CN110887606B - 一种平衡装置姿态模拟方法、装置、设备及介质 - Google Patents

一种平衡装置姿态模拟方法、装置、设备及介质 Download PDF

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CN110887606B CN201911206329.2A CN201911206329A CN110887606B CN 110887606 B CN110887606 B CN 110887606B CN 201911206329 A CN201911206329 A CN 201911206329A CN 110887606 B CN110887606 B CN 110887606B
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Abstract

本申请提供的平衡装置姿态模拟方法，可以基于平衡自行车的架构模拟平衡自行车的工作状态，包括：获取动量轮电机输出的第一力矩Tr，动量轮电机安装于平衡装置上，且连接有动量轮，第一力矩Tr用于驱动动量轮旋转以输出第二力矩，第二力矩用于调节平衡装置的姿态；获取平衡装置的转向轮的转动速度
Figure DDA0002297012000000011
根据Tr和
Figure DDA0002297012000000012
确定平衡装置的姿态参数，姿态参数用于描述平衡装置的姿态。从而能够通过动量轮电机的输出力矩值和转向轮的转向速度即可获得平衡装置的平衡状态参数，实现了对平衡装置平衡姿态的模拟，不需硬件的参与即可测得不同力矩和转向轮转向速度的情况下平衡装置的平衡状态，降低了平衡调节成本，提升了测试效率。

Description

一种平衡装置姿态模拟方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明涉及电子技术领域，更具体地说，涉及一种平衡装置姿态模拟方法、装置、设备及介质。
背景技术
自行车是一个非完整、非线性多刚体动力系统，其自平衡控制问题一直是研究的热点，自行车平衡分为动态平衡和静态平衡两种，其中，静态平衡为自行车在前进速度等于0时，在原地保持不动的情况下实现的自身姿态平衡的状态。动态平衡为自行车在前进速度大于0时，在车身相对于地面向前沿直线或曲线运动的情况下实现的自身姿态平衡的状态。
其中，对于动态平衡的过程，可以通过电机控制自行车前把的转动来实现；对于静态平衡的过程，可以在自行车上额外设置一个动量轮，通过动量轮转动过程中产生的扭矩来实现；二者结合，即可分别实现自行车在动态和静态下的平衡。
在上述静态平衡和动态平衡的过程中，需要输入量和输出量的关系进行测试，即，动量轮输出一个力矩，且前把进行一定转向时，自行车的平衡状态会发生怎样的改变。具体平衡状态的改变包括：自行车车架倾斜的倾角，车架的转动速度，自行车前把的转动速度以及动量轮的转动速度等。
现有技术中，上述测试过程主要通过物理实验来完成，即通过控制动量轮电机输出不同的力矩值来观察平衡效果，每实验失败一次，自行车就会跌倒一次，从而对硬件造成一定的损耗，成本较高，同时平衡调节的效率较低。
因此，现有技术中存在的问题还有待于改进。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：
一种平衡装置姿态模拟方法，包括：
获取动量轮电机输出的第一力矩Tr，该动量轮电机安装于该平衡装置上，且连接有动量轮，该第一力矩Tr用于驱动该动量轮旋转以输出第二力矩，该第二力矩用于调节该平衡装置的姿态；
获取该平衡装置的转向轮的转动速度
Figure BDA0002297011980000021
根据该Tr和该
Figure BDA0002297011980000022
确定该平衡装置的姿态参数，该姿态参数用于描述该平衡装置的姿态。
一种平衡装置姿态模拟装置，包括：
第一获取单元，所述第一获取单元用于获取动量轮电机输出的第一力矩Tr，所述动量轮电机安装于所述平衡装置上，且连接有动量轮，所述第一力矩Tr用于驱动所述动量轮旋转以输出第二力矩，所述第二力矩用于调节所述平衡装置的姿态；
第二获取单元，所述第二获取单元用于获取所述平衡装置的转向轮的转动速度
Figure BDA0002297011980000023
确定单元，所述确定单元用于根据所述第一单元获取的所述Tr和所述第二获取单元获取的所述
Figure BDA0002297011980000024
确定所述平衡装置的姿态参数，所述姿态参数用于描述所述平衡装置的姿态。
可选地，所述平衡装置为平衡自行车，所述平衡自行车包括车架，所述第二力矩用于调节所述车架的姿态；则所述第二获取单元还用于：
获取前把的转动速度
Figure BDA0002297011980000025
所述前把用于连接所述车架与前轮，以控制所述前轮的转向；
所述确定单元还用于：
确定当所述动量轮电机的输出力矩为Tr且所述前把的转动速度为
Figure BDA0002297011980000026
时，所述车架的倾角θ，所述车架在所述第二力矩作用下转动的角速度
Figure BDA0002297011980000027
所述动量轮的转动速度
Figure BDA0002297011980000028
以及所述前把的转动角度δ。可选地，该第一获取单元，还用于：
根据该动量轮电机的输入电压Vm获取该Tr，该Vm用于驱动该动量轮电机输出该第一力矩Tr。
可选地，该装置还包括：
第三获取单元，该第三获取单元用于在第一时间段内，获取该θ的变化量Δθ和该
Figure BDA0002297011980000029
的变化量
Figure BDA00022970119800000210
判断单元，该判断单元用于根据该第三获取单元获取的该Δθ和该
Figure BDA00022970119800000211
判断该车架是否达到平衡姿态。
可选的，该第三获取单元，还用于：
根据该Tr和该
Figure BDA0002297011980000031
随着时间t变化分别确定该θ随时间t变化的第一关系和该
Figure BDA0002297011980000032
随时间t变化的第二关系；
该判断单元，还用于：
若所在该第一关系中该θ随时间t的变化向第一结果值收敛，且，所在该第二关系中该
Figure BDA0002297011980000033
随时间t的变化向第二结果值收敛，则判断该车架达到平衡姿态。
可选地，该确定单元还用于：
将该Tr和该
Figure BDA0002297011980000034
作为参数u输入第一状态空间表达式：
Figure BDA0002297011980000035
以得到输出y，其中，
该
Figure BDA0002297011980000036
该
Figure BDA0002297011980000037
该
Figure BDA0002297011980000038
该
Figure BDA0002297011980000039
该
Figure BDA00022970119800000310
该
Figure BDA00022970119800000311
该
Figure BDA0002297011980000041
该b＝(m1L1+m2L2)g，
该
Figure BDA0002297011980000042
为该θ对时间求导后所得到的值，即该车架与垂直方向产生夹角的倾倒速度；该
Figure BDA0002297011980000043
为该φ对时间求导后所得到的值，即该动量轮的转速；该
Figure BDA0002297011980000044
为该δ对时间求导后所得到的值，即该前把的转动速度；该m1为该车架的质量，该m2为该动量轮的质量，该V为该后轮的转速，该h为该平衡自行车的重心的高度，该L为该前轮与该后轮之间的轴距，该D＝mah，该m＝m1+m2，该a为该前轮和地面的接触点与该平衡自行车的重心之间的水平距离，该I1为该车架的转动惯量，该I2为该动量轮的转动惯量，该L1为该车架的重心的高度，该L2为该动量轮的转轴到地面的距离。
可选地，该确定单元还用于：
将该Vm和该
Figure BDA0002297011980000045
作为参数u输入第二状态空间表达式：
Figure BDA0002297011980000046
以得到输出y，其中，
其中，该
Figure BDA0002297011980000047
该
Figure BDA0002297011980000048
该
Figure BDA0002297011980000049
该
Figure BDA00022970119800000410
该
Figure BDA0002297011980000051
