一種信息處理方法和移動裝置的制造方法

一種信息處理方法和移動裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種信息處理方法，應用于移動裝置，該方法包括：獲得第一矢量，所述第一矢量用于描述所述移動裝置固聯的第一坐標系自身運動引起的所述移動裝置與跟隨的目標對象之間的相對速度的變化；獲得第二矢量，所述第二矢量為所述移動裝置與所述跟隨的目標對象之間的相對速度矢量；將所述第一矢量和第二矢量相加獲得第三矢量，所述第三矢量為所述目標對象的絕對速度矢量；并根據所述第三矢量獲得第一夾角，所述第一夾角為所述移動裝置自身的絕對速度矢量與所述第三矢量之間的夾角；根據所述第一夾角生成用于控制所述移動裝置移動的控制律。本發明還公開了一種移動裝置。
【專利說明】
_種信息處理方法和移動裝置
技術領域
[0001] 本發明涉及目標跟隨技術領域，尤其涉及一種信息處理方法和移動裝置。
【背景技術】
[0002] 自主移動裝置是指一種無需外部控制而能夠根據自身所獲得的信息實現自主移 動的裝置，如:根據對外部環境的檢測實現自主移動控制（如避障），或，基于目標跟隨的自 主移動控制等等。對自主移動裝置按移動維度進行劃分，可以至少劃分為二維自主移動裝 置(如地面自主移動裝置）、三維自主移動裝置（如無人機)等等。目標跟隨是自主移動裝置 需要具備的一項常用技能，而怎樣實現自主移動裝置的全方位目標跟隨是本發明要解決的 技術問題。

【發明內容】

[0003] 為解決現有存在的技術問題，本發明實施例期望提供一種信息處理方法和移動裝 置。
[0004] 本發明實施例是這樣實現的：
[0005] 本發明實施例提供了一種信息處理方法，應用于移動裝置，所述方法包括：
[0006] 獲得第一矢量，所述第一矢量用于描述所述移動裝置固聯的第一坐標系自身運動 引起的所述移動裝置與跟隨的目標對象之間的相對速度的變化；
[0007] 獲得第二矢量，所述第二矢量為所述移動裝置與所述跟隨的目標對象之間的相對 速度矢量；
[0008] 將所述第一矢量和第二矢量相加獲得第三矢量，所述第三矢量為所述目標對象的 絕對速度矢量;并根據所述第三矢量獲得第一夾角，所述第一夾角為所述移動裝置自身的 絕對速度矢量與所述第三矢量之間的夾角；
[0009] 根據所述第一夾角生成用于控制所述移動裝置移動的控制律。
[0010] 上述方案中，所述根據第一夾角生成用于控制移動裝置移動的控制律包括：
[0011] 根據所述第一夾角，將目標相對位置分解為第一相對位置和第二相對位置，并根 據所述第一相對位置生成對應的第一控制律，根據所述第二相對位置和第一夾角生成對應 的第二控制律;所述目標相對位置為所述移動裝置根據所述目標對象的移動獲得的所述移 動裝置將要達到的跟隨位置；
[0012] 其中，所述第一控制律用于控制所述移動裝置的平動速度，且所述第一控制律驅 動所述第一相對位置逐漸收斂;所述第二控制律用于控制所述移動裝置的轉動速度，且所 述第二控制律驅動所述第二相對位置和第一夾角逐漸收斂。
[0013] 上述方案中，所述根據第一夾角將目標相對位置分解為第一相對位置和第二相對 位置，包括：
[0014] 在以所述跟隨的目標對象為坐標原點構建的第二坐標系下，設定所述第二坐標系 的X軸正方向與所述目標對象的運動方向重合;在所述第二坐標系下，所述目標相對位置的 坐標為XQ、yQ;所述第一相對位置和第二相對位置表示如下：
[0015] A x = x〇-pcos(a-9r)
[0016] A y = y〇-psin(a-9r)
[0017] 其中，所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息用極坐標表示為第 二夾角a和第一矢徑標量P，AX表示所述第一相對位置，Ay表示所述第二相對位置，0 r表示 所述第一夾角。
[0018] 上述方案中，所述根據第二相對位置生成對應的第二控制律，包括：
[0019]根據所述第二相對位置獲得第一接近角0a= AyXk，0#示所述第一接近角，k表 示比例系數；
[0020]根據所述第一接近角0a和第一夾角01獲得所述第二控制律。
[0021 ]上述方案中，所述獲得第一矢量包括：
[0022]獲得所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息，所述第一相對位置 信息用極坐標表示為第二夾角a和第一矢徑矢量P，其中，所述第一矢徑矢量P表示所述移動 裝置到所述目標對象的矢徑矢量，所述第二夾角a表示所述第一矢徑矢量P與所述移動裝置 的絕對平動速度矢量v f之間的夾角；
[0023] 通過以下關系獲得所述第一矢量:F = -( Of Xp+Vf)，其中，F表示所述第一矢量， Wf表示所述移動裝置的絕對轉動速度矢量，Vf表示所述移動裝置的絕對平動速度矢量。
[0024] 上述方案中，所述獲得第二矢量包括：
[0025] 獲得所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息，所述第一相對位置 信息用極坐標表示為第二夾角a和第一矢徑矢量P，其中，所述第一矢徑矢量P表示所述移動 裝置到所述目標對象的矢徑矢量，所述第二夾角a表示所述第一矢徑矢量P與所述移動裝置 的絕對平動速度標量Vf之間的夾角；
