CN105892493B - 一种信息处理方法和移动装置 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种信息处理方法和移动装置
技术领域
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
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
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。
本发明实施例是这样实现的：
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：
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。
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：
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。
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：
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x0、y0；所述第一相对位置和第二相对位置表示如下：
Δx＝x0-ρcos(α-θr)
Δy＝y0-ρsin(α-θr)
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α和第一矢径标量ρ，Δx表示所述第一相对位置，Δy表示所述第二相对位置，θr表示所述第一夹角。
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：
根据所述第二相对位置获得第一接近角θa＝Δy×k，θa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θa和第一夹角θr获得所述第二控制律。
上述方案中，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ρ，其中，所述第一矢径矢量ρ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ρ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＝-(ωf×ρ+vf)，其中，F表示所述第一矢量，ωf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。
上述方案中，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ρ，其中，所述第一矢径矢量ρ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ρ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，ρ表示第一矢径标量。
本发明实施例还提供了一种移动装置，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。
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；
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。
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x0、y0；所述第一相对位置和第二相对位置表示如下：
Δx＝x0-ρcos(α-θr)
Δy＝y0-ρsin(α-θr)
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α和第一矢径标量ρ，Δx表示所述第一相对位置，Δy表示所述第二相对位置，θr表示所述第一夹角。
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θa＝Δy×k，θa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θa和第一夹角θr获得所述第二控制律。
上述方案中，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ρ，其中，所述第一矢径矢量ρ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ρ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＝-(ωf×ρ+vf)，其中，F表示所述第一矢量，ωf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。
上述方案中，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ρ，其中，所述第一矢径矢量ρ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ρ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，ρ表示第一矢径标量。
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
图1为本发明实施例一的信息处理方法的流程图；
图2为本发明实施例的一种数学建模示意图；
图3为本发明实施例的一种控制关系示意图；
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
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。
实施例一
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：
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。
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。
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yf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α和第一矢径矢量ρ，其中，所述第一矢径矢量ρ表示所述移动装置到所述目标对象的矢径矢量，夹角α表示所述第一矢径矢量ρ与所述移动装置的绝对平动速度矢量vf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ωf，vf和ωf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。
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＝-(ωf×ρ+vf)，其中，ωf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)，ρ表示所述第一矢径矢量。具体的矢量加减算法可参见图2。
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。
步骤102具体可实施如下：
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α和第一矢径矢量ρ，其中，所述第一矢径矢量ρ表示所述移动装置到所述目标对象的矢径矢量，所述夹角α表示所述第一矢径矢量ρ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，ρ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节。
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。
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。
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。
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。
步骤104具体可以实施如下：
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。
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：
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x0、y0；所述第一相对位置和第二相对位置表示如下：
Δx＝x0-ρcos(α-θr)
Δy＝y0-ρsin(α-θr)
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α和第一矢径标量ρ，Δx表示所述第一相对位置，Δy表示所述第二相对位置，θr表示所述第一夹角。
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θa＝Δy×k，θa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θa和第一夹角θr获得所述第二控制律。
下面结合图3详细介绍步骤104的实施。
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Vobject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(x0,y0)，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(x0,y0)。
图3中，θr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Vobject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θr将目标相对位置(x0,y0)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(Δx,Δy)，其中，
Δx＝x0-ρcos(α-θr)
Δy＝y0-ρsin(α-θr)
其中，Δx表示移动装置与目标相对位置在X轴方向上的偏差，Δy表示移动装置与目标相对位置在Y轴方向上的偏差，α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。
本发明实施例的目的即是生成让Δx和Δy逐渐收敛的控制律，通过实施所述控制律让Δx和Δy逐渐收敛到零，以使移动装置逐渐移动到(x0,y0)。使Δx和Δy逐渐收敛的控制律可以分别设计如下：
针对Δx，设计一个给定移动装置前进速度指令vr的控制律：vr＝fx(Δx,t)，该控制律驱动Δx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。
针对Δy，设计如下具有内环、外环这两个闭环控制的串级控制器：
外环：设计一个和距离成正比的接近角θa＝Δy×k，其中，k为比例系数，θa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；
内环：设定对移动装置转动速度的控制律：ωr＝fy(θa-θr,t)，其中，θa-θr即为图3中所示的θe，θe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Δy和θr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。
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***，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***输入量，使得的***实际输出向给定目标收敛，达到加快***响应速度、抵抗内外扰动的目的。
实施例二
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：
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；
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；
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；
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；
