一种信息处理方法和移动装置的制造方法

一种信息处理方法和移动装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种信息处理方法，应用于移动装置，该方法包括：获得第一矢量，所述第一矢量用于描述所述移动装置固联的第一坐标系自身运动引起的所述移动装置与跟随的目标对象之间的相对速度的变化；获得第二矢量，所述第二矢量为所述移动装置与所述跟随的目标对象之间的相对速度矢量；将所述第一矢量和第二矢量相加获得第三矢量，所述第三矢量为所述目标对象的绝对速度矢量；并根据所述第三矢量获得第一夹角，所述第一夹角为所述移动装置自身的绝对速度矢量与所述第三矢量之间的夹角；根据所述第一夹角生成用于控制所述移动装置移动的控制律。本发明还公开了一种移动装置。
【专利说明】
_种信息处理方法和移动装置
技术领域
[0001] 本发明涉及目标跟随技术领域，尤其涉及一种信息处理方法和移动装置。
【背景技术】
[0002] 自主移动装置是指一种无需外部控制而能够根据自身所获得的信息实现自主移 动的装置，如:根据对外部环境的检测实现自主移动控制（如避障），或，基于目标跟随的自 主移动控制等等。对自主移动装置按移动维度进行划分，可以至少划分为二维自主移动装 置(如地面自主移动装置）、三维自主移动装置（如无人机)等等。目标跟随是自主移动装置 需要具备的一项常用技能，而怎样实现自主移动装置的全方位目标跟随是本发明要解决的 技术问题。

【发明内容】

[0003] 为解决现有存在的技术问题，本发明实施例期望提供一种信息处理方法和移动装 置。
[0004] 本发明实施例是这样实现的：
[0005] 本发明实施例提供了一种信息处理方法，应用于移动装置，所述方法包括：
[0006] 获得第一矢量，所述第一矢量用于描述所述移动装置固联的第一坐标系自身运动 引起的所述移动装置与跟随的目标对象之间的相对速度的变化；
[0007] 获得第二矢量，所述第二矢量为所述移动装置与所述跟随的目标对象之间的相对 速度矢量；
[0008] 将所述第一矢量和第二矢量相加获得第三矢量，所述第三矢量为所述目标对象的 绝对速度矢量;并根据所述第三矢量获得第一夹角，所述第一夹角为所述移动装置自身的 绝对速度矢量与所述第三矢量之间的夹角；
[0009] 根据所述第一夹角生成用于控制所述移动装置移动的控制律。
[0010] 上述方案中，所述根据第一夹角生成用于控制移动装置移动的控制律包括：
[0011] 根据所述第一夹角，将目标相对位置分解为第一相对位置和第二相对位置，并根 据所述第一相对位置生成对应的第一控制律，根据所述第二相对位置和第一夹角生成对应 的第二控制律;所述目标相对位置为所述移动装置根据所述目标对象的移动获得的所述移 动装置将要达到的跟随位置；
[0012] 其中，所述第一控制律用于控制所述移动装置的平动速度，且所述第一控制律驱 动所述第一相对位置逐渐收敛;所述第二控制律用于控制所述移动装置的转动速度，且所 述第二控制律驱动所述第二相对位置和第一夹角逐渐收敛。
[0013] 上述方案中，所述根据第一夹角将目标相对位置分解为第一相对位置和第二相对 位置，包括：
[0014] 在以所述跟随的目标对象为坐标原点构建的第二坐标系下，设定所述第二坐标系 的X轴正方向与所述目标对象的运动方向重合;在所述第二坐标系下，所述目标相对位置的 坐标为XQ、yQ;所述第一相对位置和第二相对位置表示如下：
[0015] A x = x〇-pcos(a-9r)
[0016] A y = y〇-psin(a-9r)
[0017] 其中，所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息用极坐标表示为第 二夹角a和第一矢径标量P，AX表示所述第一相对位置，Ay表示所述第二相对位置，0 r表示 所述第一夹角。
[0018] 上述方案中，所述根据第二相对位置生成对应的第二控制律，包括：
[0019]根据所述第二相对位置获得第一接近角0a= AyXk，0#示所述第一接近角，k表 示比例系数；
[0020]根据所述第一接近角0a和第一夹角01获得所述第二控制律。
[0021 ]上述方案中，所述获得第一矢量包括：
[0022]获得所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息，所述第一相对位置 信息用极坐标表示为第二夹角a和第一矢径矢量P，其中，所述第一矢径矢量P表示所述移动 装置到所述目标对象的矢径矢量，所述第二夹角a表示所述第一矢径矢量P与所述移动装置 的绝对平动速度矢量v f之间的夹角；
[0023] 通过以下关系获得所述第一矢量:F = -( Of Xp+Vf)，其中，F表示所述第一矢量， Wf表示所述移动装置的绝对转动速度矢量，Vf表示所述移动装置的绝对平动速度矢量。
[0024] 上述方案中，所述获得第二矢量包括：
[0025] 获得所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息，所述第一相对位置 信息用极坐标表示为第二夹角a和第一矢径矢量P，其中，所述第一矢径矢量P表示所述移动 装置到所述目标对象的矢径矢量，所述第二夹角a表示所述第一矢径矢量P与所述移动装置 的绝对平动速度标量Vf之间的夹角；
