいかなる性質の乱れに対しても更に十分にロバストである磁気位置特定方法利用可能とすることが望まれる。

概要

本発明は、共通基準座標系内で静止した少なくとも3つの三軸磁気発生器のセットによって生成された磁場中を移動する三軸磁気センサ一体化された物体を位置特定する方法に関し、当該方法は、(a)各発生器について、センサによって取得された該発生器に関連した磁場測定結果の関数として、共通基準座標系内でのセンサの位置を決定するステップと、(b)各発生器について、該発生器についてのセンサの決定された位置の誤差を表すパラメータを計算するステップと、(c)発生器の各々について推定されたパラメータの関数として発生器のセットのうちのサブセットを選択するステップであり、発生器のセットのうちの選択されるサブセットは、その発生器について推定されたパラメータが少なくとも1つの基準閾値よりも小さいものである各発生器を含む、ステップと、(d)サブセット内の選択された各発生器についてのセンサの決定された位置を統合することによって、物体の位置を推定するステップと、を含むことを特徴とする。

目的

1つのソリューションは、コイルのサイズを大きくすること、又は電流を大きくすることである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

共通基準座標系内で静止した少なくとも3つの三軸磁気発生器のセットによって生成された磁場中を移動する三軸磁気センサ一体化された物体位置特定する方法であって、(a)各発生器について、前記センサによって取得された該発生器に関連した磁場測定結果の関数として、前記共通基準座標系内での前記センサの位置を決定するステップと、(b)各発生器について、該発生器についての前記センサの前記決定された位置の誤差を表すパラメータを計算するステップと、(c)前記発生器の各々について推定された前記パラメータの関数として前記発生器のセットのうちのサブセットを選択するステップであり、前記発生器のセットのうちの選択される前記サブセットは、その発生器について推定された前記パラメータが少なくとも1つの基準閾値よりも小さいものである各発生器を含む、ステップと、(d)前記サブセット内の選択された各発生器についての前記センサの前記決定された位置を統合することによって、前記物体の位置を推定するステップと、を含むことを特徴とする方法。

請求項2

前記センサ及び前記発生器は各々、三軸編成された3つのコイルで構成される、請求項1に記載の方法。

請求項3

ステップ(b)は、各発生器について、前記センサによって取得された該発生器に関連した前記磁場測定結果の関数として、2つの数学不変量の値を推定することを含む、請求項1又は2に記載の方法。

請求項4

前記センサの前記決定された位置の誤差を表す前記パラメータは、ステップ(b)で各発生器について、該発生器についての前記2つの数学的不変量の前記推定された値と、前記2つの数学的不変量の理論値との関数として計算される、請求項3に記載の方法。

請求項5

前記センサの前記決定された位置の誤差を表す前記パラメータは、前記センサの前記決定された位置の前記誤差の推定値である、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の方法。

請求項6

前記サブセットが所定の最小数よりも少ない発生器を含む場合、ステップ(c)で選択される前記発生器のセットのうちの前記サブセットは更に、その発生器について推定された前記パラメータが、前記基準閾値よりも大きくされた少なくとも1つの劣化閾値よりも小さいものである各発生器を含む、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の方法。

請求項7

前記統合することによって得られる前記位置は、前記サブセット内の選択された各発生器についての前記センサの前記決定された位置の平均位置である、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の方法。

請求項8

前記統合することによって得られる前記位置は、前記サブセット内の選択された各発生器についての前記センサの前記決定された位置の平均位置であり、ステップ(c)で選択される前記発生器のセットのうちの前記サブセットが、その発生器について推定された前記パラメータが前記基準閾値よりも大きい少なくとも1つの発生器を含む場合、前記統合することによって得られる前記位置は、前記サブセットの発生器のうち、その発生器について推定された前記パラメータが前記基準閾値よりも小さいままである最大のサブセットの各発生器についての、前記センサの前記決定された位置の平均位置である、請求項6に記載の方法。

請求項9

ステップ(a)−(d)において、前記位置に加えて姿勢が考慮される、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の方法。

請求項10

三軸磁気センサと、共通基準座標系内で静止した少なくとも3つの三軸磁気発生器のセットとを含み、前記センサと一体化され且つ前記発生器によって生成された磁場中を移動する物体の、位置特定のためのシステムであって、各発生器について、前記センサによって取得された該発生器に関連した磁場測定結果の関数として、前記共通基準座標系内での前記センサの位置を決定するモジュールと、各発生器について、該発生器についての前記センサの前記決定された位置の誤差を表すパラメータを計算するモジュールと、前記発生器の各々について推定された前記パラメータの関数として前記発生器のセットのうちのサブセットを選択するモジュールと、前記サブセット内の選択された各発生器についての前記センサの前記決定された位置を統合することによって、前記物体の位置を推定するモジュールと、を実装するように構成されたデータ処理手段を含むことを特徴とするシステム。