[0026] 根據所述第一相對位置信息進行微分運算得到所述第二矢量，所述第二矢量以坐 標方式表不為：
[0028] 其中，R表示所述第二矢量，p表示第一矢徑標量。
[0029] 本發明實施例還提供了一種移動裝置，包括：
[0030] 第一矢量獲得單元，用于獲得第一矢量，所述第一矢量用于描述所述移動裝置固 聯的第一坐標系自身運動引起的所述移動裝置與跟隨的目標對象之間的相對速度的變化；
[0031] 第二矢量獲得單元，用于獲得第二矢量，所述第二矢量為所述移動裝置與所述跟 隨的目標對象之間的相對速度矢量；
[0032] 第三矢量獲得單元，用于將所述第一矢量和第二矢量相加獲得第三矢量，所述第 三矢量為所述目標對象的絕對速度矢量；
[0033] 第一夾角獲得單元，用于根據所述第三矢量獲得第一夾角，所述第一夾角為所述 移動裝置自身的絕對速度矢量與所述第三矢量之間的夾角；
[0034] 控制律生成單元，用于根據所述第一夾角生成用于控制所述移動裝置移動的控制 律。
[0035] 上述方案中，所述控制律生成單元進一步用于，根據所述第一夾角，將目標相對位 置分解為第一相對位置和第二相對位置，并根據所述第一相對位置生成對應的第一控制 律，根據所述第二相對位置和第一夾角生成對應的第二控制律;所述目標相對位置為所述 移動裝置根據所述目標對象的移動獲得的所述移動裝置將要達到的跟隨位置；
[0036] 其中，所述第一控制律用于控制所述移動裝置的平動速度，且所述第一控制律驅 動所述第一相對位置逐漸收斂;所述第二控制律用于控制所述移動裝置的轉動速度，且所 述第二控制律驅動所述第二相對位置和第一夾角逐漸收斂。
[0037] 上述方案中，所述控制律生成單元進一步用于，在以所述跟隨的目標對象為坐標 原點構建的第二坐標系下，設定所述第二坐標系的X軸正方向與所述目標對象的運動方向 重合;在所述第二坐標系下，所述目標相對位置的坐標為x〇、y〇;所述第一相對位置和第二相 對位置表示如下：
[0038] A x = x〇-pcos(a-9r)
[0039] A y = y〇-psin(a-9r)
[0040] 其中，所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息用極坐標表示為第 二夾角a和第一矢徑標量P，AX表示所述第一相對位置，Ay表示所述第二相對位置，0 r表示 所述第一夾角。
[0041] 上述方案中，所述控制律生成單元進一步用于，根據所述第二相對位置獲得第一 接近角Ay Xk，0#示所述第一接近角，k表示比例系數;根據所述第一接近角0a和第一 夾角I獲得所述第二控制律。
[0042] 上述方案中，所述第一矢量獲得單元進一步用于，
[0043] 獲得所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息，所述第一相對位置 信息用極坐標表示為第二夾角a和第一矢徑矢量P，其中，所述第一矢徑矢量P表示所述移動 裝置到所述目標對象的矢徑矢量，所述第二夾角a表示所述第一矢徑矢量P與所述移動裝置 的絕對平動速度矢量v f之間的夾角；
[0044] 通過以下關系獲得所述第一矢量:F = _( ?f Xp+vf)，其中，F表示所述第一矢量， Wf表示所述移動裝置的絕對轉動速度矢量，Vf表示所述移動裝置的絕對平動速度矢量。
[0045] 上述方案中，所述第二矢量獲得單元進一步用于，
[0046] 獲得所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息，所述第一相對位置 信息用極坐標表示為第二夾角a和第一矢徑矢量P，其中，所述第一矢徑矢量P表示所述移動 裝置到所述目標對象的矢徑矢量，所述第二夾角a表示所述第一矢徑矢量P與所述移動裝置 的絕對平動速度標量Vf之間的夾角；
[0047] 根據所述第一相對位置信息進行微分運算得到所述第二矢量，所述第二矢量以坐 標方式表不為：
[0049] 其中，R表示所述第二矢量，p表示第一矢徑標量。
[0050] 本發明實施例所提供的一種信息處理方法和移動裝置，能夠讓移動裝置跟隨在目 標對象的任一指定位置（即實現全方位跟隨），不僅能讓移動裝置跟隨在目標對象的后方， 還能讓移動裝置跟隨在目標對象的前方。并且，本發明實施例的目標跟隨無需獲知移動裝 置與被跟隨對象之間的絕對位置，而只需獲知移動裝置與被跟隨對象之間的相對位置。因 此，本發明實施例的目標跟隨，只需用到移動裝置上搭載的相對位置傳感器來獲取被跟隨 對象相對于自主移動裝置的位置即可;而無需絕對位置傳感器(如GPS)參與，從而避免了諸 如GPS需要在室外搜星定位的不便。
【附圖說明】
[0051] 圖1為本發明實施例一的信息處理方法的流程圖；
[0052] 圖2為本發明實施例的一種數學建模示意圖；
[0053] 圖3為本發明實施例的一種控制關系不意圖；
[0054]圖4為本發明實施例二的移動裝置的組成結構示意圖。
【具體實施方式】
[0055]下面結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案進一步詳細闡述。
[0056] 實施例一
