Спосіб визначення місцезнаходження об’єкта

Номер патенту: 111005

Опубліковано: 10.03.2016

Автори: Недайвода Ігор Володимирович, Прімін Михайло Андрійович

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Спосіб визначення місцезнаходження об'єкта, оснований на тому, що джерела магнітного поля у вигляді витків зі струмом мають рівну площу й не перетинаються; зазначені джерела магнітного поля розташовують у кожній із чотирьох різних точок об'єкта таким чином, що зазначені точки розташовані на двох взаємно ортогональних прямих, на фіксованій відстані від точки перетинання зазначених прямих і симетрично щодо зазначеної точки перетинання; вибирають місце розташування однієї точки простору поза об'єктом і розташовують у зазначеній точці векторний магнітометр; активують щонайменше одно з зазначених джерел магнітного поля й реєструють значення вектора магнітної індукції у вибраній точці; процедуру повторюють для кожного із чотирьох зазначених джерел магнітного поля; після чого за отриманими результатами вимірювань магнітного поля визначають місцезнаходження об'єкта в просторі, який відрізняється тим, що фіксовану відстань між точками розташування зазначених джерел вибирають набагато меншою відстані до точки розташування векторного магнітометра; активують попарно джерела магнітного поля по градієнтній схемі, реєструють значення п'яти незалежних просторових похідних вектора магнітної індукції першого порядку у вибраній точці простору й за отриманим значенням визначають значення напрямку на об'єкт; активують одночасно всі чотири джерела магнітного поля, реєструють значення вектора магнітної індукції у вибраній точці простору й за отриманим значенням визначають відстань до об'єкта та місцезнаходження об′єкта у просторі.