請求項11

コンピュータ上で実行されるときに、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の、共通基準座標系内で静止した少なくとも3つの三軸磁気発生器のセットによって生成された磁場中を移動する三軸磁気センサと一体化された物体を位置特定する方法、を実行するコード命令を含んだコンピュータプログラム

請求項12

請求項1乃至9のいずれか一項に記載の、共通基準座標系内で静止した少なくとも3つの三軸磁気発生器のセットによって生成された磁場中を移動する三軸磁気センサと一体化された物体を位置特定する方法、の実行のためのコード命令を含むコンピュータプログラムを有した、コンピュータ装置によって読み取り可能な記憶手段。

技術分野

0001

本発明は、GPSを用いないナビゲーションの分野に関する。より具体的には、本発明は、人工的な磁場中を移動する物体位置特定する方法に関する。

背景技術

0002

磁気位置特定は、少なくとも1つのソースによって生成される人工的な磁場中で、少なくとも1つの磁場センサを備えた物体が位置特定される技術を指す。磁気位置特定は、高い精度(サブミリメートル誤差を有し、1度未満)を可能にする。用途は主に、例えば手術ナビゲーションのためといった、医療分野に見出される。

0003

ソースすなわち磁場発生器は典型的に、例えば異なる周波数を持つAC磁場といった、区別可能な磁場を放射する3つの垂直コイルを含む。センサも、3つの軸に沿った磁場を測定する。その後、軸に沿ったセンサの信号が、放射コイルの周波数に関して復調される。このプロセスから得られるデータセットと、磁場の制御(モデリング及び較正)とで、センサ(又はその上にセンサが固定されたツール)の位置及び向きをリアルタイムで計算することを可能にする。

0004

ソースによって放射される磁場を磁気センサで測定することによって物体の位置及び向きを推定する技術は、1970年代以来よく知られており、例えば、US3868565号(特許文献1)、US4737794号(特許文献2)、又はUS4945305号(特許文献3)を参照されたい。

0005

センサによって受信された信号の処理は、ソースのコイルの各々から誘導された成分への当該信号の分解を含む。この分解は、(1)ソースの3つのコイルが順に信号を送信するようにパルス化されたDC磁場(例えば、US4945305号(特許文献3)を参照)、(2)異なる周波数をソースの3つのコイルに対して持つAC磁場であり、復調によってそれらを区別することを可能にする(例えば、US3868565号(特許文献1)を参照)を用いて実行され得る。センサからの三軸コイルによって受信された信号の、送信元の三軸コイルに対する分解は、3×3=9個の係数行列を提供し、それに基づいて、ソースに対するセンサの位置及び姿勢(すなわち、合計で6自由度)が計算され得る(US4737794号(特許文献2)参照)。

0006

このようなソース−センサシステムにおいては主に2つの困難に遭遇する。

0007

先ず、磁場は、ソース−センサ間距離の3乗で磁場が減衰するので、信号が急に弱くなり、市販のシステムでは典型的に約1メートルの距離でノイズレベルに達する。従って、距離の関数として性能の低下が存在する。ソース付近の限られた領域でしか良好な精度を達成することができない。1つのソリューションは、コイルのサイズを大きくすること、又は電流を大きくすることであるが、これは実際にはすぐに限界となる。

0008

次に、ソースによって放射される磁場は、それがパルス化されたDCであろうと、ACであろうと、(1)導電性の材料(フーコー電流の誘導による)及び(2)透過性の材料によって乱されるが、これら2つの材料は応用において遭遇し得るものである。このような乱れは、測定を誤らせ、性能を低下させる。

0009

動きのない乱れについて、1つの可能なソリューションは、空間の3Dネットワークに従って磁場のマップを作成することである。このソリューションは、専門家による較正を行うことを必要とし、例えばツールなどの乱す物体が通常的に動かされ、それにより、いつまでも再較正を必要とすることになるあらゆる状況で、全くもって実用的でない。

0010

他のものとして、US6636757号(特許文献4)において、乱す金属物体に起因する磁場の歪みを制限する分離素子として作用する“シールド”上に最大3つの三軸ソースを取り付けることが提案されている。関連する較正方法が提供される。理解されることには、そのようなソリューションは、恐らく効果的であるが、実際には非常に煩雑である。