[0057]本發明實施例一提供的一種信息處理方法，應用于移動裝置，所述移動裝置是指 能夠實現自主移動的裝置，所謂自主移動是指無需外部控制而能夠根據自身所獲得的信息 實現自主的移動，如:根據對外部環境的檢測實現自主移動控制(如避障、路徑規劃），或，基 于目標跟隨的自主移動控制等等。常見的移動裝置如自平衡車、無人機等等。如圖1所示，該 方法主要包括：
[0058] 步驟101，獲得第一矢量，所述第一矢量用于描述所述移動裝置固聯的第一坐標系 自身運動引起的所述移動裝置與跟隨的目標對象之間的相對速度的變化。
[0059] 本發明實施例所述矢量(Vector)是指具有大小和方向的數學量，可以用于表示速 度、位置、力等等，其加減運算遵循平行四邊形法則。
[0060] 參見圖2所示，圖2為本發明實施例的一種數學建模示意圖。構建移動裝置固聯的 第一坐標系（即圖2中橫軸為Xf，縱軸為y f的坐標系），在移動裝置固聯的第一坐標系下，移動 裝置與其跟隨的目標對象的運動關系，如圖2所示。其中，移動裝置上設有相對位置傳感器， 某一時刻測得被跟隨的目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息，以極坐標表示 為夾角a和第一矢徑矢量P，其中，所述第一矢徑矢量P表示所述移動裝置到所述目標對象的 矢徑矢量，夾角a表示所述第一矢徑矢量P與所述移動裝置的絕對平動速度矢量v f之間的夾 角。另外，移動裝置相對于地面的平動速度矢量為Vf，相對于地面的轉動速度矢量 和可以通過移動裝置的碼盤測量獲得，碼盤又稱編碼器(Encoder)，是一種將旋轉運動 轉換為電信號的傳感器，可以用于檢測車輪轉速、機械關節轉角等。
[0061] 第一矢量F用于描述所述移動裝置固聯的第一坐標系自身運動引起的所述移動裝 置與跟隨的目標對象之間的相對速度的變化，第一矢量F的計算公式為:F = -(cofXp+Vf)， 其中，wf表示所述移動裝置的絕對轉動速度矢量(相對與地面）， Vf表示所述移動裝置的絕 對平動速度矢量(相對于地面），P表示所述第一矢徑矢量。具體的矢量加減算法可參見圖2。
[0062] 步驟102,獲得第二矢量，所述第二矢量為所述移動裝置與所述跟隨的目標對象之 間的相對速度矢量。
[0063] 步驟102具體可實施如下：
[0064]獲得所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息，所述第一相對位置 信息用極坐標表示為夾角a和第一矢徑矢量P，其中，所述第一矢徑矢量P表示所述移動裝置 到所述目標對象的矢徑矢量，所述夾角a表示所述第一矢徑矢量P與所述移動裝置的絕對平 動速度標量Vf之間的夾角；
[0065]根據所述第一相對位置信息進行微分運算得到所述第二矢量，所述第二矢量以坐 標方式表不為：
[0067]其中，R表示所述第二矢量，p表示第一矢徑標量。所述微分運算可以由微分器 (Differentiator)來實施，微分器是指可以從時間序列中提取序列的導數的信號處理環
[0068]步驟103,將所述第一矢量和第二矢量相加獲得第三矢量，所述第三矢量為所述目 標對象的絕對速度矢量;并根據所述第三矢量獲得第一夾角，所述第一夾角為所述移動裝 置自身的絕對速度矢量與所述第三矢量之間的夾角。
[0069] 第三矢量T用于表示目標對象的絕對速度矢量，其中，矢量T、R、F的之間的關系如 下:T = F+R，其中，矢量F可以通過實施步驟101獲得，矢量R可以通過實施步驟102獲得，矢量 T、R、F加減關系參見圖2中所示。
[0070] 由于第一坐標系與移動裝置固聯，因此能夠根據矢量T獲得移動裝置自身的絕對 速度矢量與所述矢量T之間的夾角，簡稱第一夾角；其中，移動裝置自身的絕對速度矢量能 夠通過移動裝置的碼盤測量獲得。
[0071] 步驟104,根據所述第一夾角生成用于控制所述移動裝置移動的控制律。
[0072] 步驟104具體可以實施如下：
[0073]根據所述第一夾角，將目標相對位置分解為第一相對位置和第二相對位置，并根 據所述第一相對位置生成對應的第一控制律，根據所述第二相對位置和第一夾角生成對應 的第二控制律;所述目標相對位置為所述移動裝置根據所述目標對象的移動獲得的所述移 動裝置將要達到的跟隨位置；
[0074] 其中，所述第一控制律用于控制所述移動裝置的平動速度，且所述第一控制律驅 動所述第一相對位置逐漸收斂;所述第二控制律用于控制所述移動裝置的轉動速度，且所 述第二控制律驅動所述第二相對位置和第一夾角逐漸收斂。
[0075] 其中，所述根據第一夾角將目標相對位置分解為第一相對位置和第二相對位置， 包括：
[0076] 在以所述跟隨的目標對象為坐標原點構建的第二坐標系下，設定所述第二坐標系 的X軸正方向與所述目標對象的運動方向重合;在所述第二坐標系下，所述目標相對位置的 坐標為 XQ、yQ;所述第一相對位置和第二相對位置表示如下：
[0077] A x = x〇-pcos(a-9r)
[0078] A y = y〇-psin(a-9r)
[0079] 其中，所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息用極坐標表示為第 二夾角a和第一矢徑標量P，AX表示所述第一相對位置，Ay表示所述第二相對位置，0 r表示 所述第一夾角。
[0080] 所述根據第二相對位置生成對應的第二控制律，包括：