[0026] 根据所述第一相对位置信息进行微分运算得到所述第二矢量，所述第二矢量以坐 标方式表不为：
[0028] 其中，R表示所述第二矢量，p表示第一矢径标量。
[0029] 本发明实施例还提供了一种移动装置，包括：
[0030] 第一矢量获得单元，用于获得第一矢量，所述第一矢量用于描述所述移动装置固 联的第一坐标系自身运动引起的所述移动装置与跟随的目标对象之间的相对速度的变化；
[0031] 第二矢量获得单元，用于获得第二矢量，所述第二矢量为所述移动装置与所述跟 随的目标对象之间的相对速度矢量；
[0032] 第三矢量获得单元，用于将所述第一矢量和第二矢量相加获得第三矢量，所述第 三矢量为所述目标对象的绝对速度矢量；
[0033] 第一夹角获得单元，用于根据所述第三矢量获得第一夹角，所述第一夹角为所述 移动装置自身的绝对速度矢量与所述第三矢量之间的夹角；
[0034] 控制律生成单元，用于根据所述第一夹角生成用于控制所述移动装置移动的控制 律。
[0035] 上述方案中，所述控制律生成单元进一步用于，根据所述第一夹角，将目标相对位 置分解为第一相对位置和第二相对位置，并根据所述第一相对位置生成对应的第一控制 律，根据所述第二相对位置和第一夹角生成对应的第二控制律;所述目标相对位置为所述 移动装置根据所述目标对象的移动获得的所述移动装置将要达到的跟随位置；
[0036] 其中，所述第一控制律用于控制所述移动装置的平动速度，且所述第一控制律驱 动所述第一相对位置逐渐收敛;所述第二控制律用于控制所述移动装置的转动速度，且所 述第二控制律驱动所述第二相对位置和第一夹角逐渐收敛。
[0037] 上述方案中，所述控制律生成单元进一步用于，在以所述跟随的目标对象为坐标 原点构建的第二坐标系下，设定所述第二坐标系的X轴正方向与所述目标对象的运动方向 重合;在所述第二坐标系下，所述目标相对位置的坐标为x〇、y〇;所述第一相对位置和第二相 对位置表示如下：
[0038] A x = x〇-pcos(a-9r)
[0039] A y = y〇-psin(a-9r)
[0040] 其中，所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息用极坐标表示为第 二夹角a和第一矢径标量P，AX表示所述第一相对位置，Ay表示所述第二相对位置，0 r表示 所述第一夹角。
[0041] 上述方案中，所述控制律生成单元进一步用于，根据所述第二相对位置获得第一 接近角Ay Xk，0#示所述第一接近角，k表示比例系数;根据所述第一接近角0a和第一 夹角I获得所述第二控制律。
[0042] 上述方案中，所述第一矢量获得单元进一步用于，
[0043] 获得所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息，所述第一相对位置 信息用极坐标表示为第二夹角a和第一矢径矢量P，其中，所述第一矢径矢量P表示所述移动 装置到所述目标对象的矢径矢量，所述第二夹角a表示所述第一矢径矢量P与所述移动装置 的绝对平动速度矢量v f之间的夹角；
[0044] 通过以下关系获得所述第一矢量:F = _( ?f Xp+vf)，其中，F表示所述第一矢量， Wf表示所述移动装置的绝对转动速度矢量，Vf表示所述移动装置的绝对平动速度矢量。
[0045] 上述方案中，所述第二矢量获得单元进一步用于，
[0046] 获得所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息，所述第一相对位置 信息用极坐标表示为第二夹角a和第一矢径矢量P，其中，所述第一矢径矢量P表示所述移动 装置到所述目标对象的矢径矢量，所述第二夹角a表示所述第一矢径矢量P与所述移动装置 的绝对平动速度标量Vf之间的夹角；
[0047] 根据所述第一相对位置信息进行微分运算得到所述第二矢量，所述第二矢量以坐 标方式表不为：
[0049] 其中，R表示所述第二矢量，p表示第一矢径标量。
[0050] 本发明实施例所提供的一种信息处理方法和移动装置，能够让移动装置跟随在目 标对象的任一指定位置（即实现全方位跟随），不仅能让移动装置跟随在目标对象的后方， 还能让移动装置跟随在目标对象的前方。并且，本发明实施例的目标跟随无需获知移动装 置与被跟随对象之间的绝对位置，而只需获知移动装置与被跟随对象之间的相对位置。因 此，本发明实施例的目标跟随，只需用到移动装置上搭载的相对位置传感器来获取被跟随 对象相对于自主移动装置的位置即可;而无需绝对位置传感器(如GPS)参与，从而避免了诸 如GPS需要在室外搜星定位的不便。
【附图说明】
[0051] 图1为本发明实施例一的信息处理方法的流程图；
[0052] 图2为本发明实施例的一种数学建模示意图；
[0053] 图3为本发明实施例的一种控制关系不意图；
[0054]图4为本发明实施例二的移动装置的组成结构示意图。
【具体实施方式】
[0055]下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。
[0056] 实施例一