Текст

Дивитися

Реферат: Винахід належить до області вимірювань змінних магнітних величин з генеруванням основного та градієнтного магнітних полів і може бути використаний для контролю за місцезнаходженням та переміщенням транспортних засобів, при пошуку людей, що опинилися в стані "уявної смерті" або під завалами. Спосіб визначення місцезнаходження об'єкта оснований на тому, що джерела магнітного поля у вигляді витків зі струмом розташовують у кожній із чотирьох різних точок об'єкта. Векторний магнітометр розташовують в одній точці простору поза об'єктом. Активують кожне із чотирьох зазначених джерел й реєструють значення вектора магнітної індукції у вибраній точці. Після чого за отриманими результатами вимірювань магнітного поля визначають місцезнаходження об'єкта в просторі. Спосіб відрізняється тим, що фіксована відстань між точками розташування зазначених джерел в кілька разів менша за відстань до точки розташування векторного магнітометра. Джерела магнітного поля активують попарно по градієнтній схемі. Реєструють значення п'яти незалежних просторових похідних вектора магнітної індукції першого порядку у вибраній точці простору й за отриманим значенням визначають значення напрямку на об'єкт. Активують одночасно всі чотири джерела магнітного поля, реєструють значення вектора магнітної індукції у вибраній точці простору й за отриманим значенням визначають відстань до об'єкта. Технічною задачею винаходу є підвищення точності визначення місцезнаходження об'єкта. UA 111005 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області вимірювань змінних магнітних величин з генеруванням основного та градієнтного магнітних полів і може бути використаний для контролю за місцезнаходженням та переміщенням транспортних засобів, при пошуку людей, що опинилися в стані "уявної смерті" або під завалами, а також для позиціювання об'єктів досліджень при проведенні магнітокардіографічних та магнітоенцофалографічних вимірювань, а також магніторезонансної томографії. Відомий спосіб визначення місцезнаходження об'єкта, де на об'єкті розташовують одне джерело магнітного поля з відомими характеристиками, а у двох точках поза об'єктом розташовують датчики магнітного поля [US Patent 4808923, SYSTEM FOR CALCULATING THE PATH OF A NAVAL VESSEL, G01B 7/14, Date of Patent: Feb. 28, 1989]. При цьому значення однієї з координат об'єкта відомо (виміряне) і збігається з відстанню від поверхні до дна водойми. Інші координати об'єкта обчислюють за значеннями вихідних сигналів зазначених датчиків у припущенні, що магнітне поле зазначеного джерела співпадає з дипольним наближенням. Відомий також спосіб визначення місцезнаходження об'єкта, де на об'єкті розташовують систему джерел магнітного поля, спеціальної конструкції з відомими характеристиками, а в заданих точках простору поза об'єктом розташовують датчики магнітного поля [US Patent 5323777, SENSOR POSITION INDICATOR COILS TO BE USED IN MAGNETOENCEPHALOGRAPH1C EXPERIEMNTS AND A MEANS OF ATTACHING THEM TO THE HEAD, A61B 5/05, Date of Patent: Jun. 28, 1994]. При цьому передбачається, що є попередня інформація про місцезнаходження об'єкта, а для опису магнітного поля зазначених джерел також використовується дипольне наближення. Використання попередньої інформації про місцезнаходження об'єкта, а також ітераційного процесу порівняння результатів вимірювань з результатами обчислень магнітного поля дипольного джерела в точках розташування магнітометрів приводять до істотного зниження точності визначення місцезнаходження об'єкта, що є недоліком зазначених способів. Як прототип (найбільш близький до способу, що заявляється) прийнятий спосіб визначення місцезнаходження об'єкта [US Patent 6879160, MAGNETIC RESONANCE SCANNER WITH ELECTROMAGNETIC POSITION AND ORIENTATION TRACKING DEVICE, G01V 3/00, A61B 5/055, Date of Patent: Apr. 12, 2005]. У чотирьох різних точках простору поза об'єктом розташовують джерела магнітного поля у вигляді витків зі струмом, площі яких рівні й не перетинаються. При цьому зазначені точки з джерелами магнітного поля розташовані на двох взаємно-ортогональних прямих, на фіксованій відстані δ від точки перетинання зазначених прямих і симетрично щодо зазначеної точки перетину. В одній або декількох вибраних точках об'єкта розташовують