该
Figure BDA0002297011980000052
该
Figure BDA0002297011980000053
该b＝(m1L1+m2L2)g，
该
Figure BDA0002297011980000054
为该θ对时间求导后所得到的值，即该车架与垂直方向产生夹角的倾倒速度；该
Figure BDA0002297011980000055
为该φ对时间求导后所得到的值，即该动量轮的转速；该
Figure BDA0002297011980000056
为该δ对时间求导后所得到的值，即该前把的转动速度；该Ng为该动量轮电机的减速比，该Kt为该动量轮电机的电机扭矩常数，该Ke为该动量轮电机的马达反电磁力，该Rm为该动量轮电机的马达的电枢线圈电阻，该m1为该车架的质量，该m2为该动量轮的质量，该V为该后轮的转速，该h为该平衡自行车的重心的高度，该L为该前轮与该后轮之间的轴距，该D＝mah，该m＝m1+m2，该a为该前轮和地面的接触点与该平衡自行车的重心之间的水平距离，该I1为该车架的转动惯量，该I2为该动量轮的转动惯量，该L1为该车架的重心的高度，该L2为该动量轮的转轴到地面的距离。
一种计算机设备，所述计算机设备包括：交互装置、输入/输出(I/O)接口、处理器和存储器，所述存储器中存储有程序指令；所述交互装置用于获取用户输入的操作指令；所述处理器用于执行存储器中存储的程序指令，执行如上任意一项所述的方法。
一种计算机可读存储介质，包括指令，当所述指令在计算机设备上运行时，使得所述计算机设备执行上述任意一项所述的方法。
本申请提供的平衡装置姿态模拟方法，基于平衡自行车的架构，能够模拟动量轮电机输入一定力矩时，自行车的平衡状态，包括：获取动量轮电机输出的第一力矩Tr，所述动量轮电机安装于所述平衡自行车的车架上，且连接有动量轮，所述第一力矩Tr用于驱动所述动量轮旋转以输出第二力矩，所述第二力矩用于调节所述车架的姿态；获取前把的转动速度
Figure BDA0002297011980000057
所述前把用于连接所述车架与前轮；根据所述Tr和所述
Figure BDA0002297011980000058
确定当所述动量轮电机的输出力矩为Tr且所述前把的转动速度为
Figure BDA0002297011980000059
时，所述车架的倾角θ，所述车架在所述第二力矩作用下转动的角速度
Figure BDA00022970119800000510
所述动量轮的转动速度
Figure BDA00022970119800000511
以及所述前把的转动角度δ。从而能够通过输入力矩值和前把转向速度即可获得自行车的平衡状态参数，实现了对平衡自行车平衡姿态的模拟，不需硬件的参与即可测得不同力矩和前把转向速度的情况下自行车的平衡状态，降低了平衡调节成本，提升了测试效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的平衡自行车的结构示意图；
图2A为本申请实施例所提供的平衡装置姿态模拟方法的一个实施例的流程图；
图2B为本申请实施例所提供的平衡装置姿态模拟方法的另一个实施例的流程图；
图3为本申请实施例所提供的平衡装置姿态模拟方法的另一个实施例的流程图；
图4为本申请实施例所提供的平衡装置姿态模拟方法的另一个实施例的流程图；
图5为本申请实施例所提供的平衡装置姿态模拟方法的另一个实施例的流程图；
图6为本申请实施例所提供的平衡装置姿态模拟方法中平衡自行车的车架倾角θ随着时间t变化的示意图；
图7为本申请实施例所提供的平衡装置姿态模拟方法中平衡自行车的的前把转动速度
Figure BDA0002297011980000061
随着时间t变化的示意图；
图8为本申请实施例所提供的平衡自行车的后视图；
图9为本申请实施例所提供的平衡自行车的侧视图；
图10为本申请实施例所提供的计算机设备的示意图；
图11为本申请实施例所提供的平衡装置姿态模拟装置的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
自行车是一个非完整、非线性多刚体动力系统，其自平衡控制问题一直是研究的热点，自行车平衡分为动态平衡和静态平衡两种，其中，静态平衡为自行车在前进速度等于0时，在原地保持不动的情况下实现的自身姿态平衡的状态。动态平衡为自行车在前进速度大于0时，在车身相对于地面向前沿直线或曲线运动的情况下实现的自身姿态平衡的状态。
如图1所示，本申请实施例提供一种平衡自行车，包括车架110、前把转向组件120、后轮组件130和动量轮组件140。
其中，前把转向组件120、后轮组件130分别与车架110连接；动量轮组件140包括：动量轮141和动量轮电机142，动量轮141轴沿平衡自行车的车身前后方向设置，即，动量轮141轴的方向垂直于前轮轴和后轮轴的方向。动量轮141套接在动量轮电机142的输出轴143上，动量轮电机142通过该输出轴143驱动动量轮141的转动，以提供实现静态平衡的力矩。
前把转向组件120包括前轮121、前把122和转向电机123，其中，前轮121套接在前把122上，前把122与车架110的连接处设置有该转向电机123，转向电机123驱动前把122的转动实现前轮121的转向控制，从而实现动态平衡。
后轮组件130包括后轮131和驱动电机132，驱动电机132用于驱动后轮131转动以提供平衡自行车前进的驱动力。
基于上述平衡自行车结构，对于动态平衡的过程，可以通过转向电机123控制自行车前把122的转动来实现；对于静态平衡的过程，可以在自行车上额外设置的动量轮141，通过动量轮141转动过程中产生的力矩来实现；二者结合，即可分别实现自行车在动态和静态下的平衡。
由于上述架构通过控制前把122转动和动量轮141转动两种方式来实现平衡，这两种调节方式必然会对彼此产生影响，因此在平衡过程中，需要对输入量和输出量的关系进行测试，即，动量轮141输出一个力矩，且前把122进行一定转向时，自行车的平衡状态会发生怎样的改变。具体平衡状态的改变包括：自行车车架110倾斜的倾角，车架110的转动速度，自行车前把122的转动速度以及动量轮141的转动速度等。
当前，上述测试过程主要通过物理实验来完成，即通过控制动量轮电机输出不同的力矩值来观察平衡效果，每实验失败一次，自行车就会跌倒一次，从而对硬件造成一定的损耗，成本较高，同时平衡调节的效率较低。
因此，针对上述问题，本申请实施例提供了一种平衡装置姿态模拟方法，通过输入动量轮电机的输出力矩和前把的转动速度即可获取到平衡自行车的平衡状态参数，需要说明的是，本方法不仅可以用于平衡自行车，还可用于其他自平衡系统中，对此本申请实施例并不进行限定。为便于理解，以下结合附图，对本申请实施例所提供的平衡装置姿态模拟方法进行详细说明。
请参阅图2A，如图2A所示，本申请实施例所提供的平衡装置姿态模拟方法，包括以下步骤。
201A、获取动量轮电机输出的第一力矩Tr。
本实施例中，动量轮电机安装于平衡装置上，且连接有动量轮，第一力矩Tr用于驱动动量轮旋转以输出第二力矩，第二力矩用于调节平衡装置的姿态。动量轮在转动时所输出的第二力矩构成一个回复力矩，能够实现静态下车体的平衡而不会发生倾倒，同时，随着Tr数值的不同，动量轮所输出的第二力矩的大小也会发生变化，这种变化会影响平衡装置的姿态，因此平衡装置的研发人员需要知晓，当前获取的Tr数值，会对平衡装置姿态产生怎样的影响。
202A、获取平衡装置的转向轮的转动速度
Figure BDA0002297011980000081
本实施例中，转向轮通过控制平衡装置的转向，从而控制平衡装置行驶过程中的动态平衡，而转向轮的转向速度
Figure BDA0002297011980000091
直接影响平衡装置的平衡姿态。
203A、根据Tr和
Figure BDA0002297011980000092
确定平衡装置的姿态参数。
本实施例中，姿态参数能够全面地描述车体的平衡状态，例如，平衡装置的中线与垂直面所构成的夹角，对了解平衡装置的平衡状态具有重要意义。
在本实施例中，直接根据动量轮电机输出的第一力矩和转向轮的转动速度，即可获取到平衡装置的姿态参数，从而实现了平衡装置姿态的模拟，该模拟方法可以直接在计算机程序中执行，从而不需物理实验，即可快速得到不同输入条件下，平衡装置的姿态情况。
需要说明的是，本申请所提供的平衡装置，可应用于各种自平衡结构中，例如机器人或轮式交通工具(自平衡摩托车，平衡自行车等)，对此本申请实施例并不进行限定，为便于理解，本申请以平衡自行车为例对本申请实施例所提供的方法进行具体说明。
平衡自行车的的姿态即为平衡自行车的车架的姿态，平衡自行车的转向轮一般为前轮，通过前把的转动来控制前轮的转向。
请参阅图2B，如图2B所示，本申请实施例所提供的平衡装置姿态模拟方法的实施例一，包括以下步骤。