[0057]本发明实施例一提供的一种信息处理方法，应用于移动装置，所述移动装置是指 能够实现自主移动的装置，所谓自主移动是指无需外部控制而能够根据自身所获得的信息 实现自主的移动，如:根据对外部环境的检测实现自主移动控制(如避障、路径规划），或，基 于目标跟随的自主移动控制等等。常见的移动装置如自平衡车、无人机等等。如图1所示，该 方法主要包括：
[0058] 步骤101，获得第一矢量，所述第一矢量用于描述所述移动装置固联的第一坐标系 自身运动引起的所述移动装置与跟随的目标对象之间的相对速度的变化。
[0059] 本发明实施例所述矢量(Vector)是指具有大小和方向的数学量，可以用于表示速 度、位置、力等等，其加减运算遵循平行四边形法则。
[0060] 参见图2所示，图2为本发明实施例的一种数学建模示意图。构建移动装置固联的 第一坐标系（即图2中横轴为Xf，纵轴为y f的坐标系），在移动装置固联的第一坐标系下，移动 装置与其跟随的目标对象的运动关系，如图2所示。其中，移动装置上设有相对位置传感器， 某一时刻测得被跟随的目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息，以极坐标表示 为夹角a和第一矢径矢量P，其中，所述第一矢径矢量P表示所述移动装置到所述目标对象的 矢径矢量，夹角a表示所述第一矢径矢量P与所述移动装置的绝对平动速度矢量v f之间的夹 角。另外，移动装置相对于地面的平动速度矢量为Vf，相对于地面的转动速度矢量 和可以通过移动装置的码盘测量获得，码盘又称编码器(Encoder)，是一种将旋转运动 转换为电信号的传感器，可以用于检测车轮转速、机械关节转角等。
[0061] 第一矢量F用于描述所述移动装置固联的第一坐标系自身运动引起的所述移动装 置与跟随的目标对象之间的相对速度的变化，第一矢量F的计算公式为:F = -(cofXp+Vf)， 其中，wf表示所述移动装置的绝对转动速度矢量(相对与地面）， Vf表示所述移动装置的绝 对平动速度矢量(相对于地面），P表示所述第一矢径矢量。具体的矢量加减算法可参见图2。
[0062] 步骤102,获得第二矢量，所述第二矢量为所述移动装置与所述跟随的目标对象之 间的相对速度矢量。
[0063] 步骤102具体可实施如下：
[0064]获得所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息，所述第一相对位置 信息用极坐标表示为夹角a和第一矢径矢量P，其中，所述第一矢径矢量P表示所述移动装置 到所述目标对象的矢径矢量，所述夹角a表示所述第一矢径矢量P与所述移动装置的绝对平 动速度标量Vf之间的夹角；
[0065]根据所述第一相对位置信息进行微分运算得到所述第二矢量，所述第二矢量以坐 标方式表不为：
[0067]其中，R表示所述第二矢量，p表示第一矢径标量。所述微分运算可以由微分器 (Differentiator)来实施，微分器是指可以从时间序列中提取序列的导数的信号处理环
[0068]步骤103,将所述第一矢量和第二矢量相加获得第三矢量，所述第三矢量为所述目 标对象的绝对速度矢量;并根据所述第三矢量获得第一夹角，所述第一夹角为所述移动装 置自身的绝对速度矢量与所述第三矢量之间的夹角。
[0069] 第三矢量T用于表示目标对象的绝对速度矢量，其中，矢量T、R、F的之间的关系如 下:T = F+R，其中，矢量F可以通过实施步骤101获得，矢量R可以通过实施步骤102获得，矢量 T、R、F加减关系参见图2中所示。
[0070] 由于第一坐标系与移动装置固联，因此能够根据矢量T获得移动装置自身的绝对 速度矢量与所述矢量T之间的夹角，简称第一夹角；其中，移动装置自身的绝对速度矢量能 够通过移动装置的码盘测量获得。
[0071] 步骤104,根据所述第一夹角生成用于控制所述移动装置移动的控制律。
[0072] 步骤104具体可以实施如下：
[0073]根据所述第一夹角，将目标相对位置分解为第一相对位置和第二相对位置，并根 据所述第一相对位置生成对应的第一控制律，根据所述第二相对位置和第一夹角生成对应 的第二控制律;所述目标相对位置为所述移动装置根据所述目标对象的移动获得的所述移 动装置将要达到的跟随位置；
[0074] 其中，所述第一控制律用于控制所述移动装置的平动速度，且所述第一控制律驱 动所述第一相对位置逐渐收敛;所述第二控制律用于控制所述移动装置的转动速度，且所 述第二控制律驱动所述第二相对位置和第一夹角逐渐收敛。
[0075] 其中，所述根据第一夹角将目标相对位置分解为第一相对位置和第二相对位置， 包括：
[0076] 在以所述跟随的目标对象为坐标原点构建的第二坐标系下，设定所述第二坐标系 的X轴正方向与所述目标对象的运动方向重合;在所述第二坐标系下，所述目标相对位置的 坐标为 XQ、yQ;所述第一相对位置和第二相对位置表示如下：
[0077] A x = x〇-pcos(a-9r)
[0078] A y = y〇-psin(a-9r)
[0079] 其中，所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息用极坐标表示为第 二夹角a和第一矢径标量P，AX表示所述第一相对位置，Ay表示所述第二相对位置，0 r表示 所述第一夹角。
[0080] 所述根据第二相对位置生成对应的第二控制律，包括：
[0081] 根据所述第二相对位置获得第一接近角0a=示所述第一接近角，k表 示比例系数；