векторний магнітометр, що реєструє значення трьох складових вектора магнітної індукції (Вx, Βy, Вz). Після чого активують (подають струм) одне із зазначених джерел і вимірюють (реєструють) значення вектора магнітної індукції в обраних точках простору. Описану процедуру повторюють для кожного із джерел. По відомій (заданій) просторовій конфігурації джерела магнітного поля й по наявній попередній інформації про місцезнаходження об'єкта обчислюють значення вектора магнітної індукції в обраній точці об'єкта з координатами (гx, ry, гz) за допомогою співвідношень Біо-Савара-Лапласа. Отримані значення порівнюють із результатами вимірювань, наприклад за допомогою середньоквадратичного функціонала похибки. Виходячи з отриманих результатів модифікують (варіюють) значення координат об'єкта й повторюють процедуру порівняння. Зазначений ітераційний процес повторюють до виконання заданої умови, наприклад коли середньоквадратичний функціонал похибки буде мати значення менше заданого рівня (порога). І тим самим визначають місцезнаходження об'єкта в системі координат, пов'язаної із зазначеними джерелами магнітного поля. Однак реалізація описаної послідовності операцій способу-прототипу має істотні обмеження на точність визначення місцезнаходження об'єкта. Рівень систематичних похибок при реєстрації вектора магнітної індукції в одній точці об'єкта визначається як власними шумами датчика, так і геомагнітним полем, індустріальними перешкодами й т.д… Зазначені похибки істотно впливають на використовуваний у способіпрототипі критерій: мінімальна похибка між результатами вимірювань і результатами обчислень магнітного поля по відомій просторовій конфігурації джерела магнітного поля й передбачуваному (при наявній попередній інформації) взаємному розташуванню зазначених джерел і точки спостереження. Вплив похибок вимірювань магнітного поля на збіжність і точність ітераційних процесів добре вивчено, значення похибки визначення координат об'єкта може становити до 10 %. 1 UA 111005 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Разом з тим застосування зазначеного критерію й ітераційних алгоритмів мінімізації має додаткові похибок оскільки в способі-прототипі використовується схема "одна точка спостереження" - "розподілене у просторі джерело магнітного поля". Позначимо результати N вимірювань як ψ1, ψ2,…, ψΝ і будемо припускати, що точка спостереження розташована в немагнітному, непровідному однорідному просторі, наприклад у повітрі. Годі для вектора магнітної індукції справедливі однорідні рівняння Максвелла rotB  0 , div B  0 . (1) Звідси випливає, що силові лінії магнітного поля замкнені: інтеграл вектора магнітної індукції в довільній площині простору поза об'ємом джерела магнітного поля дорівнює нулю. Зокрема розподіл однієї складової вектора магнітної індукції для магнітного диполя являє собою дві області з позитивними й негативними значеннями. Дослідження показують, що ітераційний алгоритм визначення координат джерела магнітного поля стійкий і має задану точність тільки в тому випадку, якщо для результатів вимірювань виконується умова ψ1 < 0, ψ2 0, ψΝ > 0… Стосовно до способу-прототипу це означає, що точність визначення координат об'єкта визначається систематичною похибкою вимірювань магнітного поля (і становить до 10 %) у тому і тільки в тому випадку, якщо відстань від джерела магнітного поля до об'єкта не перевищує значення характерного розміру джерела магнітного поля (фіксована відстань δ). При іншому взаємному розташуванні об'єкта й джерел магнітного поля точність визначення місцезнаходження об'єкта істотно знижується й може становити до 50 %, наприклад у випадку, якщо проекція точки спостережень на площину джерела магнітного поля розташована далеко за границями всіх витків зі струмом і результати вимірювань кожної з компонентів вектора магнітної індукції мають один знак. В основу винаходу поставлено задачу підвищити точність визначення місцезнаходження об'єкта. