目标跟随方法、装置、设备及系统与流程

专利检索2022-05-11  13



1.本技术涉及目标跟踪技术领域,特别是涉及一种目标跟随方法、装置、设备及系统。


背景技术:

2.随着工业和科学技术的发展,出现了越来越多便于人们生活的工具,例如电动车、平衡车等代步工具,随之也慢慢升级为可以跟随人们运行轨迹的代步工具,另外也出现了一些可以跟随人们运行轨迹的行李箱等,这些工具大大提高了人们出行的便捷性。目标跟随常用的手段有光电定位形式、超声波定位形式、低频无线电定位、拉绳位移传感器等方式,其均需通过不同的技术手段测量目标跟随设备与跟随目标的距离和角度等数据,进行车子行进参数计算和运动控制,从而控制目标跟随设备在人们后方跟随。
3.然而,目前的电动车、平衡车等目标跟随设备的跟随方式较单一,存在实用性差的问题。


技术实现要素:

4.基于此,有必要针对上述技术问题,提供一种目标跟随方法、装置、设备及系统。
5.一种目标跟随方法,包括:
6.获取uwb基站发送的第一方位数据和uwb信标发送的跟随模式;uwb基站设于目标跟随设备上;uwb信标设于目标跟随对象上;第一方位数据包括uwb信标与uwb基站之间的当前距离,uwb信标和uwb基站所在直线相对于uwb基站的天线的当前朝向的第一方位角,以及uwb基站的天线的当前朝向相对于目标跟随设备的当前运动方向的第一夹角;
7.基于跟随模式,处理第一方位数据得到第二方位数据;第二方位数据包括目标位置与uwb基站之间的当前距离,以及目标位置与uwb基站所在直线相对于目标跟随设备的当前运动方向的第二方位角;
8.将第二方位数据和预设方位数据进行比较,得到比较结果,并根据比较结果控制目标跟随设备动作。
9.在其中一个实施例中,目标位置和uwb基站所在直线垂直于目标位置和uwb信标所在直线;
10.基于跟随模式,处理第一方位数据得到第二方位数据的步骤,包括:
11.采用反三角函数处理侧方安全距离和uwb信标与uwb基站之间的当前距离,得到uwb信标和uwb基站所在直线与目标位置和uwb基站所在直线之间的第二夹角,并根据第二夹角和uwb信标到uwb基站的当前距离,得到目标位置与uwb基站之间的当前距离;
12.通过第一方位角、第一夹角以及第二夹角,确认第二方位角。
13.在其中一个实施例中,跟随模式为第一侧跟随模式、第二侧跟随模式或第三侧跟随模式;
14.通过第一方位角、第一夹角以及第二夹角,确认第二方位角的步骤,包括:
15.若跟随模式为第一侧跟随模式,则第二方位角基于以下公式得到:
16.a=c b-d
17.若跟随模式为第二侧跟随模式,则第二方位角基于以下公式得到:
18.a=c b d
19.若跟随模式为第三侧跟随模式,则第二方位角基于以下公式得到:
20.a=b c
21.其中,a为第二方位角;b为第一方位角;c为第一夹角;d为第二夹角。
22.在其中一个实施例中,预设方位数据包括最小跟随距离;
23.根据比较结果控制目标跟随设备动作的步骤,包括:
24.若比较结果为目标位置与uwb基站之间的当前距离小于或等于最小跟随距离,则控制目标跟随设备刹停;
25.若比较结果为目标位置与uwb基站之间的当前距离大于最小跟随距离,则控制目标跟随设备向目标位置移动。
26.在其中一个实施例中,预设方位数据包括误差角度范围;
27.根据比较结果控制目标跟随设备动作的步骤,包括:
28.若比较结果为第二方位角小于0且第二方位角位于误差角度范围之外,则控制目标跟随设备向第一方向转向;
29.若比较结果为第二方位角大于0且第二方位角位于误差角度范围之外,则控制目标跟随设备向第二方向转向;
30.若比较结果为第二方位角位于误差角度范围之内,则控制目标跟随设备沿当前运动方向直行。
31.一种目标跟随装置,包括:
32.数据获取模块,用于获取uwb基站发送的第一方位数据和uwb信标发送的跟随模式;uwb基站设于目标跟随设备上;uwb信标设于目标跟随对象上;第一方位数据包括uwb信标与uwb基站之间的当前距离,uwb信标和uwb基站所在直线相对于uwb基站的天线的当前朝向的第一方位角,以及uwb基站的天线的当前朝向相对于目标跟随设备的当前运动方向的第一夹角;
33.数据处理模块,用于基于跟随模式,处理第一方位数据得到第二方位数据;第二方位数据包括目标位置与uwb基站之间的当前距离,以及目标位置与uwb基站所在直线相对于目标跟随设备的当前运动方向的第二方位角;
34.数据比较模块,用于将第二方位数据和预设方位数据进行比较,得到比较结果,并根据比较结果控制目标跟随设备动作。
35.一种目标跟随设备,包括:uwb基站、运动机构以及控制器;控制器分别连接uwb基站和运动结构;
36.uwb基站用于检测第一方位数据并输出;第一方位数据包括设于目标跟随对象上的uwb信标与uwb基站之间的当前距离,uwb信标和uwb基站所在直线相对于uwb基站的天线的当前朝向的第一方位角,以及uwb基站的天线的当前朝向相对于目标跟随设备的当前运动方向的第一夹角;
37.控制器用于执行上述方法的步骤,以及控制运动结构动作。
38.在其中一个实施例中,还包括旋转结构;
39.旋转机构用于承载uwb基站的天线进行360度旋转跟踪uwb信标的方向,以使uwb基站的天线始终朝向uwb信标。
40.一种目标跟随系统,包括uwb信标和上述的目标跟随设备;uwb信标设于目标跟随对象上;
41.uwb信标用于向目标跟随设备输出跟随模式;目标跟随设备用于接收跟随模式并基于跟随模式动作。
42.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
