CN110929351B - 自平衡设备及其动量轮安装位置确定方法、装置、设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种自平衡设备及其动量轮安装位置确定方法、装置、设备及介质，所述自平衡设备包括动量轮和动量轮电机，动量轮电机用于驱动动量轮，所述方法包括：获取动量轮的预设安装高度；基于自平衡设备的动力学特性，构造自平衡设备动力学模型；基于动量轮电机的物理特征，构造动量轮电机物理模型；基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果；基于自平衡预测结果，确定动量轮的安装高度，使用户能够简单便捷地计算得到动量轮安装在自平衡设备各不同位置处的自平衡效果。

Description

自平衡设备及其动量轮安装位置确定方法、装置、设备

技术领域

本发明涉及人工智能及机器人领域，更具体地涉及一种自平衡设备、自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法、装置、设备及介质。

背景技术

随着人工智能及机器人技术在民用和商用领域的广泛应用，基于人工智能及机器人技术的自平衡设备在智能交通、智能家居等领域起到日益重要的作用，也面临着更高的要求。

目前在一些自平衡设备中包括动量轮系统，其包括至少一个安装在固定位置的动量轮及动量轮电机。当自平衡设备静止时，若自平衡设备发生倾斜，通过动量轮在加速或减速转动时产生的回复力矩实现自平衡设备的静态平衡。然而，当前自平衡设备中，存在由于动量轮的安装位置选取不当而不能实现良好静态平衡的情况；且当前自平衡设备中动量轮的位置不可调节，只能固定安装在自平衡设备的某一位置，当自平衡设备的质量分布发生变化时，无法通过调节动量轮的安装位置使动量轮所产生的力矩发挥最优的作用，其鲁棒性较差。

因此，需要一种在实现自平衡设备静态平衡的前提下，能够合理选择动量轮的安装位置，安装灵活性良好，鲁棒性较高的自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种自平衡设备、自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法、装置、设备及介质。利用本发明提供的自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法可以在实现自平衡设备静态平衡的基础上，通过合理选择动量轮的安装位置有效地使动量轮的力矩发挥最大的优势，且该方法具有良好的鲁棒性。

根据本发明的一方面，提出了一种自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法，其中，所述自平衡设备包括动量轮和动量轮电机，所述动量轮电机用于驱动所述动量轮，所述方法包括：获取所述动量轮的预设安装高度；基于所述自平衡设备的动力学特性，构造自平衡设备动力学模型；基于所述动量轮电机的物理特征，构造动量轮电机物理模型；基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果；基于所述自平衡预测结果，确定所述动量轮的安装高度。

在一些实施方式中，基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果包括：基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，构造自平衡设备多刚体综合模型，所述自平衡设备多刚体综合模型包括预测矩阵和附加预测向量；基于所述自平衡设备多刚体综合模型确定预设安装高度所对应的自平衡预测结果。

在一些实施方式中，基于所述自平衡设备多刚体综合模型确定预设安装高度所对应的自平衡预测结果包括：基于所述自平衡设备多刚体综合模型，生成与该预设安装高度相对应的预测矩阵和附加预测向量；基于所述预测矩阵和附加预测向量，计算得到该预设安装高度对应的自平衡预测结果。

在一些实施方式中，基于所述自平衡设备的动力学特性构造自平衡设备动力学模型包括：基于所述自平衡设备的设备高度、动量轮电机初始转矩、设备初始偏转角构造自平衡设备动力学模型。

在一些实施方式中，所述自平衡预测结果包括以下至少一项：设备偏转角回归曲线、动量轮转速峰值。

在一些实施方式中，所述动量轮在该自平衡设备上的安装位置可调节。

根据本发明的另一方面，提供了一种自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置，其中，所述自平衡设备包括动量轮和动量轮电机，所述动量轮电机用于驱动所述动量轮，所述装置包括：预设安装高度获取模块，其被配置为获取自平衡设备动量轮的预设安装高度；自平衡设备动力学模型生成模块，其被配置为基于所述自平衡设备的动力学特性构造自平衡设备动力学模型；动量轮电机物理模型生成模块，其被配置为基于所述动量轮电机的物理特征，构造动量轮电机物理模型；自平衡结果生成模块，其被配置为基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果；动量轮安装高度确定模块，其被配置为基于所述自平衡预测结果，确定所述动量轮的安装高度。

在一些实施方式中，所述自平衡结果生成模块包括：多刚体综合模型生成模块，其被配置为基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，构造自平衡设备多刚体综合模型，所述自平衡设备多刚体综合模型包括预测矩阵和附加预测向量；自平衡预测结果输出模块，其被配置为基于所述自平衡设备多刚体综合模型确定预设安装高度所对应的自平衡预测结果。

在一些实施方式中，所述自平衡预测结果输出模块包括：中间参数生成模块，其被配置为基于所述自平衡设备多刚体综合模型生成与该预设安装高度相对应的预测矩阵和附加预测向量；自平衡预测结果计算模块，其被配置为基于所述预测矩阵和附加预测向量，计算得到该预设安装高度对应的自平衡预测结果。

