CN112337059A - 运动设备的伴随控制 - Google Patents

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CN112337059A CN202010788597.6A CN202010788597A CN112337059A CN 112337059 A CN112337059 A CN 112337059A CN 202010788597 A CN202010788597 A CN 202010788597A CN 112337059 A CN112337059 A CN 112337059A
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Abstract

一种控制系统包括运动设备，该运动设备配置成伴随移动对象，例如人操作者或机器人设备。控制系统配置成基于移动对象中的至少一个相对于运动设备的位置或运动设备相对于移动对象的位置来控制运动设备的运动。控制系统配置成控制运动设备以维持运动设备相对于移动对象的位置，从而以使运动设备的运动与移动对象的运动同步。

Description

运动设备的伴随控制
技术领域
本公开整体涉及配置成通过其自身动力移动的运动设备的伴随控制。
背景技术
与高效电动马达的设计和能量存储方法相关的技术上的最新进展实 现各种电力运动设备。例如，运动设备可以包括个人运动设备，例如机器 人旅行行李箱、智能购物车等。
在一些示例中，可以控制人跟随运动系统以跟随人操作者的路径，同 时在必要时避开障碍物。在人跟随设备中使用的方法之一可以包括通过实 时处理由安装在设备上的一个或更多个摄像机获得的人图像来获得关于 人操作者相对于运动设备的位置的信息。在这些示例中，人操作者可以摆 脱设备。在一些情况下，摄像机可能例如在光照改变下发生故障，并且在 拥挤的环境中，准确的运动控制将是困难的。
在其他示例中，人跟随控制系统可以使用诸如超宽带或蓝牙技术等的 无线通信技术。在无线通信技术的一些情况下，跟随控制的精度可能受到 人操作者的位置信息的精度水平的限制。
在一些示例中，可以使用超声转换器系统。例如，安装在运动设备上 的至少两个超声波接收器可以跟踪从由人操作者携带的超声波发射器产 生的超声波。在超声波通信的一些情况下，来自其它发射器的波或由于来 自环境的波的反射而引起的波的间接发射可能导致干扰，并且基于超声波 通信技术的人跟随控制可能在控制的准确度、精度或时延方面受到限制。
发明内容
本公开描述了一种能够伴随移动对象的伴随运动系统。例如，运动系 统可以伴随人操作者。在一些实施方式中，伴随运动系统可以不同于被控 制以跟随诸如人操作者的移动对象的路径的其他对象跟随系统。在一些实 施方式中，基于人操作者的移动以同步方式控制人伴随运动系统移动，以 维持距人操作者的范围(例如，相对于人操作者的恒定位置或范围)并且 在必要时避开障碍物。例如，人伴随运动系统可以在操作期间相对于人操 作者放置在任何位置出。特别地，可以控制人伴随运动系统以在人操作者 的前方、后方、左侧或右侧的任何位置处伴随人操作者。
本公开还描述了一种包括电源的运动设备的伴随控制方法。在一些示 例中，控制系统可以包括至少一个位置测量系统，其利用极坐标相对于运 动设备来定位例如人操作者的移动对象上的点。控制系统可以通过位置测 量系统获得关于移动对象的运动和移动对象相对于运动设备的位置的信 息。控制系统可以基于获得的信息控制运动设备，使得运动设备在相对于 移动对象的恒定位置处伴随移动对象。
根据本申请中描述的主题的一个方面，一种配置成伴随移动对象的系 统包括：至少一个运动设备，其配置成在地表面上移动并且基于地表面上 的至少两个运动自由度而受控制；坐标测量单元，其配置成测量移动对象 相对于运动设备的极坐标；以及控制器，其配置成基于移动对象相对于运 动设备的极坐标来控制运动设备的运动，以将运动设备的位置维持在相对 于移动对象的预设范围内。移动对象相对于运动设备的极坐标是基于移动 对象上的点相对于固定到运动设备的参考坐标系的极坐标来确定的。
根据该方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或更多个。例如， 运动设备包括：电源，其配置成供应使运动设备能够运动的电力；以及驱 动设备，其配置成基于从电源供应的电力来使运动设备移动。在一些示例 中，移动对象的极坐标包括：距离分量，其表示移动对象的投影到地表面 上的第一点与运动设备的投影到地表面上的第二点之间的距离；以及角度 分量，其表示由从地表面上的第一点到第二点的延长线相对于经过地表面上的第二点的参考线而限定的角度。控制器配置成控制运动设备的运动， 以将距离分量或角度分量中的至少一者维持在距预设值的一定范围内。
在一些实施方式中，运动设备包括以下之一：全向驱动设备，其配置 成基于地表面上的三个运动自由度来驱动运动设备；差动驱动设备，其包 括两个轮，所述两个轮配置成绕共线的转动轴线转动并且配置成独立受控 制；三轮车驱动设备，其包括配置成控制运动设备的行进方向的至少一个 转向轮和配置成使运动设备移动的至少一个驱动轮；或者有腿式驱动设备， 其包括配置成独立受控制的至少两个腿。在一些实施方式中，系统还包括 线分配管，其耦接到坐标测量单元并且配置成容纳和分配线，所述线配置 成将运动设备连接到移动对象。
在一些实施方式中，坐标测量单元包括可缩回线机构，可缩回线机构 包括：主体，其设置在所述运动设备处；线，其配置成从主体分配和缩回 到主体中；第一转动传感器，其配置成测量线的所分配的部分的长度；第 二转动传感器，其配置成测量线的所分配的部分相对于运动设备的取向； 以及张力设备，其配置成对线提供张力，从而以允许线缩回到主体中。线 可以具有预定长度。在一些示例中，张力设备包括连接到线的螺旋扭转弹 簧。在一些示例中，张力设备包括电动马达，该电动马达连接到线并且配 置成控制线中的张力。
在一些实施方式中，控制器还配置成：获得顺序数据，所述顺序数据 包括作为时间的函数的、线的所分配的部分的长度或取向中的至少一者； 根据顺序数据识别移动对象的预限定信号模式或姿势；以及执行与所识别 的信号模式或姿势相对应的任务。
在一些实施方式中，坐标测量单元包括配置成输出光和接收返回的光 的激光距离测量系统，其中激光距离测量系统配置成：生成包括相对于运 动设备的、与移动对象的多个点相对应的多个极坐标的范围数据集；以及 输出范围数据集中、相对于运动设备的、与移动对象的至少一个点相对应 的、多个极坐标中的一个极坐标。