43.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果:
44.本技术通过获取设于目标跟随设备上的uwb基站发送的第一方位数据和设于目标跟随对象上的uwb信标发送的跟随模式,并基于跟随模式,处理第一方位数据得到第二方位数据;其中,第一方位数据包括uwb信标与uwb基站之间的当前距离,uwb信标和uwb基站所在直线相对于uwb基站的天线的当前朝向的第一方位角,以及uwb基站的天线的当前朝向相对于目标跟随设备的当前运动方向的第一夹角,第二方位数据包括目标位置与uwb基站之间的当前距离,以及目标位置与uwb基站所在直线相对于目标跟随设备的当前运动方向的第二方位角;本技术将得到的第二方位数据与预设方位数据进行比较,得到用于控制目标跟随设备动作的比较结果。本技术采用的uwb基站和uwb信标之间的信号穿透力强,不容易因为遮挡产生信号遮蔽现象,提高了目标跟随的可靠性,实现了对目标跟随设备跟随目标跟随对象的精确、可靠控制,并且本技术为目标跟随对象提供了丰富的跟随模式,便于根据运行道路灵活改变跟随模式,实用性大大提高。
附图说明
45.为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案,下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
46.图1为一个实施例中目标跟随方法的流程示意图;
47.图2为一个实施例中处理第一方位数据得到第二方位数据的步骤的流程示意图;
48.图3为一个实施例中根据比较结果控制目标跟随设备动作的步骤的流程示意图;
49.图4为另一个实施例中根据比较结果控制目标跟随设备动作的步骤的流程示意图;
50.图5为一个实施例中第一侧跟随模式的原理示意图;
51.图6为一个实施例中第一侧跟随模式的控制流程示意图;
52.图7为一个实施例中第三侧跟随模式的原理示意图;
53.图8为一个实施例中目标跟随装置的结构框图;
54.图9为一个实施例中目标跟随设备的结构框图;
55.图10为一个实施例中uwb基站使用toa进行测量的原理示意图;
56.图11为一个实施例中uwb基站使用aoa进行测量的原理示意图;
57.图12为一个实施例中uwb基站的结构示意图;
58.图13为一个实施例中目标跟随系统的结构框图。
具体实施方式
59.为了便于理解本技术,下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是,本技术可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施例。相反地,提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
60.除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本技术。
61.可以理解,本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件,但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
62.空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等,在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白,除了图中所示的取向以外,空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如,如果附图中的器件翻转,描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此,示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外,器件也可以包括另外地取向(譬如,旋转90度或其它取向),并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
63.需要说明的是,当一个元件被认为是“连接”另一个元件时,它可以是直接连接到另一个元件,或者通过居中元件连接另一个元件。此外,以下实施例中的“连接”,如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递,则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
64.在此使用时,单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式,除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是,术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在,但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
65.在一个实施例中,如图1所示,提供了一种目标跟随方法,可以包括:
66.步骤202,获取uwb基站发送的第一方位数据和uwb信标发送的跟随模式;uwb基站设于目标跟随设备上;uwb信标设于目标跟随对象上;第一方位数据包括uwb信标与uwb基站之间的当前距离,uwb信标和uwb基站所在直线相对于uwb基站的天线的当前朝向的第一方位角,以及uwb基站的天线的当前朝向相对于目标跟随设备的当前运动方向的第一夹角;