根据本发明的另一方面，提供了一种自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备，其中，所述自平衡设备包括动量轮和动量轮电机，所述动量轮电机用于驱动所述动量轮，其中，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器包含一组指令，所述一组指令在由所述处理器执行时使所述自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备执行操作，所述操作包括：获取所述动量轮的预设安装高度；基于所述自平衡设备的动力学特性，构造自平衡设备动力学模型；基于所述动量轮电机的物理特征，构造动量轮电机物理模型；基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果；基于所述自平衡预测结果，确定所述动量轮的安装高度。

根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机可读的指令，当利用计算机执行所述指令时执行如上所述的方法。

根据本发明的另一方面，提供了一种自平衡设备，所述自平衡设备包括动量轮和动量轮电机，所述动量轮电机用于驱动所述动量轮，其中，所述动量轮在所述自平衡设备上的安装位置根据如前所述的自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法来确定。

在一些实施方式中，所述动量轮在该自平衡设备上的安装位置可调节。

在一些实施方式中，所述自平衡设备还包括如前所述的自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置，且其中，所述自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置用于确定所述动量轮在所述自平衡设备上的安装位置。

利用本发明提供的自平衡设备、自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法、装置、设备及介质，可以很好的实现自平衡设备的静态平衡，特别地，其具有良好的鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在没有做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。以下附图并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制，重点在于示出本发明的主旨。

图1A示出了根据本发明实施例的自平衡设备100A的示意图；

图1B示出了根据本公开实施例的自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法100B的示例性流程图；

图1C示出了根据本公开实施例的自平衡设备的参数标注示意图；

图2示出了本公开实施例的基于自平衡设备动力学模型和动量轮电机物理模型计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果的过程S104的示例性流程图；

图3所示出了根据本公开实施例基于自平衡设备多刚体综合模型确定预设安装高度所对应的自平衡预测结果的过程S1042的示例性流程图；

图4A示出了根据本公开实施例的动量轮安装位置可调节的自平衡设备的侧视图；

图4B示出了根据本公开实施例的动量轮安装位置可调节的自平衡设备的内部剖面视图；

图4C示出了根据本公开实施例的动量轮安装位置可调节的自平衡设备的外观视图；

图4D示出了根据本公开实施例的动量轮安装位置可调节的自平衡设备的俯视图；

图5A示出了根据本公开实施例的动量轮预设安装高度L₂＝0.22m时得到的自平衡预测结果；

图5B示出了根据本公开实施例的动量轮预设安装高度L₂＝0.12m时得到的自平衡预测结果；

图6示出了根据本发明实施例的自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置600的示例性的框图；

图7示出了根据本发明实施例的自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备950的示例性的框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显而易见地，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例，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，也属于本发明保护的范围。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

虽然本申请对根据本申请的实施例的系统中的某些模块做出了各种引用，然而，任何数量的不同模块可以被使用并运行在用户终端和/或服务器上。所述模块仅是说明性的，并且所述系统和方法的不同方面可以使用不同模块。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，根据需要，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

人工智能(Artificial Intelligence,AI)是利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境、获取知识并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统。换句话说，人工智能是计算机科学的一个综合技术，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。人工智能也就是研究各种智能机器的设计原理与实现方法，使机器具有感知、推理与决策的功能。

人工智能技术是一门综合学科，涉及领域广泛，既有硬件层面的技术也有软件层面的技术。人工智能基础技术一般包括如传感器、专用人工智能芯片、云计算、分布式存储、大数据处理技术、操作/交互系统、机电一体化等技术。人工智能软件技术主要包括计算机视觉技术、语音处理技术、自然语言处理技术以及机器学习/深度学习等几大方向。

本申请提出了一种基于人工智能的自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法，其通过将自平衡设备动量轮的预设安装高度输入至自平衡设备多刚体综合模型，经由自平衡设备多刚体综合模型计算其自平衡预测结果，基于该自平衡预测结果来确定动量轮的安装高度。

本申请所述的自平衡设备旨在表征具有静态自平衡能力的设备，其例如可以为自平衡滑板车、自平衡机器人或其他类型的设备。本公开的实施例不受所述自平衡设备的具体类型及其组成的限制。

图1A示出了根据本发明实施例的一种自平衡设备100A的示意图，其中所述自平衡设备为自平衡车。接下来将以图1A所示出的自平衡车为例对于自平衡设备进行简要说明。

参照图1A，当所述自平衡设备100A为自平衡车时，其例如可以包括车架、平衡动量轮系统、前把转向系统、后轮驱动系统和外壳。

其中，所述平衡动量轮系统主要由联轴器14、动量轮15、动量轮轴16、动量轮电机13、U型架17和可调丝杠18组成，其为独立模块。

所述前把转向系统主要由前轮1、前把2、前把轴承4、前把电机5和前把套筒6组成，其为独立模块，只需调整前把套筒6单一零件结构即可调整前把转轴与水平面之间的夹角。

所述后轮驱动系统主要由后轮11、后轮电机12和后轮架10组成，为独立模块。

所述外壳包括前轮外壳3、车身骨架7、车身外壳8、后轮外壳9。其旨在形成自平衡设备车体的整体框架及外部结构。

该自平衡设备利用后轮驱动系统驱动自平衡设备前进。当自平衡设备静止时，若车体发生倾斜，利用平衡动量轮系统产生的回复力可实现自平衡设备的静态平衡；当自平衡设备运动时，若车体发生倾斜，利用前把转向系统和平衡动量轮系统产生的回复力可实现自平衡设备的动态平衡。