在一些实施方式中，极坐标测量单元包括配置成采集图像的摄像机系 统，其中摄像机系统配置成：基于所述图像，生成包括相对于运动设备的、 与移动对象的多个点相对应的多个极坐标的范围数据集；以及从范围数据 集输出相对于运动设备的、与移动对象的至少一个点相对应的、多个极坐 标中的一个极坐标。
在一些实施方式中，控制器还配置成基于移动对象的、投影到地表面 上的点的极坐标，控制运动设备的运动，以将移动对象的点相对于运动设 备的极坐标维持在距预设值的一定范围内。
在一些实施方式中，控制器还配置成：基于移动对象的、投影到地表 面上的点的极坐标的极到笛卡尔变换来获得移动对象的、投影到地表面上 的点的笛卡尔坐标；以及基于移动对象的、投影到地表面上的点的笛卡尔 坐标，控制运动设备的运动以将移动对象的点相对于运动设备的笛卡尔坐 标维持在距预设值的一定范围内。这里，笛卡尔坐标包括沿着彼此正交的 两个轴限定的至少两个距离分量。
在一些实施方式中，坐标测量单元包括可缩回线机构，该可缩回线机 构包括：主体，其设置在运动设备处；线，其配置成从主体分配和缩回到 主体中；转动传感器，其配置成测量线的所分配的部分的长度；力传感器， 其配置成测量线中的张力和线的所分配的部分相对于运动设备的取向中 的每一个；以及张力设备，其配置成对线提供张力，从而以允许线缩回到 主体中。线可以具有预定长度。
在一些实施方式中，坐标测量单元包括可缩回线机构，该可缩回线机 构包括：线，其配置成通过施加到线的张力而伸长；以及力传感器，其配 置成测量施加到线的张力、所伸长的线相对于运动设备的取向以及所伸长 的线的长度中的每一个。
在一些实施方式中，控制器配置成：在伴随模式中，基于(i)移动 对象与运动设备之间的距离和(ii)移动对象相对于运动设备的方向角两 者，来控制运动设备的运动，从而以将距离和角度分别维持在预设距离范 围和预设角度范围内；以及在跟随模式中，基于移动对象与运动设备之间 的距离来控制运动设备的运动，以将该距离维持在预设距离范围内。
在一些实施方式中，控制器还配置成：限定围绕运动设备的多个区域； 确定移动对象的位置是否对应于多个区域中的一个区域；以及根据多个区 域中的一个区域控制运动设备的运动。
根据另外的方面，一种配置成伴随移动对象的系统包括：至少一个运 动设备，其配置成在地表面上移动并且基于地表面上的至少两个运动自由 度而受控制；坐标测量单元，其配置成测量运动设备相对于移动对象的极 坐标；以及控制器，其配置成基于运动设备相对于移动对象的极坐标，来 控制运动设备的运动，以将运动设备的位置维持在相对于移动对象的预设 范围内。运动设备相对于移动对象的极坐标是基于运动设备上的点相对于 固定到移动对象的参考坐标系的极坐标来确定的。
根据该方面的实施方式可以包括上面描述的特征中的一个或更多个 特征。
所描述的技术的实施方式可以包括硬件、至少部分地以硬件实现的方 法或过程、或者编码有可执行指令的计算机可读存储介质，当由一个或更 多个处理器执行时，所述可执行指令执行操作。
在附图和以下描述中阐述了一个或更多个实施方式的细节。根据说明 书和附图以及权利要求书，其它特征将是明显的。
附图说明
图1示出了包括通过线连接到人操作者的自供电运动设备的伴随运 动系统的示例。
图2示出了表示示例线的长度和线相对于示例运动设备的取向的示 例变量L、α、r和θ。
图3A和图3B示出了配置成基于极坐标来操作的伴随控制器的示例。
图4和图5一起示出了表示基于极坐标来操作的伴随控制器的示例的 框图。
图6A和图6B示出了配置成基于笛卡尔坐标来操作的伴随控制器的 示例。
图7示出了表示配置成基于笛卡尔坐标来操作的伴随控制器的示例 的框图。
图8示出了配置成基于极坐标来操作的伴随控制器的另外的示例。
图9描绘了配置成基于极坐标来操作的伴随控制器的示例的框图。
图10示出了配置成基于笛卡尔坐标来操作的伴随控制器的另外的示 例。
图11描绘了配置成基于笛卡尔坐标来操作的伴随控制器的示例的框 图。
图12A和图12B示出了包括三轮车驱动的运动系统的示例。
图13示出了包括三轮车驱动的伴随控制器的示例的框图。
图14A和图14B示出了跟随控制器的示例。
图15示出了跟随控制器的示例的框图。
图16示出了包括位于与受控制点的位置不同的位置处的传感器的非 并置控制系统的示例。
图17示出了包括配置成通过螺旋扭转弹簧缩回的线的极坐标测量系 统的示例。
图18示出了包括配置成通过电动马达缩回的线的极坐标测量系统的 示例。
图19示出了通过力传感器测量线的取向的示例。
图20示出了通过力传感器测量线的长度和取向的示例。
图21示出了使用激光距离测量系统或立体摄像机系统的无线极坐标 测量系统的示例。
图22示出了使用差动驱动运动设备的人伴随操作的示例。
图23示出了在示例人伴随操作中的人操作者的示例位置。
图24A和图24B示出了具有多个运动设备的人伴随操作的示例。
图25示出了在示例运动设备周围限定的可编程区域的示例。
图26示出了与连接移动对象和运动设备的线的长度或取向中的至少 一者的变化相对应的示例姿势信号。
图27A至图27G示出了伴随控制的示例应用。
在各个附图中相似的附图标记表示相似的元件。
具体实施方式
图1描绘了运动设备的人伴随操作的示例。例如，运动设备可以由驱 动设备驱动，该驱动设备包括用于差动驱动的两个机动轮。在一些示例中， 运动设备包括用于驱动轮5的电源，并且可以被称为“自供电”运动设备 2。例如，电源包括电池、太阳能电池板、燃料电池、马达等。运动设备 2还包括一个或更多个控制器，该一个或更多个控制器配置成基于控制轮 5来控制运动设备2的运动。控制器包括处理器和存储指令的非暂时性存 储器，所述指令配置成使处理器执行对运动设备2的伴随控制，在一些实 施方式中，运动设备2包括一个或更多个辅助轮6，该一个或更多个辅助 轮将运动设备2与驱动轮5一起支撑在地平面(即地表面)上。
在一些实施方式中，当人操作者1将线3拉出安装在自供电运动设备 2上的可缩回线机构4时，线3通过线分配管8被分配。可缩回线机构4 包括安装在可缩回线机构4内并且配置成测量通过线分配管8分配的线3 的一部分的长度和方向的传感器。线分配管8可转动地安装在可缩回线机 构4上。在一些实施方式中，自供电运动设备2配置成基于线3的分配部 分的长度达到预定值而开始移动以伴随人操作者1。在一些实施方式中， 移动对象(例如机器人设备、移动手推车等)对应于人操作者1。因此， 在本公开中，人操作者1和移动对象可以互换地使用。