67.其中,超宽带(ultra wide band,uwb)是一种无线载波通信技术,它不采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很宽。uwb具有系统复杂度低,发射信号功率谱密度低,对信道衰落不敏感,截获能力低,定位精度高等优点,尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。本技术可以采用最新的uwb 10厘米级别的高精度定位技术实现位置的精确定位,频段可以为1-6.5g,穿透力更强,不容易因为遮挡产生信号屏蔽现象的发生,让跟随更加可靠;目标跟随设备可以为电动车,也可以为其它动力形式的车子、带动力以及转向控制的行李箱或其它控制器可控的运动物体。
68.uwb基站是一种基于uwb技术设计开发的设备,该设备主要用于接收uwb信号从而
实现定位的功能,uwb基站主要由天线,内部电路板,外壳组成,天线分为内置天线和外置天线,外壳有普通外壳和ip67等级外壳。uwb基站的数据传输可以通过有线或者无线的方式传输,可以通过走光缆、网线或者走无线wifi、网桥、4g等进行数据传输,uwb基站一般需要配合uwb信标才能实现其定位功能。
69.uwb信标是一种基于uwb技术开发的用于人员定位的信标,该uwb信标能够按照设定的通信频率向uwb基站发送脉冲信息,从而实现人员的实时精确定位,这种uwb信标可以采用可充电锂电池供电,电池容量可以为900mah,充满电最大可以连续使用3-5个月,同时uwb信标还可以实现一键sos报警求救功能等;uwb基站与uwb信标之间的定位信息的更新速率可以做到到每秒10-200次甚至更高。本技术的uwb信标还可以包括按键、电池以及显示单元等组件,uwb信标和uwb基站之间也可以实现双向数据传输,除了实现目标跟随设备不同模式的跟随,还可以通过uwb信标对目标跟随设备进行遥远控制,目标跟随设备的具体运行参数也可以通过uwb基站发送给uwb信标,通过uwb信标的显示单元进行显示,保证目标跟随对象可以随时了解目标跟随设备的具体运行状态,也进一步提高了跟随的可控性和可靠性;uwb基站、uwb信标都可以小型化设计,小型化的基站让目标跟随设备的设计更灵活;小型化的uwb信标可以做成小型遥控器大小设备或者手表大小的设备,提高了便携性和可用性,使用也更方便。
70.uwb信标与uwb基站之间的当前距离相当于目标跟随对象和目标跟随设备之间的当前距离;uwb基站的天线可以始终朝向uwb信标
±5°
的方向(正负误差小于
±
60
°
),以满足天线
±
60
°
的有效测量角度;uwb基站的天线的当前朝向相对于目标跟随设备的当前运动方向的第一夹角在-180
°
和180
°
之间。
71.具体地,获取设于目标跟随设备上的uwb基站发送的第一方位数据,第一方位数据包括uwb信标与uwb基站之间的当前距离、uwb信标和uwb基站所在直线相对于uwb基站的天线的当前朝向的第一方位角、以及uwb基站的天线的当前朝向相对于目标跟随设备的当前运动方向的第一夹角;以及获取设于目标跟随对象上的uwb信标发送的跟随模式。
72.步骤204,基于跟随模式,处理第一方位数据得到第二方位数据;第二方位数据包括目标位置与uwb基站之间的当前距离,以及目标位置与uwb基站所在直线相对于目标跟随设备的当前运动方向的第二方位角;
73.其中,目标位置为根据跟随模式而确定的目标跟随设备需要跟随的位置;
74.具体地,在获取到uwb基站发送的第一方位数据和uwb信标发送的跟随模式的情况下,基于跟随模式,处理第一方位数据,得到第二方位数据,第二方位数据包括目标位置与uwb基站之间的当前距离,以及目标位置与uwb基站所在直线相对于目标跟随设备的当前运动方向的第二方位角。
75.在其中一个实施例中,目标位置和uwb基站所在直线垂直于目标位置和uwb信标所在直线;
76.如图2所示,基于跟随模式,处理第一方位数据得到第二方位数据的步骤204,可以包括:
77.步骤302,采用反三角函数处理侧方安全距离和uwb信标与uwb基站之间的当前距离,得到uwb信标和uwb基站所在直线与目标位置和uwb基站所在直线之间的第二夹角,并根据第二夹角和uwb信标到uwb基站的当前距离,得到目标位置与uwb基站之间的当前距离;
78.其中,侧方安全距离为目标位置与uwb信标之间的距离,侧方安全距离可以根据实际情况进行设定,侧方安全距离的大小决定了目标跟随设备跟随的目标位置距离目标跟随对象的远近程度,可以保证跟随过程中目标跟随设备与目标跟随对象之间的安全性;由于目标位置和uwb基站所在直线垂直于目标位置和uwb信标所在直线,则uwb基站、目标位置以及uwb信标之间形成了直角三角形,在已知侧方安全距离即目标位置和uwb信标之间的距离,以及获得到的uwb信标与uwb基站之间的当前距离的情况下,采用反三角函数即可得到uwb信标和uwb基站所在直线与目标位置和uwb基站所在直线之间的第二夹角,进而也可以得到目标位置与所述uwb基站之间的当前距离。
79.具体地,采用反三角函数处理侧方安全距离和uwb信标与uwb基站之间的当前距离,得到uwb信标和uwb基站所在直线与目标位置和uwb基站所在直线之间的第二夹角,例如:第二夹角=arcsin(侧方安全距离/uwb信标与uwb基站之间的当前距离);根据第二夹角和uwb信标到uwb基站的当前距离,即可得到目标位置与uwb基站之间的当前距离,例如:目标位置与uwb基站之间的当前距离=uwb信标到uwb基站的当前距离*cos(第二夹角)。