且其中，该自平衡设备的静态平衡实现主要依靠其动量轮加速或减速转动时产生的回复力矩，所述动量轮产生的回复力矩的计算公式如下：

M＝I₂·a 1)

其中I₂为动量轮转动惯量，a为动量轮的角加速度。其中，所述动量轮转动惯量I₂的计算公式如下：

I₂∝m·r2 2)其中，m为动量轮质量，r为动量轮半径。

基于上述公式，由于动量轮的角加速度a的极限值受限于电机性能，当角加速度a大小一定时，若要获得更大的回复力矩，需要动量轮转动惯量I₂更大；又由于动量轮转动惯量I₂与动量轮质量m和半径r的平方成正比，而受自平衡设备结构的约束，动量轮半径r不宜过大，因此，动量轮质量m不宜过小，从而使得动量轮自身的质量对于自平衡设备整体的质量分布有较大影响。因此选择合适的动量轮安装位置对于自平衡设备的平衡控制具有重要意义。

现有自平衡设备中动量轮的安装位置常采用经验值或者预先设置的安装位置，存在由于动量轮的安装位置选取不当而不能实现良好静态平衡的情况。且进一步地，当自平衡设备的质量分布发生变化时，现有方案的自平衡设备也不能够通过及时调节动量轮的安装位置使动量轮所产生的力矩发挥最优的作用，其鲁棒性较差。

基于如上所述的自平衡设备，本申请中提出了一种自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法。图1B示出了根据本公开实施例的自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法100B的示例性流程图。

其中，所述自平衡设备包括动量轮和动量轮电机，所述动量轮电机用于驱动所述动量轮。所述自平衡设备的动量轮的安装例如为固定安装，即安装后其安装位置不可调节；或者所述动量轮的安装位置也可以为可调节安装，即可以基于不同的情况调节动量轮在该自平衡设备上的安装位置。本公开的实施例不受所述动量轮在所述自平衡设备上的安装方式的限制。

为了在上述自平衡设备上实现动量轮的安装，参照图1B，首先，在步骤S101中，获取所述动量轮的预设安装高度。

所述动量轮的预设安装高度旨在表征在预设的安装情况下，动量轮中心点与自平衡设备最低点沿垂直方向的距离。所述预设安装高度例如可以为该动量轮安装高度的经验值，其也可以为用户输入的安装高度数值或计算机基于用户输入的要求进一步计算得到的安装高度数值。本公开的实施例不受所述预设安装高度的来源及计算方式的限制。

所述预设安装高度能够基于实际需求选取，例如其可以为0.12m，或者其也可以为0.22m，本公开的实施例不受所述预设安装高度的具体数值的限制。

所述预设安装高度例如可以为动量轮的单个预设安装高度，例如安装高度L_a，或者其也可以为动量轮的多个预设安装高度，例如L_b1，L_b2，L_b3，本公开的实施例不受所获取的动量轮的预设安装高度的具体个数的限制。

获取所述预设安装高度后，在步骤S102中，基于所述自平衡设备的动力学特性，构造自平衡设备动力学模型。

所述自平衡设备动力学模型旨在表征该自平衡设备所具有的动力学特征，例如其中包括的刚体的数目、刚体间的运动关系等。根据所述自平衡设备所具有的运动学特征，其例如可以基于单摆模型、或倒立摆模型等模型建立。本公开的实施例不受所述自平衡设备动力学模型的具体建立方式的限制。

构造自平衡设备动力学模型后，进一步地，在步骤S103中，基于所述动量轮电机的物理特征，构造动量轮电机物理模型。

所述动量轮电机的物理模型旨在表征该动量轮电机的物理运动属性及参数，其例如可以基于该动量轮电机自身的电流、转矩、转速关系建立，或者也可以基于所述动量轮电机的其他组成参数或者该动量轮电机与自平衡设备中的其他部件的关系建立。本公开的实施例不受所述动量轮电机的物理模型建立的具体方式的限制。

接下来，将给出一种建立自平衡设备动力学模型及动量轮电机物理模型的具体实施例。图1C示出了根据本公开实施例的自平衡设备的参数标注示意图。

下面将参照图1C对构造自平衡设备的自平衡设备动力学模型及动量轮电机物理模型的过程进行更具体地说明。其中，图1C中示出了自平衡设备(自平衡车)的后视图，且如图1C所示的情景为假设自平衡设备相对于垂直方向已经产生了一个偏转角的情况，此时需要依靠动量轮的转动使车身恢复竖直状态(即与垂直方向平行的状态)。其中标注了自平衡设备的设备高度L₁，自平衡设备的动量轮的预设安装高度L₂，自平衡设备的设备初始偏转角θ₀，其中，如前所述，所述设备初始偏转角θ₀以车身中心线O_c相对于垂直方向O_y的夹角来表示。且进一步地，设动量轮的转动角度为φ。

基于上述，上述构造自平衡设备动力学模型的过程例如可以更具体地描述。假设自平衡设备在静止状态下仅依靠动量轮角速度的调整保持平衡，则可以将除动量轮以外的部分视为一个整体。具体而言，根据图1C中所示出的参数标注示意图，从自平衡设备尾部向前部看过去，该系统依靠动量轮保持平衡。则此时可以将所述自平衡设备的动量轮及除动量轮以外的自平衡设备部分视为两个刚体，其可以视为多刚体系统。