201B、获取动量轮电机输出的第一力矩Tr。
本实施例中，动量轮电机安装于平衡自行车的车架上，且连接有动量轮，第一力矩Tr用于驱动动量轮旋转以输出第二力矩，第二力矩用于调节车架的姿态。由于平衡自行车的结构中，动量轮转轴的方向垂直于前轮和后轮的转轴的方向，因此，动量轮在转动时所输出的第二力矩构成一个回复力矩，能够实现静态下平衡自行车车架的平衡而不会发生倾倒，同时，随着Tr数值的不同，动量轮所输出的第二力矩的大小也会发生变化，这种变化会影响车架的姿态，因此平衡自行车的研发人员需要知晓，当前获取的Tr数值，会对车架姿态产生怎样的影响。
202B、获取前把的转动速度
Figure BDA0002297011980000093
本实施例中，前把用于连接车架与前轮，以控制所述前轮的转向，可选地，前把与车架之间设置有转向电机，该转向电机可以通过控制前把的转动来调整前轮的转向，从而控制自行车行驶过程中的动态平衡，而前把的转向速度
Figure BDA0002297011980000101
直接影响车架的平衡姿态。
203B、根据Tr和
Figure BDA0002297011980000102
确定当动量轮电机的输出力矩为Tr且前把的转动速度为
Figure BDA0002297011980000103
时，车架的倾角θ，车架在第二力矩作用下转动的角速度
Figure BDA0002297011980000104
动量轮的转动速度
Figure BDA0002297011980000105
以及前把的转动角度δ。
本实施例中，θ、
Figure BDA0002297011980000106
以及δ四个参数能够全面地描述车架的平衡状态，其中，θ为具体为车架的中线与垂直面所构成的夹角，对获取平衡车姿态参数具有重要意义。
在本实施例中，直接根据动量轮电机输出的第一力矩和前把的转动速度，即可获取到平衡自行车姿态的参数，从而实现了平衡自行车姿态的模拟，该模拟方法可以直接在计算机程序中执行，从而不需物理实验，即可快速得到不同输入条件下，平衡自行车的姿态情况，省去了物理实验带来的高成本，低效率的问题，能够快速高效地得到不同输出力矩和转向角度的情况下，平衡自行车的姿态情况，快速提高平衡自行车开发的调试效率。
需要说明的是，上述步骤201至203中，排除了动量轮电机本身的参数，而直接考虑动量轮电机输出的第一力矩，在实际工作过程中，动量轮电机输出的第一力矩是通过输入的输入电压来实现的，因此本申请实施例进一步提供一种以动量轮电机的输入电压Vm作为输入量的平衡装置姿态模拟方法，具体包括以下步骤。
请参阅图3，如图3所示，本申请实施例所提供的平衡装置姿态模拟方法的实施例二，包括以下步骤。
301、根据动量轮电机的输入电压Vm获取动量轮电机输出的第一力矩Tr。
本实施例中，Vm与Tr之间的关系可通过动量轮电机的物理模型来获取，动量轮电机的物理模型包括以下公式。
公式1：
Figure BDA0002297011980000107
其中，Lm为动量轮电机的电枢线圈电感，Rm为动量轮电机的电枢线圈电阻，i为输入动量轮电机的电流，t为时间，Ke为动量轮电机的反电磁力，
Figure BDA0002297011980000108
为动量轮电机的输出轴的转动角速度。
Figure BDA0002297011980000109
可通过公式2计算得到：
Figure BDA00022970119800001010
其中，Ng为动量轮电机输出轴的减速比。
动量轮电机产生的力矩可以通过以下公式3表示：
Tm＝Kti
其中，Kt为动量轮电机的力矩常数，i为电流。
动量轮电机实际输出的力矩Tr需要经过减速比Ng的减速，通过公式4表示：
Tr＝NgTm
结合上述公式1至公式4，可以得到Vm与Tr的关系如公式5所示：
Figure BDA0002297011980000111
从而可以通过公式5，由Vm得到Tr，通过输入电压得到动量轮电机的输出力矩。
302、获取前把的转动速度
Figure BDA0002297011980000112
本实施例中，本步骤可参阅上述步骤102，此处不再赘述。
303、根据Tr和
Figure BDA0002297011980000113
确定当动量轮电机的输出力矩为Tr且前把的转动速度为
Figure BDA0002297011980000114
时，车架的倾角θ，车架在第二力矩作用下转动的角速度
Figure BDA0002297011980000115
动量轮的转动速度
Figure BDA0002297011980000116
以及前把的转动角度δ。
本实施例中，可选地，可以是通过动量轮电机的输入电压Vm计算得到动量轮电机的输出力矩Tr，也可以是通过Vm直接作为输入值，结合
Figure BDA0002297011980000117
确定
Figure BDA0002297011980000118
θ、
Figure BDA0002297011980000119
以及δ。
本实施例中，由于动量轮电机书的输出力矩需要额外的测量才能得到，而输入动量轮电机的电压在实际工作中是更加直观的数值，因此，通过对动量轮电机特性的考虑，直接通过输入动量轮电机的电压来获得平衡自行车姿态的各项数值，从而进一步提升平衡自行车开发的调试效率。
在上述实施例一和实施例二的工作过程中，获取
Figure BDA00022970119800001110
θ、
Figure BDA00022970119800001113
以及δ的目的是为了获取到平衡自行车的姿态参数，从而判断平衡自行车是否达到了平衡，结合上述实施例一和实施例二，以下具体介绍平衡车是否达到平衡的判断方式。
请参阅图4，如图4所示，本申请实施例所提供的平衡装置姿态模拟方法的实施例三，包括以下步骤。
401、在第一时间段内，获取θ的变化量Δθ和
Figure BDA00022970119800001111
的变化量
Figure BDA00022970119800001112
本实施例中，在第一时间段内，例如，A1是第一时间段的开始时刻，A2为第一时间段的结束时刻，在A1时刻获取动量轮电机输出的第一力矩Tr和前把的转动速度
Figure BDA0002297011980000121
按照上述步骤101至103或步骤201至203所述的方法，获取A1时刻车架的倾角θ，车架在第二力矩作用下转动的角速度
Figure BDA0002297011980000122
动量轮的转动速度
Figure BDA0002297011980000123
以及前把的转动角度δ，之后在A1时刻获取动量轮电机输出的第一力矩Tr'和前把的转动速度
Figure BDA0002297011980000124
按照上述步骤101至103或步骤201至203所述的方法，获取A1时刻车架的倾角θ'，车架在第二力矩作用下转动的角速度
Figure BDA0002297011980000125
动量轮的转动速度
Figure BDA0002297011980000126
以及前把的转动角度δ'，之后将前后所得到的数值做差，即可获得车架倾角的变化量和车架转动的角度度的变化量，其中，Δθ＝θ-θ'，
Figure BDA0002297011980000127
402、根据Δθ和
Figure BDA0002297011980000128
判断所述车架是否达到平衡姿态。
本实施例中，在第一时间段内，根据Δθ和
Figure BDA0002297011980000129
判断所述车架是否达到平衡姿态的具体工作方式为：判断Δθ和
Figure BDA00022970119800001210
是否分别向某一具体数值收敛，即，假设第一时间段的结束时刻为t1时刻，无论在t1时刻的Δθ1和
Figure BDA00022970119800001211
是一个多么小的数值a1，在t1时刻之后，总是有Δθ2和
Figure BDA00022970119800001212
其中，Δθ2＜Δθ1，
Figure BDA00022970119800001213
本实施例中，通过单位时间内倾角的变化幅度和车架转动速度的变化幅度来判断当前车架的稳定情况，从而判定当前车架是否达到平衡，从而评估平衡自行车的稳定状态。
可选地，作为一种更加具体的实施方式，本申请实施例提供一种更详细的平衡判断方法，为便于理解，以下结合附图进行详细说明。
请参阅图5，如图5所示，本申请实施例所提供的平衡装置姿态模拟方法的实施例四，包括以下步骤。
501、根据Tr和
Figure BDA00022970119800001214
随着时间t变化分别确定θ随时间t变化的第一关系和
Figure BDA00022970119800001215
随时间t变化的第二关系。
本实施例中，
Figure BDA00022970119800001216