80.也可以采用勾股定理处理侧方安全距离和uwb信标与uwb基站之间的当前距离,得到目标位置与uwb基站之间的当前距离,例如:目标位置与uwb基站之间的当前距离=(uwb信标与uwb基站之间的当前距离^2-侧方安全距离^2)^(-2);再根据目标位置与uwb基站之间的当前距离和侧方安全距离、uwb信标与uwb基站之间的当前距离和侧方安全距离,或目标位置与uwb基站之间的当前距离和uwb信标与uwb基站之间的当前距离得到第二夹角,例如:第二夹角=arctan(侧方安全距离/目标位置与uwb基站之间的当前距离)=arcsin(侧方安全距离/uwb信标与uwb基站之间的当前距离)=arccos(目标位置与uwb基站之间的当前距离/uwb信标与uwb基站之间的当前距离)。
81.以上采用反三角函数获取目标位置与uwb基站之间的当前距离的方法,相较于采用勾股定理获取目标位置与uwb基站之间的当前距离的方法,计算压力更小,具体处理方法可以根据实际情况进行选择。
82.步骤304,通过第一方位角、第一夹角以及第二夹角,确认第二方位角。
83.具体而言,在获得uwb信标和uwb基站所在直线相对于uwb基站的天线的当前朝向的第一方位角、uwb基站的天线的当前朝向相对于目标跟随设备的当前运动方向的第一夹角、以及上述步骤得到的uwb信标和uwb基站所在直线与目标位置和uwb基站所在直线之间的第二夹角的情况下,可以根据各角度之间的关系,确认目标位置与uwb基站所在直线相对于目标跟随设备的当前运动方向的第二方位角。
84.在其中一个实施例中,跟随模式为第一侧跟随模式、第二侧跟随模式或第三侧跟随模式;
85.通过第一方位角、第一夹角以及第二夹角,确认第二方位角的步骤304,可以包括:
86.若跟随模式为第一侧跟随模式,则第二方位角基于以下公式得到:
87.a=c b-d
88.若跟随模式为第二侧跟随模式,则第二方位角基于以下公式得到:
89.a=c b d
90.若跟随模式为第三侧跟随模式,则第二方位角基于以下公式得到:
91.a=b c
92.其中,a为第二方位角;b为第一方位角;c为第一夹角;d为第二夹角。
93.第一侧跟随模式可以为目标位置始终保持在将目标跟随对象的当前运动方向逆时针旋转90度的方向上,即目标位置始终保持在目标跟随对象的当前运动方向的左侧;第二侧跟随模式可以为目标位置始终保持在将目标跟随对象的当前运动方向顺时针旋转90度的方向上,即目标位置始终保持在目标跟随对象的当前运动方向的右侧;第三侧跟随模式可以为目标位置始终保持在将目标跟随对象的当前运动方向旋转180度的方向上,即目标位置始终保持在目标跟随对象的当前运动方向的后方;在第三侧跟随模式下,侧方安全距离为0,即在第三侧跟随模式下,目标位置即为目标跟随对象的位置,则uwb信标和uwb基站所在直线与目标位置和uwb基站所在直线之间的第二夹角为0,目标位置与uwb基站之间的当前距离等于uwb信标与uwb基站之间的当前距离。
94.具体地,若接收到的uwb信标发送的跟随模式为第一侧跟随模式,则根据已经获取到的第一夹角、第二夹角以及第一方位角之间的关系,可以得到第二方位角a=第一夹角c 第一方位角b-第二夹角d;若接收到的跟随模式为第二侧跟随模式,则第二夹角为第一夹角、第二夹角以及第一方位角之和;若接收到的跟随模式为第三侧跟随模式,则第二夹角为第一夹角和第一方位角之和;其中,第一夹角、第二夹角、第一方位角以及第二方位角均是具有方向性的角度。
95.本技术通过接收uwb信标发送的不同的跟随模式,根据不同的跟随模式处理uwb基站检测到的第一方位数据,从而得到对应跟随模式下的第二方位数据,进而便于根据第二方位数据控制目标跟随设备进行跟随;由于在实际跟随过程中,执行第三侧跟随模式使目标位置始终保持在目标跟随对象的当前运动方向的后方,会导致使用者看不到后方目标跟随设备的状态,总会担心车子跟丢,若目标跟随设备发生侧翻、碰撞等情况也不能及时察觉和处理,因此第一侧跟随模式和第二侧跟随模式可以保证目标跟随设备在使用者余光可见的区域内,使得跟随过程更令人放心,也更利于避免使用中出现意外状况,提高了跟随过程的安全性。
96.步骤206,将第二方位数据和预设方位数据进行比较,得到比较结果,并根据比较结果控制目标跟随设备动作。
97.具体地,在获得第二方位数据的情况下,可以将第二方位数据中的目标位置与uwb基站之间的当前距离以及第二方位角,与对应的预设方位数据进行比较,通过比较结果控制目标跟随设备的动作,从而使得目标跟随设备根据uwb信标发送的跟随模式对目标跟随对象进行相应模式的跟随。
98.在其中一个实施例中,预设方位数据可以包括最小跟随距离;
99.如图3所示,根据比较结果控制目标跟随设备动作的步骤206,可以包括:
100.步骤402,若比较结果为目标位置与uwb基站之间的当前距离小于或等于最小跟随距离,则控制目标跟随设备刹停;
101.步骤404,若比较结果为目标位置与uwb基站之间的当前距离大于最小跟随距离,则控制目标跟随设备向目标位置移动。
102.其中,最小跟随距离的设定可以保证目标跟随设备与目标位置之间保持一定的距离,从而避免跟随过程中可能出现的安全隐患,最小跟随距离的大小可以根据实际需要进行设定。
103.具体地,将第二方位数据中的目标位置与uwb基站之间的当前距离和最小跟随距离进行比较,得到比较结果,若比较结果为目标位置与uwb基站之间的当前距离大于最小跟随距离,则说明目标跟随设备与目标位置之间的距离较大,则需要控制目标跟随设备向目标位置移动;若比较的结果为目标位置与uwb基站之间的当前距离小于或等于最小跟随距离,则说明目标跟随设备与目标位置的距离过近,可能产生安全隐患,因此在这种情况下需要控制目标跟随设备刹停,直到目标位置与uwb基站之间的当前距离大于最小跟随距离,则再次控制目标跟随设备向目标位置移动。