进一步地，基于自平衡设备的动作原理及其动力学特征，例如可以将该自平衡设备的多刚体系统视为倒立摆模型系统实现其动力学模型的构建。基于此，首先，可以对于该系统应用如下所述的拉格朗日(Lagrange)方程：

其中，L为Lagrange算子，q为二维角度向量，其子元素分别为设备偏转角θ和动量轮的转动角度φ，q_i表征二维向量q中的第i个子元素(第i维)，τ为动量轮电机的转矩向量，其也为二维向量，τ_i表征转矩向量τ中对应于二维角度向量的第i个子元素的转矩，i为大于等于1且小于等于2的正整数。

且其中，基于所述自平衡设备多刚体系统，可以设置二维角度向量q与动量轮电机的转矩向量τ的对应关系如下：

其中，T_r表征在忽略摩擦力条件下动量轮电机提供的力矩。

且在当前的多刚体系统中，所述Lagrange算子L例如可以为该多刚体系统的动能KE与势能PE之差。则得到该Lagrange算子L的过程可以更具体地描述。

首先，基于所述多刚体系统的动力学特征，根据倒立摆模型，例如可以计算该自平衡设备的动能KE与势能PE如下：

PE＝(m₁L₁+m₂L₂)gcosθ 6)

其中，m₁为自平衡设备的除动量轮之外的部分的重量，m₂为自平衡设备动量轮的重量，I₁为自平衡设备的除动量轮之外的部分的转动惯量，I₂为自平衡设备动量轮的转动惯量。

为对于设备偏转角θ求导所得到的设备偏转角速度，

为对于动量轮的转动角度φ求导得到的动量轮的角速度。L₁为自平衡设备的设备高度，L₂为自平衡设备的动量轮的预设安装高度，g为重力加速度，其例如可以取为9.8N/kg。

其后，基于如下公式求取所述动能KE与势能PE的差值，据此得到该Lagrange算子L：

进一步地，可以将所述Lagrange算子L代入前述拉格朗日方程，并且基于前述公式4)中示出的二维角度向量q与动量轮电机的转矩向量τ的对应关系，将二维角度向量q的两个子元素θ和φ分别代入该拉格朗日方程并计算，并应用sinθ≈θ对该方程进行线性化，据此得到自平衡设备的多刚体综合模型，所述多刚体综合模型采用方程组的形式表示，其具体如下：

得到自平衡设备的多刚体综合模型后，进一步地，基于所述动量轮电机的物理特征，构造动量轮电机物理模型。

上述构造动量轮电机物理模型的过程例如可以更具体地描述如下。例如可以基于动量轮电机的物理特性及其内部参数关系得到动量轮电机的物理特征方程组，并将该物理特性方程组作为该动量轮电机物理模型，其具体如下：

其中，V_m为动量轮电机电压，K_e为动量轮电机的反电磁力，

为动量轮电机的角速度，L_m和R_m分别为动量轮电机的电枢线圈电感和电阻，i为动量轮电机的电流，T_m为动量轮电机产生的扭矩，K_t为电机扭矩常数，N_g为动量轮电机与动量轮之间的传动比。T_r表征在忽略摩擦力条件下动量轮电机提供的力矩。

应了解，上述实施例仅旨在给出一种构造自平衡设备动力学模型及动量轮电机物理模型的方法，还可以通过其他方式构造所述自平衡设备动力学模型及动量轮电机物理模型，本公开不受构造所述自平衡设备动力学模型及动量轮电机物理模型的具体方式的限制。

其后，进一步地，在步骤S104中，基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果。

所述自平衡预测结果旨在表征能够反应该自平衡设备在静态状态下保持或恢复静态平衡的能力的数据，其具体的数据类型可以基于实际需要选取。例如，当所述自平衡设备存在初始偏转角的情况下，所述自平衡预测结果例如可以为自平衡设备的设备偏转角回归曲线，也可以为自平衡设备动量轮的转速/角速度变化曲线，或者还可以为动量轮的转速/角速度峰值数据。本公开的实施例不受所述自平衡预测结果的具体组成及其形式的限制。

计算得到所述自平衡预测结果的过程例如可以更具体地描述。例如经由自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型生成自平衡设备多刚体综合模型，并基于该自平衡设备多刚体综合模型计算得到自平衡预测结果。

然而，应了解，本公开的实施例不限于此，还可以通过其他方式基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型得到自平衡预测结果。

得到所述自平衡预测结果后，在步骤S105中，基于所述自平衡预测结果，确定所述动量轮的安装高度。

例如可以通过查看所述自平衡预测结果是否达到预设标准确定是否将当前输入的预设安装高度确定为动量轮的安装高度，或者也可以将多个预设安装高度分别所对应的自平衡预测结果相比较，将自平衡预测结果最佳的预设安装高度确定为动量轮的安装高度。本公开的实施例不受确定所述动量轮的安装高度的具体方式的限制。

