目标对象跟随方法、装置、电子设备和可读存储介质与流程

1.本发明涉及目标跟随的技术领域，尤其是涉及一种目标对象跟随方法、装置、电子设备和可读存储介质。


背景技术：

2.在现代生活中，服务机器人的运用越来越广泛。如在铁路、银行、医院、机场等场景中，巡检、运维等服务机器人都可被广泛应用。在这些场合中，此类机器人可对服务对象进行跟踪，以便提高服务对象的体验。
3.但在实际应用过程中，经发明人研究发现，目前跟随的技术，比较合适在空旷的应用场景中，但对于在一些存在空间限制的场合，如机房等，在视觉上，两者速度不一致，极容易发生目标对象丢失。另外其受限场地设施可能会对信号进行吸收、遮挡、屏蔽，进而也会使机器人丢失跟踪目标。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种目标对象跟随方法、装置、电子设备和可读存储介质，通过预设位置设置的超宽带基站，避免目标与基站间的通讯信号被障碍设施干扰，以缓解了服务机器人丢失跟踪对象的技术问题。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种目标对象跟随方法，多个超宽带基站设置在当前场景的预设位置，所述方法包括：
6.获取所述目标对象的当前位置，其中，所述当前位置基于所述超宽带基站对所述目标对象实时定位得到；
7.将所述当前位置转换到机器人坐标系，得到所述目标对象的导航位置坐标；
8.根据所述导航位置坐标，跟随所述目标对象。
9.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，获取所述目标对象的当前位置的步骤，包括：
10.按照预设时间间隔从超宽带服务器接收所述目标对象的当前位置。
11.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，将所述当前位置转换到机器人坐标系，得到所述目标对象的导航位置坐标的步骤，包括：
12.将所述当前位置转换到机器人坐标系，得到所述目标对象的初始位置坐标；
13.对所述初始位置坐标进行修正，得到所述目标对象的导航位置坐标。
14.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，将所述当前位置转换到机器人坐标系，得到所述目标对象的初始位置坐标的步骤，包括：
15.获取主超宽带基站的超宽带坐标和机器坐标，其中，所述主超宽带基站为与所述目标对象距离最近的超宽带基站，所述机器坐标为机器人坐标系下的主超宽带基站坐标；
16.基于所述目标对象的当前位置以及所述主超宽带基站的超宽带坐标和机器坐标，确定所述目标对象在机器人坐标系下的初始位置坐标。
17.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，对所述初始位置坐标进行修正，得到所述目标对象的导航位置坐标的步骤，包括：
18.根据机器人采集设备和超宽带设备的精度误差，对所述初始位置坐标进行修正，得到所述目标对象的导航位置坐标，其中，所述机器人采集设备用于采集所述机器人坐标系下的超宽带基站坐标，所述超宽带设备用于采集超宽带坐标系下的目标对象坐标。
19.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，对所述初始位置坐标进行修正，得到所述目标对象的导航位置坐标的步骤，还包括：
20.判断修正后的初始位置是否存在障碍物；
21.若不存在，则基于所述修正后的初始位置确定所述目标对象的导航位置坐标；
22.若存在，则将所述精度误差减小预设阈值，得到补偿误差；基于所述补偿误差对所述初始位置坐标进行修正，并执行判断修正后的初始位置是否存在障碍物的步骤。
23.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述预设位置为所述当前场景中障碍物的至少一侧。
24.第二方面，本发明实施例还提供一种目标对象跟随装置，多个超宽带基站设置在当前场景的预设位置，所述装置包括：
25.获取模块，获取所述目标对象的当前位置，其中，所述当前位置基于所述超宽带基站对所述目标对象实时定位得到；
26.转换模块，将所述当前位置转换到机器人坐标系，得到所述目标对象的导航位置坐标；
27.跟随模块，根据所述导航位置坐标，跟随所述目标对象。