[0082] 根据所述第一接近角0a和第一夹角01获得所述第二控制律。
[0083]下面结合图3详细介绍步骤104的实施。
[0084] 如图3所示，以跟随的目标对象(Object)建立第二坐标系，所述第二坐标系的X轴 正方向与目标对象的运动方向重合。在所述第二坐标系下，移动装置相对于跟随的目 标对象的目标相对位置(Target)的坐标记为( XQ，yQ)，其中，所述目标相对位置是指所述移 动装置根据所述目标对象的移动获得的所述移动装置将要达到的跟随位置，例如：目标对 象从A点移动到B点，所述移动装置获得其跟随目标对象的位置将从A1点移动到B1点，那么 B1点的坐标即为(xo，yo)。
[0085] 图3中，0r即表示第一夹角，其为移动装置自身的绝对速度矢量vr与目标对象的绝 对速度矢量Vobjmt之间的夹角，其可以通过实施前述步骤101-103获得;根据第一夹角0 r将 目标相对位置(x〇，y〇)分解为第一相对位置和第二相对位置，即是计算移动装置与目标相对 位置之间偏差（Ax, Ay)，其中，
[0086] A x = x〇-pcos(a-9r)
[0087] A y = y〇-psin(a-9r)
[0088] 其中，AX表示移动装置与目标相对位置在X轴方向上的偏差，Ay表示移动装置与 目标相对位置在Y轴方向上的偏差，a表示目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信 息用极坐标表示时的所述第二夹角。
[0089] 本发明实施例的目的即是生成让A x和A y逐渐收敛的控制律，通过实施所述控制 律让A x和A y逐渐收敛到零，以使移动装置逐渐移动到(xo，yo)。使A x和A y逐渐收敛的控 制律可以分别设计如下：
[0090] 针对A x，设计一个给定移动装置前进速度指令vr的控制律:vr = fx( A x，t)，该控 制律驱动A x逐渐收敛到零，t表示时间。在具体实施过程中，所述控制律可以是比例积分微 分(PID，Proportion-Integral-Differential)控制律，也可以是其他控制律，本发明实施 例不做限制。
[0091 ] 针对A y，设计如下具有内环、外环这两个闭环控制的串级控制器：
[0092] 外环:设计一个和距离成正比的接近角0a= AyXk，其中，k为比例系数，0a为接近 角;k的大小决定了移动装置切近目标对象行走路线的角度，k越大，移动装置就会以越大的 角度切近目标对象的行走路线，并且在离目标对象的行走路线更近的地方才让移动装置指 向修正为和目标的走向相同；通常来讲，k越大，则移动装置越能紧跟目标，但k过大会使得 移动装置的方向控制闭环进入震荡状态，因此k的取值需要根据经验和实际调试来确定； [0093]内环:设定对移动装置转动速度的控制律：《 r = fy(9a-9r，t)，其中，0a_0 r即为图3 中所示的9e，9e表示移动装置的前进方向与接近角之间的误差角，只要移动装置还在前进， 该控制律即会不断驱动Ay和0 1同时收敛到零;所述控制律可以是PID控制律，也可以是其 他控制律，本发明实施例不做限制。
[0094]需要说明的是，本发明实施例中的闭环控制(Closed Loop Control)是指，对于一 个动态系统，通过比较给定输出目标和实际输出量之间的偏差，按一定规律调整系统输入 量，使得的系统实际输出向给定目标收敛，达到加快系统响应速度、抵抗内外扰动的目的。
[0095] 实施例二
[0096]对应本发明实施例一的信息处理方法，本发明实施例二还提供了一种移动装置， 如图2所示，该装置包括：
[0097] 第一矢量获得单元10,用于获得第一矢量，所述第一矢量用于描述所述移动装置 固联的第一坐标系自身运动引起的所述移动装置与跟随的目标对象之间的相对速度的变 化；
[0098] 第二矢量获得单元20，用于获得第二矢量，所述第二矢量为所述移动装置与所述 跟随的目标对象之间的相对速度矢量；
[0099]第三矢量获得单元30，连接第一矢量获得单元10和第二矢量获得单元20，用于将 所述第一矢量和第二矢量相加获得第三矢量，所述第三矢量为所述目标对象的绝对速度矢 量；
[0100] 第一夹角获得单元40,连接第三矢量获得单元30,用于根据所述第三矢量获得第 一夹角，所述第一夹角为所述移动装置自身的绝对速度矢量与所述第三矢量之间的夹角；
[0101] 控制律生成单元50,连接第一夹角获得单元40,用于根据所述第一夹角生成用于 控制所述移动装置移动的控制律。
[0102] 在一实施方式中，控制律生成单元50进一步用于，根据所述第一夹角，将目标相对 位置分解为第一相对位置和第二相对位置，并根据所述第一相对位置生成对应的第一控制 律，根据所述第二相对位置和第一夹角生成对应的第二控制律;所述目标相对位置为所述 移动装置根据所述目标对象的移动获得的所述移动装置将要达到的跟随位置；
[0103] 其中，所述第一控制律用于控制所述移动装置的平动速度，且所述第一控制律驱 动所述第一相对位置逐渐收敛;所述第二控制律用于控制所述移动装置的转动速度，且所 述第二控制律驱动所述第二相对位置和第一夹角逐渐收敛。