确定所述动量轮的安装高度的过程例如可以更具体地描述。例如当预设安装高度为L_a时，若此时计算得到的动量轮转速峰值为9000r/min(转/分钟)，若动量轮的额定转速峰值为6000r/min，则此时由于计算得到的转速峰值已超过额定转速峰值，则不会将该预设安装高度L_a确定为动量轮的安装高度；当预设安装高度为L_b时，若计算得到的动量轮转速峰值为5500r/min，则此时由于计算得到的转速峰值没有超过额定峰值，则例如可以将该预设安装高度L_b确定为动量轮的安装高度。

基于上述，通过基于所述自平衡设备的动力学特性构造自平衡设备动力学模型，基于所述动量轮电机的物理特征构造动量轮电机物理模型，并基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型计算其自平衡预测结果，基于该自平衡预测结果来确定动量轮的安装高度，使得用户可简单便捷地计算得到动量轮安装在自平衡设备各不同位置处的自平衡效果，无需将动量轮在自平衡设备上不同位置处进行多次安装及测试过程，简化了自平衡设备的组装过程，同时基于自平衡预测结果确定动量轮的安装高度，使得可以合理地选取动量轮的安装位置，使动量轮所产生的力矩发挥最优的作用，且该方法具有良好的鲁棒性。

在一些实施例中，基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果的过程S104可以更具体地说明。图2示出了本公开实施例的基于自平衡设备动力学模型和动量轮电机物理模型计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果的过程S104的示例性流程图。

参照图2，首先在步骤S1041中，基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，构造自平衡设备多刚体综合模型，所述自平衡设备多刚体综合模型包括预测矩阵和附加预测向量。

所述自平衡设备多刚体综合模型旨在表征基于具有动量轮的自平衡设备的动力学特征和自平衡设备动量轮电机的物理特征得到的物理模型。其输入例如为动量轮的预设安装高度，输出为对应于该预设安装高度的自平衡预测结果。

所述自平衡设备的多刚体综合模型例如可以表示为空间状态矩阵或方程式组的形式，或者其也可以表示为多个空间状态向量或计算公式的形式。本公开的实施例不受所述自平衡设备的多刚体综合模型的表示形式的限制。

所述预测矩阵旨在表征在自平衡设备多刚体综合模型中用于计算自平衡预测结果的矩阵，其例如可以为4*4维矩阵；所述附加预测向量旨在表征在自平衡设备多刚体综合模型中用于计算自平衡预测结果的向量，基于所述自平衡设备多刚体综合模型，其例如可以为4维向量。

上述得到自平衡设备多刚体综合模型的过程例如可以更具体地描述，首先，由于动量轮电机用于驱动所述动量轮转动，因此基于动量轮电机与动量轮的机械结构及作用力关系，例如可以得到如下所述的关联公式：

如前所述，

为动量轮电机的角速度，N_g为动量轮电机与动量轮之间的传动比，

为对于动量轮的转动角度φ求导得到的动量轮的角速度。

进一步地，将所述关联公式10)代入上述表征动量轮电机物理模型的方程组9)中并进行计算(其中，因L_m<<R_m，计算过程中忽略方程组9)中的L_m项)，据此可以经由如下力矩表征公式，采用动量轮的角速度

来表征的忽略摩擦力条件下动量轮电机提供的力矩T_r：

其后，将上述力矩表征公式11)代入上述自平衡设备动力学模型的方程组中，可以得到如下所述的综合模型方程组，该综合模型方程组即为自平衡设备多刚体综合模型：

其中，

为对于动量轮的角速度

求导得到的动量轮的角加速度，

为对于设备偏转角速度

求导所得到的设备偏转角加速度。

在一些实施例中，所述自平衡设备多刚体综合模型例如可以表征为标准状态空间方程的形式。例如基于前述得到的表征自平衡设备多刚体综合模型的综合模型方程组12)，可以将其代入如下示出的标准状态空间表示方程组13)以得到以标准状态空间方程组形式表示的自平衡设备多刚体综合模型。

其中，所述状态空间方程组中各参数具体说明如下：

基于上述公式，其中A为预测矩阵，B为附加预测向量。且其中，参数a、b具体为：

a＝m₁L₁ ²+m₂L₂ ²+I₁

b＝(m₁L₁+m₂L₂)g

得到所述自平衡设备多刚体综合模型后，在步骤S1042中，基于所述自平衡设备多刚体综合模型确定预设安装高度所对应的自平衡预测结果。

例如，当所述自平衡设备多刚体综合模型为空间状态方程式的形式时，例如可以将获取到的动量轮的预设安装高度代入所述空间状态方程式，计算得到在当前预设安装高度下动量轮的转速和加速度等数据，据此可以计算得到动量轮的转速变化曲线，并将该转速变化曲线作为自平衡预测结果。

基于上述，通过基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型构造自平衡设备多刚体综合模型，使得该自平衡设备多刚体综合模型可以良好地反映自平衡设备的机械及物理运动特征，且当改变动量轮的预设安装高度时，可以生成其所对应的自平衡预测结果，实现对于该动量轮静态平衡性能的预测，有利于当该模型中任一输入参数(例如动量轮安装高度、设备偏转角等)改变时，得到相应的自平衡状态预测，有利于实现对于自平衡设备中相应部件(例如动量轮)的合理安装和实时调整。