[0081] 根據所述第二相對位置獲得第一接近角0a=示所述第一接近角，k表 示比例系數；
[0082] 根據所述第一接近角0a和第一夾角01獲得所述第二控制律。
[0083]下面結合圖3詳細介紹步驟104的實施。
[0084] 如圖3所示，以跟隨的目標對象(Object)建立第二坐標系，所述第二坐標系的X軸 正方向與目標對象的運動方向重合。在所述第二坐標系下，移動裝置相對于跟隨的目 標對象的目標相對位置(Target)的坐標記為( XQ，yQ)，其中，所述目標相對位置是指所述移 動裝置根據所述目標對象的移動獲得的所述移動裝置將要達到的跟隨位置，例如：目標對 象從A點移動到B點，所述移動裝置獲得其跟隨目標對象的位置將從A1點移動到B1點，那么 B1點的坐標即為(xo，yo)。
[0085] 圖3中，0r即表示第一夾角，其為移動裝置自身的絕對速度矢量vr與目標對象的絕 對速度矢量Vobjmt之間的夾角，其可以通過實施前述步驟101-103獲得;根據第一夾角0 r將 目標相對位置(x〇，y〇)分解為第一相對位置和第二相對位置，即是計算移動裝置與目標相對 位置之間偏差（Ax, Ay)，其中，
[0086] A x = x〇-pcos(a-9r)
[0087] A y = y〇-psin(a-9r)
[0088] 其中，AX表示移動裝置與目標相對位置在X軸方向上的偏差，Ay表示移動裝置與 目標相對位置在Y軸方向上的偏差，a表示目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信 息用極坐標表示時的所述第二夾角。
[0089] 本發明實施例的目的即是生成讓A x和A y逐漸收斂的控制律，通過實施所述控制 律讓A x和A y逐漸收斂到零，以使移動裝置逐漸移動到(xo，yo)。使A x和A y逐漸收斂的控 制律可以分別設計如下：
[0090] 針對A x，設計一個給定移動裝置前進速度指令vr的控制律:vr = fx( A x，t)，該控 制律驅動A x逐漸收斂到零，t表示時間。在具體實施過程中，所述控制律可以是比例積分微 分(PID，Proportion-Integral-Differential)控制律，也可以是其他控制律，本發明實施 例不做限制。
[0091 ] 針對A y，設計如下具有內環、外環這兩個閉環控制的串級控制器：
[0092] 外環:設計一個和距離成正比的接近角0a= AyXk，其中，k為比例系數，0a為接近 角;k的大小決定了移動裝置切近目標對象行走路線的角度，k越大，移動裝置就會以越大的 角度切近目標對象的行走路線，并且在離目標對象的行走路線更近的地方才讓移動裝置指 向修正為和目標的走向相同；通常來講，k越大，則移動裝置越能緊跟目標，但k過大會使得 移動裝置的方向控制閉環進入震蕩狀態，因此k的取值需要根據經驗和實際調試來確定； [0093]內環:設定對移動裝置轉動速度的控制律：《 r = fy(9a-9r，t)，其中，0a_0 r即為圖3 中所示的9e，9e表示移動裝置的前進方向與接近角之間的誤差角，只要移動裝置還在前進， 該控制律即會不斷驅動Ay和0 1同時收斂到零;所述控制律可以是PID控制律，也可以是其 他控制律，本發明實施例不做限制。
[0094]需要說明的是，本發明實施例中的閉環控制(Closed Loop Control)是指，對于一 個動態系統，通過比較給定輸出目標和實際輸出量之間的偏差，按一定規律調整系統輸入 量，使得的系統實際輸出向給定目標收斂，達到加快系統響應速度、抵抗內外擾動的目的。
[0095] 實施例二
[0096]對應本發明實施例一的信息處理方法，本發明實施例二還提供了一種移動裝置， 如圖2所示，該裝置包括：
[0097] 第一矢量獲得單元10,用于獲得第一矢量，所述第一矢量用于描述所述移動裝置 固聯的第一坐標系自身運動引起的所述移動裝置與跟隨的目標對象之間的相對速度的變 化；
[0098] 第二矢量獲得單元20，用于獲得第二矢量，所述第二矢量為所述移動裝置與所述 跟隨的目標對象之間的相對速度矢量；
[0099]第三矢量獲得單元30，連接第一矢量獲得單元10和第二矢量獲得單元20，用于將 所述第一矢量和第二矢量相加獲得第三矢量，所述第三矢量為所述目標對象的絕對速度矢 量；
[0100] 第一夾角獲得單元40,連接第三矢量獲得單元30,用于根據所述第三矢量獲得第 一夾角，所述第一夾角為所述移動裝置自身的絕對速度矢量與所述第三矢量之間的夾角；
[0101] 控制律生成單元50,連接第一夾角獲得單元40,用于根據所述第一夾角生成用于 控制所述移動裝置移動的控制律。
[0102] 在一實施方式中，控制律生成單元50進一步用于，根據所述第一夾角，將目標相對 位置分解為第一相對位置和第二相對位置，并根據所述第一相對位置生成對應的第一控制 律，根據所述第二相對位置和第一夾角生成對應的第二控制律;所述目標相對位置為所述 移動裝置根據所述目標對象的移動獲得的所述移動裝置將要達到的跟隨位置；
[0103] 其中，所述第一控制律用于控制所述移動裝置的平動速度，且所述第一控制律驅 動所述第一相對位置逐漸收斂;所述第二控制律用于控制所述移動裝置的轉動速度，且所 述第二控制律驅動所述第二相對位置和第一夾角逐漸收斂。