104.进一步地,目标跟随设备的移动速度v=k*(l-ls),其中k为速度控制常数,l为目标位置与uwb基站之间的当前距离,ls为最小跟随距离,该式表示控制目标跟随设备的移动速度随着目标位置与uwb基站之间的距离越来越近而逐渐减小,即目标跟随设备在距离目标位置较远的位置时目标跟随设备的移动速度较大,而目标跟随设备在逐渐靠近目标位置的情况下移动速度越来越小,从而控制了目标跟随设备尽快赶到目标位置附近的同时,提高了目标跟随设备距离目标位置很近的情况下的安全性,防止因目标跟随设备在距离目标跟随对象很近的情况下移动速度过快而带来的安全风险。
105.此外,本技术控制目标跟随设备向目标位置移动还可以通过pid(proportion integral differential,比例积分微分)算法进行控制,pid控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法,适用于不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数的情况,pid控制的实质就是根据输入的偏差值,按照比例、积分、微分的函数关系进行运算,运算结果用以控制输出。上述通过速度控制常数k控制目标跟随设备移动的方式为仅采用比例(proportion)控制的方式,这是一种最简单的控制方式,其控制器的输出与输入误差信号成比例关系;而若运用pid结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法控制目标跟随设备向目标位置移动,则可以达到更好的控制效果,可靠性和灵活性也更高。在实际控制过程中,控制目标跟随设备向目标位置移动的方式可以根据实际需求进行选择。
106.在整个过程中,目标跟随设备将不断调整其与目标位置之间的位置关系,最终使得目标跟随设备保持始终跟随在距离目标位置最小跟随距离的位置。
107.本技术通过设置最小跟随距离,从而可以控制目标跟随设备与目标位置保持一定的跟随距离,避免了由于跟随距离过近导致的安全隐患,并且保证了目标跟随设备在逐渐靠近目标位置的情况下移动速度逐渐减小,进一步保障了跟随过程中的安全性。
108.在其中一个实施例中,预设方位数据可以包括误差角度范围;
109.如图4所示,根据比较结果控制目标跟随设备动作的步骤206,可以包括:
110.步骤502,若比较结果为第二方位角小于0且第二方位角位于误差角度范围之外,则控制目标跟随设备向第一方向转向;
111.步骤504,若比较结果为第二方位角大于0且第二方位角位于误差角度范围之外,则控制目标跟随设备向第二方向转向;
112.步骤506,若比较结果为第二方位角位于误差角度范围之内,则控制目标跟随设备沿当前运动方向直行。
113.其中,误差角度范围是用于调整目标跟随设备的运行方向;第一方向可以为将目标跟随设备的当前运动方向逆时针旋转90度的方向;第二方向可以为将目标跟随设备的当
前运动方向顺时针旋转90度的方向。
114.具体地,将第二方位角与误差角度范围进行比较,得到比较结果,若比较结果为第二方位角小于0且第二方位角位于误差角度范围之外,则说明目标位置位于目标跟随设备的当前运行方向的左侧,则控制目标跟随设备向第一方向转向,也就是控制目标跟随设备向当前运动方向的左侧转向;若比较结果为第二方位角大于0且第二方位角位于误差角度范围之外,则说明目标位置位于目标跟随设备的当前运行方向的右侧,则控制目标跟随设备向第二方向转向,也就是控制目标跟随设备向当前运动方向的右侧转向;若比较结果为第二方位角位于误差角度范围之内,则说明目标跟随设备的当前运动方向位于误差角度之内,目标位置基本位于目标跟随设备的当前运动方向上,因此,控制目标跟随设备沿当前运动方向直行。
115.在整个过程中,目标跟随设备逐渐调整当前运动方向,最终保证第二夹角位于误差角度范围之内,也就是保证目标位置基本位于目标运动设备的当前运动方向上。通过控制目标跟随设备不断调整其与目标位置之间的位置关系以及当前运动方向,从而使得目标跟随设备保持与跟随模式相对应的跟随状态,并保持跟随在距离目标位置最小跟随距离的目标前进位置处。
116.在一个具体的示例中,如图5所示为第一侧跟随模式的示意图,如图6为相应的控制流程图;其中,目标跟随对象为人;目标跟随设备为车,车头朝向为目标跟随设备的当前运动方向;uwb为uwb基站;uwb天线朝向为uwb基站的天线的当前朝向;a为目标位置与uwb基站所在直线相对于目标跟随设备的当前运动方向的第二方位角;b为uwb信标和uwb基站所在直线相对于uwb基站的天线的当前朝向的第一方位角;c为uwb基站的天线的当前朝向相对于目标跟随设备的当前运动方向的第一夹角;d为uwb信标和uwb基站所在直线与目标位置和uwb基站所在直线之间的第二夹角;l为目标位置与uwb基站之间的当前距离;lm为uwb信标与uwb基站之间的当前距离;ls为;s为侧方安全距离;ls为最小跟随距离;v为移动速度;k为速度控制常数。
117.在另一个具体的示例中,如图7所示为第三侧跟随模式的示意图,其中,目标跟随设备为电动车;目标跟随对象为人;由于侧方安全距离为0,则在第三侧跟随模式下,目标位置即为目标跟随对象的位置;电动车的当前运动方向为目标跟随设备的当前运动方向;uwb基站的天线的当前朝向位于uwb信标和所述uwb基站所在直线上;a为目标位置与uwb基站所在直线相对于目标跟随设备的当前运动方向的第二方位角;l为目标位置与uwb基站之间的当前距离,也即uwb信标与uwb基站之间的当前距离;ls为最小跟随距离。图7示例中第三跟随模式下相应的控制流程则为图6中s接近于0的情况,s=0时,l=lm,第一方位角b=0,第二夹角d=0,第一夹角c=0,第二方位角a=第一夹角c。
