使用多线圈和多频率装置的距离、方位以及速度测量的制作方法

专利名称：使用多线圈和多频率装置的距离、方位以及速度测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及方位测量领域，特别是涉及磁场中和三维空间中的对象的方位。
背景技术：
例如4吏用光或电或磁或任何其它适当的介质，可以通过不同的装置执《亍对 三维空间中的对象的位置、方位和/或速度的测量。磁场具有对静电带电表面(electrostatic charged surface)不敏感的优点，对于电场，情况不是如此。光本 身可以被几乎任何材料阻挡，从而使得测量方位和/或位置的灵活解决方案变得 困难。在磁的领域中，磁场通常通过线圈由于电磁而被产生，并且在磁场纟m在 另一线圈(即所谓的接收线圈)中变化的前提下，所述磁场在该接收线圈中感 应出电压。显然，由于通过所述磁场没有感应出电压，所以不移动的接收线圈 不能测量不变化的磁场。已经存在能够测量接收装置相对于特定磁场发生装置的位置和/或方位的 装置。为了测量三维空间中的方位，通常用三个正交布置的探针来计算笛卡尔 (Cartesian)坐标。这些布局大多数需要非常大量的时间并且占用空间。而且，必须考虑该磁场发生装置的构造和磁场接收體的构造，确切地必 须考虑线圈的布局，以评估接收到的磁场的接收至啲信息并将该信息关联到这 些装置之一的特定方位。通常M3K柳以正交方式布置的线圈来完成线圈在磁场内的方位的计算。 连同其它的因素一起，线圈中的感应电压取决于磁场线的"到达角"。Thales正持有关于"Method and device for magnetic measurement of the position and orientation of a mobile object relative to fixed structure(用于对移动对象 相对于固定结构的位置和方位进行磁测量的方法和装置)"的专利(WO 2004/065896Al )。该专利保护了使用三个正交的线圈测量距离和方位。6发明内容本发明的目的是提供一种磁场观糧装置，该磁场测量装置是小型的、可以 识别特定对象的距离、方位和鹏并且可被安装在移动对象上。本发明涉及一种可操作来产生磁场的磁场发生设备，该磁场发生设备包括 分别可操作来产生磁场的至少三个线圈，所述磁场分别利用不同的频率调制， 其中所述线圈中的每个线圈具有对称轴，并且所述线圈中的至少两个线圈的对 称轴是平行的。有利地，所舰称轴中的至少两个对称轴是不相同的。有利地，所述线圈中的^线圈具有垂直于所m称轴的平面，所述平面 贯穿相应线圈的底部，并且所述线圈的所有平面被布置来形成公共平面，由此 将所有线圈定位在该公共平面的相同侧上。有利地，第一和第二线圈位于第一直线上，并且第二和第三线圈位于第二 直线上，由此第一线垂直于第二线。有利地，第一、第二和第三线圈位于第一直线上，并且第四、第二和第五 线圈位于第二直线上，由此第一线垂直于第二线。有利地，所述磁场发生设备包括垫板(pad)，可操作所述垫板来在特定位 置承麵述线圈。有利地，所述垫板包括可操作来承载一个线圈的中心垫板、分别可操作来 承载所述线圈的至少两个外部垫板以及可操作来连接到所述中心垫板和所述相 应的外部垫板的至少两个垫板连接(padconj皿ction)。有利地，所鹏板錢性的和/或可伸展的，并且因此在预定〗顿该磁场发 生设备之前，可以将所 板方，在非平面的表面上。有利地，可操作至少一个线圈 )1所述磁场提供单向或双向通信1^各。另外，本发明涉及一种可操作来接收磁场的相应的磁场接收驢，所述磁 场分别利用不同的频率来调制，所述磁场接收装置包括至少一个线圈，所述至 少一个线圈可操作来接收所述磁场并且测量所述磁场的^it。有利地，所述磁场接收装置包括与所述磁场发生设备一样多的线圈，由此 在初始化所述磁场接收装置期间，所述线圈与所述磁场发生设备的线圈面对面 地被定位，所述初始化确定参考位置处的磁场^1^。有利地，可操作所述线圈来接收相应的频率调制过的磁场。最后，本发明涉及一种可操作来测量相对位置、方位和/^I^的相应的磁 场测量系统，所述磁场测量系统包括所述磁场发生设备和磁场接收装置。此外，本发明涉及可操作来接收磁场的另一磁场接收设备，所述磁场分别 利用不同的频率来调制，所述磁场接收设备包括可操作来接收所述磁场的至少 三个线圈，其中所述线圈中的^^线圈具有对称轴并且所述线圈中的至少两个 线圈的对称舶是平行的。有利地，所,称4由中的至少两个对称轴是不相同的。有利地，所述线圈中的針线圈具有垂直于所舰称轴的平面，所述平面 贯穿相应线圈的底部，并且所述线圈的所有平面被布置来形成公共平面，由此 将所有线圈定位在该公共平面的相同侧上。有利地，第一和第二线圈位于第一直线上，并且第二和第三线圈位于第二 直线上，由此第一线垂直于第二线。有利地，第一、第二和第三线圈位于第一直线上，并且第四、第二和第五 线圈位于第二直线上，由此第一线垂直于第二线。