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення місцезнаходження об'єкта основаному на тому, що джерела магнітного поля у вигляді витків зі струмом мають рівну площу й не перетинаються; зазначені джерела магнітного поля розташовують у кожній із чотирьох різних точок об'єкта таким чином, що зазначені точки розташовані на двох взаємно ортогональних прямих, на фіксованій відстані від точки перетину зазначених прямих і симетрично щодо зазначеної точки перетину; вибирають місце розташування однієї точки простору поза об'єктом і розташовують в зазначеній точці векторний магнітометр; активують одне із зазначених джерел магнітного поля й реєструють значення вектора магнітної індукції в обраній точці; процедуру повторюють для кожного із чотирьох зазначених джерел магнітного поля, згідно з винаходом фіксована відстань між точками розташування зазначених джерел в кілька разів менша за відстань до точки розташування векторного магнітометра; активують попарно джерела магнітного поля по градієнтній схемі, реєструють значення п'яти незалежних просторових похідних вектора магнітної індукції першого порядку у вибраній точці простору й за отриманим значенням визначають значення напрямку на об'єкт; активують одночасно всі чотири джерела магнітного поля, реєструють значення вектора магнітної індукції у вибраній точці простору й за отриманим значенням визначають відстань до об'єкта. Вибір значення фіксованої відстані δ між точками розташування джерел магнітного поля таким чином, що зазначене значення в кілька разів менше за передбачуваної відстані до об'єкта, дозволяє використати дипольне наближення для опису результатів вимірювань магнітного поля при довільному взаємному розташуванні об'єкта й точки спостереження. Це означає, наприклад, що для опису результатів вимірювань можна застосувати наступну модель: у точці об'єкта з координатами (rx, rv, rz) відомо (вимірювано) значення вектора магнітної індукції (Вx, Βy, Вz) для магнітного поля, створеного кожним з перерахованих нижче джерел: (1) магнітним диполем М1 з магнітним моментом (М1х, M1y, M1z), що розташований у точці з координатами (δ, 0, 0); (2) магнітним диполем М2 з магнітним моментом (-М1x, -М1у, -М1z), що розташований у точці з координатами (-δ, 0, 0); (3) магнітним диполем М3 з магнітним моментом (M1x, M1y, М1z), що розташований у точці з координатами (0, δ, 0); (4) магнітним диполем M4 з магнітним моментом (-М1х, -М1у, -М1z), що розташований у точці з координатами (0, -δ, 0); (5) магнітним диполем M5 з магнітним моментом (сМ1x, c1y, c1z), що розташований у точці з координатами (0, 0, 0), де с - постійний коефіцієнт, значення якого відомо. Пропонований спосіб припускає, що активують попарно джерела магнітного поля по градієнтній схемі. Наприклад, у точці спостереження відомо (вимірювано) значення вектора 2 UA 111005 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 магнітної індукції, якщо магнітне поле створене одночасно магнітними диполями М1 і М2. Оскільки відстань δ між точками розташування джерел в кілька разів менша за відстань до об'єкта, то значення вектора магнітної індукції В (М1 + М2) відповідають значенням різниць В (М1) - В (Μ2) і - після поділу на подвоєне значення відстані δ - результати вимірювань векторного магнітометра дають значення перших просторових похідних вектора магнітної індукції {∂Bx/∂x, ∂By/∂x, ∂Вz/∂x} у припущенні, що джерелом магнітного поля є диполь M5 з магнітним моментом (М1x, М1y, М1z), с = 1. Аналогічно за результатами вимірювань магнітного поля, що створено одночасно магнітними диполями М3 і М4, у пропонованому способі визначають значення перших просторових похідних вектора магнітної індукції {∂Bx/∂y, ∂By/∂y, ∂Вz/∂y} у припущенні, що джерелом магнітного поля є диполь М5 з магнітним моментом (М1x, М1y, М1z), с=1. Для того, щоб оцінити похибки реєстрації значень перших просторових похідних вектора магнітної індукції розглянемо наступну модельну задачу. Припустимо, що джерела магнітного поля розташовані симетрично точці з координатами (100, 100, 90) мм. При цьому відстань δ між джерелами становить 10 мм, а об'єкт розташовується послідовно (шляхом переміщень) у кожному з 6 × 6 вузлів плоскої прямокутної решітки із кроком 40 мм, при цьому початок координат розташовується в одному із зазначених вузлів. Така просторова конфігурація відповідає умовам проведення магнітокардіографічних вимірювань, де об'єктом є кріостат з вимірювальними датчиками, у тому числі й векторний магнітометр, а джерело магнітного поля розташовується в одному з анатомічних орієнтирів грудної клітки пацієнта. У кожному