随着时间t的变化，由于在自行车直线行驶的过程中，其行驶路线呈近似直线，前把还是需要来回调整方向，以实现自行车的动态平衡，因此在自行车行驶过程中，
Figure BDA00022970119800001217
是一个变化的值；相应地，Tr也会随着时间t变化的变化，如前所述，在自行车行进过程中
Figure BDA00022970119800001218
在不断变化，此举会造成自行车平衡姿态的改变，因此相应地，动量轮电机输出的力矩Tr也需要发生相应的改变，以维持平衡自行车的平衡状态。在每个时刻，通过上述实施例一或实施例二所述的方法，通过获取当前时刻的Tr和
Figure BDA0002297011980000131
得到当前时刻车架的倾角θ和车架的转动速度
Figure BDA0002297011980000132
从而得到该第一关系和该第二关系。
502、判断第一关系中θ随时间t的变化是否向第一结果值收敛。
本实施例中，第一关系中θ随时间t的变化如图8所示，随着时间t的前进，若θ逐渐向第一结果值收敛，说明车架的摆动幅度逐渐变小，该第一结果值可以是根据需要设定的任意数值，此处不做限定。
503、判断第二关系中
Figure BDA0002297011980000133
随时间t的变化是否向第二结果值收敛。
本实施例中，第二关系中
Figure BDA0002297011980000134
随时间t的变化如图9所示，随着时间t的前进，若
Figure BDA0002297011980000135
逐渐向第二结果值收敛，说明车架渐渐停止摆动，该第二结果值可以是根据需要设定的任意数值，此处不做限定。
当第一关系中θ向第一结果值收敛，且第二关系中
Figure BDA0002297011980000136
向第二结果值收敛时，如图6及图7所示，说明车架的摆动幅度趋于稳定，由此可以判断车架达到了平衡的姿态。
需要说明的是，在上述任意一个实施例的工作过程中，都需要通过动量轮电机输出的第一力矩Tr和前把的转动速度
Figure BDA0002297011980000137
获取平衡自行车的状态参数，状态参数包括车架的倾角θ，车架在第二力矩作用下转动的角速度
Figure BDA0002297011980000138
动量轮的转动速度
Figure BDA0002297011980000139
以及前把的转动角度δ，原因在于，现有技术中的平衡自行车，一般只通过动量轮或转动前把中的一种方式来对平衡自行车的姿态进行调节，而本申请实施例的平衡自行车架构同时采用了动量轮和转向电机两种方式对平衡自行车的姿态进行调节，这意味着在对平衡自行车的姿态进行模拟的过程中，需要对动量轮电机的输入力矩Tr和前把的转动速度
Figure BDA00022970119800001310
这两个参数进行耦合，从而在Tr和
Figure BDA00022970119800001311
同时变化的情况下求得平衡自行车的状态参数。
为便于理解，以下对本申请实施例所提供的方法中，动量轮电机的输入力矩Tr和前把的转动速度
Figure BDA00022970119800001312
的耦合过程进行详细说明。
首先对平衡自行车的物理参数进行分析，请参阅图8，图8为本申请实施例所提供的平衡自行车的后视图，如图8所示，L1为车架801的重心的高度，即轮子802的最低点到车身的重心之间的长度，L2为动量轮803的高度，即轮子的最低点到动量轮的位置的距离，如图8所示，自行车的车架与数值方向之间存在倾角θ，动量轮转动的角度为φ，平衡自行车的车架的质量为m1，动量轮的质量为m2，该车架的转动惯量为I1，动量轮的转动惯量为I2，平衡自行车的前轮与后轮之间的轴距为L。请进一步参阅图9，如图9所示，C点为自行车车身的重心，将自行车车身和动量轮看为一个整体，其自行车系统重心的高度为h，自行车前轮和地面的接触点与重心之间的水平距离用a表示。D＝mah，其中m为自行车车身和动量轮的质量之和，即m＝m1+m2。
假设自行车行驶速度V＝0同时自行车前把不转动，此时仅依靠动量轮保持自身平衡，对该系统列写为公式6：拉格朗日表达式(Lagrange expression)：
Figure BDA0002297011980000141
其中，
Figure BDA0002297011980000142
为拉格朗日Lagrange算子，qt为广义坐标(θ和φ)，τi为总转矩。
Figure BDA0002297011980000143
为动能KE与势能PE之差。
进一步地，根据公式7：
Figure BDA0002297011980000144
根据公式8：
PE＝(m1L1+m2L2)gcosθ
则有公式9：
Figure BDA0002297011980000145
将
Figure BDA0002297011980000146
带入Lagrange expression中，qt分别为θ和φ得到公式10：
Figure BDA0002297011980000147
以及公式11：
Figure BDA0002297011980000148
现在，考虑自行车行驶速度V>0，自行车前把转动角度为δ，应用前把作用和动量轮作用保持自行车的平衡，即在上述公式中加入了有关行驶速度V和前把转动的项，其中该行驶速度V为后轮组件所提供的驱动速度。此时自行车姿态与物理量关系可以通过公式12来表征：
Figure BDA0002297011980000149
以及公式13：
Figure BDA00022970119800001410
其中应用sinθ≈θ进行了线性化，Tr是忽略摩擦力条件下的驱动动量轮的电机提供的力矩。公式11和公式13可以重写为公式14：
Figure BDA0002297011980000151
在公式14中，等号左边的公式用于表征平衡自行车系统的能量状态，包括动能及势能等，等号右边的公式由于表征动量轮电机所提供的力矩的状态，该公式14表征了平衡自行车能量状态与动量轮力矩之间的关系。
和公式15：
Figure BDA0002297011980000152
根据公式5中所记载的力矩Tr动量轮电机特性状态参数的关系：
Figure BDA0002297011980000153
与上述公式14及15结合，可以得到平衡自行车模型与动量轮电机扭矩的关系式，公式16：
Figure BDA0002297011980000154
以及公式17：
Figure BDA0002297011980000155
将上述公式16及公式17写为状态空间表达式state-space representation形式，得到公式18：
Figure BDA0002297011980000156
其中，
Figure BDA0002297011980000157
Figure BDA0002297011980000158
Figure BDA0002297011980000161
Figure BDA0002297011980000162
Figure BDA0002297011980000163
Figure BDA0002297011980000164
Figure BDA0002297011980000165
b＝(m1L1+m2L2)g
从而根据上述公式18，作为第二状态空间表达式，体现了输入动量轮电机的电压Vm和前把的转动速度
Figure BDA0002297011980000166
的耦合关系，上述步骤303中所述的通过Vm直接作为输入值，结合
Figure BDA0002297011980000167
确定
Figure BDA0002297011980000168
θ、
Figure BDA0002297011980000169
以及δ，即为：将u作为输入值，其中：
Figure BDA00022970119800001610
输入到公式18中，即可最终得到：
Figure BDA00022970119800001611
从而得到输入动量轮电机的电压为Vm且前把的转动速度为
Figure BDA0002297011980000171
时，车架的倾角θ，车架在第二力矩作用下转动的角速度
Figure BDA0002297011980000172
动量轮的转动速度
Figure BDA0002297011980000173
以及前把的转动角度δ。
上述公式18可以计算本申请实施例所提供的平衡自行车系统在任意情况下的平衡状态，可选地，还可以进一步计算静态平衡和动态平衡两种特殊情况下的平衡状态，以下分别进行详细说明。
一、静态平衡。
静态平衡时，自行车行进速度V＝0，此时上述公式18的模型退化成自行车依靠动量轮完成静态平衡的数学模型。V＝0时就不需要对前把转向电机进行控制了，相当于u矩阵中的