0011

US6400139号(特許文献5)において、単一のソースと、2つのセンサ、すなわち、“制御”センサ、及び、二次AC磁場源として考えられる、その位置が探索されるセンサ(“プローブ”)と、を使用することが提案されている。換言すれば、提案されたアーキテクチャは、2つのソースと1つのセンサを用いるアーキテクチャに相当するが、センサの位置は知られていて、ソースの位置が探索される。信号センサ位相調査が、導電性材料による乱れを分離することを可能にするが、透過性材料の乱れについてはそうでない。

0012

他の文献(US2011224537号(特許文献6)又はUS2011004430号(特許文献7)を参照)では、乱れを単に検出するのみであり、乱れの影響を補正することは試みられていない。

0013

言い得ることには、一般的な状況において一度に同時に適用可能であり且つ性能又は時間分解能損失のないソリューションの探索は、未解決の問題のままである。

0014

故に、依然として効率的であるがいかなる性質の乱れに対しても更に十分にロバストである磁気位置特定方法利用可能とすることが望まれる。

先行技術

0015

米国特許第3868565号明細書
米国特許第4737794号明細書
米国特許第4945305号明細書
米国特許第6636757号明細書
米国特許第6400139号明細書
米国特許出願公開第2011/0224537号明細書
米国特許出願公開第2011/0004430号明細書
米国特許第5307072号明細書

0016

よって、第1の態様によれば、本発明は、共通基準座標系内で静止した少なくとも3つの三軸磁気発生器のセットによって生成された磁場中を移動する三軸磁気センサ一体化された物体を位置特定する方法に関し、当該方法は、
(a)各発生器について、前記センサによって取得された該発生器に関連した磁場測定結果の関数として、前記共通基準座標系内での前記センサの位置を決定するステップと、
(b)各発生器について、該発生器についての前記センサの前記決定された位置の誤差を表すパラメータを計算するステップと、
(c)前記発生器の各々について推定された前記パラメータの関数として前記発生器のセットのうちのサブセットを選択するステップと、
(d)前記サブセット内の選択された各発生器についての前記センサの前記決定された位置を統合することによって、前記物体の位置を推定するステップと、
を含むことを特徴とする。

0017

他の有利で非限定的な特徴によれば:
・ 前記センサ及び前記発生器は各々、三軸編成された3つのコイルで構成される;
・ ステップ(b)は、各発生器について、前記センサによって取得された該発生器に関連した前記磁場測定結果の関数として、2つの数学不変量の値を推定することを含む;
・ 前記センサの前記決定された位置の誤差を表す前記パラメータは、ステップ(b)で各発生器について、該発生器についての前記2つの数学的不変量の前記推定された値と、前記2つの数学的不変量の理論値との関数として計算される;
・ 前記センサの前記決定された位置の誤差を表す前記パラメータは、前記センサの前記決定された位置の前記誤差の推定値である;
・ ステップ(c)で選択される前記発生器のセットのうちの前記サブセットは、その発生器について推定された前記パラメータが少なくとも1つの基準閾値よりも小さいものである各発生器を含む;
・ 前記サブセットが所定の最小数よりも少ない発生器を含む場合、ステップ(c)で選択される前記発生器のセットのうちの前記サブセットは更に、その発生器について推定された前記パラメータが、前記基準閾値よりも大きくされた少なくとも1つの劣化閾値よりも小さいものである各発生器を含む;
・ 前記統合することによって得られる前記位置は、前記サブセット内の選択された各発生器についての前記センサの前記決定された位置の平均位置である;
・ ステップ(c)で選択される前記発生器のセットのうちの前記サブセットが、その発生器について推定された前記パラメータが前記基準閾値よりも大きい少なくとも1つの発生器を含む場合、前記統合することによって得られる前記位置は、前記サブセットの発生器のうち、その発生器について推定された前記パラメータが前記基準閾値よりも小さいままである最大のサブセットの各発生器についての、前記センサの前記決定された位置の平均位置である;
・ ステップ(a)−(d)において、前記位置に加えて姿勢が考慮される。

0018

第2の態様によれば、本発明は、三軸磁気センサと、共通基準座標系内で静止した少なくとも3つの三軸磁気発生器のセットとを含み、前記センサと一体化され且つ前記発生器によって生成された磁場中を移動する物体の、位置特定のためのシステムに関し、当該システムは、
各発生器について、前記センサによって取得された該発生器に関連した磁場測定結果の関数として、前記共通基準座標系内での前記センサの位置を決定するモジュールと、
各発生器について、該発生器についての前記センサの前記決定された位置の誤差を表すパラメータを計算するモジュールと、
前記発生器の各々について推定された前記パラメータの関数として前記発生器のセットのうちのサブセットを選択するモジュールと、
前記サブセット内の選択された各発生器についての前記センサの前記決定された位置を統合することによって、前記物体の位置を推定するモジュールと、
実装するように構成されたデータ処理手段を含むことを特徴とする。