28.第三方面，实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述前述实施方式任一项所述的方法的步骤。
29.第四方面，实施例提供一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，机器可执行指令促使处理器实现前述实施方式任一项所述的方法的步骤。
30.本发明实施例带来了一种目标对象跟随方法、装置、电子设备和可读存储介质，通过在空间有限的场景的特定位置设置多个超宽带基站，对目标对象位置进行定位，获取该超宽带坐标系下的目标对象位置，并转换到机器人坐标系下，以便机器人根据该导航位置坐标进行移动，以实现跟随目标对象的目的。
31.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
32.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有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
附图是本发明的一些实施方式，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。
34.图1为本发明实施例提供的一种目标对象跟随方法流程图；
35.图2为本发明实施例提供的一种超宽带基站设置位置示意图；
36.图3为本发明实施例提供的一种超宽带基站定位目标对象的示意图；
37.图4为本发明实施例提供的一种机器人跟随处理系统示意图；
38.图5为本发明实施例提供的一种目标对象跟随装置的功能模块示意图；
39.图6为本发明实施例提供的电子设备的硬件架构示意图。
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.目前，对于跟随机器人来说，其可通过机器人内部配置的深度摄像机、超声雷达等传感器，对周围环境进行实时监测，通过识别、测距定位目标跟随对象的位置。但此种方案只适合空旷场地或其他简单场景中，若在机房等空间限制场景，场景中的设施分布密集，可能一个较急的拐弯，障碍设施就会遮挡通讯信号，进而极易发生目标丢失，导致机器人的随人随工功能无法使用。
42.基于此，本发明实施例提供的一种目标对象跟随方法、装置、电子设备和可读存储介质，通过预设位置设置的超宽带基站，避免目标与基站间的通讯信号被障碍设施干扰。
43.为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种目标对象跟随方法进行详细介绍，该方法可应用于进行目标对象跟随的机器人设备的控制器中。该机器人主要应用在存在空间限制的场地场景中，其中可将多个超宽带基站设置在当前场景的预设位置，用于对目标对象在超宽带坐标系下的位置进行识别定位。该目标对象可包括携带标签工卡的用户，用户可当前场景下进行移动，该标签工卡可包括射频芯片，通过该标签工卡向每个超宽带基站发送信号，以使超宽带基站感知该场景下移动的目标对象的实时位置。
44.图1为本发明实施例提供的一种目标对象跟随方法流程图。
45.参照图1，该方法包括以下步骤：
46.步骤s102，获取所述目标对象的当前位置。
47.其中，所述当前位置基于所述超宽带基站对所述目标对象实时定位得到；目标对象可能处于移动状态，每次均能够获取到当前目标对象所处的位置，以便机器人进行跟随。
48.需要说明的是，超宽带(ultra wide band，uwb)技术是一种无线载波通信技术。
49.步骤s104，将所述当前位置转换到机器人坐标系，得到所述目标对象的导航位置坐标。
50.示例性地，为了实现机器人自动跟随目标对象，将超宽带基站检测到的目标对象坐标转换到机器人坐标系，以使机器人能够知晓该目标对象所在位置。
51.步骤s106，根据所述导航位置坐标，跟随所述目标对象。
52.其中，机器人可移动到该导航位置坐标，实现跟随目标对象的目的。
53.在实际应用的优选实施例中，通过在空间有限的场景的特定位置设置多个超宽带基站，对目标对象位置进行定位，获取该超宽带坐标系下的目标对象位置，并转换到机器人坐标系下，以便机器人根据该导航位置坐标进行移动，以实现跟随目标对象的目的。
54.在一些实施例中，如图2所示，所述预设位置为所述当前场景的障碍物的至少一侧，图2中标号所在的位置均为设置基站的位置。