118.以上,本技术通过获取uwb基站发送的第一方位数据和uwb信标发送的跟随模式,基于跟随模式,采用反三角函数处理侧方安全距离和uwb信标与uwb基站之间的当前距离,得到uwb信标和uwb基站所在直线与目标位置和uwb基站所在直线之间的第二夹角,并根据第二夹角和uwb信标到uwb基站的当前距离,得到目标位置与uwb基站之间的当前距离,通过第一方位角、第一夹角以及第二夹角,确认第二方位角,再将目标位置与uwb基站之间的当前距离和最小跟随距离进行比较,以及将第二方位角与误差角度范围进行比较,从而根据比较结果控制目标跟随设备动作、以及使得目标跟随设备保持与跟随模式相对应的跟随状
态。本技术可以保证对目标跟随的可靠性,实现了对目标跟随设备跟随目标跟随对象的精确、可靠的控制,并且本技术提供了丰富的跟随模式,侧方跟随模式(第一侧跟随模式和第二侧跟随模式)可以保证目标跟随设备在使用者余光可见的区域内,使得跟随过程更令人放心,也更利于避免使用中出现意外状况,在保证目标跟随设备跟随目标跟随对象的过程中的安全性的同时,进一步提高了跟随的可控性以及可靠性,也便于根据运行道路灵活改变跟随模式,大大提高了实用性。
119.应该理解的是,虽然图1-图4以及图6的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示,但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明,这些步骤的执行并没有严格的顺序限制,这些步骤可以以其它的顺序执行。而且,图1-图4以及图6中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段,这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成,而是可以在不同的时刻执行,这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行,而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
120.在一个实施例中,如图8所示,提供了一种目标跟随装置,可以包括:
121.数据获取模块110,用于获取uwb基站发送的第一方位数据和uwb信标发送的跟随模式;uwb基站设于目标跟随设备上;uwb信标设于目标跟随对象上;第一方位数据包括uwb信标与uwb基站之间的当前距离,uwb信标和uwb基站所在直线相对于uwb基站的天线的当前朝向的第一方位角,以及uwb基站的天线的当前朝向相对于目标跟随设备的当前运动方向的第一夹角;
122.数据处理模块120,用于基于跟随模式,处理第一方位数据得到第二方位数据;第二方位数据包括目标位置与uwb基站之间的当前距离,以及目标位置与uwb基站所在直线相对于目标跟随设备的当前运动方向的第二方位角;
123.数据比较模块130,用于将第二方位数据和预设方位数据进行比较,得到比较结果,并根据比较结果控制目标跟随设备动作。
124.在其中一个实施例中,目标位置和uwb基站所在直线垂直于目标位置和uwb信标所在直线;
125.数据处理模块120,还用于采用反三角函数处理侧方安全距离和uwb信标与uwb基站之间的当前距离,得到uwb信标和uwb基站所在直线与目标位置和uwb基站所在直线之间的第二夹角,并根据第二夹角和uwb信标到uwb基站的当前距离,得到目标位置与uwb基站之间的当前距离;通过第一方位角、第一夹角以及第二夹角,确认第二方位角。
126.在其中一个实施例中,跟随模式为第一侧跟随模式、第二侧跟随模式或第三侧跟随模式;
127.数据处理模块120,还用于若跟随模式为第一侧跟随模式,则第二方位角基于以下公式得到:
128.a=c b-d
129.若跟随模式为第二侧跟随模式,则第二方位角基于以下公式得到:
130.a=c b d
131.若跟随模式为第三侧跟随模式,则第二方位角基于以下公式得到:
132.a=b c
133.其中,a为第二方位角;b为第一方位角;c为第一夹角;d为第二夹角。
134.在其中一个实施例中,预设方位数据可以包括最小跟随距离;
135.数据比较模块130,还用于若比较结果为目标位置与uwb基站之间的当前距离小于或等于最小跟随距离,则控制目标跟随设备刹停;若比较结果为目标位置与uwb基站之间的当前距离大于最小跟随距离,则控制目标跟随设备向目标位置移动。
136.在其中一个实施例中,预设方位数据可以包括误差角度范围;
137.数据比较模块130,还用于若比较结果为第二方位角小于0且第二方位角位于误差角度范围之外,则控制目标跟随设备向第一方向转向;若比较结果为第二方位角大于0且第二方位角位于误差角度范围之外,则控制目标跟随设备向第二方向转向;若比较结果为第二方位角位于误差角度范围之内,则控制目标跟随设备沿当前运动方向直行。
138.关于目标跟随装置的具体限定可以参见上文中对于目标跟随方法的限定,在此不再赘述。上述目标跟随装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中,也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中,以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。需要说明的是,本技术实施例中对模块的划分是示意性的,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。