有利地，所述磁场接收设备包括垫板，可操作所述垫板来在特定位置承载 所述线圈。有利地，所述垫板包括可操作来承载一个线圈的中心垫板、分别可操作来 承载所述线圈的至少两个外部垫板以及可操作来连接到所述中心垫板和所述相 应的外部垫板的至少两个垫板连接。有利地，所述垫板是柔性的和/或可伸展的，并且因此在初始化该磁场接收 设备之前，可以将所述垫板放置在非平面的表面上，所述初始化确定参考位置 处的磁场鹏。有利地，可操作至少一个线圈^M51所述磁场提供单向^向通信li^各。 本发明还涉及一种可操作来产生磁场的磁场发生装置，所述磁场发生^S包括可操作来产生所述磁场的至少一个线圈，所述磁场分别利用不同的频率来调制。有利地，所述磁场发生装置包括与所述磁场接收设备一样多的线圈，由此 在初始化所述磁场接收装置期间，所述线圈与所述磁场接收设备的线圈面对面 地被定位，所述初始化确定参考位置处的磁场^S。有利地，可操作所述线圈来产生相应的频率调制过的磁场。 最后，本发明涉及一种可操作来测量相对位置、方位和M^的相应的磁 场测量系统，所述磁场测量系统包括所述磁场接收设备和所述磁场发生装置。


3!31下面结合附图阐述的详细说明，本发明的特征、目的和优点将变得更加明显，其中图1示出磁场中的两个线圈之间的互耦原理的例子，图2示出磁场强度相对距离的曲线图的例子，图3示出平行磁场中的线圈的布局的例子，图4示出包括磁场发生设备的本发明的实施例，图5示出磁场发生装置和接收装置的电路图的例子，图6示出包括信号图的、磁场测量系统的第一设置的例子，图7示出包括另一信号图的、磁场测量系统的第二设置的例子，图8示出包括另一信号图的、磁场测量系统的第三设置的例子，图9示出包括另一信号图的、磁场观懂系统的第四设置的例子，图IO示出包括另一信号图的、磁场测量系统的第五设置的例子，图11示出包括另一信号图的、磁场观糧系统的第六设置的例子，图12示出包括另一信号图的、磁场观糧系统的第七體的例子，图13示出磁场S艘相对经过的时间的曲线图的例子，图14示出本发明的实施例附着于其上的主体的手，图15示出包括另一磁场发生设备的本发明的另一实施例，和图16示出包括本发明的另一实施例的磁场测量系统的第八设置的例子，可操作所述实施例来接收磁场。特定实施方式图1示出包括发射线圈1和接收线圈2的线圈布局4。该线圈布局4正示 出所述接收线圈2和所述^]"线圈1之间通过磁场3进行的互耦，所述线圈彼 llfct间有距离d。魁寸线圈1以及接收线圈2分别包括划寸馈线la和接收馈线 2a。接收线圈2和划寸线圈1分别包括特定数目的绕组。明显地，关于相同的测量位置，增加数目的绕组、增加的电流量和减增加的线圈直径将增加磁场强度。Mil所述馈线la向鄉线圈1提供电流，并且由于发射线圈1的形状，产 生如图所示的磁场3。由于磁场3理想地并不平行，并且随着距发射线圈1的距 离d的增加而强度减少，所以当激寸线圈1禾B/或接收线圈2移动时，该磁场强 度的变化会在接收线圈2中感应出电压。假如调制该电流，因此产生调帝畅， 则接收线圈2會^多在无需移动皿线圈1禾B/或接收线圈2的情况下测量该调制 磁场，所述场同时产生感应电压，并且最终基于接收线圈2中的所述电压产生 电流。在本发明的说明中，词"产生"对应于词"鄉"，以描述可操作来产生磁 场的线圈的原理操作，由此所述线圈是发射接收设置中的发射装置的部分。而 且，可以榭言息调制到该磁场上，因而将该线圈 鄉机。图2示出曲线图5，其中基于图i的线圈布局4来记录磁场纟m相对距离。记录x-轴，并且以常用对数示出x-轴。详细地，在0.1米到1米的距离范围(也 称作近场6)中，场强以每十倍距离60dB (分贝)下降，而在1米到10米的距 离范围(也称作远场7)中，场强以每十倍距离20dB下降。这就意味着磁场 在近场6中比在远场7中更容易被测量，因为场强和距离之间的 性更强。 曲线图5也是ffiil^性jfi:似来理想化的，以便更好地示出场强和距离之间的依 赖性。近场6从0.1米处的OdB线性下降到1米处的-60dB，而远场7从1米处 的-60dB线性下降到10米处的-80dB。图3示出线圈在平行磁场中的布局8。该磁场10是平行的，并且被布置成 与传导回路(conducting loop) 9的表面积呈特定的角度a 11 。传导回路9或者 也称为线圈包括线圈馈线9a。当回路9被引入到磁场10中禾口/或暴露于该磁场 10时，在回路9之内，仅该磁场中基于角度ll的特定分量是有效的，并且该特 定分量有助于环形回路9中的电压的感应。在角度a-90 当该表面积垂直于 磁场10时，感应电压最大，而在角度a^G，当该表面积平行于磁场10时，感 应电压为零。回路9还可以被形成为例如像方形那样的其它形状，并且可以包 JSf寺定数目的绕组。所述电流产生磁场，其中把所产生的磁场的在回路9之内 的部分对准磁场10。