运动设备2可以通过将所拉动的线的长度和相对取向都调节在预设 值内来执行人伴随操作。通过将线的长度和取向调节在预设值，运动设备 2可以伴随人操作者1同时维持相对于人操作者1的恒定位置。人伴随操 作最小化物理相互作用，该物理相互作用例如是将人操作者1连接到运动 设备2的线3中的张力。例如，可以通过螺旋扭转弹簧将张力维持在适当 水平，同时避免线3中的不可接受的松弛量。在另外的实施例中，线3 中的张力可以由马达主动地控制在大于对应于松散状态的阈值张力的第 一水平与小于对应于人操作者1能够承受的张紧状态的最大张力的第二 水平之间。
图2示出了用于人伴随控制的多个变量。例如，线3的取向角θ表示 通过将线3垂直地投影到地平面7上而获得的投影线31与平行于地平面7且相对于运动设备2在固定方向上延伸的参考线32之间的角度。因此， 角度θ表示人操作者1相对于运动设备2的取向。L表示从可缩回线机构 4分配的线3的部分的长度，并且P表示从线3的人侧端(点Q)垂直投 影到地平面7上的点。当人操作者1在地平面7上移动时，点Q相对于 运动设备2的位置可以改变，且因此L和θ可以相应地变化。假设线3 具有预定长度，该预定长度不会由于线3中的张力而改变或改变可忽略的 量。
除了变量θ和L之外，图2还示出了另外两个变量r和α。变量r表 示点O与点P之间的距离，其中点O是线分配管8的转动轴线9与地平 面7相交的点。即，变量r表示L到地平面7上的投影长度。变量α表示 线3相对于平行于地平面7的平面的仰角。四个变量r、L、α和θ可以随 着人操作者1在地平面7上移动而改变。
在一些实施方式中，通过主要将两个变量r和θ分别调节在预设恒定 值，可以实现将运动设备2相对于人操作者1维持在恒定位置的人伴随控 制。变量r和θ可以用作相对于点O表示点P的极坐标的两个变量。在 一些示例中，将θ以及r控制在预设值可以使得能够在人伴随操作期间维 持运动设备2相对于人操作者1的相对配置。在一些示例中，r可以由等式r＝L cos(α)间接确定。
参照图3A和图3B，运动设备2包括在地平面7上的至少两个自由 度的移动性，其中运动设备2的瞬时转动中心(IC)可以位于地平面7 上的任意点处。在一些示例中，运动设备2可以具有在地表面上的三个自 由度移动性，即全向移动性，包括两个自由度的平移移动性和一个自由度 的转动移动性。可以根据如何利用一个或更多个冗余自由度的移动性来设 计许多不同的伴随控制方法。
一个示例性方法可以是使用两个自由度的平移移动性来控制运动设 备2的位置，并且使用剩余的一个自由度的转动移动性来控制运动设备2 的取向。图3A示出了配置成由包括两个独立速度可控轮的差动驱动机构 驱动的运动设备2，该两个独立速度可控轮的轴线是共线的，该差动驱动 机构允许运动设备2基于两个自由度的移动性移动。在一些示例中，运动 设备2可以包括有腿式驱动设备，该有腿式驱动设备包括配置成独立受控 制的至少两个腿(例如，机器人腿)。
在一些实施方式中，伴随控制可以包括两种不同的伴随控制方法。第 一种方法是控制移动对象(例如，人操作者1)的固定点相对于固定到运 动设备2的坐标系的坐标。相反，第二种方法是控制运动设备2的固定点 相对于固定到移动对象的坐标系的坐标。因此，这两种控制方法从相反的 视角来进行伴随控制。在一些实施方式中，这两种方法可以取决于操作情 况而可互换地使用，以最大化这两种方法的优点。
第一种方法控制移动对象1的固定点相对于固定到运动设备2的坐标 系的坐标。在一些实施方式中，第一种方法可以使用极坐标系或笛卡尔坐 标系。
将使用极坐标系来描述一个或更多个伴随控制技术。
在图3B中，在运动设备2上被限定为固定坐标系的笛卡尔坐标系 X-Y可以相对于地平面7平移和转动。例如，原点A可以位于驱动轮5 的公共轴线上，并且分别与左轮和右轮间隔开距离b和c。X轴和Y轴可 以如图3B所示设置。点O可以位于X轴上并且与原点A间隔开距离h。
移动对象1的绝对速度(即，点Q相对于地的速度)可以投影到地 平面7上并且使用极坐标系分解为Ur和Uθ，该极坐标系的原点位于具有如 图3B中所示限定的两个单位矢量
Figure BDA0002622953680000081
和
Figure BDA0002622953680000082
的点O处。点O的绝对速度(即， 点O相对于地的速度)可以类似地分解为Vr和Vθ。当人以由Ur和Uθ限定的 速度在地平面7上移动时，用于伴随控制的控制器通过控制点O的速度将线3的长度L和线3的取向角θ调节在预设值，点O的速度分别由左、 右驱动轮5的角速度ωL和ωR控制。在图3B所示的这个示例中，考虑到 右手定则，两个轮5的正转动方向被假设为与正Y轴对准。假设两个轮5 都具有半径a。
参照图3A和图3B描述使用极坐标的伴随控制方法。通过使用极坐 标(r，θ)来限定点P相对于点O的位置。为了控制线3的长度L，沿径 向方向(即沿连接两个点O和P的直线)产生点O的运动。换言之，通 过控制线的投影长度r来控制线的长度L，如图3B中的“r控制”所指示。 为了增加长度L，产生点O的运动以远离点P移动，而为了减小长度L， 产生点O的运动以朝向点P移动。
在控制线3的取向角θ中，在横向方向(例如垂直于连接两个点O 和P的直线的方向)上产生点O的运动，如图3B中的“θ控制”所指示。 为了增大角度θ，产生点O的运动，使得点O沿圆心在P处的半径为r 的圆、在逆时针方向上移动，而为了减小角度θ，产生点O的运动，使得 点O沿圆心在P处的半径为r的圆、在顺时针方向上移动。
将点P相对于点O的极坐标的两个分量r和θ的时间变化率与移动 对象的速度(即，Ur和Uθ)和点O的速度(即，Vr和Vθ)相关联的运动学 关系可以容易地表达为以下等式(“Eqn.(等式)”)。
Figure BDA0002622953680000091
Figure BDA0002622953680000092
Ω表示运动设备2相对于地的角速度并且可以被表达为以下等式。
Figure BDA0002622953680000093
使用等式<3>，等式<2>可以被改写为：
Figure BDA0002622953680000094
在一些实施方式中，控制器使用等式<1>和等式<4>作为系统的运动学模 型。假设由人操作者1设定线的期望的长度L*、期望的取向θ*以及期望的仰 角α*。则通过L*cosα*设定r*。图4示出了伴随控制器的示例的框图。径向误 差er＝r*-r以及角度误差eθ＝θ*-θ由两个PI(比例和积分)控制器调节， 所述两个PI控制器分别产生输出Cr与Cθ为
Cr＝Kprer+Kir∫erdt 等式<5>
Cθ＝Kpeeθ+Kiθ∫eθdt 等式<6>