з 36 вузлів обчислювалися значення вектора магнітної індукції для диполів Μ1, Μ2, М3 і М4, і за отриманим значенням - градієнтні характеристики. Розподіли значень {∂Bx/∂x, ∂By/∂x, ∂Вz/∂x, ∂By/∂y, ∂Вz/∂y} показані на мал. 1 у вигляді магнітних карт у режимі заповнення кольорами проміжків між ізолініями сигналу. Для кожної точки розташування об'єкта (точки спостереження, вузла решітки) обчислювалося також і точне значення кожної із зазначених перших просторових похідних вектора магнітної індукції. А потім для кожної точки розташування об'єкта обчислювалося значення квадратичної похибки. Масштабовані розподіли похибки обчислень перших просторових похідних вектора магнітної індукції також показані на фіг. 1 у вигляді карт. При цьому значення "100" на зазначених картах відповідає 1 %. Таким чином наведений модельний приклад показує, що пропонований спосіб дозволяє визначити значення перших просторових похідних вектора магнітної індукції для довільного взаємного розташування точки спостереження й об'єкта із заданим рівнем точності (у даному прикладі значення похибки не перевищує 1,5 %). Отримані значення перших просторових похідних вектора магнітної індукції використовуються для визначення напрямку на об'єкт. Реалізація зазначеної процедури основана на методі власних векторів [Гуменюк-Сычевский В.И. Примин М.А., Недайвода И.В., Математическая модель и алгоритмы измерений в задаче локализации дипольного источника, "Электронное моделирование", 1992, т. 14, № 5, crop. 78-84]. А саме: у немагнітному непровідному однорідному середовищі (у повітрі) виконуються однорідні рівняння Максвелла (1); тому матриця перших просторових похідних вектора магнітної індукції  B x   x B D1   x  y   B x  z  B y x B y y B y z B z   x  B z  (2) y   B z  z   симетрична і її слід дорівнює нулю; власні значення зазначеної матриці дійсні та відмінні; нормовані власні вектори зазначеної матриці утворюють ортогональний базис; в "новій" системі координат значення напрямних косинусів дипольного джерела визначаються за допомогою аналітичних (алгебраїчних) співвідношень; після чого за допомогою алгебраїчних співвідношень переходу обчислюють значення напрямку на об'єкт у заданій (лабораторній) системі координат. У зазначеному вище джерелі літератури в явному вигляді наведена схема перетворення даних, співвідношення для обчислень, а також отримані оцінки виникаючих похибок. Оскільки використовуються точні (аналітичні) співвідношення, то при прямих вимірюваннях просторових похідних вектора магнітної індукції похибка прагне до нуля (отримані точні значення напрямних косинусів), в інших випадках похибка визначається тільки похибками вхідних даних (у розглянутому нами вище модельному прикладі - не більше 1,5 %). Пропонований спосіб припускає далі, що активують одночасно всі джерела магнітного поля. У дипольному наближенні це означає, що магнітне поле в точці розташування об'єкта створено 3 UA 111005 C2 5 10 15 20 25 магнітним диполем М5 з магнітним моментом (cМ1x, cМ1y, cМ1z), що розташований у точці з координатами (0, 0, 0), де с - постійний коефіцієнт, значення якого відомо. За вимірюваним значенням вектора магнітної індукції В (М5) і напрямку на точку розташування об'єкта обчислюють - по аналітичним (алгебраїчним) співвідношенням - значення відстані до об'єкта, що й дає повне вирішення поставленого технічного завдання. Принципова схема пристрою, що реалізує пропонований спосіб, показана на фіг. 2. Як приклад розглянемо результати чисельного моделювання реалізації пропонованого способу для визначення місцезнаходження об'єкта при проведенні магнітокардіографічних досліджень. Будемо припускати, що об'єкт - кріостат, усередині якого розташовані аксіальний сквідградіометр другого порядку для реєстрації МКГ сигналу й векторний сквід-магнітометр розташовується послідовно в кожному з 6 × 6 вузлів прямокутної решітки із кроком 40 мм. Задані значення координат точок розташування об'єкта в текстовому вигляді наведені в Таблиці 1. При цьому в заданій точці простору, що відповідає анатомічному орієнтиру грудної клітки пацієнта, розташовується кероване джерело магнітного поля (фіг. 2). Для кожного з 36 вузлів (незалежних положень об'єкта в лабораторній системі координат) обчислимо значення вектора магнітної індукції