图4示出磁场发生设备12，由此在垫板上布置五个线圈13、 14、 15、 16、 17，并且所述磁场发生设备12是本发明的实施例。磁场发生设备12包括线圈13、 14、 15、 16、 17以及垫板，由此^0f述垫 板上以十字,置所述线圈。*线圈13、 14、 15、 16、 17包括相应的馈线13a、 14a、 15a、 16a、 17a，该相应馈线提供用于产生磁场的电流和/或从其它交变磁 场接收感应电压。以某种方式构造馈线13a、 14a、 15a、 16a、 17a，以便尽可能 最小地(例如通，合)干扰线圈13、 14、 15、 16、 17的磁场。第二线圈14 被定位在该十字的中间，并且距其它线圈13、 16、 15、 17有相等的距离。沿X 轴将第五、第1卩第四线圈17、 14、 16定位成一排或者也称作直线。沿Y轴将 第一、第二和第三线圈13、 14、 15定位成一排。X轴和Y轴互相垂直，并且在 第二线圈14的中间相交。第一线圈13包括半径为r的、以圆形方式形成的导线 的至少一个绕组。针对线圈13形成的绕组越多，在相同的位置产生等量的磁场 强度所需的电流越少。这些线圈还可以例如以方形方力形状来形成。线圈13 到17还可能包括至少一个铁芯或#^状铁芯，以便增加磁导率，并且因此增加 所产生的磁场的磁通量密度。而且，能实现和利用附加的线圈，以便帮助提高 运动和/或方向计算的精度。在其它实施例中，X轴和Y轴并不需要是垂直的，而是倾斜的。外部线圈 13、 16、 15、 17到中心线圈14的相应距离也可能彼此不同。线圈13到17的相 应的直径也可能变化。第一线圈13被定位在外部垫板18a上，该外部垫板18a也以圆形方式形成 并且具有半径R。半径R大于半径r，但是不限于本实施例。线圈15、 16、 17 以及外部垫板18b、 18c、 18d对应于第一线圈13及其外部垫板18a，由此将所 述线圈15、 16、 17定位在所述外部垫板18b、 18c、 18d上。第二线圈14被 定位在中心垫板20上，该中心垫板20是圆形成形的。M31相应的垫板连接19a、 19b、 19c、 19d将中心垫板20连接到相应的线圈13、 16、 15、 17的其它外部垫 板18a至18d。旨垫板连接19a至19d具有长度为L的平行边，并且具有宽度 B，可操作所述垫板连接来以十字形或任何其它期望的布局保持线圈。上述的垫板可以具有任何其它的 ^R和/或材料，以便最少地干扰由相应的线圈禾口M^有 线圈13至17所产生的磁场。垫板18a至18d和20可以分别包括例如孔，以节省材料和重量。齡垫板可以是可弯曲的和/藏性的和/或可伸展的，以便更好 地将所述垫板调节成圆的或其它皿的表面(例如像手那样)。如果如所述地那 样修改戶万述垫板，则本实施例应当仍然^供线圈13至17的几乎平行的对称轴。如果这些对称^由不是平行的，则M使用如图6中所示的不同参考信号电平来 调节i言号，。本发明还提出将在平面中包括三个或更多个线圈的磁场发生设备用作发生 和/或接收装置。线圈在"在平面中"或"在同一平面上"的措词意味着，旨 线圈与其底部一起被定位在公共平面的相同侧，由此相应线圈的对称轴垂直于 所述公共平面。最后，每个线圈在该线圈的底部具有平面，并且该平面贯穿该 线圈的底部，所述平面垂直于这些对称轴。在三个线圈的情况下，应当将这些 线圈布置成彼此成直角，以便更好地区分彼此的相对位置。直角意味着，至少 第一和第二线圈在第一直线上，而至少第二和第三线圈在第二直线上，由此第 一直线垂直于第二直线。需要强调的是，这两条线彼此交叉。但是，当然在其 它实施例中，不同的角度和/赫局也是可能的。有利于三维运动测量，实施例 包括三个线圈，由此所述第一和第二直线通过所述线圈来跨越。该第二线圈是 第一直线和第二直线的部分，因此两条线交叉。稍后在图15中示出包括三个线圈的另一实施例。线圈13至17的所有对称 轴都是彼此平行的，并且这些线圈被布置在相同的平面上，以及具有平的布局。 当然，这些线圈并不限于被放置在相同的平面上，而是可以被偏移，并且仍然 包括平行的对称轴；至少两个线圈的相应的对称轴必须是平行的。在这种情况 下，偏移意1 —个线圈的平面不同于至少两个其它线圈的公共平面。假如当所有线圈被定位在相同的平面上并且沿相同的直线时，仅能够明确 地检测例如像沿z轴和x轴而不是沿y轴的二维运动。假如当所有线圈具有相同的对称轴时，仅特定可测量的运动也是可能的。針线圈可以具有不同断皆振频率(例如简单的串联谐振电路RC)和/或 可以由不同的频率信号来馈给，以产生频率调制过的磁场。载波频率的增量是 恒定的。而且，该结构包含(未在图4中示出)包括例如像数字放大器那样的 放大级断皆振电路、用于产生频率信号的微控制器以及例如像电池那样的电源。 当然，也可以将谐振电路经由导线连接至U线圈13至17，并且不必将谐振电路定 位在布局12的十字形的垫板上或该垫板之后。