[0104] 在一实施方式中，所述控制律生成单元50进一步用于，在以所述跟随的目标对象 为坐标原点构建的第二坐标系下，设定所述第二坐标系的X轴正方向与所述目标对象的运 动方向重合;在所述第二坐标系下，所述目标相对位置的坐标为 XQ、yQ;所述第一相对位置和 第二相对位置表示如下：
[0105] A x = x〇-pcos(a-9r)
[0106] A y = y〇-psin(a-9r)
[0107] 其中，所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息用极坐标表示为第 一夹角^^卩第一矢径标量P，△ X表不所述第一相对位置，A y表不所述第二相对位置，0『表不 所述第一夹角。
[0108] 在一实施方式中，所述控制律生成单元50进一步用于，根据所述第二相对位置获 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数;根据所述第一接近角0 3 和第一夹角I获得所述第二控制律。
[0109] 在一实施方式中，所述第一矢量获得单元10进一步用于，
[0110] 获得所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息，所述第一相对位置 信息用极坐标表示为第一夹角a和第一矢径矢量P，其中，所述第一矢径P表示所述移动装置 到所述目标对象的矢径矢量，所述第一夹角a表示所述第一矢径矢量P与所述移动装置的绝 对平动速度矢量Vf之间的夹角；
[0111] 通过以下关系获得所述第一矢量:F = -( ?f Xp+Vf)，其中，F表示所述第一矢量， Wf表示所述移动装置的绝对转动速度矢量，Vf表示所述移动装置的绝对平动速度矢量。
[0112] 在一实施方式中，所述第二矢量获得单元20进一步用于，获得所述目标对象相对 于所述移动装置的第一相对位置信息，所述第一相对位置信息用极坐标表示为第一夹角a 和第一矢径矢量P，其中，所述第一矢径矢量P表示所述移动装置到所述目标对象的矢径矢 量，所述第一夹角a表示所述第一矢径矢量P与所述移动装置的绝对平动速度标量v f之间的 夹角；
[0113]根据所述第一相对位置信息进行微分运算得到所述第二矢量，所述第二矢量以坐 标方式表不为：
[0115]其中，R表示所述第二矢量，P表示第一矢径标量。
[0116]需要说明的是，上述第一矢量获得单元10、第二矢量获得单元20、第三矢量获得单 元30、第一夹角获得单元40和控制律生成单元50,可由移动装置的处理器、微处理器(MCU)、 专用集成电路(ASIC)或逻辑可编程门阵列(FPGA)实现。
[0117]通过实施本发明的实施例一、二，能够让移动装置跟随在目标对象的任一指定位 置（即实现全方位跟随），不仅能让移动装置跟随在目标对象的后方，还能让移动装置跟随 在目标对象的前方。并且，本发明实施例的目标跟随无需获知移动装置与被跟随对象之间 的绝对位置，而只需获知移动装置与被跟随对象之间的相对位置。因此，本发明实施例的目 标跟随，只需用到移动装置上搭载的相对位置传感器来获取被跟随对象相对于自主移动装 置的位置即可，相对位置传感器如超宽带(UWB，Ultra Wideband)定位传感器、超声波测距 传感器、红外测距传感器、声呐传感器、雷达、机器视觉传感器等等;而无需绝对位置传感器 (如GPS)参与，从而避免了诸如全球定位系统(GPS，Global Position System)需要在室外 搜星定位的不便。
[0118]需要说明的是，本发明实施例的移动装置可以是自平衡车、电动多轮车、无人机等 等。原则上凡是能够实现自主移动的装置，应当都适用于本发明的实施例。下面以自平衡车 为例进一步详细阐述本发明实施例的方法和装置。
[0119]实施例三
[0120] 为实现本发明实施例的目标跟随方法，需要构建以下数学模型：
[0121] 具有差动轮的自平衡车可以进行前进和转向运动，但不能横向移动；参见图2,在 同自平衡车固联的第一坐标系下（即图2中横轴为 Xf，纵轴为yf的坐标系），自平衡车与跟随 的目标对象的运动有如下关系：
[0122] 其中，自平衡车上有一相对位置传感器，某一时刻测得被跟随的目标对象相对于 自平衡车的第一相对位置信息，以极坐标表示为夹角a和第一矢径矢量P;其中，所述第一矢 径矢量P表示自平衡车到所述目标对象的矢径矢量，夹角a表示所述第一矢径矢量P与自平 衡车的绝对平动速度矢量v f之间的夹角。另外，移动装置相对于地面的平动速度矢量为vf， 相对于地面的转动速度矢量为co f，^和《 {可以通过移动装置的码盘测量获得。
[0123] 第一矢量F用于描述所述移动装置固联的第一坐标系自身运动引起的所述移动装 置与跟随的目标对象之间的相对速度的变化，第一矢量F的计算公式为:F = -(cofXp+Vf)， 其中，Wf表示所述移动装置的绝对转动速度矢量(相对与地面），Vf表示所述移动装置的绝 对平动速度矢量(相对于地面），P表示所述第一矢径矢量。具体的矢量加减算法可参见图2。
[0124]第二矢量R表示自平衡车与跟随的目标对象之间的相对速度矢量，可以直接将所 述第一相对位置信息用微分器进行微分得到，如果以坐标方式表示：
[0126] 其中，R表示所述第二矢量，p表示第一矢径标量。
[0127] 第三矢量T用于表示目标对象的绝对速度矢量，其中，矢量T、R、F的之间的关系如 下:T = F+R，其中，矢量R、F为已知或可以通过已知量间接求得。