0019

第3及び第4の態様によれば、本発明は、本発明の第1の態様に従った、共通基準座標系内で静止した少なくとも3つの三軸磁気発生器のセットによって生成された磁場中を移動する三軸磁気センサと一体化された物体を位置特定する方法、の実行のためのコード命令を含んだコンピュータプログラム;及び、本発明の第1の態様に従った、共通基準座標系内で静止した少なくとも3つの三軸磁気発生器のセットによって生成された磁場中を移動する三軸磁気センサと一体化された物体を位置特定する方法、の実行のためのコード命令を含むコンピュータプログラムを有した、コンピュータ装置によって読み取り可能な記憶手段に関する。

図面の簡単な説明

0020

本発明の他の特徴及び利点が、以下に続く好適実施形態の説明を読むことによって明らかになる。この説明は、以下の図を含む添付の図面を参照して与えられる。
本発明に従った方法の実装のためのシステムの図である。
本発明に従った方法の例示的実施形態を更に詳細に示している。

実施例

0021

アーキテクチャ
図1を参照するに、本方法は、少なくとも3つの三軸磁気発生器3のセットによって生成された磁場(ベクトルBで表記する)の中を移動する三軸磁気センサ2と一体化された物体1の位置特定を可能にする(本説明の残りの部分において、nは、図1の例ではn=4である、n≧3とした発生器3の個数を指定する。異なる発生器の寄与を区別することを過度に困難にすることなく、非常に良好な品質の結果のために、8個又は10個まで発生器3を増やし得る。以下参照)。

0022

三軸磁気発生器3は、好ましくは正規直交の、典型的には地球基準座標系である共通基準座標系内で静止している。これが意味することは、それらが固定されており、従って、互いに対して所定の位置を有するということである。三軸は有利には、計算を容易にするために、全てが共通直交基準点に従った向きにされ、すなわち、各発生器3の3つの軸が、共通基準点の3つの軸に一致する。

0023

それらは典型的に、三軸編成された3つのアキシャルコイルで構成される(すなわち、各々が3つの軸のうち1つに沿って延在する)。好ましくは、これら発生器(そして更にはそれらのコイルの各々)が、異なる区別可能な周波数(それらに供給する交流の周波数)に関連付けられるが、理解されることには、導入部で説明したように、異なる発生器における磁場が、例えば順にパルス化されることもできる。

0024

理解されることには、発生器3によって生成されるこの“人工的な”磁場は、一般に、発生器3によって生成されるものではない共通基準座標系内で実質的に静止した(天然起源の)周囲磁場(典型的には、地球の磁場)の中にあるが、理解されることには、この周囲磁場は、発生器によって生成される磁場と比較して無視できるものであり、それ故に、後者だけを単独で考慮し得る。

0025

すでに説明したように、磁場は3次元空間内のベクトル場であり、すなわち、その中で物体が移動可能な3次元の点の各々に3次元のベクトルが関連付けられる。

0026

この物体1は、例えば、車輪付き車両ドローン工具器具などといった、その位置の知識が望まれる任意の移動可能物体とし得るが、人物又はその身体の一部(その手など)であってもよい。

0027

物体1は、三軸に構成された3つのアキシャルコイル(そして一般的に言えば、磁力計)で構成されるのが一般的な三軸磁気センサ2、すなわち、磁気測定手段を備える。
より正確には、センサ2は物体1と一体であり、すなわち、地球基準座標系内で実質的に相等しい動きを持つ。好ましくは、物体1の基準座標系は、座標が(x1,x2,x3)と表記される正規直交デカルト基準点を備え、従って、センサ2は、この基準点において所定の固定された位置を持つ。

0028

好ましくは、物体1に関連付けられる正規直交基準点は、慣例により(また、本説明の残りの部分の便宜により)、計算を容易にするために、センサ2の三軸が有利に、物体1に関連付けられた正規直交基準点に従った向きにされるように、すなわち、センサ2の3つの軸が物体1の基準点の3つの軸に一致するように選定される。