另一实施例包括作为垫板的印刷 电路板(PCB)，所述PCB承载这些线圈禾口谐振电路；因此仅要求微带线，而 不是导线。可操作磁场发生设备来产生由至少三个线圈禾拥不同的频率来调制 的磁场。反之亦然，可操作磁场发生设备的对应物(即磁场接收装置)来接收包括不同频率的所述磁场。在另一实施例中，磁场接收设备的结构对应于图4中所示的结构，由此不 可操作所述接收设备来产生磁场，而是接收磁场。当接收装置和发生装置具有如图4中所示的相同结构，并且所述装置具有线圈14的相同的对称轴时，当以特定方式布置这些线圈时可以检观倒围绕所述轴的旋转。分别将所述體的线 圈13、 14和17面对面地布置，而为该接收或发生装置切换线圈15和16的位 置。因而，在所述装置中的一个或者两个围绕该线圈14的公共对称轴旋转的情 况下，可以计算相对的圆周运动以及方向。再次，在另一实施例中，可操作该设备来产生和接收磁场，因而该设备也 作为单向通信链路工作。图5示出包括磁场发生装置22和磁场接收装置23的磁场发生和接收装置 的电路图21的例子。磁场接收装置23的电路图包括接收线圈47、电容器48、放大器49、 AD 转换器51、微控制器26b、振荡器24b以及电池25b。连接到电池25b的接地 51b对应于在该磁场接收装置23的电路图中示出的^h接地符号。接收线圈47 被连接到接地51b，以及被连接至肪文大器49和被连接到电容器48。电容器48 也被连接到接地51b。电容器48和接收线圈47形成或是谐振电路的部分，其处 理tt^频率6或者频率范围&至f2。由调制过的磁场感应的其它频率信号并未 fflil所述谐振电路来传导。放大器49被连接到AD转换器50，由此将所述转换器连接到,制器器 26b。振荡器24b被连接到接地51b和被连接到微控制器26b，由此电池25b被 连接至赎地51b和m^制器26b。电池25b例如可以^j氐压电池。可操作放大器 49 ^S于接收至啲磁场放大接收到的信号。可操作AD转换器50来将A^文大器 49接收到的信号从模拟的转换成数字的。可操作微控制器26b来分析和处理从 AD转换器50接收至啲数字信号，并且例如输出如图6中所示的信号图。可操 作振荡器24b来提供参考频率，例如为了馈给微鹏器和/或为了混合、分析和/ 或，接收到的信号需要该参考频率。磁场发生装置22包括微控制器26a、振荡器24a、电池25a、接地51a，由 此将所述微控制器26a连接到相应的线圈13b、 14b、 15b、 16b、 17b。磁场发生 装置22以及线圈13b至17b可以对应于图4中所描述的磁场发生设备12和对应于线圈13至17。为了控制相应的线圈，微控制器26a将相应的信号发送到相 应的场效应晶体管42、 43、 44、 45、 46，由此将相应的信号发送到相应的场效 应晶体管42、 43、 44、 45、 46的栅极。而且，相应的场效应晶体管的源极被连 接到接地51a，并且漏极被连接到相应的感性负载37、 38、 39、 40、 41，和被 连接到相应的第二电容器32、 33、 34、 35、 36，以及被连接到相应的第一电容 器27、 28、 29、 30、 31。在图5中，所有的场效应晶体管42、 43、 44、 45、 46 都是P沟道MOSFET，但是不限于本实例。提供电源电压52，并且将该电源电 压52分别连接到相应的感性负载37、 38、 39、 40、 41。电源电压基于电池25a 的电压，并且接地51a对应于在划寸装置22的电路图中所示的每个接地符号。 考虑至附对相应的线圈的输出信号，振荡器24a对应于振荡器24b。可操作微控 制器26b来将不同的信号提供给不同的线圈13b、 14b、 15b、 16b、 17b，所述信 号可能具有不同的频率。发送到不同线圈的信号也可以是相等的，并且可以是 宽带信号，由此相应的频率稍后通过RC谐振电路RC1、 RC2、 RC3、 RC4、 RC5 M:滤并且被用于调制该磁场。谐振电路RC1、 RC2、 RC3、 RC4、 RC5分别包 括串联的线圈13b至17b和第一电容器27至31 。具有参考振荡器的、电池供电的微控制器正产生具有5个不同的载波频率 的5 ，出信号，这些输出信号或者是模拟或者是数字脉宽调制(PWM)过的。 然后M放大级(例如数字交换放大器)放大这些信号，并且将这，号馈给 匹配柳皆振电路。由于近场中的场强和距离之间的依赖性强于远场中的场强和 距离之间的依赖性，所以在所用的频率，接收线圈位于激寸磁场的近场中。磁场接收谐振电路的Q (品质)因劍氏，以便使接收装置的带宽足够聚集 所用的频率处的感应电压。低噪声、宽带放大级放大该信号，并且将该信号馈 给A/D转换器。然后可以在微控制器中处理该数字化的信号，用于提取参数以 及与参考值比较。不是一个接收线圈，而是也可以在磁场接收装置23中使用具有不同谐振频 率的多个线圈，以便更好地辨别磁场接收體23和/或磁场发生體22的运动。 