[0128] 由于第一坐标系与自平衡车固联，因此能够根据矢量T获得自平衡车自身的绝对 速度矢量与所述矢量T之间的夹角，简称第一夹角；其中，自平衡车自身的绝对速度矢量能 够通过自平衡车的码盘测量获得。
[0129] 另外，为实现本发明实施例的目标跟随方法，对自平衡车的控制器的设计如下：
[0130] 参见图3,以被跟随对象(Object)建立第二坐标系，第二坐标系的X轴正方向和目 标对象的运动方向(V+d)重合。在这一坐标系下，自平衡车相对于跟随的目标对象的目标 相对位置Target的坐标为(xo，yo)。而自平衡车与此目标相对位置(xo，yo)之间的偏差为（A x，A y)。基于上述构建的数学模型，可以求得目标对象与自平衡车自身的绝对速度矢量夹 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表示自平衡车与目标相对位置在X轴方向上的偏差，A y表示自平衡车与 目标相对位置在Y轴方向上的偏差，a表示目标对象相对于自平衡车的第一相对位置信息用 极坐标表示时的所述第二夹角。
[0134] 本发明实施例的目的即是生成让A x和A y逐渐收敛的控制律，通过实施所述控制 律让A X和A y逐渐收敛到零，以使自平衡车逐渐移动到(XQ，yQ)。使A X和A y逐渐收敛的控 制律可以分别设计如下：
[0135] 针对A x，设计一个给定移动装置前进速度指令vr的控制律:vr = fx( A x，t)，该控 制律驱动AX逐渐收敛到零，t表示时间。在具体实施过程中，所述控制律可以是PID控制律， 也可以是其他控制律，本发明实施例不做限制。
[0136] 针对A y，设计如下具有内环、外环这两个闭环控制的串级控制器：
[0137] 外环:设计一个和距离成正比的接近角0a= AyXk，其中，k为比例系数，0a为接近 角;k的大小决定了移动装置切近目标对象行走路线的角度，k越大，移动装置就会以越大的 角度切近目标对象的行走路线，并且在离目标对象的行走路线更近的地方才让移动装置指 向修正为和目标的走向相同；通常来讲，k越大，则移动装置越能紧跟目标，但k过大会使得 移动装置的方向控制闭环进入震荡状态，因此k的取值需要根据经验和实际调试来确定；
[0138] 内环:设定对移动装置转动速度的控制律：cor = fy(0a-0r，t)，其中，0a_0 r即为图3 中所示的L，只要移动装置还在前进，该控制律即会不断驱动△ 7、04卩0(5同时收敛到零;所 述控制律可以是PID控制律，也可以是其他控制律，本发明实施例不做限制。
[0139] 本发明实施例三的相对位置传感器可以采用UWB定位传感器、超声波测距传感器、 红外测距传感器、声呐传感器、雷达、机器视觉传感器等等。
[0140] 本发明的实施例三，首先建立相对位置传感器测量数据的数学模型，这一数学模 型包含了相对位置、自平衡车自身的运动（即车轮码盘的测量数据）以及跟随的目标对象的 运动速度。其次，通过微分器把传感器测得相对位置进行微分得到相对速度。随后，采用坐 标变换的方法，消除装置自身运动(通过车轮码盘获得)对速度测量的影响，求出自平衡车 和被跟随对象二者的绝对速度方向之间的夹角。最后，针对传统跟随方法偏角不稳定的问 题，将相对位置分解为横向相对位置和纵向相对位置，并对横向相对位置设计串级闭环控 制器，使得纵向相对位置偏差和速度方向偏差都收敛到〇,保证了系统的稳定。
[0141] 由于增加了"绝对速度方向"这一控制自由度，因此能够消除各控制回路之间的耦 合，使得系统获得全局稳定性。
[0142] 需要说明的是，本发明实施例不仅限于适用于上述的自平衡车，也可适用于电动 多轮车、无人机等自主移动装置。通过实施本发明实施例，能够让移动装置跟随在目标对象 的任一指定位置，不仅能让移动装置跟随在目标对象的后方，还能让移动装置跟随在目标 对象的前方。并且，本发明实施例的目标跟随方法无需获知移动装置与被跟随对象之间的 绝对位置，而只需获知移动装置与被跟随对象之间的相对位置。因此，本发明实施例的目标 跟随方法，只需用到移动装置上搭载的相对位置传感器来获取被跟随对象相对于自主移动 装置的位置即可；而无需绝对位置传感器(如GPS)参与，从而避免了诸如GPS需要在室外搜 星定位的不便。
[0143] 在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法、装置和电子设备， 可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划 分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可 以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的 各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的 间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