0029

しかし、当業者は、あらゆる場合において、発生器3及びセンサ2の任意の空間配置に合わせてそれをどのように移すかを知ることになる。

0030

システムは、本方法の処理動作の直接的なリアルタイムでの実行のための処理手段21(典型的にはプロセッサ)を含んでいてもよく、あるいは代わりに、測定結果通信手段を介して例えば遠隔サーバなどの外部装置に送信されてもよく、あるいは代わりに、測定結果が可能性ある後の処理の可能性のためにローカルデータ記憶手段22(例えば、フラッシュ型メモリ)に記録されてもよい。

0031

図1の例では、処理手段21を備えたテーブル上にセンサ2及び発生器3が配置され、有線接続を介してセンサ2及び発生器3が処理手段21に接続される。

0032

インテリジェンス”をホストする遠隔装置(例えばサーバなど)である場合、それは、説明されることになる本方法の処理動作を実装するための例えばプロセッサなどの専用の処理手段を含む。

0033

本説明の残りの部分において、理解されることには、ローカルなデータ処理手段であろうと遠隔装置であろうと、差別なく用途に従って本方法のステップの全て又は一部を実行する。

0034

モノソース位置決定
第1のステップ(a)にて、方法は、各発生器3について、センサ2によって取得された該発生器3に関連した磁場測定結果の関数として、共通基準座標系内でのセンサ2の位置を決定することを含む。ステップ(a)はまた、有利には、各発生器3について、共通基準座標系内でのセンサ2の姿勢(すなわち、向き)を決定することを含む。

0035

換言すれば、n個の位置/姿勢が独立に決定される。これらの位置/姿勢の決定の各々は、有利なことに、3つの直交コイルで構成される発生器と、やはり3つの三軸コイルのセンサとを有するものである“モノソース”従来技術に準拠する。換言すれば、各位置/姿勢が、関連する発生器3があたかも単独であるかのように計算される。

0036

従って、各“サブシステム”発生器(本マルチソースシステムのセンサ)は典型的に、例えばUS4737794号(特許文献2)に記載されているようなモノソースシステムと同等である。これは、例えば特許US4737794号(特許文献2)及びUS5307072号(特許文献8)に開示されている方法を用いて、ソースの周囲の限られた領域内での位置特定を可能にする。

0037

思い出されることには、これら様々な発生器3の寄与は、それらの異なる周波数のおかげで好ましく識別される。

0038

発生器3の3つのコイルに関してセンサ2の3つのコイルによって受信された信号の復調から導出される行列(前述の文献では“信号行列”と呼ばれている)の9つの係数から、物体1の位置及び姿勢における6自由度が、位置特定のために好ましく抽出される。

0039

理解されるように、本マルチソースシステムは、“統一された”位置/向きを得るために、各モノソースサブシステムによる位置特定結果を、巧妙なやり方で“統合”しようとするものである。

0040

なお、この方法は好ましくは、全てのソースに関する位置特定を共通基準座標系内で表すことができるように、発生器3の前もっての協調を含む。実際、共通基準座標系は、複数のモノソース結果の相互適合性を検証し、それらを知的なやり方で統合するために不可欠である。

0041

協調は、較正において実行される。全てのソースの位置及び姿勢が、用途に従って選定され得るものである絶対的な基準点に対して決定される。

0042

本明細書の残りの部分では物体1の位置のみに言及するが、理解されることには、本方法は有利には姿勢も考慮に入れ、当業者は、それをどのように移すかを結果として知ることになる。

0043

モノソース整合性
ステップ(b)にて、各発生器3について、該発生器3について決定されたセンサ2の位置(及び、必要性がある場合に、姿勢)の誤差を表すパラメータが、データ処理手段21によって推定される。換言すれば、n個の発生器3の各々に誤差パラメータが関連付けられる。このパラメータは、誤差レベルとして見ることができ、位置誤差(距離として表される)及び/又は姿勢誤差(角度として表される)の直接的な推定とし得る。

0044

このパラメータは、その整合性が損なわれている発生器(例えば、発生器3の近くの金属妨害の存在による異常に高い誤差)を、整合性が確認されているもの(許容可能な公差ベル内の誤差)から区別することを可能にする。

0045

実際、出願人は、モノソースシステムにおいては、局所的な乱さによる誤差が乱れの中心に関して非対称であり、ソースと乱れとの間の側でよりも、ソースから更に離れた側で大きい、という物理的事実に注目している。換言すれば、ソースとセンサとの間に置かれた局所的な乱れは、測定に強い影響を与えるが、センサを越えて置かれた局所的な乱れは、このソースに関連する測定には実質的な影響を持たない。

0046

従って、本方法は、従来技術においてそうであったように乱れを検出したり更にはそれを補正したりしようとせずに、単に、発生器3の冗長性を享受して、位置特定をずっと、信頼できる測定結果だけに基づかせる、すなわち、“乱されたソース”を除外することを提案する。