по описаному алгоритму подання струму керованого джерела магнітного поля. Після чого в кожному з 36 вузлів обчислимо значення незалежних перших просторових похідних вектора магнітної індукції (просторові розподіли похідних показані на фіг. 1 у вигляді магнітних карт). Після чого обчислимо значення напрямку на об'єкт й відстань до об'єкта. На заключному етапі обчислимо значення похибки визначення місцезнаходження об'єкта для кожною з 36 вузлів - значення середньоквадратичної похибки у відсотках також наведені в Таблиці 1. Чисельне моделювання було проведено для двох варіантів: якщо площі витків джерела магнітного поля розташовані в площині XOY (напрямок 1) і в площині XOZ (напрямок 2), Таким чином застосування пропонованого способу дозволяє підвищити точність визначення місця розташування об'єкта: у наведених результатах чисельного моделювання середнє значення похибки становить 1,55 й 1,66 %, відповідно. При цьому значення стандартного відхилення становить 0,73 й 0,61 %, відповідно, що показує стійкість пропонованого способу визначення місцезнаходження об'єкта при довільному взаємному розташуванні об'єкта й точки розташування джерела магнітного поля. 30 Таблиця 1 Спосіб визначення місцезнаходження об'єкта Координата X, см Координата Y, см Координата Z, см -10.00 -10.00 -10.00 -10.00 -10.00 -10.00 -10.00 -6.00 -6.00 -6.00 -6.00 -6.00 -6.00 -2.00 -2.00 -2.00 -2.00 -2.00 -2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 -10.00 -6.00 -6.00 -2.00 2.00 6.00 10.00 -10.00 -6.00 -2.00 2.00 6.00 10.00 -10.00 -6.00 -2.00 2.00 6.00 10.00 -6.00 -2.00 2.00 6.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 4 Похибка, % Напрямок 1 Напрямок 2 0.81 0.76 1.36 1.32 1.36 1.9 1.01 1.89 1.06 1.31 1.45 0.73 1.41 0.5 1.43 1.84 1.35 2.46 2 2.43 1.48 1.82 1.01 0.49 1.02 1.86 1.34 2.15 2.09 1.88 2.41 1.85 4 2.11 1.4 1.82 1.07 1.89 1.4 2.19 4 1.93 2.41 1.89 2.09 2.16 UA 111005 C2 Продовження таблиці 1 2.00 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 -10.00 -6.00 -2.00 2.00 6.00 10.00 -10.00 -6.00 -2.00 2.00 6.00 10.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 9.00 1.34 1.02 1.01 1.48 21 1.35 1.43 1.41 1.45 1.06 1.01 1.36 0.81 1.85 0.53 1.92 2.54 2.51 1.84 0.52 0.77 1.36 1.96 1.94 1.34 0.75 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 Спосіб визначення місцезнаходження об'єкта, оснований на тому, що джерела магнітного поля у вигляді витків зі струмом мають рівну площу й не перетинаються; зазначені джерела магнітного поля розташовують у кожній із чотирьох різних точок об'єкта таким чином, що зазначені точки розташовані на двох взаємно ортогональних прямих, на фіксованій відстані від точки перетинання зазначених прямих і симетрично щодо зазначеної точки перетинання; вибирають місце розташування однієї точки простору поза об'єктом і розташовують у зазначеній точці векторний магнітометр; активують щонайменше одне з зазначених джерел магнітного поля й реєструють значення вектора магнітної індукції у вибраній точці; процедуру повторюють для кожного із чотирьох зазначених джерел магнітного поля; після чого за отриманими результатами вимірювань магнітного поля визначають місцезнаходження об'єкта в просторі, який відрізняється тим, що фіксовану відстань між точками розташування зазначених джерел вибирають набагато меншою відстані до точки розташування векторного магнітометра; активують попарно джерела магнітного поля по градієнтній схемі, реєструють значення п'яти незалежних просторових похідних вектора магнітної індукції першого порядку у вибраній точці простору й за отриманим значенням визначають значення напрямку на об'єкт; активують одночасно всі чотири джерела магнітного поля, реєструють значення вектора магнітної індукції у вибраній точці простору й за отриманим значенням визначають відстань до об'єкта та місцезнаходження об′єкта у просторі. 5 UA 111005 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6

Додаткова інформація

МПК / Мітки

МПК: G01R 33/00, E21F 11/00, A62B 33/00

Мітки: об'єкта, спосіб, місцезнаходження, визначення

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/8-111005-sposib-viznachennya-misceznakhodzhennya-obehkta.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб визначення місцезнаходження об’єкта</a>

Подібні патенти