Figure BDA0002297011980000174
这时，B矩阵中所有和u中
Figure BDA0002297011980000175
相乘的元素都没有意义了，等价于将B矩阵的第二列所有元素置零。具体如下：
Figure BDA0002297011980000176
Figure BDA0002297011980000177
Figure BDA0002297011980000178
Figure BDA0002297011980000179
将上述A至D矩阵带入上述公式18中，即可得到静态平衡下平衡自行车的数学模型。
二、动态平衡。
动态平衡时，在动量轮转动速度
Figure BDA00022970119800001710
时，该模型退化成自行车依靠前把完成动态平衡的数学模型。x变量中的
Figure BDA00022970119800001711
因此A矩阵中所有和x中
Figure BDA00022970119800001712
相乘的元素都没有意义了，等价于将A矩阵的第三列所有元素置零。同时，
Figure BDA00022970119800001713
时就不需要对动量轮电机进行控制了，相当于u矩阵中的Vm＝0。这时和A矩阵的变化同理，B矩阵中所有和u中Vm相乘的元素都没有意义了，等价于将B矩阵的第一列所有元素置零。具体如下：
Figure BDA0002297011980000181
Figure BDA0002297011980000182
Figure BDA0002297011980000183
Figure BDA0002297011980000184
将上述A至D矩阵带入上述公式18中，即可得到动态平衡下平衡自行车的数学模型。
需要说明的是，在上述公式18所提供关于平衡自行车的数学模型中，以动量轮电机的输入电压Vm作为其中一个输入量，优点为简化了输入参数，基于同一款动量轮电机，能够得到电压这个最直接的输入值，缺点在于，在平衡自行车开发的过程中，可能会更换不同的动量轮电机，此时，若采用公式18所提供的数学模型，每更换一个不同的动量轮电机，都需要重新测量关于该电机的各项参数，才能适用公式18所提供的数学模型，工作量较大，因此为了解决此问题，本申请进一步提供一种数学模型，不考虑动量轮电机的各项参数，将平衡自行车的动力学特性与动量轮电机的特性剥离开，将模型的输入设计为动量轮电机的输出力矩，这样模型就与动量轮电机的内部参数无关了。具体平衡自行车模型与动量轮电机扭矩的关系式如下所示：
公式19：
Figure BDA0002297011980000185
以及公式20：
Figure BDA0002297011980000191
将上述公式19及公式20带入状态空间表达式state-space representation形式，得到公式21：
Figure BDA0002297011980000192
其中，
Figure BDA0002297011980000193
Figure BDA0002297011980000194
Figure BDA0002297011980000195
Figure BDA0002297011980000196
Figure BDA0002297011980000197
Figure BDA0002297011980000198
Figure BDA0002297011980000199
b＝(m1L1+m2L2)g
从而根据上述公式21，作为第一状态空间表达式，体现了动量轮电机的输出力矩Tr和前把的转动速度
Figure BDA0002297011980000201
的耦合关系，上述步骤203或303中所述的通过Tr直接作为输入值，结合
Figure BDA0002297011980000202
确定
Figure BDA0002297011980000203
θ、
Figure BDA0002297011980000204
以及δ，即为：将u作为输入值，其中：
Figure BDA0002297011980000205
输入到公式21中，即可最终得到：
Figure BDA0002297011980000206
从而得到动量轮电机的输出力矩为Tr且前把的转动速度为
Figure BDA0002297011980000207
时，车架的倾角θ，车架在第二力矩作用下转动的角速度
Figure BDA0002297011980000208
动量轮的转动速度
Figure BDA0002297011980000209
以及前把的转动角度δ。
上述公式21可以计算本申请实施例所提供的平衡自行车系统在任意情况下的平衡状态，可选地，还可以进一步计算静态平衡和动态平衡两种特殊情况下的平衡状态，以下分别进行详细说明。
一、静态平衡。
静态平衡时，自行车行进速度V＝0，此时上述公式18的模型退化成自行车依靠动量轮完成静态平衡的数学模型。V＝0时就不需要对前把转向电机进行控制了，相当于u矩阵中的
Figure BDA00022970119800002010
这时，B矩阵中所有和u中
Figure BDA00022970119800002011
相乘的元素都没有意义了，等价于将B矩阵的第二列所有元素置零。具体如下：
Figure BDA00022970119800002012
Figure BDA00022970119800002013
Figure BDA0002297011980000211
Figure BDA0002297011980000212
将上述A至D矩阵带入上述公式21中，即可得到静态平衡下平衡自行车的数学模型。
二、动态平衡。
动态平衡时，动量轮转动速度
Figure BDA0002297011980000213
该模型退化成自行车依靠前把完成动态平衡的数学模型。x变量中的
Figure BDA0002297011980000214
因此A矩阵中所有和x中
Figure BDA0002297011980000215
相乘的元素都没有意义了，等价于将A矩阵的第三列所有元素置零。由于不考虑电机特性的模型的建立与控制器设计中的A矩阵本身第三列已经都是0了，这里的A就没有变化。
Figure BDA0002297011980000216
时就不需要对动量轮电机进行控制了，相当于u矩阵中的Tr＝0。这时和A矩阵的变化同理，B矩阵中所有和u中Tr相乘的元素都没有意义了，等价于将B矩阵的第一列所有元素置零。具体如下：
Figure BDA0002297011980000217
Figure BDA0002297011980000218
Figure BDA0002297011980000219
Figure BDA00022970119800002110
将上述A至D矩阵带入上述公式21中，即可得到动态平衡下平衡自行车的数学模型。
上述过程结合平衡自行车的物理原理和数学公式推导，建立平衡自行车的数学模型。其中，静态平衡和动态平衡均可以被视为平衡自行车工作过程中的两种特殊情况。基于该模型，用户可以通过输入的参数，获取到平衡自行车对应的姿态参数，从而可以对平衡自行车的工作状态进行模拟。该方法为后续在动态下平衡、静态下平衡，动静混合状态下平衡的控制器设计奠定了基础。在产品研发过程中明确数学原理和物理学规律，也为系统性能的提升和进一步改进提供了理论支持。
本申请提供的平衡装置姿态模拟方法，基于平衡自行车的架构，能够模拟动量轮电机输入一定力矩时，自行车的平衡状态，包括：获取动量轮电机输出的第一力矩Tr，所述动量轮电机安装于所述平衡自行车的车架上，且连接有动量轮，所述第一力矩Tr用于驱动所述动量轮旋转以输出第二力矩，所述第二力矩用于调节所述车架的姿态；获取前把的转动速度
Figure BDA0002297011980000221
所述前把用于连接所述车架与前轮；根据所述Tr和所述
Figure BDA0002297011980000222
确定当所述动量轮电机的输出力矩为Tr且所述前把的转动速度为
Figure BDA0002297011980000223
时，所述车架的倾角θ，所述车架在所述第二力矩作用下转动的角速度
Figure BDA0002297011980000224
所述动量轮的转动速度
Figure BDA0002297011980000225
以及所述前把的转动角度δ。从而能够通过输入力矩值和前把转向速度即可获得自行车的平衡状态参数，实现了对平衡自行车平衡姿态的模拟，不需硬件的参与即可测得不同力矩和前把转向速度的情况下自行车的平衡状态，降低了平衡调节成本，提升了测试效率。