0047

乱れの典型的な場所に適した発生器の配置(例えば、物体1が変位されることが意図されるゾーンを取り囲むことによる)となった瞬間から、このようなソリューションは非常にロバストであり(発生器3の潜在的な欠点を含め、いかなるタイプの乱れに対しても)、且つ実装するのが非常に容易である。さらに、後に理解されるように、これは、(所望の用途に従った)所望の精度レベルの関数として調節可能である。

0048

経験的に、1/2と1/5との間での誤差の抑制が観察される。

0049

そのするために、上述のように、モノソース計算が、発生器3の3つのコイルに関してセンサの3つのコイルによって受信された信号の復調から導出される行列の9つの係数から、位置及び姿勢における6自由度を位置特定のために抽出する。しかし、冗長な自由度(3つ)の中に、2つの数学的不変量、すなわち、理論的一定値を持つ量が存在する。測定データを用いたこれらの不変量の推定は、(パーフェクトモデルであれば持つはずの理論値との比較により)測定結果の整合性を試験し、それによって誤差の見積もりを提供することを可能にする。

0050

Mijは、i,j=1,2,3として、2つの基準点の軸x、y、zに対して、発生器3のコイルjから生じてセンサ2のコイルiによって測定される磁場の振幅を指定する。n個の発生器3のうちの1つに各々が関連付けられるn個の行列Mkが存在するとし得る。

0051

各発生器3が完全に双極性の磁場を放射する3つの完全に直交したコイルを有し、且つ三軸センサもパーフェクトであると仮定すると、各行列Mが:



なる形態を有する(例えば、US4737794号(特許文献2)を参照)。

0052

ここで、Aは、ソースの基準点に対するセンサの姿勢に関する直交行列を表す。パラメータkは、双極子モーメントに、μ/4πとr=√(x2+y2+z2)を乗じたものであり、ソースとセンサの間の距離であり、後者はソースの基準点における(x,y,z)に見出される。

0053

行列Mの特異値への分解が、



を与え、ここで、P、Qは直交行列であり、特異値はs1=2k/r3、s2=s3=k/r3に等しい。従って、比s1/s2=2及びs1/s3=2は、予め定められた値を持ち、磁場に関する双極子モデルにおいて固有の数学的不変量である。理解されることには、当業者は、例えば、s2/s1=0.5及びs2/s3=1、s1−2s2=0及びs1−2s3=0などといった、他の値の数学的不変量を見出すことができる。一般的に言えば、測定された磁場データの行列の特異値から得られる任意の数学的不変量が用いられ得る。

0054

不変量のそれらの理論値に対する逸脱は、モデルが妥当でないことを指し示し、それは、磁場における乱れ(又は発生器3に結び付けられる何らかの他の問題)に起因し得る。

0055

この逸脱を定量化するために、例えば、第1及び第2の不変量の推定値(est)及び理論値(th)をc1est、c1th、c2est、c2thと書くと、我々の好適な例において、関数:



又は同様の関数を導入することが可能であり、それが、数学的不変量s1/s2及びs1/s3の逸脱を推定することを可能にする。より具体的には、パーフェクトな場合(すなわち、s1/s2=s1/s3=2)にf(M)=0であり、それ以外の場合にf(M)>0であって、(測定値からの)不変量の推定値とそれらの理論値(この場合は2)との間の逸脱が増加するときにfが増加するような任意の関数が選択され得る。

0056

例えば、関数f(M)=|c1th−c1est|+|c2th−c2est|が代わりに用いられてもよい。

0057

関数f(M)又は任意の同様の関数は、位置/姿勢誤差を表すパラメータの好適な例である。

0058

関数f(M)は更に、位置の誤差Δxと姿勢の誤差Δφ:
Δx≒C1rf(M);
Δφ≒C2f(M)
の推定を可能にする。

0059

係数C1及びC2は、シミュレーション又は実験によって決定されることができ、所望の信頼レベル適応され得る。

0060

従って、ステップ(b)は有利には、{f(Mk)}k∈[1;n]の計算、又は更には{Δxk}k∈[1;n]及び/又は{Δφk}k∈[1;n]の計算を含む。

0061

現実的な状況では、磁場は完全な双極子に相当しない。反対に、双極子場における逸脱が較正時にモデル化されて補正され、補正された行列Mについて整合性基準が計算されることになる。この場合、関数f(M)はまた、モデルの逸脱を定量化し、故に、誤差の推定を可能にする。