其中，Kpr、Kir、Kpθ和Kiθ是用于控制器的比例和积分增益。PI控 制器的输出被组合以产生点O的所需速度分量Vr和Vθ为：
Vr＝-Cr 等式<7>
Figure BDA0002622953680000095
在一些情况下，即使Cr和Cθ是使用恒定增益设计的，Vθ也可以成为r和 θ的非线性函数，意味着Vθ取决于点P的当前位置。在一些示例中，将点O 的速度Vr和Vθ设计为使得由等式<1>和<4>描述的系统在点P的输入速度Ur和 Uθ下表现得像两个解耦的稳定二阶系统，并且当r cosθ＝-h时，即当点P在 差动驱动轮5的轴线上时，等式<8>的分母变为零，这意味着Vθ变为无穷大， 并且由于差动驱动系统施加的固有运动约束，在该奇异配置下角度误差 eθ＝θ0-θ可能不被控制。
在图4中，“测量和滤波”框测量信号并且然后使信号通过信号滤波 器，以便在操作期间减少或消除由线3的波动引起的可能的噪声。
现在根据差动驱动机构的运动学关系，能够得到左轮和右轮的所需的 角速度
Figure BDA0002622953680000101
和
Figure BDA0002622953680000102
分别为：
Figure BDA0002622953680000103
Figure BDA0002622953680000104
注意，在获得等式<9>和<10>时，假设两个驱动轮5在地平面7上不 滑动。通过使用等式<5>至等式<10>而获得的角速度
Figure BDA0002622953680000105
和
Figure BDA0002622953680000106
分别用作用 于左和右轮的速度控制器的参考速度。图4和图5一起描绘了根据极坐标 实现的示例人伴随控制器的整体结构。
将使用笛卡尔坐标描述一种或更多种伴随控制技术。
图6A示出了包括运动设备2的示例系统，该运动设备包括一个或更 多个轮5和6、安装在运动设备2的上表面上的可缩回线机构4、连接到 可缩回线机构4的线3以及设置在可缩回线机构4处并且配置成分配和接 收线3的线分配管8。图6B示出了在点O处附接到运动设备2的笛卡尔 坐标系X-Y。笛卡尔坐标系X-Y可以是平移和转动坐标系。正X轴和正 Y轴被假设为分别指向运动设备2的前方和左方。点P相对于X-Y框架 的坐标由(x，y)给出，并且每个分量的时间变化率可以表示为：
Figure BDA0002622953680000107
Figure BDA0002622953680000108
其中，Ω表示运动设备相对于地的角速度并且可以表示为：
Figure BDA0002622953680000109
将等式<13>代入等式<11>和<12>，可以获得系统的运动学模型为：
Figure BDA00026229536800001010
Figure BDA00026229536800001011
假设通过使用笛卡尔坐标(x*，y*)来设置点P相对于点O的期望位置。 然后，如图7中所示，可以采用PI控制器，该PI控制器调节在(x*，y*)处 P点相对于O点的相对位置。误差ex＝x*-x和ey＝y*-y可以由两个PI (比例和积分)控制器调节，这两个PI控制器分别产生输出Cx和Cy为：
Cx＝Kpxex+Kix∫exd 等式<16>
Cy＝Kpyey+Kiy∫eydt 等式<17>
其中，Kpx、Kix、Kpy和Kiy是用于控制器的比例和积分增益。组合 PI控制器的输出以产生点O的所需速度分量Vx和Vy为：
Figure BDA0002622953680000111
Figure BDA0002622953680000112
在一些情况下，即使Cx和Cy是使用恒定增益设计的，但是Vx和Vy也 可以是x和y的非线性函数，意味着Vx和Vy取决于点P的当前位置。在 一些示例中，将点O的速度Vx和Vy设计为使得由等式<14>和<15>描述的 系统在点P的输入速度Ux和Uy下表现得像两个解耦的稳定二阶系统，并且 当x＝-h时，即当点P在差动驱动轮5的轴线上时，由于差动驱动系统施 加的固有运动约束，在该配置下x误差ex＝x0-x和y误差ey＝y0-y都 不可被控制。当x＝-h时，Vy可以被设定为零，即对y误差不执行控制， 并且可以使用Vx＝-Cx仅控制x误差。
现在根据差动驱动机构的运动学关系，能够分别得到左和右轮的所需 的角速度
Figure BDA0002622953680000113
和
Figure BDA0002622953680000114
为：
Figure BDA0002622953680000115
Figure BDA0002622953680000116
注意，在获得等式<20>和<21>时，假设两个驱动轮5在地平面7上 不滑动。通过使用等式<16>至等式<21>而获得的角速度
Figure BDA0002622953680000117
和
Figure BDA0002622953680000118
分别用 作用于左和右轮的速度控制器的参考速度。图7描绘了根据笛卡尔坐标实 现的示例人伴随控制器的整体结构。
在下文中，将描述伴随控制的第二种方法。第二种方法控制运动设备 的固定点相对于固定到移动对象的坐标系的坐标。第二种方法可以使用极 坐标系和笛卡尔坐标系来实现。
将使用极坐标描述一种或更多种伴随控制技术。
在图8中，除了固定在运动设备2上的、原点在点A处的笛卡尔坐 标系XY之外，在人操作者1上还限定了另外的笛卡尔坐标系XpYp。笛 卡尔坐标系XpYp可以相对于地平移和转动。如图8中所示，Xp轴被对准 以指向人操作者1的前进方向并且对应于人移动方向，且Yp轴被设置为 指向人操作者1的左侧。在不失一般性的情况下，人操作者1的绝对速度
Figure BDA0002622953680000121
与Xp轴对准，并且能够通过测量相对于XY系统的速度
Figure BDA0002622953680000122
为如下，来 评估Xp相对于XY系统的取向：
Figure BDA0002622953680000123
Figure BDA0002622953680000124
其中，通过使用极坐标测量系统来测量r、
Figure BDA0002622953680000125
θ和
Figure BDA0002622953680000126
并且可以根据 假设在轮处无滑动的两个驱动轮的速度获得Ω、Vx和Vy为：
Figure BDA0002622953680000127
Figure BDA0002622953680000128
Vy＝hΩ 等式<26>
人相对于XY系统的Xp或速度