[0104] 在一實施方式中，所述控制律生成單元50進一步用于，在以所述跟隨的目標對象 為坐標原點構建的第二坐標系下，設定所述第二坐標系的X軸正方向與所述目標對象的運 動方向重合;在所述第二坐標系下，所述目標相對位置的坐標為 XQ、yQ;所述第一相對位置和 第二相對位置表示如下：
[0105] A x = x〇-pcos(a-9r)
[0106] A y = y〇-psin(a-9r)
[0107] 其中，所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息用極坐標表示為第 一夾角^^卩第一矢徑標量P，△ X表不所述第一相對位置，A y表不所述第二相對位置，0『表不 所述第一夾角。
[0108] 在一實施方式中，所述控制律生成單元50進一步用于，根據所述第二相對位置獲 得第一接近角八7\1^，03表示所述第一接近角汰表示比例系數;根據所述第一接近角0 3 和第一夾角I獲得所述第二控制律。
[0109] 在一實施方式中，所述第一矢量獲得單元10進一步用于，
[0110] 獲得所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息，所述第一相對位置 信息用極坐標表示為第一夾角a和第一矢徑矢量P，其中，所述第一矢徑P表示所述移動裝置 到所述目標對象的矢徑矢量，所述第一夾角a表示所述第一矢徑矢量P與所述移動裝置的絕 對平動速度矢量Vf之間的夾角；
[0111] 通過以下關系獲得所述第一矢量:F = -( ?f Xp+Vf)，其中，F表示所述第一矢量， Wf表示所述移動裝置的絕對轉動速度矢量，Vf表示所述移動裝置的絕對平動速度矢量。
[0112] 在一實施方式中，所述第二矢量獲得單元20進一步用于，獲得所述目標對象相對 于所述移動裝置的第一相對位置信息，所述第一相對位置信息用極坐標表示為第一夾角a 和第一矢徑矢量P，其中，所述第一矢徑矢量P表示所述移動裝置到所述目標對象的矢徑矢 量，所述第一夾角a表示所述第一矢徑矢量P與所述移動裝置的絕對平動速度標量v f之間的 夾角；
[0113]根據所述第一相對位置信息進行微分運算得到所述第二矢量，所述第二矢量以坐 標方式表不為：
[0115]其中，R表示所述第二矢量，P表示第一矢徑標量。
[0116]需要說明的是，上述第一矢量獲得單元10、第二矢量獲得單元20、第三矢量獲得單 元30、第一夾角獲得單元40和控制律生成單元50,可由移動裝置的處理器、微處理器(MCU)、 專用集成電路(ASIC)或邏輯可編程門陣列(FPGA)實現。
[0117]通過實施本發明的實施例一、二，能夠讓移動裝置跟隨在目標對象的任一指定位 置（即實現全方位跟隨），不僅能讓移動裝置跟隨在目標對象的后方，還能讓移動裝置跟隨 在目標對象的前方。并且，本發明實施例的目標跟隨無需獲知移動裝置與被跟隨對象之間 的絕對位置，而只需獲知移動裝置與被跟隨對象之間的相對位置。因此，本發明實施例的目 標跟隨，只需用到移動裝置上搭載的相對位置傳感器來獲取被跟隨對象相對于自主移動裝 置的位置即可，相對位置傳感器如超寬帶(UWB，Ultra Wideband)定位傳感器、超聲波測距 傳感器、紅外測距傳感器、聲吶傳感器、雷達、機器視覺傳感器等等;而無需絕對位置傳感器 (如GPS)參與，從而避免了諸如全球定位系統(GPS，Global Position System)需要在室外 搜星定位的不便。
[0118]需要說明的是，本發明實施例的移動裝置可以是自平衡車、電動多輪車、無人機等 等。原則上凡是能夠實現自主移動的裝置，應當都適用于本發明的實施例。下面以自平衡車 為例進一步詳細闡述本發明實施例的方法和裝置。
[0119]實施例三
[0120] 為實現本發明實施例的目標跟隨方法，需要構建以下數學模型：
[0121] 具有差動輪的自平衡車可以進行前進和轉向運動，但不能橫向移動；參見圖2,在 同自平衡車固聯的第一坐標系下（即圖2中橫軸為 Xf，縱軸為yf的坐標系），自平衡車與跟隨 的目標對象的運動有如下關系：
[0122] 其中，自平衡車上有一相對位置傳感器，某一時刻測得被跟隨的目標對象相對于 自平衡車的第一相對位置信息，以極坐標表示為夾角a和第一矢徑矢量P;其中，所述第一矢 徑矢量P表示自平衡車到所述目標對象的矢徑矢量，夾角a表示所述第一矢徑矢量P與自平 衡車的絕對平動速度矢量v f之間的夾角。另外，移動裝置相對于地面的平動速度矢量為vf， 相對于地面的轉動速度矢量為co f，^和《 {可以通過移動裝置的碼盤測量獲得。
[0123] 第一矢量F用于描述所述移動裝置固聯的第一坐標系自身運動引起的所述移動裝 置與跟隨的目標對象之間的相對速度的變化，第一矢量F的計算公式為:F = -(cofXp+Vf)， 其中，Wf表示所述移動裝置的絕對轉動速度矢量(相對與地面），Vf表示所述移動裝置的絕 對平動速度矢量(相對于地面），P表示所述第一矢徑矢量。具體的矢量加減算法可參見圖2。
[0124]第二矢量R表示自平衡車與跟隨的目標對象之間的相對速度矢量，可以直接將所 述第一相對位置信息用微分器進行微分得到，如果以坐標方式表示：
[0126] 其中，R表示所述第二矢量，p表示第一矢徑標量。
[0127] 第三矢量T用于表示目標對象的絕對速度矢量，其中，矢量T、R、F的之間的關系如 下:T = F+R，其中，矢量R、F為已知或可以通過已知量間接求得。