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。
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；
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。
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x0、y0；所述第一相对位置和第二相对位置表示如下：
Δx＝x0-ρcos(α-θr)
Δy＝y0-ρsin(α-θr)
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α和第一矢径标量ρ，Δx表示所述第一相对位置，Δy表示所述第二相对位置，θr表示所述第一夹角。
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θa＝Δy×k，θa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θa和第一夹角θr获得所述第二控制律。
在一实施方式中，所述第一矢量获得单元10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α和第一矢径矢量ρ，其中，所述第一矢径ρ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α表示所述第一矢径矢量ρ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＝-(ωf×ρ+vf)，其中，F表示所述第一矢量，ωf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。
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α和第一矢径矢量ρ，其中，所述第一矢径矢量ρ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α表示所述第一矢径矢量ρ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，ρ表示第一矢径标量。
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。
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***(GPS，Global Position System)需要在室外搜星定位的不便。
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。
实施例三
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：
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：
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α和第一矢径矢量ρ；其中，所述第一矢径矢量ρ表示自平衡车到所述目标对象的矢径矢量，夹角α表示所述第一矢径矢量ρ与自平衡车的绝对平动速度矢量vf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ωf，vf和ωf可以通过移动装置的码盘测量获得。
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＝-(ωf×ρ+vf)，其中，ωf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)，ρ表示所述第一矢径矢量。具体的矢量加减算法可参见图2。
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：
其中，R表示所述第二矢量，ρ表示第一矢径标量。
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。
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。
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：
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(Vobject)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(x0,y0)。而自平衡车与此目标相对位置(x0,y0)之间的偏差为(Δx,Δy)。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θr，其中：
Δx＝x0-ρcos(α-θr)
Δy＝y0-ρsin(α-θr)
其中，Δx表示自平衡车与目标相对位置在X轴方向上的偏差，Δy表示自平衡车与目标相对位置在Y轴方向上的偏差，α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。
本发明实施例的目的即是生成让Δx和Δy逐渐收敛的控制律，通过实施所述控制律让Δx和Δy逐渐收敛到零，以使自平衡车逐渐移动到(x0,y0)。使Δx和Δy逐渐收敛的控制律可以分别设计如下：
针对Δx，设计一个给定移动装置前进速度指令vr的控制律：vr＝fx(Δx,t)，该控制律驱动Δx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。
针对Δy，设计如下具有内环、外环这两个闭环控制的串级控制器：
外环：设计一个和距离成正比的接近角θa＝Δy×k，其中，k为比例系数，θa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；
内环：设定对移动装置转动速度的控制律：ωr＝fy(θa-θr,t)，其中，θa-θr即为图3中所示的θe，只要移动装置还在前进，该控制律即会不断驱动Δy、θr和θe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。
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。
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0，保证了***的稳定。
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***获得全局稳定性。
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。
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***，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。
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。
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。
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(ROM，Read-Only 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。
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(ROM，Read-Only 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。
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。
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。

Claims (10)

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；
其中，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：
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。
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x0、y0；所述第一相对位置和第二相对位置表示如下：
Δx＝x0-ρcos(α-θr)
Δy＝y0-ρsin(α-θr)
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α和第一矢径标量ρ，Δx表示所述第一相对位置，Δy表示所述第二相对位置，θr表示所述第一夹角。
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θa＝Δy×k，θa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θa和第一夹角θr获得所述第二控制律。
4.根据权利要求1至3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ρ，其中，所述第一矢径矢量ρ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ρ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＝-(ωf×ρ+vf)，其中，F表示所述第一矢量，ωf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。
5.根据权利要求1至3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ρ，其中，所述第一矢径矢量ρ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ρ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，ρ表示第一矢径标量。
6.一种移动装置，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；
其中，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；
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。
7.根据权利要求6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x0、y0；所述第一相对位置和第二相对位置表示如下：
Δx＝x0-ρcos(α-θr)
Δy＝y0-ρsin(α-θr)
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α和第一矢径标量ρ，Δx表示所述第一相对位置，Δy表示所述第二相对位置，θr表示所述第一夹角。
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，根据所述第二相对位置获得第一接近角θa＝Δy×k，θa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θa和第一夹角θr获得所述第二控制律。
9.根据权利要求6至8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ρ，其中，所述第一矢径矢量ρ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ρ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＝-(ωf×ρ+vf)，其中，F表示所述第一矢量，ωf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。
10.根据权利要求6至8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ρ，其中，所述第一矢径矢量ρ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ρ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，ρ表示第一矢径标量。
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