55.其中，当前场景直接至少安装三台基站以实现二维定位效果，具体的安装数量可结合现场实际情况而定。该预设位置可设置在具有可能屏蔽信号的通路中，以实现区域内的超宽带定位信号无死角全面覆盖。其中，该二维定位精度和天线的安装位置有直接关系，定位天线的安装位置和工程中的实际位置要对应，天线的信号线不能接反。
56.在一些实施例中，为了更加精确地跟随目标对象，避免中途对象丢失的问题，步骤s102，包括：
57.步骤1.1)，按照预设时间间隔从超宽带服务器接收所述目标对象的当前位置。
58.其中，超宽带服务器可按照预设时间间隔，如每5秒，发送一次目标对象的当前位置给机器人控制器，又如，机器人可每5秒向超宽带服务器请求该目标对象的当前位置，以便机器人能够紧跟目标对象，不会出现中途丢失的问题。可以理解的是，该当前位置为目标对象在超宽带坐标系下的位置坐标。
59.需要说明的是，机器人在执行到达该坐标点指令过程中，如在下一条到达控制指令前，已到达该位置，则机器人停止等待下一条命令；如在下一条指令到达后，未到达该位置，则机器人抛弃上一条指令，执行当前指令。当人+标签移动停止时，默认机器人已经到达目标位置，则停止执行其他运动命令，优先触发从uwb基站获取标签坐标信息，执行坐标转换机制，并指定到达该新坐标点位。
60.此外，还可当目标对象产生位移时，发送该目标对象的所在位置给机器人，以便机器人及时跟随。
61.需要说明的是，超宽带基站可通过到达时间差算法(time difference of arrival，tdoa)实现对目标对象的定位。主超宽带基站为与所述目标对象距离最近的超宽带基站。
62.tdoa定位是一种利用时间差进行计算的方法。精准的绝对时间相对较难测量，通过比较信号到达各个uwb定位基站的时间差，计算出信号到各个定位基站的距离差，确定出距离目标对象最近的主基站(服务基站)，再以该主基站以及其相邻的至少两个基站共同对目标对象进行定位。如图3所示，以上述三个基站r1、r2、r3为焦点，距离差为长轴的双曲线，三组双曲线的交点o就是携带标签的目标对象的位置。
63.示例性地，如图3所示：uwb定位基站的坐标分别为r1(x1，y1)、r2(x2，y2)、r3(x3，y3)、r4(x4，y4)，基站r1、r2、r3、r4在安装部署时位置固定且坐标已知，所求定位标签的坐标为o(xo，yo)。脉冲信号的传播速度为常数v＝30万km/秒，假设脉冲信号从标签o到达基站r1、r2、r3、r4的时间为t1、t2、t3、t4，分别以(r1、r4)，(r2、r4)，(r3、r4)做为焦点，定位标签o发送的信号到两基站间的距离差为常数，可以得到3组双曲线，双曲线的交点即是定位标签o的坐标。求解坐标(xo，yo)的方程组如下公式所示：
64.[0065][0066][0067]
需要说明的是，目标对象携带的标签将数据包发送到被基站覆盖的区域内，附近的所有基站都会收到标签发出的无线信号，但不会返回任何无线信号。由于基站与标签的距离间隔不同，因此消息在不同的时刻到达每个基站。这些时间差乘以空间中恒定的光速得到标签和基站之间的距离差，这样就可以形成多点定位计算的基础，从而确定标签的相对坐标。
[0068]
在一些实施例中，步骤s104还可通过以下步骤实现，包括：
[0069]
步骤2.1)，将所述当前位置转换到机器人坐标系，得到所述目标对象的初始位置坐标。
[0070]
示例性地，获取主超宽带基站的超宽带坐标和机器坐标，其中，所述机器坐标为机器人坐标系下的主超宽带基站坐标；基于所述目标对象的当前位置以及所述主超宽带基站的超宽带坐标和机器坐标，确定所述目标对象在机器人坐标系下的初始位置坐标。
[0071]
需要说明的是，日常生活中往往需要物体的三维坐标来进行定位，但纵向坐标对坐标位置的影响不大，因此本发明实施例只取用x，y平面坐标系对目标对象进行定位。在实际应用中，uwb坐标系下的超宽带基站是以uwb基站为坐标原点，机器人坐标系下，假设以充电桩为原点(0，0)建立，固定安装的基站在机器人坐标系下有固定的坐标信息为(b1x，b1y)，而uwb定位系统计算该基站坐标为(0，0)，因此，可以知晓两个坐标系中各坐标的对应关系。若目前携带标签的目标对象的在超宽带基站坐标系下的位置为(a，b)，则获得携带标签的目标对象在机器人坐标体系的位置为x＝b1x-a，y＝b1y-b。
[0072]
步骤2.2)，对所述初始位置坐标进行修正，得到所述目标对象的导航位置坐标。
[0073]
示例性地，根据机器人采集设备和超宽带设备的精度误差，对所述初始位置坐标进行修正，得到所述目标对象的导航位置坐标，其中，所述机器人采集设备用于采集所述机器人坐标系下的超宽带基站坐标，所述超宽带设备用于采集所述超宽带坐标系下的目标对象坐标。