[0128] 由于第一坐標系與自平衡車固聯，因此能夠根據矢量T獲得自平衡車自身的絕對 速度矢量與所述矢量T之間的夾角，簡稱第一夾角；其中，自平衡車自身的絕對速度矢量能 夠通過自平衡車的碼盤測量獲得。
[0129] 另外，為實現本發明實施例的目標跟隨方法，對自平衡車的控制器的設計如下：
[0130] 參見圖3,以被跟隨對象(Object)建立第二坐標系，第二坐標系的X軸正方向和目 標對象的運動方向(V+d)重合。在這一坐標系下，自平衡車相對于跟隨的目標對象的目標 相對位置Target的坐標為(xo，yo)。而自平衡車與此目標相對位置(xo，yo)之間的偏差為（A x，A y)。基于上述構建的數學模型，可以求得目標對象與自平衡車自身的絕對速度矢量夾 角I，其中：
[0131] A x = x〇-pcos(a-9r)
[0132] A y = y〇-psin(a-9r)
[0133] 其中，A x表示自平衡車與目標相對位置在X軸方向上的偏差，A y表示自平衡車與 目標相對位置在Y軸方向上的偏差，a表示目標對象相對于自平衡車的第一相對位置信息用 極坐標表示時的所述第二夾角。
[0134] 本發明實施例的目的即是生成讓A x和A y逐漸收斂的控制律，通過實施所述控制 律讓A X和A y逐漸收斂到零，以使自平衡車逐漸移動到(XQ，yQ)。使A X和A y逐漸收斂的控 制律可以分別設計如下：
[0135] 針對A x，設計一個給定移動裝置前進速度指令vr的控制律:vr = fx( A x，t)，該控 制律驅動AX逐漸收斂到零，t表示時間。在具體實施過程中，所述控制律可以是PID控制律， 也可以是其他控制律，本發明實施例不做限制。
[0136] 針對A y，設計如下具有內環、外環這兩個閉環控制的串級控制器：
[0137] 外環:設計一個和距離成正比的接近角0a= AyXk，其中，k為比例系數，0a為接近 角;k的大小決定了移動裝置切近目標對象行走路線的角度，k越大，移動裝置就會以越大的 角度切近目標對象的行走路線，并且在離目標對象的行走路線更近的地方才讓移動裝置指 向修正為和目標的走向相同；通常來講，k越大，則移動裝置越能緊跟目標，但k過大會使得 移動裝置的方向控制閉環進入震蕩狀態，因此k的取值需要根據經驗和實際調試來確定；
[0138] 內環:設定對移動裝置轉動速度的控制律：cor = fy(0a-0r，t)，其中，0a_0 r即為圖3 中所示的L，只要移動裝置還在前進，該控制律即會不斷驅動△ 7、04卩0(5同時收斂到零;所 述控制律可以是PID控制律，也可以是其他控制律，本發明實施例不做限制。
[0139] 本發明實施例三的相對位置傳感器可以采用UWB定位傳感器、超聲波測距傳感器、 紅外測距傳感器、聲吶傳感器、雷達、機器視覺傳感器等等。
[0140] 本發明的實施例三，首先建立相對位置傳感器測量數據的數學模型，這一數學模 型包含了相對位置、自平衡車自身的運動（即車輪碼盤的測量數據）以及跟隨的目標對象的 運動速度。其次，通過微分器把傳感器測得相對位置進行微分得到相對速度。隨后，采用坐 標變換的方法，消除裝置自身運動(通過車輪碼盤獲得)對速度測量的影響，求出自平衡車 和被跟隨對象二者的絕對速度方向之間的夾角。最后，針對傳統跟隨方法偏角不穩定的問 題，將相對位置分解為橫向相對位置和縱向相對位置，并對橫向相對位置設計串級閉環控 制器，使得縱向相對位置偏差和速度方向偏差都收斂到〇,保證了系統的穩定。
[0141] 由于增加了"絕對速度方向"這一控制自由度，因此能夠消除各控制回路之間的耦 合，使得系統獲得全局穩定性。
[0142] 需要說明的是，本發明實施例不僅限于適用于上述的自平衡車，也可適用于電動 多輪車、無人機等自主移動裝置。通過實施本發明實施例，能夠讓移動裝置跟隨在目標對象 的任一指定位置，不僅能讓移動裝置跟隨在目標對象的后方，還能讓移動裝置跟隨在目標 對象的前方。并且，本發明實施例的目標跟隨方法無需獲知移動裝置與被跟隨對象之間的 絕對位置，而只需獲知移動裝置與被跟隨對象之間的相對位置。因此，本發明實施例的目標 跟隨方法，只需用到移動裝置上搭載的相對位置傳感器來獲取被跟隨對象相對于自主移動 裝置的位置即可；而無需絕對位置傳感器(如GPS)參與，從而避免了諸如GPS需要在室外搜 星定位的不便。
[0143] 在本發明所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的方法、裝置和電子設備， 可以通過其它的方式實現。以上所描述的設備實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃 分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，如：多個單元或組件可 以結合，或可以集成到另一個系統，或一些特征可以忽略，或不執行。另外，所顯示或討論的 各組成部分相互之間的耦合、或直接耦合、或通信連接可以是通過一些接口，設備或單元的 間接耦合或通信連接，可以是電性的、機械的或其它形式的。
[0144] 上述作為分離部件說明的單元可以是、或也可以不是物理上分開的，作為單元顯 示的部件可以是、或也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，也可以分布到多個網絡單 元上;可以根據實際的需要選擇其中的部分或全部單元來實現本實施例方案的目的。