在一些实施例中，为了简化上述自平衡设备多刚体综合模型的参数，并将所述自平衡设备的动力学特征与动量轮电机的内部特性进一步区分，例如可以将模型中动量轮电机的输入设置为电机转矩输入，从而忽略动量轮电机的内部参数的变化对自平衡设备多刚体综合模型输出的影响，获得简化的自平衡设备多刚体综合模型。

上述获得简化的自平衡设备多刚体综合模型的过程可以更具体地描述。例如可以将力矩表征公式11)代入上述自平衡设备多刚体综合模型方程组12)中，得到简化后的自平衡设备多刚体综合模型如下：

进一步地，同样可以基于上述标准状态空间表示方程组13)，将简化后的自平衡设备多刚体综合模型改写为具有表征状态空间表示方程组形式的状态，其中各参数的含义如下：

基于上述公式，其中A为预测矩阵，B为附加预测向量。且其中，参数a、b具体为：

a＝m₁L₁ ²+m₂L₂ ²+I₁

b＝(m₁L₁+m₂L₂)g

基于上述，通过将模型中动量轮电机的输入设置为电机力矩输入，从而忽略动量轮电机的内部参数的变化对自平衡设备多刚体综合模型输出的影响，获得简化的自平衡设备多刚体综合模型，可以简化自平衡设备多刚体综合模型在使用时的计算量，从而提高该自平衡设备多刚体综合模型的计算速度，便于实时高效地基于动量轮的预设安装高度实现对其自平衡预测结果的计算。

在一些实施例中，基于所述自平衡设备多刚体综合模型确定预设安装高度所对应的自平衡预测结果的过程S1042可以更具体地描述。图3示出了根据本公开实施例基于自平衡设备多刚体综合模型确定预设安装高度所对应的自平衡预测结果的过程S1042的示例性流程图。

参照图3，在计算预设安装高度所对应的自平衡预测结果的过程中，首先，在步骤S1042-1中，基于所述自平衡设备多刚体综合模型，生成与该预设安装高度相对应的预测矩阵和附加预测向量。

例如，若自平衡设备多刚体综合模型为如上所述的方程组12)的形式，且其中除动量轮的预设安装高度外，其他的参数均为已知量，若此时输入的动量轮的预设安装高度为L_t，则例如可以令动量轮高度L₂＝L_t，并将其代入该方程组中，计算得到此时对应的预测矩阵A_t和附加预测向量B_t。

其后，在步骤S1042-2中，基于所述预测矩阵和附加预测向量，计算得到该预设安装高度对应的自平衡预测结果。

上述得到自平衡预测结果的过程例如可以更具体地描述。例如在基于前述步骤得到自平衡设备多刚体综合模型对应于预设安装高度为L_t的预测矩阵A_t和附加预测向量B_t的基础上，则可以将所述预测矩阵A_t和附加预测向量B_t代入上述自平衡设备多刚体综合模型的方程组12)，据此计算得到偏转角角度变化曲线等数据，并将其作为自平衡预测结果。

基于上述，通过生成与该预设安装高度相对应的预测矩阵和附加预测向量，并基于所述预测矩阵和附加预测向量计算得到该预设安装高度对应的自平衡预测结果，使得可以对于每一个输入的动量轮的预设安装高度生成其对应的自平衡预测结果，有利于实现对于动量轮安装高度的合理选取。

在一些实施例中，基于所述自平衡设备的动力学特性构造自平衡设备动力学模型包括：基于所述自平衡设备的设备高度、动量轮电机初始转矩、设备初始偏转角构造自平衡设备动力学模型。

所述自平衡设备的设备高度旨在表征当自平衡设备处于静态平衡状态时，自平衡设备的最高点与最低点在垂直方向上的距离。其例如可以基于自平衡设备的规格尺寸而相应地变化，其例如可以为0.74m，或者也可以为0.81m，本公开的实施例不受所述设备高度的具体数值的限制。

所述动量轮电机的初始转矩旨在表征动量轮电机在初始时刻作用于动量轮的输入力矩。其例如可以基于实际需要设置，例如将其设置为动量轮电机的额定输出力矩，或者也可以将其设置为动量轮电机的额定输出力矩的80％，本公开的实施例不受所述动量轮电机的初始转矩的具体数据的限制。

所述设备初始偏转角旨在表征自平衡设备在静态状态下其设备主体与垂直方向的初始夹角，其例如可以用自平衡设备的中心线与垂直方向的夹角来表示。所述设备初始偏转角例如可以基于实际需要进行设置，例如将正常使用时自平衡设备在静态状态下偏离垂直方向的最大偏转角作为初始偏转角，或者对正常使用时自平衡设备偏离垂直方向的各偏转角取平均值，将该平均值作为设备初始偏转角。本公开的实施例不受所述设备初始偏转角的具体数值的限制。

基于上述，通过基于所述自平衡设备的设备高度、动量轮电机初始转矩、设备初始偏转角构造自平衡设备动力学模型，使得用户可以通过调整上述参数改变自平衡设备的初始位置结构状态，从而可以简单便捷地得到在不同初始情况下动量轮的预设安装高度所对应的自平衡预测结果，有利于更好地了解该预设安装高度的鲁棒性及自平衡效果，从而实现动量轮安装位置的合理选取；同时也使得上述安装位置确定方法不受自平衡设备自身构造形态的限制，能够适用于多种不同的设备结构、设备偏转状态及电机转矩输出情况，扩充了该方法的应用范围。