[0074]
其中，机器人巡检系统初始化时候，首先需要建立导航地图模型，该机器人采用同步定位与建图(simultaneous localization and mapping，slam)技术构造机器人坐标系下当前场景对应的地图模型。通过感知自身周围环境来构建3d增量式地图，通常将建立的导航地图存储在机器人系统中，因为实时构建地图占用机器人资源巨大，影响机器人运动的反应能力，而事先建立好导航地图，降低实时构建点云地图所耗用资源，从而能比较顺利实现机器人的自主定位和导航。
[0075]
作为一种可选的示例，在机器人底盘前部安置了一个采集设备，如激光雷达，机器人前端的左右两侧各有一个编码器/轮速里程计。该激光雷达，能够270度探测前端周围环境，测量距离最大可达10m，可以有效的提升避障效率。本方案可采用sick雷达，扫描范围10米，扫描角度270
°
，分辨率0.33
°
，保障一定的建模精度。机器人利用slam技术建立了导航地图模型，建立属于机器人的坐标体系，机器人可以任意到达地图坐标体系内许可的任意点。
[0076]
需要说明的是，因为uwb定位精度和slam定位精度不同，这样会使超宽带坐标系到机器人坐标系转换的坐标会存在一定误差，导致机器人按照导航位置坐标实际到达的位置
和期望到达的位置有较大的偏差。本发明实施例可基于机器人采集设备和超宽带设备的精度误差采用误差补偿机制，如uwb定位系统定位精度在10cm左右，slam定位精度在2cm左右，其中存在近80mm的位置差距，补偿修正后，该导航位置坐标信息变为：x’＝x-80，y’＝y-80。
[0077]
作为一种可选的实施例，为了进一步保证机器人跟随安全，前述步骤还包括：
[0078]
步骤3.1)，判断修正后的初始位置是否存在障碍物。
[0079]
需要说明的是，按照上述实施例步骤进行坐标修改后，该导航位置坐标可能并不适合机器人停驻，故而为了机器人的跟随安全，在控制机器人按照该导航位置坐标跟随之前，先判断该修正后的初始位置所在区域是否存在障碍。
[0080]
步骤3.2)，若不存在，则基于所述修正后的初始位置确定所述目标对象的导航位置坐标。
[0081]
示例性地，此时即可控制机器人按照该导航位置坐标移动，以跟随目标对象。
[0082]
步骤3.3)，若存在，则将所述精度误差减小预设阈值，得到补偿误差；基于所述补偿误差对所述初始位置坐标进行修正，并执行步骤3.1)。
[0083]
其中，通多累积多次定位结果数据分析，系统会获得一个定位距离差，距离差设置一般为通道的实际宽度三分之一，实际根据定位效果进行微调，调整幅度在正负20cm；即作为一种示例，可基于该定位距离差确定预设阈值。
[0084]
可以理解的是，在复杂的各种受局限的机房等场景中，厘米位置级别的误差也是不能允许的，也会让机器人出现碰撞。本发明实施例在前述实施例的基础上采用补偿修正机制，由机器人判断该补偿后的位置是否在合法的区间内(非障碍区)，如在，则机器人执行到达该位置，如不在，则需要执行补偿修正机制，先使该精度误差减小一个阈值，再基于该调整后的精度误差对初始位置坐标进行修正，例如该阈值为30，则调整后的精度误差为80-30＝50，该修正后的初始位置坐标为：x”＝x
’‑
50，y”＝y
’‑
50，即(x”，y”)是最终的机器人指定到达位置。
[0085]
作为另一种可选的示例，在机房狭长的通道场景中，可通过uwb一维定位方法，即只需要定位目标在该通道的实时相对位置，如图4中人+标签所处的通道。
[0086]
可以理解的是，在一维定位中，由于该通道宽度固定，只是前后位置有位置误差，因此，在这个狭长通道中，提高了uwb的定位精度。
[0087]
在实际应用中，uwb还可通过一维定位与二维定位相结合的方式对目标对象的位置进行定位；示例性地，可预先在uwb定位服务器中设置分组，将位于同一狭长区域中两个基站设置为一维定位模式，其他区域设置为二维定位模式，定位服务器检测当前标签的位置，自动启动相应的定位模式，使得系统获得最佳的定位精度。
[0088]
图4为本发明实施例提供的一种机器人跟随处理系统示意图。
[0089]
参考图4，首先是数据流向：标签+人
‑‑‑
》uwb基站
‑‑‑
》确定标签+人uwb坐标
‑‑‑
》交换机
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》uwb定位服务器