[0145] 另外，在本發明各實施例中的各功能單元可以全部集成在一個處理單元中，也可 以是各單元分別單獨作為一個單元，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中；上述 集成的單元既可以采用硬件的形式實現，也可以采用硬件加軟件功能單元的形式實現。
[0146] 本領域普通技術人員可以理解:實現上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過 程序指令相關的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中，該程序 在執行時，執行包括上述方法實施例的步驟;而前述的存儲介質包括:移動存儲設備、只讀 存儲器（R0M，Read_0nly Memory)、隨機存取存儲器（RAM，Random Access Memory)、磁碟或 者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。
[0147] 或者，本發明實施例上述集成的單元如果以軟件功能模塊的形式實現并作為獨立 的產品銷售或使用時，也可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。基于這樣的理解，本發 明實施例的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分可以以軟件產品的形式體 現出來，該計算機軟件產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設 備(可以是個人計算機、服務器、或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述方法的全部 或部分。而前述的存儲介質包括:移動存儲設備、只讀存儲器(R〇M，Read-〇nly Memory)、隨 機存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介 質。
[0148] 鑒于此，本發明實施例還提供了一種計算機可讀存儲介質，所述存儲介質包括一 組計算機可執行指令，所述指令用于執行本發明實施例所述的信息處理方法。
[0149] 以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何 熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵 蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1. 一種信息處理方法，應用于移動裝置，其特征在于，所述方法包括： 獲得第一矢量，所述第一矢量用于描述所述移動裝置固聯的第一坐標系自身運動引起 的所述移動裝置與跟隨的目標對象之間的相對速度的變化； 獲得第二矢量，所述第二矢量為所述移動裝置與所述跟隨的目標對象之間的相對速度 矢量； 將所述第一矢量和第二矢量相加獲得第三矢量，所述第三矢量為所述目標對象的絕對 速度矢量;并根據所述第三矢量獲得第一夾角，所述第一夾角為所述移動裝置自身的絕對 速度矢量與所述第三矢量之間的夾角； 根據所述第一夾角生成用于控制所述移動裝置移動的控制律。2. 根據權利要求1所述信息處理方法，其特征在于，所述根據第一夾角生成用于控制移 動裝置移動的控制律包括： 根據所述第一夾角，將目標相對位置分解為第一相對位置和第二相對位置，并根據所 述第一相對位置生成對應的第一控制律，根據所述第二相對位置和第一夾角生成對應的第 二控制律;所述目標相對位置為所述移動裝置根據所述目標對象的移動獲得的所述移動裝 置將要達到的跟隨位置； 其中，所述第一控制律用于控制所述移動裝置的平動速度，且所述第一控制律驅動所 述第一相對位置逐漸收斂;所述第二控制律用于控制所述移動裝置的轉動速度，且所述第 二控制律驅動所述第二相對位置和第一夾角逐漸收斂。3. 根據權利要求2所述信息處理方法，其特征在于，所述根據第一夾角將目標相對位置 分解為第一相對位置和第二相對位置，包括： 在以所述跟隨的目標對象為坐標原點構建的第二坐標系下，設定所述第二坐標系的X 軸正方向與所述目標對象的運動方向重合;在所述第二坐標系下，所述目標相對位置的坐 標為XQ、yQ;所述第一相對位置和第二相對位置表示如下： A x = x〇-pcos(a-0r) ^ y = y〇-psin(a-0r) 其中，所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息用極坐標表示為第二夾 角a和第一矢徑標量P，Ax表示所述第一相對位置，Ay表示所述第二相對位置，01表示所述 第一夾角。4. 根據權利要求3所述信息處理方法，其特征在于，所述根據第二相對位置生成對應的 第二控制律，包括： 根據所述第二相對位置獲得第一接近角Sa= △ y X k，03表示所述第一接近角，k表示比 例系數； 根據所述第一接近角和第一夾角01獲得所述第二控制律。5. 