Figure BDA0002622953680000129
的方向可以由角度φ限定，该角度 为：
φ＝atan2(Uy，Ux)等式<27>
等式<27>中给出的角度φ限定了在点P处的笛卡尔坐标系XpYp。现 在假设运动设备的点O的极坐标
Figure BDA00026229536800001210
被设置成相对于一极坐标系来调 节，该极坐标系具有相对于XpYp系统限定的两个单位矢量
Figure BDA00026229536800001211
和
Figure BDA00026229536800001212
并且 相同点的当前极坐标被测量为：
ρo＝r 等式<28>
ψo＝π-φ+θ等式<29>
然后，误差
Figure BDA00026229536800001213
和
Figure BDA00026229536800001214
可以由两个PI(比例和积分) 控制器调节，这两个PI控制器分别产生输出Cρ和Cψ为：
Cρ＝Kpρeρ+Kiρ∫eρdt 等式<30>
Cψ＝Kpψeψ+Kiψ∫eψdt 等式<31>
在图8中，Cρ和Cψ分别被可视化为“ρ控制”和“ψ控制”。两个输 出Cρ和Cψ能够被变换为点O的所需的速度：
Vρ＝Cρ 等式<32>
Vψ＝ρoCψ 等式<33>
现在根据差动驱动机构的运动学关系，能够分别得到左和右轮的所需 的角速度
Figure BDA00026229536800001313
和
Figure BDA00026229536800001314
为：
Figure BDA0002622953680000131
Figure BDA0002622953680000132
图9示出了使用上述极坐标的示例控制器的整体结构。
将使用笛卡尔坐标描述一种或更多种伴随控制技术。
在图10中，除了固定在运动设备2上的、其原点在点A处的笛卡尔 坐标系XY之外，在人操作者1上还限定了另外的笛卡尔坐标系XpYp。 笛卡尔坐标系XpYp可以相对于地平移和转动。如图10中所示，Xp轴被对 准以指向人的前进方向并且对应于人移动方向，并且Yp轴被设置成指向 人的左侧。人操作者1的绝对速度
Figure BDA0002622953680000133
可以与Xp轴对准，并且可以通过测 量相对于XY系统的速度
Figure BDA0002622953680000134
为如下，来评估Xp相对于XY系统的取向：
Figure BDA0002622953680000135
Figure BDA0002622953680000136
其中，通过使用极坐标测量系统来测量r、
Figure BDA0002622953680000137
θ和
Figure BDA0002622953680000138
并且可以根据 假设在轮处无滑动的两个驱动轮的速度获得Ω、Vx和Vy为：
Figure BDA0002622953680000139
Figure BDA00026229536800001310
Vy＝hΩ 等式<40>
人相对于XY系统的Xp或速度
Figure BDA00026229536800001311
的方向可以由角度φ限定，该角度为：
φ＝atan2(Uy，Ux) 等式<41>
现在假设运动设备的点O的笛卡尔坐标
Figure BDA00026229536800001312
被限定为相对于笛卡 尔坐标系XpYp来调节，并且相同点的当前坐标被测量为：
xo＝-r cos(φ-θ) 等式<42>
yo＝+r sin(φ-θ) 等式<43>
然后，误差
Figure BDA0002622953680000141
以及
Figure BDA0002622953680000142
可以由两个PI(比例和积分) 控制器调节，这两个PI控制器分别产生输出Cx和Cy为：
Cx＝Kpxex+Kix∫exdt 等式<44>
Cy＝Kpyey+Kiy∫eydt 等式<45>
在图10中，Cx和Cy分别被可视化为“x控制”和“y控制”。两个输 出Cx和Cy能够被转换为点O的所需的速度为：
Vx＝Cxcosφ-Cysinφ 等式<46>
Vy＝Cxsinφ+Cycosφ 等式<47>
现在根据差动驱动机构的运动学关系，能够分别得到左和右轮的所需 的角速度
Figure BDA0002622953680000143
和
Figure BDA0002622953680000144
为：
Figure BDA0002622953680000145
Figure BDA0002622953680000146
图11示出了使用上述笛卡尔坐标的示例控制器的整体结构。
在下文中，将描述包括三轮车驱动系统的运动设备。
图12A和图12B示出了包括三轮车驱动的运动系统的示例，其中转 向轮51的取向ψ确定运动设备2的瞬时中心(IC)点在后轮5的公共轴 上的位置。在一些实施方式中，运动设备2包括两个转向轮，像汽车，并 且，因为以满足阿克曼转向几何学的方式使这两个转向轮转向，因此运动 设备可以等效地建模为三轮车驱动系统。
在一些实施方式中，三轮车驱动系统是通过驱动转向轮51来控制的， 例如通过采用另外的马达使转向轮同时可驱动来控制。在该示例中，在不 失一般性的情况下，假设轮51由马达转向并且右轮由另外的马达驱动以 对运动设备提供推力。
在一些实施方式中，用于三轮车驱动系统的伴随控制器如下获得。两 个PI控制器的输出Vx和Vy限定IC*点的期望位置，该IC*点为后轮的公共 轴与垂直于点O的期望速度矢量V的线相交的点，并且输出Vx和Vy确定 运动设备相对于地的期望角速度Ω*，运动设备应该绕IC*点、以该期望角 速度Ω*转向。IC*点的期望位置可以由s确定，s为：
Figure BDA0002622953680000151
并且可以获得运动设备的期望角速度Ω*为：
Figure BDA0002622953680000152
利用这些结果，可以分别获得驱动轮的期望转向角ψ*和期望角速度
Figure BDA0002622953680000153
为：
Figure BDA0002622953680000154
Figure BDA0002622953680000155
当Vy＝0时，等式<50>和<51>分别产生s＝∞和Ω*＝0，这表明运动设 备2处于直线运动或平移运动。图13示出了使用上述等式实现的控制器 的结构。
如至此描述的人伴随模式可以是控制器的操作的主要模式，其中或以 极坐标或以笛卡尔坐标来控制在诸如人操作者1的移动对象上的点相对 于运动设备2的坐标。运动设备2的第二操作模式可以是人跟随模式，其 中以放松的方式控制运动设备2。例如，在人跟随操作期间，仅控制人操 作者1与运动设备2之间的距离。换言之，与图3A和3B中所示的系统 相比，如图14A和14B中所示，仅执行长度控制而不执行角度控制。