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》坐标系转换融合算法
‑‑‑
》取得标签人slam体系坐标
‑‑‑
》机器人slam导航服务器
‑‑‑
》机器人控制系统
‑‑‑
》发指令给机器人移动到标签人位置。
[0090]
可以理解的是，目标对象携带标签在当前机房中移动，每个超宽带基站每隔5秒采集一次标签的位置，并将标签位置进行记录并发送到超宽带服务器中，该超宽带服务器将标签位置发送给机器人，以使机器人将超宽带坐标系下的标签位置转换到机器人坐标系，并依据该转换后的导航位置坐标，进行移动，实现即时跟随目标对象的目的。
[0091]
本发明实施例提供了基于超宽带技术在信息机房等限制场景下而开发定制的运维机器人的目标对象跟随方法，采用在有限场地中可能会出现信号遮挡的位置布置一定数量的超宽带基站，基于超宽带信号在全场建立的超宽带坐标系下的定位位置地图，再结合机器人在该区域内的激光导航地图，使两张图进行补偿融合。当维修工人(目标对象)在区域内走动时，首先超宽带基站俘获其在超宽带坐标系下的实时位置信息，通过预设的发送频率将该位置信息给到机器人，机器人通过算法补偿换算成机器人坐标系下的导航坐标点，然后控制机器人移动到达该导航坐标点，机器人通过走自身的导航系统抵达该导航坐标点，以达到机器人紧跟维修工人的目标效果。本发明实施例克服了在限制场景中跟丢目标、失去位置信息的缺点，通过将机器人导航地图与超宽带位置地图融合，机器人可完全依靠自身导航系统移动，能比较顺利达到机器人跟随目标对象，对目标对象进行监控的目的，完成机房等限制场景的监护监控任务。
[0092]
如图5所示，本发明实施例提供一种目标对象跟随装置，多个超宽带基站设置在当前场景的预设位置，所述装置包括：
[0093]
获取模块，获取所述目标对象的当前位置，其中，所述当前位置基于所述超宽带基站对所述目标对象实时定位得到；
[0094]
转换模块，将所述当前位置转换到机器人坐标系，得到所述目标对象的导航位置坐标；
[0095]
跟随模块，根据所述导航位置坐标，跟随所述目标对象。
[0096]
本发明实施例提供的用于实现一种电子设备，本实施例中，所述电子设备可以是，但不限于，个人电脑(personal computer，pc)、笔记本电脑、监控设备、服务器等具备分析及处理能力的计算机设备。
[0097]
作为一种示范性实施例，可参见图6，电子设备110，包括通信接口111、处理器112、存储器113以及总线114，处理器112、通信接口111和存储器113通过总线114连接；上述存储器113用于存储支持处理器112执行上述方法的计算机程序，上述处理器112被配置为用于执行该存储器113中存储的程序。
[0098]
本文中提到的机器可读存储介质可以是任何电子、磁性、光学或其它物理存储装置，可以包含或存储信息，如可执行指令、数据，等等。例如，机器可读存储介质可以是：ram(radom access memory，随机存取存储器)、易失存储器、非易失性存储器、闪存、存储驱动器(如硬盘驱动器)、任何类型的存储盘(如光盘、dvd等)，或者类似的存储介质，或者它们的组合。
[0099]
非易失性介质可以是非易失性存储器、闪存、存储驱动器(如硬盘驱动器)、任何类型的存储盘(如光盘、dvd等)，或者类似的非易失性存储介质，或者它们的组合。
[0100]
可以理解的是，本实施例中的各功能模块的具体操作方法可参照上述方法实施例中相应步骤的详细描述，在此不再重复赘述。
[0101]
本发明实施例所提供计算机可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序代码被执行时可实现上述任一实施例所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
[0102]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0103]
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0104]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0105]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。