在一些实施例中，所述自平衡预测结果包括以下至少一项：设备偏转角回归曲线、动量轮转速峰值。

所述设备偏转角回归曲线为自平衡设备多刚体综合模型的输出，其旨在表征在自平衡设备处于静态且具有设备初始偏转角的情况下，若自平衡设备的动量轮处于预设安装高度，则当动量轮电机驱动动量轮工作时，其设备偏转角随时间的变化趋势。

所述设备偏转角回归曲线例如可以表征动量轮工作后预设时间内的设备偏转角变化，所述预设时间可以根据实际需要进行设定，例如设定其显示在动量轮工作后2s内的设备偏转角变化，或者设定其显示在动量轮工作后5s内设备偏转角的变化；所述设备偏转角回归曲线例如也可以设置为显示从动量轮工作开始至设备偏转角回归至零的整个过程。本公开的实施例不受所述设备偏转角回归曲线的具体内容的限制。

例如，可以仅采用设备偏转角回归曲线进行动量轮安装高度的选择，例如当存在多个动量轮的预设安装高度时，若仅有一个预设安装高度L_t能够使得该自平衡车在预设设备初始偏转角下实现设备偏转角回归至零(即实现自平衡)，则选择预设安装高度L_t作为安装高度。

所述动量轮转速峰值旨在表征在自平衡设备处于静态且具有设备初始偏转角的情况下，若自平衡设备的动量轮处于预设安装高度，则当动量轮电机驱动动量轮工作的过程中，动量轮转速的最大值。

所述动量轮转速峰值例如可以表征动量轮工作后预设时间内动量轮转速的变化，所述预设时间可以根据实际需要进行设定，例如设定其显示在动量轮工作后2s内的动量轮转速峰值，或者设定其显示在动量轮工作后5s内动量轮转速峰值；或者其也可以表征从动量轮工作开始至设备偏转角回归至零的整个过程中的动量轮转速峰值。本公开的实施例不受所述动量轮转速峰值的具体内容的限制。

例如，可以仅采用动量轮转速峰值进行动量轮安装高度的选择，例如当存在多个动量轮的预设安装高度时，若预设安装高度L_o能够使得该自平衡车实现自平衡的过程中具有最小的转速峰值，则选择预设安装高度L_o作为安装高度。

在一些实施例中，也可以综合考虑设备偏转角回归曲线和动量轮转速峰值以实现对于动量轮安装高度的选取，得到效果最佳的动量轮安装高度。

然而，应了解，本申请中所述的自平衡预测结果不限于上述内容。基于所述自平衡设备多刚体综合模型的模型选取的不同，其还可以输出其他的数据信息作为自平衡预测结果。

上述过程可以更具体地描述。例如，若所述自平衡设备多刚体综合模型具有如方程组14)所示出的形式，则此时基于该方程组，当获知自平衡设备处于静态且具有设备初始偏转角θ_a的情况下，若自平衡设备的动量轮处于预设安装高度L_a，则当动量轮电机以初始转矩T_ra驱动动量轮工作时，经由力矩表征公式11)可以计算得到初始转矩T_ra所对应的动量轮的角速度

所述公式基于上述方程组13)，可以计算得到动量轮的角加速度

设备偏转角加速度

从而绘制出自平衡设备偏转角回归曲线、自平衡设备偏转角速度变化曲线、动量轮角速度变化曲线及动量轮电机输出转矩变化曲线，并得到动量轮角速度峰值，并基于角速度与转速的关系计算动量轮转速峰值，上述曲线图及峰值数据即可作为自平衡预测结果。

基于上述，通过使得所述自平衡预测结果包括设备偏转角回归曲线、动量轮转速峰值等数据及曲线图内容，使得可以得到更多反应动量轮在预设安装高度下的自平衡能力的数据信息，从而可以更好地基于所述自平衡预测结果实现对动量轮安装位置的确定。

在一些实施例中，如图1A所示出的，所述动量轮在该自平衡设备上的安装位置可调节。

图4A-图4D中进一步地示出了如图1A中动量轮安装位置可调节的自平衡设备的结构示意图。其中，图4A示出了根据本公开实施例的动量轮安装位置可调节的自平衡设备的侧视图，图4B示出了根据本公开实施例的动量轮安装位置可调节的自平衡设备的内部剖面视图，图4C示出了根据本公开实施例的动量轮安装位置可调节的自平衡设备的外观视图，图4D示出了根据本公开实施例的动量轮安装位置可调节的自平衡设备的俯视图。

接下来，结合图4A-图4D，对于所述动量轮安装位置可调节的自平衡设备更具体地描述。

基于上述，图1A中所示出了自平衡设备包括平衡动量轮系统，且所述平衡动量轮系统主要由动量轮、动量轮轴、动量轮电机、U型架和可调丝杠组成。参照图4A及图4B可知，所述动量轮电机固定在U型架上，其输出轴通过联轴器与动量轮轴相连。所述动量轮轴套接在U型架上，所述动量轮套固在动量轮轴上。所述可调丝杠与U型架固连。所述平衡动量轮系统通过可调丝杠套接在车架上，旋转丝杠可调节动量轮距离地面的高度，使得所述平衡动量轮系统既可安装在车架下方也可安装在车架上方。据此可以实现动量轮在该自平衡设备上的安装位置可调节。