0062

なお、物理的な理由から、モノソース法は、半空間の曖昧さでの位置特定を可能にするのみである。何故なら、磁場は、(共通基準点における)位置(x,y,z)と(−x,−y,−z)とを区別することを可能にせず、この制約は、双極子場に関して物理的に不可避であるからである。

0063

本マルチソースシステムは、この曖昧さに悩まされない。何故なら、1つ以上の発生器3に関する悪い半空間は、メートルのオーダーの逸脱を伴うモノソース位置特定の不適合さにつながるのに対し、良い半空間では、その適合性が典型的に、サブミリメートルオーダーまで、又は(局所的な)乱れの場合で少なくともセンチメートルオーダーまで検証されるからである。

0064

マルチソース選択及び統合
誤差のモノソース推定を用いて、マルチソース計算で考慮されることになるソースを予め選択し得る。

0065

ステップ(c)にて、発生器3の各々について推定されたパラメータの関数として、発生器3のセットのうちのサブセットが選択される。この考えは、必要性がある場合に、その整合性が損なわれている可能性があるソースを却下するというものである。

0066

選択された全ての発生器3に対するセンサの位置特定に関する結果が共通基準点において利用可能になると、それらが、誤差の推定を含むことができる最終結果に統合される。それにより、ステップ(d)は、サブセット内の選択された各発生器3について決定されたセンサ2の位置を統合することによる、物体1の位置の推定を含む。より正確には、センサ2の統一された位置が決定され、それから物体1の位置が(単純なオフセットによって)推測される。理解する必要があることには、統合とは、特に三軸である複数の発生器3について計算された幾つかの“完全なる”位置測定結果の組み合わせを意味するように用いられている。この構成は、従来技術に見られるような単一の位置を計算するための複数の単軸の磁気発生器に対する磁気測定結果の組み合わせ(これは、幾つかの位置の統合を構成するものではなく、単一の位置の単純な再構成である)と混同されてはならない。

0067

ステップ(c)で選択される発生器3のセットのうちのサブセットは、好ましくは、その発生器について推定されたパラメータが、例えば1mmの位置及び/又は1°の姿勢といった、指定された“精度目標”である少なくとも1つの基準閾値よりも小さいものである各発生器3を含む。

0068

サブセットが、例えば、N=2(特にn=3の場合)又はN=3(特にn>3の場合)といった、少なくとも1つの所定の最小数Nの発生器3を含むことが望ましいとし得る。

0069

選択されたサブセットでこれが当てはまる場合、全てが良好であり、ステップ(d)に進むことができる。図2の例において、ソース1−3の位置の結果は、1mmという基準閾値に関して適合している。ソース4は、恐らくはセンサとこのソースとの間の金属物体によるその磁場の乱れに起因して、適合していない。この乱れは、ソース4でのみ位置特定に数ミリメートルの誤差を与えるものであり、マルチソース測定には影響を有しない。

0070

これが当てはまらない(サブセットが所定の最小数Nよりも少ない発生器3を含む)場合には、たとえ他の発生器3がより低い精度を伴っているとしても、より多くの発生器を追加することが望ましい。

0071

従って、サブセットが所定の最小数よりも少ない発生器3を含む場合、ステップ(c)で選択される発生器3のセットのうちのサブセットは更に、その発生器3について推定されたパラメータが、例えば1.5mmの位置及び/又は1.5°の姿勢といった、指定された“下げられた目標”である、基準閾値よりも大きくされた少なくとも1つの劣化閾値、よりも小さいものである各発生器を含む。

0072

幾つかの劣化閾値が存在してもよく、それらの閾値最低から最高まで)が、所定の最小数Nの発生器に達するまで順次に検討されてもよい。

0073

換言すれば、ステップ(c)で選択される発生器3のセットのうちのサブセットは、その発生器3について推定されたパラメータが、複数の所定の閾値のうちの、少なくとも1つの所定の最小数の発生器3を当該サブセットが含むような最も低い閾値よりも小さいものである各発生器3を含む。

0074

理解されることには、例えば、関連する位置誤差の値に従って発生器3を並べ替えて、最も低い誤差を持つものから例えばN個を採るなどといった、他の計算モードが当業者によって考慮され得る。

0075

ステップ(d)の統合に関して、簡単に進める一手法は、サブセット内の選択された各発生器3について決定されたセンサ2の位置の平均位置をとる(そして、必要性がある場合に、決定された姿勢の平均姿勢をとる)ものである。