上述对本申请实施例提供的方案进行了介绍。可以理解的是，计算机设备为了实现上述功能，其包含了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件模块。本领域技术人员应该很容易意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤，本申请能够以硬件或硬件和计算机软件的结合形式来实现。某个功能究竟以硬件还是计算机软件驱动硬件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
从硬件结构上来描述，上述方法可以由一个实体设备实现，也可以由多个实体设备共同实现，还可以是一个实体设备内的一个逻辑功能模块，本申请实施例对此不作具体限定。
例如，上述方法均可以通过图10中的计算机设备来实现。图10为本申请实施例提供的计算机设备的硬件结构示意图。该计算机设备包括至少一个处理器1001，通信线路1002，存储器1003以及至少一个通信接口1004。
处理器1001可以是一个通用中央处理器(central processing unit，CPU)，微处理器，特定应用集成电路(application-specific integrated circuit，服务器IC)，或一个或多个用于控制本申请方案程序执行的集成电路。
通信线路1002可包括一通路，在上述组件之间传送信息。
通信接口1004，使用任何收发器一类的装置，用于与其他设备或通信网络通信，如以太网，无线接入网(radio access network，RAN)，无线局域网(wireless local areanetworks，WLAN)等。
存储器1003可以是只读存储器(read-only memory，ROM)或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，随机存取存储器(random access memory，RAM)或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是电可擦可编程只读存储器(electricallyer服务器able programmable read-only memory，EEPROM)、只读光盘(compact disc read-only memory，CD-ROM)或其他光盘存储、光碟存储(包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等)、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。存储器可以是独立存在，通过通信线路1002与处理器相连接。存储器也可以和处理器集成在一起。
其中，存储器1003用于存储执行本申请方案的计算机执行指令，并由处理器1001来控制执行。处理器1001用于执行存储器1003中存储的计算机执行指令，从而实现本申请上述实施例提供的方法。
可选的，本申请实施例中的计算机执行指令也可以称之为应用程序代码，本申请实施例对此不作具体限定。
在具体实现中，作为一种实施例，处理器1001可以包括一个或多个CPU，例如图10中的CPU0和CPU1。
在具体实现中，作为一种实施例，计算机设备可以包括多个处理器，例如图10中的处理器1001和处理器1007。这些处理器中的每一个可以是一个单核(single-CPU)处理器，也可以是一个多核(multi-CPU)处理器。这里的处理器可以指一个或多个设备、电路、和/或用于处理数据(例如计算机程序指令)的处理核。
在具体实现中，作为一种实施例，计算机设备还可以包括输出设备1005和输入设备1006。输出设备1005和处理器1001通信，可以以多种方式来显示信息。例如，输出设备1005可以是液晶显示器(liquid crystal display，LCD)，发光二级管(light emittingdiode，LED)显示设备，阴极射线管(cathode ray tube，CRT)显示设备，或投影仪(projector)等。输入设备1006和处理器1001通信，可以以多种方式接收用户的输入。例如，输入设备1006可以是鼠标、键盘、触摸屏设备或传感设备等。
上述的计算机设备可以是一个通用设备或者是一个专用设备。在具体实现中，计算机设备可以是台式机、便携式电脑、网络服务器、掌上电脑(personal digitalassistant，PDA)、移动手机、平板电脑、无线终端设备、嵌入式设备或有图10中类似结构的设备。本申请实施例不限定计算机设备的类型。
本申请实施例可以根据上述方法示例对存储设备进行功能单元的划分，例如，可以对应各个功能划分各个功能单元，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。需要说明的是，本申请实施例中对单元的划分是示意性的，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。
比如，以采用集成的方式划分各个功能单元的情况下，图11示出了一种平衡装置姿态模拟装置的示意图。
如图11所示，本申请实施例提供的平衡装置姿态模拟装置，包括：
第一获取单元1101，该第一获取单元1101用于获取动量轮电机输出的第一力矩Tr，该动量轮电机安装于该平衡装置上，且连接有动量轮，该第一力矩Tr用于驱动该动量轮旋转以输出第二力矩，该第二力矩用于调节该平衡装置的姿态；
第二获取单元1102，该第二获取单元1102用于获取该平衡装置的转向轮的转动速度
Figure BDA0002297011980000241
确定单元1103，该确定单元1103用于根据该第一单元1101获取的该Tr和该第二获取单元1102获取的该
Figure BDA0002297011980000242
确定该平衡装置的姿态参数，该姿态参数用于描述该平衡装置的姿态。
可选地，该平衡装置为平衡自行车，该平衡自行车包括车架，该第二力矩用于调节该车架的姿态，则该第二获取单元1102还用于：
获取前把的转动速度
Figure BDA0002297011980000251
该前把用于连接该车架与前轮，以控制该前轮的转向；
该确定单元1103还用于：
确定当该动量轮电机的输出力矩为Tr且该前把的转动速度为
Figure BDA0002297011980000252
时，该车架的倾角θ，该车架在该第二力矩作用下转动的角速度
Figure BDA0002297011980000253
该动量轮的转动速度
Figure BDA0002297011980000254
以及该前把的转动角度δ。
可选地，该第一获取单元1101，还用于：
根据该动量轮电机的输入电压Vm获取该Tr，该Vm用于驱动该动量轮电机输出该第一力矩Tr。
可选地，该装置还包括：
第三获取单元1104，该第三获取单元1104用于在第一时间段内，获取该θ的变化量Δθ和该
Figure BDA0002297011980000255
的变化量
Figure BDA0002297011980000256
判断单元1105，该判断单元1105用于根据该第三获取单元1104获取的该Δθ和该
Figure BDA0002297011980000257
判断该车架是否达到平衡姿态。
可选地，该第三获取单元1104，还用于：
根据该Tr和该
Figure BDA0002297011980000258
随着时间t变化分别确定该θ随时间t变化的第一关系和该
Figure BDA0002297011980000259
随时间t变化的第二关系；
该判断单元1105，还用于：
若所在该第一关系中该θ随时间t的变化向第一结果值收敛，且，所在该第二关系中该
Figure BDA00022970119800002510
随时间t的变化向第二结果值收敛，则判断该车架达到平衡姿态。
可选地，该确定单元1103还用于：
将该Tr和该
Figure BDA00022970119800002511
作为参数u输入第一状态空间表达式：
Figure BDA00022970119800002512
以得到输出y，其中，
该
Figure BDA0002297011980000261
该
Figure BDA0002297011980000262
该
Figure BDA0002297011980000263
该
Figure BDA0002297011980000264
该
Figure BDA0002297011980000265
该
Figure BDA0002297011980000266
该
Figure BDA0002297011980000267
该b＝(m1L1+m2L2)g，
该
Figure BDA0002297011980000268
为该θ对时间求导后所得到的值，即该车架与垂直方向产生夹角的倾倒速度；该
Figure BDA0002297011980000269
为该φ对时间求导后所得到的值，即该动量轮的转速；该
Figure BDA00022970119800002610