[0144] 上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显 示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单 元上;可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0145] 另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可 以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述 集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
[0146] 本领域普通技术人员可以理解:实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过 程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序 在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤;而前述的存储介质包括:移动存储设备、只读 存储器（R0M，Read_0nly Memory)、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory)、磁碟或 者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0147] 或者，本发明实施例上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立 的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发 明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体 现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设 备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部 或部分。而前述的存储介质包括:移动存储设备、只读存储器(R〇M，Read-〇nly Memory)、随 机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介 质。
[0148] 鉴于此，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质包括一 组计算机可执行指令，所述指令用于执行本发明实施例所述的信息处理方法。
[0149] 以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵 盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种信息处理方法，应用于移动装置，其特征在于，所述方法包括： 获得第一矢量，所述第一矢量用于描述所述移动装置固联的第一坐标系自身运动引起 的所述移动装置与跟随的目标对象之间的相对速度的变化； 获得第二矢量，所述第二矢量为所述移动装置与所述跟随的目标对象之间的相对速度 矢量； 将所述第一矢量和第二矢量相加获得第三矢量，所述第三矢量为所述目标对象的绝对 速度矢量;并根据所述第三矢量获得第一夹角，所述第一夹角为所述移动装置自身的绝对 速度矢量与所述第三矢量之间的夹角； 根据所述第一夹角生成用于控制所述移动装置移动的控制律。2. 根据权利要求1所述信息处理方法，其特征在于，所述根据第一夹角生成用于控制移 动装置移动的控制律包括： 根据所述第一夹角，将目标相对位置分解为第一相对位置和第二相对位置，并根据所 述第一相对位置生成对应的第一控制律，根据所述第二相对位置和第一夹角生成对应的第 二控制律;所述目标相对位置为所述移动装置根据所述目标对象的移动获得的所述移动装 置将要达到的跟随位置； 其中，所述第一控制律用于控制所述移动装置的平动速度，且所述第一控制律驱动所 述第一相对位置逐渐收敛;所述第二控制律用于控制所述移动装置的转动速度，且所述第 二控制律驱动所述第二相对位置和第一夹角逐渐收敛。3. 根据权利要求2所述信息处理方法，其特征在于，所述根据第一夹角将目标相对位置 分解为第一相对位置和第二相对位置，包括： 在以所述跟随的目标对象为坐标原点构建的第二坐标系下，设定所述第二坐标系的X 轴正方向与所述目标对象的运动方向重合;在所述第二坐标系下，所述目标相对位置的坐 标为XQ、yQ;所述第一相对位置和第二相对位置表示如下： A x = x〇-pcos(a-0r) ^ y = y〇-psin(a-0r) 其中，所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息用极坐标表示为第二夹 角a和第一矢径标量P，Ax表示所述第一相对位置，Ay表示所述第二相对位置，01表示所述 第一夹角。4. 根据权利要求3所述信息处理方法，其特征在于，所述根据第二相对位置生成对应的 第二控制律，包括： 根据所述第二相对位置获得第一接近角Sa= △ y X k，03表示所述第一接近角，k表示比 例系数； 根据所述第一接近角和第一夹角01获得所述第二控制律。5. 