本发明的数个实施例仍然受益于磁场发生装置的平的线圈布局，这意1 所述 设备被定位在公共平面上。本系统并不限于使用纯的连续波(CW)载波。单向以及双向的调制和数 据传输也是可能的。图6至10示出磁场测量系统53的不同位置、布局和/或设置53a至53e; 详细地，示出针对磁场发生设备12a相对于磁场接收装置23a的相对方位和距 离的测量的不同情形。磁场发生设备12a可以对应于图12中所描述的磁场发生 设备12或者本发明中所描述的任何其它可操作来产生磁场的实施例。在开始时 要求训练期(trainingsession),以便限定参考位置和参考方位，并且补偿1 不 同频率的感应电压。同样，需要完成运动相对时间的5跟宗，以便说明第3轴(z 轴)上的运动。在图6的情况下，示出参考位置，其中如在图4中所示的磁场 发生设备12a或者也称为5线圈十字叉(coil cross)是平行的，并且在距磁场接 收装置23a的一定距离处。详细地，磁场发生设备12a和磁场接收體23a的对 称轴彼lt树应，或者至少所^f称轴是彼此平行的。关于图6中所示的x轴、y轴和z轴，根据相同的笛卡尔坐标描述该磁场 测量系统53的所有其它布局。可以将感应电压K至V5描述为由此，相应的发射线圈的不同频率，a j至a 5代表相应的发生线圈和接收装置的对称轴之间的不同角度， N代表接收装置的绕组的数目， S代表接收装置的表面积， B至B5 ft表相应的发生线圈的轴向上的场强。为了进一步的理解，线圈13至17分别发射频率ft至f5，所述频率彼此是 不同的。图6示出所述第一设置53a，其中描述了磁场发生设备12a的参考位置。 在该参考位置，磁场发生设备12a的相应线圈的所有频率信号在磁场接收装置 23a中感应出五个不同频率调制过的电压，所述电压或者也基于其的电流分别具 有相同的水平。在曲线图中示出由相应的调制过的磁场发射的五个不同的频率 信号。磁场发生设备12a的线圈被指向磁场接收装置23a的接收线圈。由于第 二线圈14被直接放置在该十字叉的中间，并且该十字叉的中间被指向接收装置 23a的中间，而其它线圈13、 16、 15、 17被指向接收装置23a的边缘，所以第 二线圈14的信号可能强于其余线圈13、 16、 15、 17的相应信号。当磁场接收，23a包括线圈时，其大于磁场发生设备12a，禾口减当该接收装置远离该发 生设备时，所有线圈13至17的信号在该位置彼此一样或者彼此几乎没有不同。 此外，在图6中，示出磁场测量系统的第一曲线图57a，其中显示基于相 应的发生线圈的相应的调制过的磁场的信号fl至f5，并且这些信号fl至f5具 有相同的电平。图7示出所述第二设置53b，其中磁场发生设备12a相对于y轴逆时针方 向旋转，所述y轴垂直于磁场发生设备12a的侧面。经由第一线圈13的磁场发 射的频率信号fl增加，并且基于相应的第三线圈15的信号G减小。取决于磁 场发生设备12a旋转的角度，信号f2、 f4和f5分别轻itt也减小。信号fl是最强 的信号，而信号f3是最弱的信号，如曲线图57b所示。图8示出所述第三设置53c，其中磁场发生设备12a相对于y轴顺时针方 向旋转。频率信号fl减小，而G增加。取决于磁场发生设备12a旋转的角度， 信号￡2、 f4和f5分别轻微地减小。信号G是最强的信号，而信号fl题弱的 信号，如曲线图57c所示。图9示出所述第四设置53d，其中磁场发生设备12a相对于z轴旋转90度，由此线圈的开口端或者所^t称轴也指向y轴的方向。取决于该角度，频率信 号fl、 f2、 G、 f4和f5减小，由此信号f4减小最强。信号f5是最强的信号，而 信号f4是最弱的信号，如曲线图57d所示。图10示出所述第五设置53e，其中磁场发生设备12a的相应顶部和磁场接 收装置23b的顶部相对于y轴彼此倾斜。相应的顶部在z轴方向上指向相同的 点(该点在图中不可见)。频率信号fl增加，而f3减小。取决于该角度，信号 f2、 f4和f5轻微地减小。信号fl是最强的信号，而信号G是最弱的信号，如 图57e所示。与图7相比，图10的信号fl强于图7的信号fl。当外部线圈13、 16、 15、 17中的一个外部线圈通过例如如在图6至9之一 中所提及的那样旋转而移动得更W^磁场接收装置23a时，所述线圈正产生磁 场，雜磁场接收装置23a中所感应出的信号优于其它外部线圈的其它信号， 并且大于图6中所示的其参考信号的信号电平。但是，最终以特定的角度并且 几乎垂直于磁场接收装置23a地，磁场，或者说该线圈的对称轴几乎垂直于 该接收装置23a的轴，该信号将低于图6中所示的参考信号的电平，但是仍大 于其它信号。图6、 11和12的曲线图顺序表示，当对象在相对的z轴方向(即意味着负 数)上移动时，H场(磁场)强度是如何变化的。f3的电平具有最强的下降， ￡2、 f4和f5的电平同时下降到相同的数量，而fl的电平最长时间地保持强的。 基于图13，其中示出磁场^it依赖于时间的线性近似，可以计算磁场发生设备 12a的相对速度。