图15示出了人跟随控制器的示例。
在一些实施方式中，根据用于极坐标测量的传感器的位置提供等效控 制器。
如图4、图5、图7、图9、图11、图13和图15中所示，控制器结 构包括框，这些框的增益是几何参数b、c和h的函数，几何参数b、c 和h限定了点O、可缩回线机构相对于运动设备2的位置，即用于极坐标 测量的传感器相对于运动设备的位置。在这三个参数中，参数h位于增益 的分母中，且因此，当h＝0时，即点O位于由两个后轮的共线轴线限定 的线上。在这种情况下，图4、图5、图7、图9、图11、图13和图15 中所示的控制器结构可能不工作，因为增益值由于被零除而不可能被确定。 然而，不管传感器的位置如何，所提出的控制器结构的一般适用性可以解 释如下。
图16示出差动驱动运动系统的示例。在该示例中，可缩回线机构位 于在两个驱动轮5的共线轴线的线上限定的点O处。此外，假想点O′可 以设置在偏离如图12B中所示的两个轮的公共轴线的线的点处，并且点 O′能够用作设备的新控制点。换言之，运动系统是非并置系统，其中传 感器的位置和控制点的位置是不同的。尽管如此，在点O处从可缩回线机构获得的测量值r和θ可以容易地转换成如果可缩回线机构位于点O′处 则将获得的测量值r′和θ′。
r′＝{r2sin2θ+(r cosθ-h)2}1/2 等式<54>
θ′＝a tan2(r sinθ，r cos6-h) 等式<55>
因此，用从等式<54>和<55>获得的新的r′和θ′替换两个变量r和θ， 得到了与图4、图5、图7、图9、图11、图13和图15中所示的控制器 等效的控制器。这表明了无论传感器位置如何都能够应用在设计本公开中 提出的人跟随控制器时所涉及的基本思想。
在下文中，将描述用于测量人相对于运动设备的极坐标的一个或更多 个系统和方法。
图17示出了可缩回线机构的示例。可缩回线机构4包括设置在运动 设备2处的主体(见图1)、具有连接到线3的端部的螺旋扭转弹簧41。 螺旋扭转弹簧41通过施加张力而允许缩回线3。可缩回线机构4可以包 括其它类型的张力设备，该张力设备配置成对线3提供张力以从而允许线 3缩回到主体。可缩回线机构4还包括滑轮43。为了防止线3在滑轮43 上滑动，线3在其穿过线分配管8之前围绕滑轮43缠绕几圈。
可缩回线机构4还包括传感器44，该传感器配置成测量从可缩回线 机构4分配的线3的部分的长度L。传感器44通过检测滑轮43相对于可 缩回线机构4绕轴45的转动运动来测量长度L，其中假设滑轮43的半径 是已知的。可缩回线机构4还包括轴承47，该轴承安装线分配管8并且 允许线分配管8相对于可缩回线机构4转动。线分配管8配置成基于人操 作者1相对于可缩回线机构4的取向而转动。
可缩回线机构4还包括管弯曲机构81、角度传感器82和角度传感器 42。角度传感器82安装在管弯曲机构81处并且配置成测量线3的仰角α。 角度传感器42设置在可缩回线机构4的内部并且配置成基于检测到线分 配管8相对于可缩回线机构4的转动运动来测量人操作者1相对于可缩回 线机构4的取向角θ。
在一些实施方式中，r能够通过测量L和α来间接测量，即r＝L cosα。 在一些情况下，仰角α可以被假设为恒定或零，其中可以省略仰角的测 量过程。
图18示出了可缩回线机构的另外的示例。与图17中的、包括螺旋扭 转弹簧的示例相比，图18中的可缩回线机构4包括配置成主动地控制线 3的张力的电动马达48。在一些示例中，可缩回线机构4还可以包括卷轴 433，该卷轴连接到电动马达48的轴49并且配置成分配线3。电动马达 48配置成对轴49施加扭矩以在线3中产生可控制的张力。可缩回线机构 4还可以包括转动编码器444，该转动编码器配置成检测卷轴433的转动 运动并且确定从线分配管8分配的线3的一部分的长度L，其中卷轴433 的半径假设是已知的。
图19示出了利用力转换器422测量线3相对于可缩回线机构4的取 向的另外的示例。在该示例中，线分配管8固定到可缩回线机构4，并且 力转换器422安装在线分配管8的下部处。力转换器422可以配置成检测 由线3中的张力T产生的弯曲力矩M＝hT coaα。
在一些实施方式中，力转换器422包括两个应变计4221，这两个应 变计设置在线分配管8的表面上并且绕线分配管8的中心彼此间隔开90 度。两个应变计4221检测与由线张力T产生的弯曲力矩M相对应的信号， 并且这些信号可以被组合以确定关于得到的力矩M的大小和取向角θ的 信息。基于关于得到的力矩M的大小和取向角θ的信息，可以确定关于张力T的大小和取向的信息。在该示例中，可缩回线机构4省略了使得 线分配管8能够相对于可缩回线机构转动的轴承和检测线分配管8相对于 可缩回线机构4的转动运动的传感器。
图20描绘了可缩回线机构的另外的示例。在该示例中，线33由弹性 材料制成或连接到诸如螺旋弹簧的弹性元件333。通过将线33的自然长 度(即，当张力T可忽略或小于阈值时的长度)与由于张力T导致的线 33的伸长的长度相加来测量线33的总长度L。可缩回线机构4包括使得 能够估计由于张力T导致的线33的伸长的长度的两个力转换器422和423。
例如，当将张力T施加到线33时，施加到力转换器422和423的弯 曲力矩分别被测量为M1＝fT cosα和M2＝gT sinα，其中f表示从力转换器 422到线33的端部的垂直距离，并且g表示力转换器423与线33的端部 之间的水平距离。根据这两个测量值，可以得出张力T为：
Figure BDA0002622953680000181
其中，
Figure BDA0002622953680000182
可以基于线33在张力与伸长部之间的关系来估计伸长的长度。例如， 线33的伸长的长度可以与张力T成比例。
图21示出了无线极坐标测量系统的示例。在一些实施方式中，无线 测量系统445使用激光距离测量系统如LIDAR(光检测和测距)系统或 配置成提供距离(或深度)信息的可转动相机系统。在一些示例中，无线 极坐标测量系统可以包括立体相机系统或Kinect传感器。在图21中所示 的该示例中，点Q表示由无线极坐标测量系统检测到的移动对象1(例如， 人)上的特征点。
无线极坐标测量系统可以配置成测量作为角度θ的函数的距离r，并 且确定与移动对象1的多个位置相对应的距离数据集中的参数r和θ。可 以应用各种方法来从距离数据集中提取特征点Q。作为一个示例，无线极 坐标系统将与距离数据集中的最短距离相对应的点确定为特征点Q。这是 因为在运动设备2与移动对象1之间维持适当的距离是安全的。