0076

これは、サブセットが、その発生器3についての位置誤差が基準閾値よりも小さいものである発生器3だけを含む場合にのみ有効である。

0077

一方、ステップ(c)で選択された発生器3のセットのうちのサブセットが、その発生器3について推定されたパラメータが基準閾値よりも大きい(すなわち、劣化閾値よりは小さい)ものである少なくとも1つの発生器3を含む場合には、統合された値を、最も大きい適合サブセットの平均(すなわち、又は、2つ以上のサブセット間で等しい場合には、最小の(共)分散を持つ方のサブセットの平均)とすると決定し得る。

0078

理解されることには、例えば、統一位置の計算において、決定された位置を、関連する発生器3が基準閾値を上回る位置誤差を有するのか、それとも下回る位置誤差を有するのかに従って重み付けるなどといった、他の計算モードが当業者によって考慮され得る。さらには、例えば、決定された位置を誤差の逆数で重み付けることを考えることも可能である。

0079

特に好適な一手法において、アルゴリズムは、それによって、各測定サンプルについて以下のポイントを追跡する:
1. 例えば1mm/1°といった基準閾値の選択。
2.発生器3の予備選択。誤差の推定が基準閾値に適合する発生器のみが、残りの部分で受け入れられる。予備選択された発生器3の数が所定の最小数(例えば、3)よりも少ない場合、このアルゴリズムは、例えば1.5mm/1.5°といった劣化閾値として、ポイント1に戻る。
3. 予備選択された発生器3の結果が所定の閾値に対して適合するかをテストする。

0080

a. yesの場合、結果は、基準閾値によって与えられる誤差の推定を有する予備選択された発生器3に関連する位置の平均となる。

0081

b. そうでない場合、予備選択された発生器3のうちの、所定数N以下である数N’(例えば、N’=2)のサブセットが、基準閾値に対して適合するかをテストする。

0082

i. yesの場合、結果は、最も大きい適合サブセットの発生器3に関連する位置の平均、又は、2つ以上のサブセット間で等しい場合には最小の(共)分散を持つ方のサブセットの発生器3に関連する位置の平均となる。推定された誤差が精度目標となる。

0083

ii. そうでない場合、このアルゴリズムは、劣化閾値として、ポイント1に戻ることになる。

0084

このアルゴリズムは、(適合性テストに入る)信頼性のレベル、所定の最小数N、及び閾値に関して変更可能である。

0085

アルゴリズムが、複数の(劣化)閾値のうちの最悪なものと適合する位置を見つけることもしない場合、誤差よりも小さい閾値のみが供給され得る。期待される誤差又は許容される誤差のスケールに閾値を適応させることによって、このケースは回避され得るか、又は欠陥を示さない。例えば、1mmよりも良い精度がアプリケーションの動作の唯一の制約である場合、1mmから目標を試験し、乱れのためにその目標に到達できない場合には測定を拒否することで十分である。

0086

装置及びシステム
第2の態様によれば、本発明は、特に、方法の実施形態の一方又は他方の実装のためのシステムに関する。

0087

先述のように、システムは、センサ2と一体化され且つ発生器3によって生成された磁場中を移動する物体1の位置特定のために、三軸磁気センサ2と、共通基準座標系内で静止した少なくとも3つの三軸磁気発生器3のセットとを含む。

0088

システムは、場合により遠隔にて、方法のステップの実装用に構成されたデータ処理手段21を含み、また、必要性がある場合に、データ記憶手段22及び/又は結果のエクスポートのための通信手段を含む。

0089

システムのデータ処理手段21は:
− 各発生器3について、センサ2によって取得された該発生器3に関連した磁場測定結果の関数として、共通基準座標系内でのセンサ2の位置を決定するモジュールと、
− 各発生器3について、該発生器3についてのセンサ2の決定された位置の誤差を表すパラメータを計算するモジュールと、
− 発生器3の各々について推定されたパラメータの関数として発生器3のセットのうちのサブセットを選択するモジュールと、
− サブセット内の選択された各発生器3についてのセンサ2の決定された位置を統合することによって、物体1の位置を推定するモジュールと、
を実装するように構成される。

0090

コンピュータプログラムプロダクト
第3及び第4の態様によれば、本発明は、本発明の第1の態様に従った、共通基準座標系内で静止した少なくとも3つの三軸磁気発生器3のセットによって生成された磁場中を移動する三軸磁気センサ2と一体化された物体1を位置特定する方法、の(処理手段21上での)実行のためのコード命令を含んだコンピュータプログラムプロダクトと、このコンピュータプログラムプロダクトが見出される、コンピュータ装置によって読み取り可能な記憶手段(例えば、データ記憶手段22)とに関する。

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