139.在一个实施例中,如图9所示,提供了一种目标跟随设备,可以包括:uwb基站、运动机构以及控制器;控制器分别连接uwb基站和运动结构;
140.uwb基站用于检测第一方位数据并输出;第一方位数据包括设于目标跟随对象上的uwb信标与uwb基站之间的当前距离,uwb信标和uwb基站所在直线相对于uwb基站的天线的当前朝向的第一方位角,以及uwb基站的天线的当前朝向相对于目标跟随设备的当前运动方向的第一夹角;
141.控制器用于执行上述方法的步骤,以及控制运动结构动作。
142.其中,控制器可以为mcu(microcontroller unit,微控制单元),也可以为plc(programmable logic controller,可编程逻辑控制器)、计算机等具备运算功能控制能力的设备;控制器执行的上述方法的步骤,可以视系统资源分配,将更多的计算步骤放在uwb基站端的控制器mcu或目标跟随设备的控制器mcu,也可以将uwb基站的mcu与目标跟随设备的mcu合二为一,只要能够实现整体的运算要求、执行步骤即可;目标跟随设备可以为电动车,也可以为其它动力形式的车子、带动力以及转向控制的行李箱或其它控制器可控的运动物体;目标跟随对象可以为人或其他可以移动的物体、使用者,uwb信标还可以包括按键、电池以及显示单元等组件,uwb信标可以设计为小型遥控器大小或者手表大小的设备,便于人进行持握或者佩戴;运动结构可以采用双电机驱动并利用左右差速转弯的方式来实现运动、拐弯以及速度变化等功能,也可以采用电机驱动与转向轮机构分开的方式实现;在每个控制循环周期内,uwb基站都刷新目标位置与uwb基站之间的当前距离l以及目标位置与uwb基站所在直线相对于目标跟随设备的当前运动方向的第二方位角a的数据,数据刷新频率每秒10-200次,以保证足够的控制精度及遥控及时性。
143.uwb基站可以使用toa(time of arrival,到达时间原理)、tdoa(time difference of arrival,到达时间差原理)或aoa(angle-of-arrival,信号到达角度原理)精确测量设于目标跟随对象上的uwb信标的相对距离和角度。其中,使用toa进行测量时,如图10所示,
uwb基站至少需要使用3个天线,以相对固定位置安装在车子上,通过计算每个天线与uwb信标之间的信号来往时间来计算uwb基站的3个天线与信标间的距离(l1、l2和l3),再通过三边法计算uwb信标的具体方位数据;使用tdoa进行测量时,uwb基站也至少需要使用3个天线,以相对固定位置安装在车子上,其利用的是信标信号到达三个天线之间的时间差来计算信标的具体方位,要求三个uwb基站有严格的时间同步;使用aoa进行测量时,如图11所示,则是利用信标信号到达uwb基站两个天线的相位差来计算信标信号到达uwb基站两个天线的角度(角度a和角度b),从而计算出uwb信标的方位数据。
144.无论哪一种跟随模式,如果目标跟随设备距离目标跟随对象足够远且目标跟随对象的方位角过大,mcu可指挥目标跟随设备先进行原地转弯减小目标跟随对象的方位角,再命令目标跟随设备前进,以合理化目标跟随设备的行进路径。
145.uwb基站进行定位的同时,还可以在uwb信标与uwb基站之间传递控制指令,可以通过按下uwb信标端的相应的按键,让uwb信标发送自身状态、前进指令、停止指令以及跟随模式等指令;当基站收到停止指令时,无论目标跟随设备距离uwb信标多远,都会控制目标跟随设备停止运动原地待命;只有当uwb基站收到uwb信标发来的跟随模式后,才会根据跟随模式进行第二方位数据解算并控制目标跟随设备进行相应模式的跟随(执行跟随模式时可以先接收uwb信标发来的遥控指令,确认该遥控指令是否为跟随模式,再接收uwb信标发送的跟随指令进行跟随)。
146.若uwb基站收到uwb信标发来的电池亏电信息,则会将此信息通过无线或有线的方式传送给控制器mcu,控制器mcu会禁止执行跟随指令,以免uwb信标掉电导致数据丢失的动作错误;当uwb信标与uwb基站不能正常通信时,uwb信标端可使用震动或闪灯、声音等提醒手段提醒使用者目标跟随设备现在处于失联状态,避免目标跟随设备在不知情的情况下丢失;uwb基站失去信标信号后也会通知控制器mcu信标失联,mcu可以及时控制目标跟随设备停止运动从而避免误动作。
147.控制器mcu亦可以将使用者关心的运行数据(如目标跟随设备的电压、温度等信息数据)传送给uwb基站,uwb基站将这些信息传送到uwb信标端进行显示或者处理,令使用者即使不在目标跟随设备旁边也能获知目标跟随设备的各种运行、状态信息;uwb信标端也可以根据实际情况设置更多操作按键,通过uwb通信将控制指令传送至控制器mcu,通过目标跟随设备上设置的各种执行机构进行相应的功能操作;车子与信标之间也具有足够带宽进行多媒体数据传输(如视频、音频、文字等);
148.在其中一个实施例中,目标跟随设备还可以包括旋转结构;
149.旋转机构用于承载uwb基站的天线进行360度旋转跟踪uwb信标的方向,以使uwb基站的天线始终朝向uwb信标。
150.具体地,如图12所示,uwb基站和旋转机构外部还可以设于外壳的内部;在使用aoa方式进行测量时,可以将uwb基站的天线安装在一个可以使用电机驱动的360
°
旋转的旋转机构(图7中的主动转轴)上,这令uwb基站的天线可以随时旋转以保证天线始终面向uwb信标
±5°
(正负误差<
±
60
°
)方向,以满足使用aoa时uwb天线
±
60
°
的有效测量角度,避免uwb信标脱离到接收角度之外;旋转机构一端固定在车子上,另一端承载uwb基站天线进行360
°