根据权利要求1至4任一项所述信息处理方法，其特征在于，所述获得第一矢量包括： 获得所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息，所述第一相对位置信息 用极坐标表示为第二夹角α和第一矢径矢量P，其中，所述第一矢径矢量P表示所述移动装置 到所述目标对象的矢径矢量，所述第二夹角α表示所述第一矢径矢量P与所述移动装置的绝 对平动速度矢量Vf之间的夹角； 通过以下关系获得所述第一矢量:F = _( COf Xp+Vf)，其中，F表示所述第一矢量，COf表 示所述移动装置的绝对转动速度矢量，Vf表示所述移动装置的绝对平动速度矢量。6. 根据权利要求1至4任一项所述信息处理方法，其特征在于，所述获得第二矢量包括： 获得所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息，所述第一相对位置信息 用极坐标表示为第二夹角α和第一矢径矢量P，其中，所述第一矢径矢量P表示所述移动装置 到所述目标对象的矢径矢量，所述第二夹角α表示所述第一矢径矢量P与所述移动装置的绝 对平动速度标量Vf之间的夹角； 根据所述第一相对位置信息进行微分运算得到所述第二矢量，所述第二矢量以坐标方 式表示为：其中，R表示所述第二矢量，P表示第一矢径标量。7. -种移动装置，其特征在于，包括： 第一矢量获得单元，用于获得第一矢量，所述第一矢量用于描述所述移动装置固联的 第一坐标系自身运动引起的所述移动装置与跟随的目标对象之间的相对速度的变化； 第二矢量获得单元，用于获得第二矢量，所述第二矢量为所述移动装置与所述跟随的 目标对象之间的相对速度矢量； 第三矢量获得单元，用于将所述第一矢量和第二矢量相加获得第三矢量，所述第三矢 量为所述目标对象的绝对速度矢量； 第一夹角获得单元，用于根据所述第三矢量获得第一夹角，所述第一夹角为所述移动 装置自身的绝对速度矢量与所述第三矢量之间的夹角； 控制律生成单元，用于根据所述第一夹角生成用于控制所述移动装置移动的控制律。8. 根据权利要求7所述移动装置，其特征在于，所述控制律生成单元进一步用于，根据 所述第一夹角，将目标相对位置分解为第一相对位置和第二相对位置，并根据所述第一相 对位置生成对应的第一控制律，根据所述第二相对位置和第一夹角生成对应的第二控制 律;所述目标相对位置为所述移动装置根据所述目标对象的移动获得的所述移动装置将要 达到的跟随位置； 其中，所述第一控制律用于控制所述移动装置的平动速度，且所述第一控制律驱动所 述第一相对位置逐渐收敛;所述第二控制律用于控制所述移动装置的转动速度，且所述第 二控制律驱动所述第二相对位置和第一夹角逐渐收敛。9. 根据权利要求8所述移动装置，其特征在于，所述控制律生成单元进一步用于，在以 所述跟随的目标对象为坐标原点构建的第二坐标系下，设定所述第二坐标系的X轴正方向 与所述目标对象的运动方向重合;在所述第二坐标系下，所述目标相对位置的坐标为 X〇、y〇; 所述第一相对位置和第二相对位置表不如下： A x = x〇-pcos(a-0r) ^ y = y〇-psin(a-0r) 其中，所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息用极坐标表示为第二夹 角a和第一矢径标量P，Ax表示所述第一相对位置，Ay表示所述第二相对位置，01表示所述 第一夹角。10. 根据权利要求9所述移动装置，其特征在于，所述控制律生成单元进一步用于，根据 所述第二相对位置获得第一接近角Sa= Δ y X k，03表示所述第一接近角，k表示比例系数;根 据所述第一接近角9a和第一夹角01获得所述第二控制律。11. 根据权利要求7至10任一项所述移动装置，其特征在于，所述第一矢量获得单元进 一步用于， 获得所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息，所述第一相对位置信息 用极坐标表示为第二夹角α和第一矢径矢量P，其中，所述第一矢径矢量P表示所述移动装置 到所述目标对象的矢径矢量，所述第二夹角α表示所述第一矢径矢量P与所述移动装置的绝 对平动速度矢量Vf之间的夹角； 通过以下关系获得所述第一矢量:F = _( COf Xp+Vf)，其中，F表示所述第一矢量，COf表 示所述移动装置的绝对转动速度矢量，Vf表示所述移动装置的绝对平动速度矢量。12. 根据权利要求7至10任一项所述移动装置，其特征在于，所述第二矢量获得单元进 一步用于， 获得所述目标对象相对于所述移动装置的第一相对位置信息，所述第一相对位置信息 用极坐标表示为第二夹角α和第一矢径矢量P，其中，所述第一矢径矢量P表示所述移动装置 到所述目标对象的矢径矢量，所述第二夹角α表示所述第一矢径矢量P与所述移动装置的绝 对平动速度标量Vf之间的夹角；其中，R表示所述第二矢量，P表示第一矢径标量。 根据所述第一相对份習隹自·?#轩微AM云曾?县$1丨日A太笛一牟畺-日If述第二矢量以坐标方 式表示为：
【文档编号】G05D1/12GK105892493SQ201610202012
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】董世谦, 任冠佼, 王野, 蒲立
【申请人】纳恩博（北京）科技有限公司