当设备12a在负的z轴方向上时，取决于相应的发生线圈相对接收线圈的位置，该信号可以比其它线圈的其它信号更快地下降，例如像与fl、 f2、 f4和f5相比，信号f3下降得更快。产生信号f3的线圈15是离接收线圈23a最远的。图14示出如何将磁场发生设备56的例子安装到移动对象的例子，在该瞎 况下，移动对象例如是手55。磁场发生设备56在右手(如图所示)，而磁场接 收装置在左手(未示出)，并且例如可以针对游戏控制台的距离、方位和速度敏 感的控制构造人机接口。图15示出包括三个线圈13c、 14c、 15c的磁场发生设备12b，由此将线圈 13c、 14c、 15c都在相同的方向上对准，从而意 这些对称轴都是平行的；另 夕卜，这些线圈都被布置在垂直于所，称轴的相同的平面上。这些技术特征和 元件对应于图4中所描述的技术特征和元件。当在三维空间中移动或旋转线圈 装置12b时，为了得到最好的分辨率，必须以特定的方式提供三个旋转轴M、 N、 L。第一轴N对应于第一和第二线圈13c、 14c之间的中线，第二轴M对应 于第1卩第三线圈14c、 15c之间的中线，而第三轴L穿过两条中线M、 N的交 点。第三轴L垂直于第一轴N和第二轴M，并朋巨所有三个线圈13c、 14c、 15c 有相等的距离。三个线圈之间的角度a越大，分别在第三旋转轴L与线圈之间 得到的距离就越大。但是，本发明并不限于该旋转轴的所述特定布局。为了测 量旋转，应当使用与所述发生设备具有相同的结构的接收装置，由此在参考位 置面对面地定位所有线圈，并且除了两个外部线圈以外，所有线圈具有相同的 频率谐振。所述外部线圈对应于并不包括等于该旋转轴的对称轴的任意线圈。 所述两个外部线圈具有切换的频率谐振电路或者不同的信号，并且彼此紧邻地 布置，使得可以识别旋转的方向。在图15中，例如接收装置的线圈13c和15c是可操作来检测旋转的外部线圈。图16示出磁场测量系统53的第八设置53h的例子，所述系统53是另一包 括磁场发生装置58和磁场接收设备59的例子。磁场发生装置58包括至少一个线圈58a和垫板58b，而磁场接收设备59包括至少三个线圈59a和垫板59b。 该磁场发生體58的结构对应于如上所述的磁场接收驢23a的结构，但是可 操作所述装置58来产生由至少一个线圈利用宽带信号或者不同的频率进行调制 的磁场。磁场接收设备59的结构可以对应于如上所述的磁场发生设备12a，但 是可操作所述设备59来接收由至少三个线圈59a根据所述装置58进行i周制的 磁场。最终，可以将任一，装g/设备放置或附着在固定对M移动对象上，像 放置或附着在手套上那样。而且，该磁场测量系统可以包括至少一个接收， 和至少一个发生體，以便提供更好和更准确的磁场测量结果，和/或允许检测 多个用户，以及例如{柳游戏控审咍。另一实施例包括三个线圈，由此两个线圈具有相同的对称轴。因此，这里提出的实施例通过在发生器侧使用多线圈和多频率装置得到三 维空间中的两个或多个对象相对彼此的位置、方位以及相对M。该技术背景是基于磁场的。在划寸器的近场中，电磁Mt器的磁场分量H 优于电场分量E。近场和所谓的远场之间的有限距离取决于该刻寸器的频率， 并且被限定为入/2 n，其中入是波长。在近场中，以dB " A/m为单位测量的磁 场强度沿导体环(conductor loop) ^t器的x轴下降l/d3，其中d题巨导体环中 心的轴向距离。^t应于每十倍距离60dB的强度下降。在远场中，在场与天线 分离之后，仅电磁波的自由空间衰减是有效的。场强正比于l/d，舰应于每十 倍距离20dB的损失。根据安培定律，通过流过导体元件的电流产生磁场，在具有半径r和N匝 的圆形环的情况下，可以将在距离d的轴向方向上的磁场强度B计算成如果这在时变磁场B内位于第一传导回路附近，则在第二导体环中感应出 电压V，(法拉第定律)。屮是麵量，S是表面积感应电压的电平取决于发生器电流的频率和强度、发射和接收导体环之间的距离、两个传导线圈的尺寸和匝数。品质因数Q是在感兴趣的频率处的选择 性的量窆。此外，还有方位 性；这意lW感应电压V取决于B场线的到达角。 当频率彼此接近时，频率依赖性比较小。 51谐振电路检测感应电压的电平，禾U用适当的體处理RF，以及进一 步对接收到的信号信息进行后处理(DAC，导出)之后，可以导出两个或多个 对象的相对距离和相对方位。而且，可以导出磁场强度相对时间和距离的变化， 并且可以聚集关于传导回路的速度(距离相对时间)和加速度(逸度相对时间) 的信息。