为该δ对时间求导后所得到的值，即该前把的转动速度；该m1为该车架的质量，该m2为该动量轮的质量，该V为该后轮的转速，该h为该平衡自行车的重心的高度，该L为该前轮与该后轮之间的轮距，该D＝mah，该m＝m1+m2，该a为该前轮和地面的接触点与该平衡自行车的重心之间的水平距离，该I1为该车架的转动惯量，该I2为该动量轮的转动惯量，该L1为该车架的高度，该L2为该动量轮的转轴到地面的距离。
可选地，该确定单元1103还用于：
将该Vm和该
Figure BDA00022970119800002611
作为参数u输入第二状态空间表达式：
Figure BDA0002297011980000271
以得到输出y，其中，
其中，该
Figure BDA0002297011980000272
该
Figure BDA0002297011980000273
该
Figure BDA0002297011980000274
该
Figure BDA0002297011980000275
该
Figure BDA0002297011980000276
该
Figure BDA0002297011980000277
该
Figure BDA0002297011980000278
该b＝(m1L1+m2L2)g，
该
Figure BDA0002297011980000279
为该θ对时间求导后所得到的值，即该车架与垂直方向产生夹角的倾倒速度；该
Figure BDA00022970119800002710
为该φ对时间求导后所得到的值，即该动量轮的转速；该
Figure BDA00022970119800002711
为该δ对时间求导后所得到的值，即该前把的转动速度；该Ng为该动量轮电机的减速比，该Kt为该动量轮电机的电机扭矩常数，该Ke为该动量轮电机的马达反电磁力，该Rm为该动量轮电机的马达的电枢线圈电阻，该m1为该车架的质量，该m2为该动量轮的质量，该V为该后轮的转速，该h为该平衡自行车的重心的高度，该L为该前轮与该后轮之间的轮距，该D＝mah，该m＝m1+m2，该a为该前轮和地面的接触点与该平衡自行车的重心之间的水平距离，该I1为该车架的转动惯量，该I2为该动量轮的转动惯量，该L1为该车架的高度，该L2为该动量轮的转轴到地面的距离。
进一步的，本发明实施例还提供一种计算机存储介质，包括指令，当该指令在计算机设备上运行时，使得该计算机设备执行上述方法。
有关本申请实施例提供的计算机存储介质中存储的程序的详细描述可参照上述实施例，在此不做赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的核心思想或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (15)

1.一种平衡装置姿态模拟方法，其特征在于，所述平衡装置为平衡自行车，所述平衡自行车包括车架，所述方法包括：
获取动量轮电机输出的第一力矩Tr，所述动量轮电机安装于所述平衡装置上，且连接有动量轮，所述第一力矩Tr用于驱动所述动量轮旋转以输出第二力矩，所述第二力矩用于调节所述平衡装置的姿态；
获取所述平衡装置的转向轮的转动速度
Figure FDA0002864495250000011
所述动量轮的旋转与所述转向轮的转动，是用于实现平衡的且相互影响的两种调节方式；
根据所述Tr和所述
Figure FDA0002864495250000012
确定所述平衡装置的姿态参数，其中包括：确定当所述动量轮电机的输出力矩为Tr且前把的转动速度为
Figure FDA0002864495250000013
时，所述车架的倾角θ；所述前把用于连接所述车架与前轮，以控制所述前轮的转向；所述姿态参数用于描述所述平衡装置的姿态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二力矩用于调节所述车架的姿态；则，
所述获取所述平衡装置的转向轮的转动速度
Figure FDA0002864495250000014
包括：
获取所述前把的转动速度
Figure FDA0002864495250000015
所述根据所述Tr和所述
Figure FDA0002864495250000016
确定所述平衡装置的姿态参数，还包括：
确定当所述动量轮电机的输出力矩为Tr且所述前把的转动速度为
Figure FDA0002864495250000017
时，所述车架在所述第二力矩作用下转动的角速度
Figure FDA0002864495250000018
所述动量轮的转动速度
Figure FDA0002864495250000019
以及所述前把的转动角度δ。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取动量轮电机输出的第一力矩Tr，包括：
根据所述动量轮电机的输入电压Vm获取所述Tr，所述Vm用于驱动所述动量轮电机输出所述第一力矩Tr。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述θ为所述车架的中线与垂直面所构成的夹角。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在第一时间段内，获取所述θ的变化量Δθ和所述
Figure FDA00028644952500000110
的变化量
Figure FDA00028644952500000111
根据所述Δθ和所述
Figure FDA00028644952500000112
判断所述车架是否达到平衡姿态。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在第一时间段内，获取所述θ的变化量Δθ和所述
Figure FDA0002864495250000021
的变化量
Figure FDA0002864495250000022
包括：
根据所述Tr和所述
Figure FDA0002864495250000023
随着时间t变化分别确定所述θ随时间t变化的第一关系和所述
Figure FDA0002864495250000024
随时间t变化的第二关系；
所述根据Δθ和所述
Figure FDA0002864495250000025
判断所述车架是否达到平衡姿态，包括：
若所在所述第一关系中所述θ随时间t的变化向第一结果值收敛，且，所在所述第二关系中所述
Figure FDA0002864495250000026
随时间t的变化向第二结果值收敛，则判断所述车架达到平衡姿态。
7.根据权利要求2至6任一所述的方法，其特征在于，所述根据所述Tr和所述
Figure FDA0002864495250000027
确定当所述动量轮电机的输出力矩为Tr且所述前把的转动速度为
Figure FDA0002864495250000028
时，所述θ、所述
Figure FDA0002864495250000029
所述
Figure FDA00028644952500000210
以及所述δ,包括：
将所述Tr和所述
Figure FDA00028644952500000211
作为参数u输入第一状态空间表达式：
Figure FDA00028644952500000212
以得到输出y，其中，
所述
Figure FDA00028644952500000213
所述
Figure FDA00028644952500000214
所述
Figure FDA00028644952500000215
所述
Figure FDA00028644952500000216
所述
Figure FDA0002864495250000031
所述
Figure FDA0002864495250000032
所述
Figure FDA0002864495250000033
所述b＝(m1L1+m2L2)g，
所述
Figure FDA0002864495250000034
为所述θ对时间求导后所得到的值，即所述车架与垂直方向产生夹角的倾倒速度；所述
Figure FDA0002864495250000035
为所述φ对时间求导后所得到的值，即所述动量轮的转速；所述
Figure FDA0002864495250000036
为所述δ对时间求导后所得到的值，即所述前把的转动速度；所述m1为所述车架的质量，所述m2为所述动量轮的质量，所述V为后轮的转速，所述h为所述平衡自行车的重心的高度，所述L为所述前轮与所述后轮之间的轴距，所述D＝mah，所述m＝m1+m2，所述a为所述前轮和地面的接触点与所述平衡自行车的重心之间的水平距离，所述I1为所述车架的转动惯量，所述I2为所述动量轮的转动惯量，所述L1为所述车架重心的高度，所述L2为所述动量轮的转轴到地面的距离。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述Tr和所述