旋转跟踪uwb信标方向,固定端和旋转端通过角度编码器可以测得uwb信标和uwb基站所在直线相对于uwb基站的天线的当前朝向的第一方位角b(-180
°
《b《180
°
),结合此时uwb基站
测得的uwb信标与uwb基站之间的当前距离lm和uwb基站的天线的当前朝向相对于目标跟随设备的当前运动方向的第一夹角c(-60
°
《c《60
°
),进而通过上述目标跟随方法可以得到第二方位数据,包括目标位置与uwb基站之间的当前距离,以及目标位置与uwb基站所在直线相对于目标跟随设备的当前运动方向的第二方位角。
151.进一步地,该旋转装置还可以拓展成为视频记录的旋转云台,加上视频设备后,可以保证视频设备的镜头始终指向目标跟随对象,配合实现全程实时对目标跟随对象进行动态视频录制。
152.以上,本技术采用了最新的uwb定位技术,利用uwb 10厘米级别的高精度定位技术及目标角度测量技术以及高速通讯技术等,实现了目标跟随设备对目标跟随对象的近距离紧密跟随并交换数据;本技术利用三角函数的计算,实现了目标跟随设备不但可以在目标跟随对象的后方进行很碎,还可以在目标跟随对象的左右两侧进行跟随,特别适用于超市、机场、车站、车间、高尔夫球场等室内外场合的近距离跟随;本技术还利用了uwb的通讯功能,实现由uwb信标对目标跟随设备的遥控功能,也能实现uwb信标和uwb基站之间的双向数据交换,令使用者可以随时掌握目标跟随设备的工作状态,以及在uwb基站和uwb信标之间的信号丢失时在uwb信标端进行声音或震动提醒,从而本技术的实用性大幅提升。
153.在一个实施例中,如图13所示,提供了一种目标跟随系统,可以包括uwb信标和上述的目标跟随设备;uwb信标设于目标跟随对象上;
154.uwb信标用于向目标跟随设备输出跟随模式;目标跟随设备用于接收跟随模式并基于跟随模式动作。
155.以上,本技术的目标跟随系统利用uwb的高精确度定位,可以控制电动车等目标跟随设备在目标跟随对象的后方或者侧方进行跟随,可以精确控制目标跟随设备在目标跟随对象旁边紧密跟随,适合在狭窄地带运行;由于在实际使用中,后方跟随总容易给使用者不安心的感觉,而侧方跟随令车子处于使用的目光余光可见的位置,使用效果显著改善,因此侧方跟随模式令目标跟随设备在跟随的时候处于可见状态,加上uwb双向通信实现的状态更新功能,令使用者的使用更直观更安心,避免了车子跟随丢失或失控的情况发生;本技术利用uwb的双向通信功能,实现了对目标跟随设备的遥远控制,并同时可以监控目标跟随设备的各种参数状态,让目标跟随设备的跟随更可控也更可靠;还可以根据实际需要增加对目标跟随设备许多的遥控功能,并且本技术在发生意外的情况下,例如目标跟随设备跟丢、uwb信标失去联系或者与uwb信标距离过远,uwb信标端可以以声光震等多种方式提醒使用者,避免目标跟随设备丢失或因为意外动作损坏等风险,有效提高了实用性;uwb使用的1-6.5g的频段,穿透力更强,不容易因为遮挡产生的信号遮蔽现象,让跟随更可靠;同时,uwb基站与uwb信标间的定位信息的更新速率可以做到每秒10-200次甚至更高,经过控制器mcu进行数据滤波后,可以更精确连续实施目标跟随设备的前进速度和角度的控制;本技术的uwb基站和uwb信标都可以小型化设计,小型化的uwb基站让目标跟随设备的设计更灵活;小型化的uwb信标可以做成小型遥控器大小或者手表大小的规格,提高了便携性和可用性。
156.在一个实施例中,提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
157.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程,是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机
可读取存储介质中,该计算机程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。其中,本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用,均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(read-only memory,rom)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(random access memory,ram)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限,ram可以是多种形式,比如静态随机存取存储器(static random access memory,sram)或动态随机存取存储器(dynamic random access memory,dram)等。
158.在本说明书的描述中,参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
159.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
160.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本技术构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本技术的保护范围。因此,本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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