参鄉号1 ，线圈la mt线圈馈线2 接收线圈2a接收线圈馈线3 磁场4 用于进行互耦的线圈布局5 场强相对距离曲线图6 近场曲线图7 远场曲线图8 平行磁场中的线圈布局9 线圈9a线圈馈线 10平行磁场11平行磁场和线圈之间的角度a12前视图中的作为十字叉的磁场发生设备12a侧视图中的磁场发生设备12b具有3个线圈的磁场发生设备13第一线圈13a第一线圈的馈线13b第一线圈的电路符号13c具有3个线圈的磁场发生设备的第一线圈14 第二线圈l4a第二线圈的馈线14b第二线圈的电路符号14c具有3个线圈的磁场发生设备的第二线圈15 第三线圈15a第三线圈的馈线15b第三线圈的电路符号15c具有3个线圈的磁场发生设备的第三线圈2016 第四线圈16a第四线圈的馈线 16b第四线圈的电路符号17 第五线圈17a第五线圈的馈线17b第五线圈的电路符号18a第一线圈的外部垫板18b第三线圈的外部垫板18c第四线圈的外部垫板18d第五线圈的外部垫板19a第一线圈的垫板连接19b第三线圈的垫板连接19c第四线圈的垫板连接19d第五线圈的垫板连接20第二线圈的中心垫板21磁场发生和接收装置的电路图22磁场发生装置的电路图23磁场接收装置的电路图23a侧视图中的磁场接收装置24a磁场发生装置的石英振荡器24b磁场接收，的石英振荡器25a磁场发生装置的电源25b磁场接收装置的电源26a磁场发生装置的控制器26b磁场接收装置的控制器27 第一线圈的第一电容器28 第二线圈的第一电容器29 第三线圈的第一电^^30 第四线圈的第一电容器31 第五线圈的第一电容器32 第一线圈的第二电容器33 第二线圈的第二电容器34 第三线圈的第二电容器35 第四线圈的第二电容器36 第五线圈的第二电容器37 第一线圈的感性负载38 第二线圈的感性负载39 第三线圈的感性负载40 第四线圈的感性负载41 第五线圈的感性负载42 第一线圈的场效应晶体管43 第二线圈的场效应晶体管44 第三线圈的场效应晶体管45 第四线圈的场效应晶体管46 第五线圈的场效应晶体管47 磁场接收装置的接收线圈48 磁场接收装置的电容器49 磁场接收装置的放大器50 磁场接收装置的AD转换器 51a 磁场发生装置的接地51b 磁场接收装置的接地52 电源电压53 磁场测量系统53a磁场测量系统的第一设置 53b磁场测量系统的第二设置53c 磁场测量系统的第三设置53d 磁场测量系统的第四设置53e 磁场测量系统的第五设置53f 磁场测量系统的第六设置 53g磁场测量系统的第七设置53h磁场测量系统的第八设置54 磁场^^相对时间曲线图55 主体的手56 磁场发生设备的例子57a 磁场测量系统的第一曲线图57b 磁场测量系统的第二曲线图57c 磁场测量系统的第三曲线图57d 磁场测量系统的第四曲线图57e 磁场测量系统的第五曲线图57f 磁场测量系统的第六曲线图57g 磁场测量系统的第七曲线图58 磁场发生體 58a 线圈/多个线圈 58b 垫板59 磁场接收设备 59a 线圈/多个线圈 59b 垫板。
权利要求
1. 一种可操作来产生磁场的磁场发生设备(12a)，其包括至少三个可操作来分别产生磁场的线圈(13，14，15)，所述磁场分别利用不同的频率调制，其中所述线圈中的每个线圈具有对称轴，并且所述线圈中的至少两个线圈的对称轴是平行的。
2、 根据权利要求1所述的可操作来产生磁场的磁场发生设备(12a)，其中，所 称轴中的至少两个对称轴是不相同的。
3、 根据权利要求1或2所述的可操作来产生磁场的磁场发生设备(12a)，其中，所述线圈中的每个线圈具有垂直于所自称轴的平面，所述平面贯穿相 应线圈的底部，并且所述线圈的所有平面被布置来形成公共平面，由此所有线 圈被定位在所述公共平面的相同侧。
4、 根据，权利要^t一所述的可操作来产生磁场的磁场发生设备(12a)， 其中，第一和第二线圈(13， 14)位于第一直线上，并且第二和第三线圈(14， 16)位于第二直线上，由此第一线垂直于第二线。
5、 根据战权利要粒一所述的可操作来产生磁场的磁场发生设备(12a)， 其中，第一、第二和第三线圈(13， 14， 15)位于第一直线上，并且第四、第 二和第五线圈(16， 14， 17)位于第二直线上，由此第一线垂直于第二线。
6、 根据，丰又利要求之一所述的可操作5fe产生磁场的磁场发生设备(12a)， 其中，所述磁场发生设备(12a)包括垫板，可操作所述垫板来在特定位置承载 所述线圈(13， 14， 15)。
7、 根据权利要求6所述的可操作来产生磁场的磁场发生设备(12a)， 其中，所述垫板包括可操作来承载一个线圈(14)的中心垫板(20),可操作来分别承载^f述线圈(13， 15)的至少两个外部垫板(18a， 18b),禾口可操作M接到所述中心垫板(20)和所述相应的外部垫板(18a， 18b) 的至少两个垫板连接(19aJ9b)。
8、 根据权利要求6或7所述的可操作来产生磁场的磁场发生设备(12a)， 其中，所述垫板錢性的和/或可伸展的，并且因此在预定使用所述磁场发生设备(12a)之前，育g将所,板方j(g在非平面的表面上。
9、 根据，禾又利要&一所述的可操作来产生磁场的磁场发生设备(12a)， 其中，可操作至少一个线圈，以便通过所述磁场提供单向或双向的通信链路。