Figure FDA0002864495250000037
确定当所述动量轮电机的输出力矩为Tr且所述前把的转动速度为
Figure FDA0002864495250000038
时，所述θ、所述
Figure FDA0002864495250000039
所述
Figure FDA00028644952500000310
以及所述δ,包括：
将所述Vm和所述
Figure FDA00028644952500000311
作为参数u输入第二状态空间表达式：
Figure FDA00028644952500000312
以得到输出y，其中，
其中，所述
Figure FDA00028644952500000313
所述
Figure FDA00028644952500000314
所述
Figure FDA00028644952500000315
所述
Figure FDA0002864495250000041
所述
Figure FDA0002864495250000042
所述
Figure FDA0002864495250000043
所述
Figure FDA0002864495250000044
所述b＝(m1L1+m2L2)g，
所述
Figure FDA0002864495250000045
为所述θ对时间求导后所得到的值，即所述车架与垂直方向产生夹角的倾倒速度；所述
Figure FDA0002864495250000046
为所述φ对时间求导后所得到的值，即所述动量轮的转速；所述
Figure FDA0002864495250000047
为所述δ对时间求导后所得到的值，即所述前把的转动速度；所述Ng为所述动量轮电机的减速比，所述Kt为所述动量轮电机的电机扭矩常数，所述Ke为所述动量轮电机的马达反电磁力，所述Rm为所述动量轮电机的马达的电枢线圈电阻，所述m1为所述车架的质量，所述m2为所述动量轮的质量，所述V为后轮的转速，所述h为所述平衡自行车的重心的高度，所述L为所述前轮与所述后轮之间的轴距，所述D＝mah，所述m＝m1+m2，所述a为所述前轮和地面的接触点与所述平衡自行车的重心之间的水平距离，所述I1为所述车架的转动惯量，所述I2为所述动量轮的转动惯量，所述L1为所述车架的重心的高度，所述L2为所述动量轮的转轴到地面的距离。
9.一种平衡装置姿态模拟装置，其特征在于，所述平衡装置为平衡自行车，所述平衡自行车包括车架，所述装置包括：
第一获取单元，所述第一获取单元用于获取动量轮电机输出的第一力矩Tr，所述动量轮电机安装于所述平衡装置上，且连接有动量轮，所述第一力矩Tr用于驱动所述动量轮旋转以输出第二力矩，所述第二力矩用于调节所述平衡装置的姿态；
第二获取单元，所述第二获取单元用于获取所述平衡装置的转向轮的转动速度
Figure FDA0002864495250000048
所述动量轮的旋转与所述转向轮的转动，是用于实现平衡的且相互影响的两种调节方式；
确定单元，所述确定单元用于根据所述第一获取 单元获取的所述Tr和所述第二获取单元获取的所述
Figure FDA0002864495250000051
确定所述平衡装置的姿态参数，其中包括：确定当所述动量轮电机的输出力矩为Tr且前把的转动速度为
Figure FDA0002864495250000052
时，所述车架的倾角θ；所述前把用于连接所述车架与前轮，以控制所述前轮的转向；所述姿态参数用于描述所述平衡装置的姿态。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二力矩用于调节所述车架的姿态；则所述第二获取单元还用于：
获取所述前把的转动速度
Figure FDA0002864495250000053
所述确定单元还用于：
确定当所述动量轮电机的输出力矩为Tr且所述前把的转动速度为
Figure FDA0002864495250000054
时，所述车架在所述第二力矩作用下转动的角速度
Figure FDA0002864495250000055
所述动量轮的转动速度
Figure FDA0002864495250000056
以及所述前把的转动角度δ。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一获取单元，还用于：
根据所述动量轮电机的输入电压Vm获取所述Tr，所述Vm用于驱动所述动量轮电机输出所述第一力矩Tr。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第三获取单元，所述第三获取单元用于在第一时间段内，获取所述θ的变化量Δθ和所述
Figure FDA0002864495250000057
的变化量
Figure FDA0002864495250000058
判断单元，所述判断单元用于根据所述第三获取单元获取的所述Δθ和所述
Figure FDA0002864495250000059
判断所述车架是否达到平衡姿态。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第三获取单元，还用于：
根据所述Tr和所述
Figure FDA00028644952500000510
随着时间t变化分别确定所述θ随时间t变化的第一关系和所述
Figure FDA00028644952500000511
随时间t变化的第二关系；
所述判断单元，还用于：
若所在所述第一关系中所述θ随时间t的变化向第一结果值收敛，且，所在所述第二关系中所述
Figure FDA00028644952500000512
随时间t的变化向第二结果值收敛，则判断所述车架达到平衡姿态。
14.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括：交互装置、输入/输出(I/O)接口、处理器和存储器，所述存储器中存储有程序指令；
所述交互装置用于获取用户输入的操作指令；
所述处理器用于执行存储器中存储的程序指令，执行如权利要求1-8中任意一项所述的方法。
15.一种计算机可读存储介质，包括指令，其特征在于，当所述指令在计算机设备上运行时，使得所述计算机设备执行如权利要求1-8中任意一项所述的方法。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103092209A (zh) * 2013-01-30 2013-05-08 北京控制工程研究所 一种基于动量轮控制的全姿态捕获方法
CN104670359A (zh) * 2013-11-27 2015-06-03 哈尔滨功成科技创业投资有限公司 一种双轮微型摩托车
CN107728635A (zh) * 2017-11-13 2018-02-23 北京赛曙科技有限公司 一种摩托车型机器人的自动平衡装置及方法
CN107856762A (zh) * 2017-11-13 2018-03-30 北京赛曙科技有限公司 一种摩托车型机器人
CN209167900U (zh) * 2018-12-28 2019-07-26 上海太昂科技有限公司 一种姿态自调整的移动平衡装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070000322A1 (en) * 2005-04-19 2007-01-04 Gessler Richard J Jr Tire balancing devices and methods

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103092209A (zh) * 2013-01-30 2013-05-08 北京控制工程研究所 一种基于动量轮控制的全姿态捕获方法
CN104670359A (zh) * 2013-11-27 2015-06-03 哈尔滨功成科技创业投资有限公司 一种双轮微型摩托车
CN107728635A (zh) * 2017-11-13 2018-02-23 北京赛曙科技有限公司 一种摩托车型机器人的自动平衡装置及方法
CN107856762A (zh) * 2017-11-13 2018-03-30 北京赛曙科技有限公司 一种摩托车型机器人
CN209167900U (zh) * 2018-12-28 2019-07-26 上海太昂科技有限公司 一种姿态自调整的移动平衡装置

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