图22示出了在操作下的人伴随运动设备的示例。在该示例中，运动 设备2相对于人操作者1的位置被控制为不变。在一些示例中，运动设备 2的位置被控制在距人操作者1的范围内。
图23示出了运动设备距人操作者的相对位置的示例。在该示例中， 人操作者1相对于运动设备2定位在任意位置处，并且可以在操作期间根 据需要改变位置。这种灵活性在伴随操作期间对人操作者提供了很大的实 用性。
图24A和图24B示出了人伴随操作的示例。在这些示例中，人操作 者1伴随有多个运动设备2，这些运动设备彼此串联、并联或以它们的任 意组合的方式互连。在一些实施方式中，人操作者1主要伴随有直接连接 到人操作者1的一个或更多个主运动设备。这些主运动设备用作用于连接 到主运动设备的(一个或更多个)其它副运动设备的移动对象，并且连续 的伴随操作可以继续，直到每个运动设备变成包括主运动设备和副运动设 备的分层连接的一部分。
在一些实施方式中，包括多个运动设备2的系统可由人操作者1操作， 使得通过控制多个运动设备2的分层连接中的两个相邻运动设备之间的 相对位置来维持整个系统的总体配置(例如，运动设备2相对于人操作者1的相对位置)。
图25示出了限定参考几何控制区域的可编程边界的示例。例如，在 图25中的示例中，以虚线示出的边界使用两个椭圆形形状来限定，但是 在其他示例中能够以任意形状来限定。边界可以用于根据人所处的哪个区 域来控制运动设备2的行为中。
例如，当人操作者位于两个椭圆形边界之间的区域内时，可以控制运 动设备2以执行正常的伴随操作。当人操作者1位于较小椭圆形边界内时， 运动设备2可以停止伴随操作。当人操作者1位于较大椭圆形边界之外时， 运动设备2被编程为产生警告信号以通知人操作者1运动设备2可能在伴 随操作的控制范围之外。
图26示出了作为时间的函数而绘制的图2中的线3的长度L(或等 效地，变量r)和/或线的取向θ的图的示例。即，图26中的上图和下图 可以表示线的长度L的示例波动模式。在一些示例中，图26中的上图和 下图可以表示线的取向θ的示例波动模式。在一些情况下，上图和下图中 的一个表示线的长度L的示例波动模式，且上图和下图中的另一个表示 线的取向θ的示例波动模式。图中示出的波动模式可以由人操作者1有意 地创建并且能够被识别为由运动设备2确认的姿势(或信号)。例如，运 动设备2可以配置成基于识别到的姿势或信号来执行预定任务，例如在伴 随操作中停止、继续或改变运动设备2的操作模式。
图27A至图27G描绘了根据本公开的伴随控制设备的各种应用示例。 如图27A至图27G中所示，本公开可以在诸如购物车、婴儿车、高尔夫 球车、旅行行李箱、玩具车和慢跑导向器之类的各种应用中实现。可以通 过控制地上的至少两个运动自由度来实现一个或更多个运动设备的伴随 控制。即使在拥挤的环境中，伴随控制器也可以控制运动设备或一组运动 设备的操作。
所描述的系统、方法和技术可以在数字电子电路、计算机硬件、固件、 软件或这些元素的组合中实现。实现这些技术的装置可以包括适当的输入 和输出设备、计算机处理器以及有形地体现在机器可读存储设备中以便由 可编程处理器执行的计算机程序产品。实现这些技术的过程可以由可编程 处理器执行，该可编程处理器执行指令程序以通过对输入数据进行操作并 且生成适当的输出来执行期望的功能。这些技术可以在一个或更多个计算 机程序中实现，该一个或更多个计算机程序在可编程系统上是可执行的， 该可编程系统包括至少一个可编程处理器、至少一个输入设备和至少一个 输出设备，该可编程处理器被耦接以从数据存储系统接收数据和指令以及 向数据存储系统发送数据和指令。每个计算机程序可以用高级程序或面向 对象的编程语言来实现，或者如果需要，可以用汇编语言或机器语言来实 现；并且在任何情况下，语言可以是编译或解释语言。举例来说，合适的处理器包括通用微处理器和专用微处理器两种。通常，处理器将从诸如只 读存储器和/或随机存取存储器之类的非暂时性存储器接收指令和数据。 适于有形地体现计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易 失性存储器，例如包括半导体存储器设备，例如可擦除可编程只读存储器 (EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和闪存设备；磁盘， 例如内部硬盘和可移动盘；磁光盘；以及光盘只读存储器(CD-ROM)。 任何前述内容可以由专门设计的专用集成电路(ASIC)补充或并入其中。
应该理解，可以进行各种修改。例如，如果以不同的顺序执行所公开 的技术的步骤和/或如果以不同的方式组合和/或用其他部件替换或补充 所公开的系统中的部件，则可以实现其他有用的实施方式。因此，其它实 施方式在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种配置成伴随移动对象的系统，所述系统包括：
至少一个运动设备，其配置成在地表面上移动并且基于所述地表面上的至少两个运动自由度而受控制；
坐标测量单元，其配置成测量所述移动对象相对于所述运动设备的坐标；以及
控制器，其配置成基于所述移动对象上的点相对于所述运动设备的坐标来控制所述运动设备的运动，以将所述运动设备上的点的位置维持在相对于所述运动设备的预设范围内，
其中，所述移动对象上的点相对于所述运动设备的坐标是基于所述移动对象上的点相对于固定到所述运动设备的参考坐标系测量到的坐标来确定的。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述运动设备包括：
电源，其配置成供应使所述运动设备能够运动的电力；以及
驱动设备，其配置成基于从所述电源供应的电力来使所述运动设备移动。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述移动对象的坐标包括：
距离分量，其表示所述移动对象的投影到所述地表面上的第一点与所述运动设备的投影到所述地表面上的第二点之间的距离；以及
角度分量，其表示由从所述地表面上的第一点到第二点的延长线相对于经过所述地表面上的第二点的参考线而限定的角度，并且
其中，所述控制器配置成控制所述运动设备的运动，以将所述距离分量或所述角度分量中的至少一者维持在距预设值的一定范围内。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述运动设备包括以下之一：