根據權利要求1至4任一項所述信息處理方法，其特征在于，所述獲得第一矢量包括： 獲得所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息，所述第一相對位置信息 用極坐標表示為第二夾角α和第一矢徑矢量P，其中，所述第一矢徑矢量P表示所述移動裝置 到所述目標對象的矢徑矢量，所述第二夾角α表示所述第一矢徑矢量P與所述移動裝置的絕 對平動速度矢量Vf之間的夾角； 通過以下關系獲得所述第一矢量:F = _( COf Xp+Vf)，其中，F表示所述第一矢量，COf表 示所述移動裝置的絕對轉動速度矢量，Vf表示所述移動裝置的絕對平動速度矢量。6. 根據權利要求1至4任一項所述信息處理方法，其特征在于，所述獲得第二矢量包括： 獲得所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息，所述第一相對位置信息 用極坐標表示為第二夾角α和第一矢徑矢量P，其中，所述第一矢徑矢量P表示所述移動裝置 到所述目標對象的矢徑矢量，所述第二夾角α表示所述第一矢徑矢量P與所述移動裝置的絕 對平動速度標量Vf之間的夾角； 根據所述第一相對位置信息進行微分運算得到所述第二矢量，所述第二矢量以坐標方 式表示為：其中，R表示所述第二矢量，P表示第一矢徑標量。7. -種移動裝置，其特征在于，包括： 第一矢量獲得單元，用于獲得第一矢量，所述第一矢量用于描述所述移動裝置固聯的 第一坐標系自身運動引起的所述移動裝置與跟隨的目標對象之間的相對速度的變化； 第二矢量獲得單元，用于獲得第二矢量，所述第二矢量為所述移動裝置與所述跟隨的 目標對象之間的相對速度矢量； 第三矢量獲得單元，用于將所述第一矢量和第二矢量相加獲得第三矢量，所述第三矢 量為所述目標對象的絕對速度矢量； 第一夾角獲得單元，用于根據所述第三矢量獲得第一夾角，所述第一夾角為所述移動 裝置自身的絕對速度矢量與所述第三矢量之間的夾角； 控制律生成單元，用于根據所述第一夾角生成用于控制所述移動裝置移動的控制律。8. 根據權利要求7所述移動裝置，其特征在于，所述控制律生成單元進一步用于，根據 所述第一夾角，將目標相對位置分解為第一相對位置和第二相對位置，并根據所述第一相 對位置生成對應的第一控制律，根據所述第二相對位置和第一夾角生成對應的第二控制 律;所述目標相對位置為所述移動裝置根據所述目標對象的移動獲得的所述移動裝置將要 達到的跟隨位置； 其中，所述第一控制律用于控制所述移動裝置的平動速度，且所述第一控制律驅動所 述第一相對位置逐漸收斂;所述第二控制律用于控制所述移動裝置的轉動速度，且所述第 二控制律驅動所述第二相對位置和第一夾角逐漸收斂。9. 根據權利要求8所述移動裝置，其特征在于，所述控制律生成單元進一步用于，在以 所述跟隨的目標對象為坐標原點構建的第二坐標系下，設定所述第二坐標系的X軸正方向 與所述目標對象的運動方向重合;在所述第二坐標系下，所述目標相對位置的坐標為 X〇、y〇; 所述第一相對位置和第二相對位置表不如下： A x = x〇-pcos(a-0r) ^ y = y〇-psin(a-0r) 其中，所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息用極坐標表示為第二夾 角a和第一矢徑標量P，Ax表示所述第一相對位置，Ay表示所述第二相對位置，01表示所述 第一夾角。10. 根據權利要求9所述移動裝置，其特征在于，所述控制律生成單元進一步用于，根據 所述第二相對位置獲得第一接近角Sa= Δ y X k，03表示所述第一接近角，k表示比例系數;根 據所述第一接近角9a和第一夾角01獲得所述第二控制律。11. 根據權利要求7至10任一項所述移動裝置，其特征在于，所述第一矢量獲得單元進 一步用于， 獲得所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息，所述第一相對位置信息 用極坐標表示為第二夾角α和第一矢徑矢量P，其中，所述第一矢徑矢量P表示所述移動裝置 到所述目標對象的矢徑矢量，所述第二夾角α表示所述第一矢徑矢量P與所述移動裝置的絕 對平動速度矢量Vf之間的夾角； 通過以下關系獲得所述第一矢量:F = _( COf Xp+Vf)，其中，F表示所述第一矢量，COf表 示所述移動裝置的絕對轉動速度矢量，Vf表示所述移動裝置的絕對平動速度矢量。12. 根據權利要求7至10任一項所述移動裝置，其特征在于，所述第二矢量獲得單元進 一步用于， 獲得所述目標對象相對于所述移動裝置的第一相對位置信息，所述第一相對位置信息 用極坐標表示為第二夾角α和第一矢徑矢量P，其中，所述第一矢徑矢量P表示所述移動裝置 到所述目標對象的矢徑矢量，所述第二夾角α表示所述第一矢徑矢量P與所述移動裝置的絕 對平動速度標量Vf之間的夾角；其中，R表示所述第二矢量，P表示第一矢徑標量。 根據所述第一相對份習隹自·?#軒微AM云曾?縣$1丨日A太笛一牟畺-日If述第二矢量以坐標方 式表示為：
【文檔編號】G05D1/12GK105892493SQ201610202012
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月31日
【發明人】董世謙, 任冠佼, 王野, 蒲立
【申請人】納恩博（北京）科技有限公司