10、 一种可操作来接收磁场的磁场接收装置(23a)，所述磁场分别利用不 同的频率来调制，所述磁场接收體包括至少一个线圈，所,少一个线圈可操作来接收所述磁场并且测量所述磁 场的强度。
11、 根据权利要求10所述的可操作来接收磁场的磁场接收装置(23a)， 所述磁场接收，(23a)包括与根据禾又利要求1至9之一所述的磁场发生设备(12a) —样多的线圈，由 此在初始化所述磁场接收装置(23a)期间，将所述线圈与所述磁场发生设备 (12a)的线圈面对面地定位，所述初始化确定参考位置处的磁场强度。
12、 根据^l利要求10或11所述的可操作来接收磁场的磁场接收装置(23a)， 由此，可操作所述线圈来接收相应的频率调制过的磁场。
13、 一种可操作来测量相对位置、方位和/^M的磁场测量系统(53a)， 所述磁场测量系统(53a)包括根据权利要求1至9之一所述的磁场发生设备(12a)，禾口 根据权利要求10至12之一所述的磁场接收装置(23a)。
14、 一种可操作来接收磁场的磁场接收设备(59)，所3^磁场分别利用不同 的频率来调制，所述磁场接收设备(59)包括至少三个可操作来接收所述磁场的线圈(13， 14， 15)，其中，所述线圈中 的^线圈具有对称^由，并且所述线圈中的至少两个线圈的对称轴是平行的。
15、 根据权利要求14所述的可操作来接收磁场的磁场接收设备，其中，所自称轴中的至少两个对称轴是不相同的。
16、 根据权利要求14或15所述的可操作来接收磁场的磁场接收设备(59)，其中，所^圈中的旨线圈具有垂直于所M称轴的平面，所述平面贯 穿相应线圈的底部，并且所述线圈的所有平面被布置来形成公共平面，由此将 所有线圈定位在所述公共平面的相同侧。
17、 根据权利要求14至16之一所述的可操作来接收磁场的磁场接收设备 (59)，其中，第一和第二线圈(13， 14)位于第一直线上，并且第二和第三线圈(14， 16)位于第二直线上，由此第一线垂直于第二线。
18、 根据禾又利要求14至17之一所述的可操作来接收磁场的磁场接收设备 (59)，其中，第一、第二和第三线圈(13， 14， 15)位于第一直线上，并且第四、 第二和第五线圈(16， 14， 17)位于第二直线上，由此第一线垂直于第二线。
19、 根据才又利要求14至18之一所述的可操作来接收磁场的磁场接收设备 (59)，其中，所述磁场接收设备(59)包括垫板(59b)，可操作所述垫板(5%) 来在特定位置处承麵述线圈。
20、 根据权利要求19所述的可操作来接收磁场的磁场接收设备(59)， 其中，所避板(59b)包括可操作来承载一个线圈(14)的中心垫板(20), 可操作来分别承载所述线圈(13， 15)的至少两个外部垫板(18aJ8b)，和可操作^3^接到所述中心垫板(20)和所述相应的外部垫板(18a， 18b) 的至少两个垫板j^接(19aJ9b)。
21、 根据^l利要求19或20所述的可操作来接收磁场的磁场接收设备(59)， 其中，所述衬垫(59b)是柔性的和/或可伸展的，并且因此在初始化所述磁场接收设备(59)之前，能将所述垫板(59b)方 在非平面的表面上，所述 初始化确定参考位置处的磁场^it。
22、 根据权利要求14至21之一所述的可操作来接收磁场的磁场接收设备 (59)，其中，至少一个线圈可操作^ilil所述磁场提供单向或双向的通信li^各。
23、 一种可操作来产生磁场的磁场发生装置(58)， 所述磁场发生装置(58)包括可操作来产生所述磁场的至少一个线圈，所述磁场分别禾,不同的频率来 调制。
24、 根据权利要求23所述的可操作来产生磁场的磁场发生装置(58)，所述磁场发生，(58)包括与根据禾又利要求14至22之一所述的所述磁场接收设备(59) —样多的线圈，由此，在初始化所述磁场接收體(59)期间，将所述线圈与所述磁场接 收设备的线圈面对面地定位，所述初始化确定参考位置处的磁场强度。
25、 根据木又利要求23或24所述的可操作来产生磁场的磁场发生装置(58)， 由此，可操作所職圈来产生相应的频率调制过的磁场。
26、 一种可操作来测量相对位置、方位和/^Iit的磁场测量系统(53h)， 所述磁场测量系统包括根据权利要求14至22之一所述的磁场接收设备(59)，禾口 根据权利要求23至25之一所述的磁场发生装置(58)。
全文摘要
本发明涉及使用多线圈和多频率装置的距离、方位以及速度测量。并且本发明涉及通过分别使用一个或多个线圈的磁场发生设备和磁场接收设备进行方位测量的领域。所述线圈发射或接收至少一个分别通过频率调制过的磁场；由此所述设备为所述线圈提供特定的布局，例如像平面布局那样，以确定所述装置彼此的相对方位。
文档编号G01D5/12GK101261137SQ20081009519
公开日2008年9月10日 申请日期2008年1月15日 优先权日2007年1月15日
发明者J·雷布曼 申请人:索尼德国有限责任公司