全向驱动设备，其配置成基于所述地表面上的三个运动自由度来驱动所述运动设备；
差动驱动设备，其包括两个轮，所述两个轮配置成绕共线的转动轴线转动并且配置成独立受控制；
三轮车驱动设备，其包括配置成控制所述运动设备的行进方向的至少一个转向轮和配置成使所述运动设备移动的至少一个驱动轮；或者
有腿式驱动设备，其包括配置成独立受控制的至少两个腿。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括：
线分配管，其耦接到所述坐标测量单元并且配置成容纳和分配线，所述线配置成将所述运动设备连接到所述移动对象。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述坐标测量单元包括可缩回线机构，所述可缩回线机构包括：
主体，其设置在所述运动设备处；
线，其配置成从所述主体分配和缩回到所述主体中；
第一转动传感器，其配置成测量所述线的所分配的部分的长度；
第二转动传感器，其配置成测量所述线的所分配的部分相对于所述运动设备的取向；以及
张力设备，其配置成对所述线提供张力，从而以允许所述线缩回到所述主体中。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述线具有预定长度。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述张力设备包括连接到所述线的螺旋扭转弹簧。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述张力设备包括电动马达，所述电动马达连接到所述线并且配置成控制所述线中的张力。
10.根据权利要求6所述的系统，其中，所述控制器还配置成：
获得顺序数据，所述顺序数据包括作为时间的函数的、所述线的所分配的部分的长度或取向中的至少一者；
根据所述顺序数据来识别所述移动对象的预限定信号模式或姿势；以及
执行与所识别的信号模式或姿势相对应的任务。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述坐标测量单元包括配置成输出光和接收返回的光的激光距离测量系统，以及
其中，所述激光距离测量系统配置成：
生成包括相对于所述运动设备的、与所述移动对象的多个点相对应的多个坐标的范围数据集；以及
输出所述范围数据集中、相对于所述运动设备的、与所述移动对象的至少一个点相对应的、所述多个坐标中的一个坐标。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述坐标测量单元包括配置成采集图像的摄像机系统，并且
其中，所述摄像机系统配置成：
基于所述图像，生成包括相对于所述运动设备的、与所述移动对象的多个点相对应的多个坐标的范围数据集；以及
从所述范围数据集输出相对于所述运动设备的、与所述移动对象的至少一个点相对应的、所述多个坐标中的一个坐标。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还配置成：
基于所述移动对象的、投影到所述地表面上的点的极坐标，控制所述运动设备的运动，以将所述移动对象的点相对于所述运动设备的极坐标维持在距预设值的一定范围内。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还配置成：
基于所述移动对象的、投影到所述地表面上的点的极坐标的极到笛卡尔变换，来获得所述移动对象的、投影到所述地表面上的点的笛卡尔坐标；以及
基于所述移动对象的、投影到所述地表面上的点的笛卡尔坐标，控制所述运动设备的运动，以将所述移动对象的点相对于所述运动设备的笛卡尔坐标维持在距预设值的一定范围内，并且
其中，所述笛卡尔坐标包括沿着彼此正交的两个轴限定的至少两个距离分量。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述坐标测量单元包括可缩回线机构，所述可缩回线机构包括：
主体，其设置在所述运动设备处；
线，其配置成从所述主体分配和缩回到所述主体中；
转动传感器，其配置成测量所述线的所分配的部分的长度；
力传感器，其配置成测量所述线中的张力和所述线的所分配的部分相对于所述运动设备的取向中的每一个；以及
张力设备，其配置成对所述线提供张力，从而以允许所述线缩回到所述主体中。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述线具有预定长度。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述坐标测量单元包括可缩回线机构，所述可缩回线机构包括：
线，其配置成通过施加到所述线的张力而伸长；以及
力传感器，其配置成测量施加到所述线的张力、所伸长的线相对于所述运动设备的取向以及所伸长的线的长度中的每一个。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器配置成：
在伴随模式中，基于(i)所述移动对象与所述运动设备之间的距离和(ii)所述移动对象相对于所述运动设备的方向角两者，来控制所述运动设备的运动，从而以将所述距离和所述角度分别维持在预设距离范围和预设角度范围内；以及
在跟随模式中，基于所述移动对象与所述运动设备之间的距离来控制所述运动设备的运动，以将所述距离维持在所述预设距离范围内。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还配置成：
限定围绕所述运动设备的多个区域；
确定所述移动对象的位置是否对应于所述多个区域中的一个区域；以及
根据所述多个区域中的所述一个区域控制所述运动设备的运动。
20.一种配置成伴随移动对象的系统，所述系统包括：
至少一个运动设备，其配置成在地表面上移动并且基于所述地表面上的至少两个运动自由度而受控制；
坐标测量单元，其配置成测量所述运动设备上的点相对于所述移动对象的坐标；以及
控制器，其配置成基于所述运动设备上的点相对于所述移动对象的坐标，控制所述运动设备的运动，以将所述运动设备上的点的位置维持在相对于所述移动对象的预设范围内，
其中，所述运动设备上的点相对于所述移动对象的(极)坐标是基于所述运动设备上的点相对于固定到所述移动对象的(多个)参考坐标系测量到的(极)坐标来确定的。
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