然而，应了解，动量轮在该自平衡设备上位置可调节的方式不限于此，还可以采用其他连接或安装方式来调节动量轮在该自平衡设备上的位置。本公开的实施例不受所述动量轮在该自平衡设备上位置调节的具体方式的限制。

基于上述，通过设置动量轮在该自平衡设备上位置可调节，使得当自平衡设备的质量分布发生变化或其偏转角度发生显著改变时，在经由前述自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法确定动量轮的安装位置后，可以进一步地通过调节动量轮的安装位置使动量轮所产生的力矩发挥最优的作用，从而实现自平衡设备良好的静态平衡。

在一些实施例中，当所述自平衡设备为自平衡车时，所述自平衡设备还包括前把转向系统，所述前把转向系统包括：前轮、前把、前把电机和前把套筒，且其中，所述前把的转动轴与所述前把电机的转动轴同轴。

基于上述，通过设置前把转向系统中前把转动轴与前把驱动电机轴同轴，使得前把转向系统的集成度高，结构紧凑，有利于实现更为便捷且高效的前把转向控制操作，从而在动量轮合理安装的前提下，更进一步地提高自平衡设备的静态平衡能力，同时简化自平衡设备的安装过程。

下面将以自平衡车中动量轮预设安装高度L₂＝0.22m和0.12m两种情况为例，详细说明应用上述方法进行动量轮安装位置选择的过程。

具体而言，应用上述方法，例如通过自平衡设备多刚体综合模型对预设安装高度L₂＝0.22m和0.12m进行处理可以得到在动量轮预设安装高度L₂＝0.22m和0.12m时得到的自平衡预测结果分别如图5A和图5B所示，且在图5A和图5B中均包括四个曲线图，该曲线图自上而下分别表示：动量轮电机的转矩输出T_r、自平衡设备(此处为自平衡车)的偏转角度θ、自平衡设备(此处为自平衡车)的偏转角速度

动量轮的角速度

其中，为了对动量轮电机形成保护，在动量轮电机输入端增加了力矩限幅9Nm。基于此，此时对于动量轮安装位置的选取旨在比较在实现同样功能(令自平衡设备的偏转角归零)的情况下，哪种动量轮安装位置下电机的输出转矩较小，即哪种动量轮安装位置下电机也拥有更多的安全裕度。

且基于图5A和图5B可知，在动量轮预设安装高度为L₂＝0.22m和0.12m两种情况下，为了使自平衡设备达到平衡状态，动量轮电机需要以最大力矩T＝9Nm工作的时间分别为t₁＝0.039s和t₂＝0.03s，基于此，可知动量轮预设安装高度为L₂＝0.12m时电机以最大力矩工作的时间较短。同时，两种预设安装高度下动量轮电机的最大角速度分别为w₁＝1250rad/s和w₂＝1126rad/s，由此，基于下述公式15)可知动量轮预设安装高度为L₂＝0.12m时动量轮的最大角速度比动量轮的动量轮预设安装高度为L₂＝0.22m时的最大角速度小，电机的负担小。据此，在该实施例下，最终确定动量轮在自平衡设备上的安装高度为L₂＝0.12m。

进一步地，从减小电机负荷且为设计留下足够余量的角度看，由于动量轮安装高度较低时，电机持续输出最大力矩的时间为0.03s，比动量轮安装高度较高时电机持续输出最大力矩的时间短约0.01s；且在平衡过程中，要求动量轮所能达到的最大角速度为1126rad/s，比动量轮安装高度较高时的最大角速度小9.92％。据此可以得到，在该自平衡设备的结构及机械参数下，相较于动量轮安装高度较高的情况，动量轮安装高度较低更有利于实现自平衡设备的自平衡特性。

应了解，实际运行中，动量轮的角速度不会达到上述实施例中的速度，其超出了物理极限。这里仅在说明该方法的使用过程，仅做以定性比较，不考虑动量轮的角速度的物理限制。

经由上述方法处理得到将动量轮安装在自平衡设备下部(动量轮的安装高度较低)相较于将动量轮安装在自平衡设备上部(动量轮的安装高度较高)具有更好的自平衡特性后，接下来，将在现有自平衡设备上进行实际测试以对该预测进行验证。

在现有自平衡设备(此处为自平衡车)上进行实际测试时，由于难以监测到动量轮电机最大力矩所持续的具体时间(其持续时间为10ms级)，因此考虑设置一特定自平衡设备偏转角，将动量轮装载自平衡设备系统的上部(安装高度较高)和下部(安装高度较低)分别进行测试，若一种情形下自平衡设备的偏转角能够回归至零位，另一种情形下自平衡设备的偏转角不能够回归至零位，则证明能够回归至零位的情形所对应的动量轮安装高度更合理。

经测试，将动量轮安装在自平衡设备系统的下部(安装高度较低)时，自平衡设备偏转角为左侧2.9度，右侧2.8度时，可以通过动量轮以5Nm的限定最大力矩持续转动直到自平衡设备回复至平衡点(即偏转角能够回归至零位)。同样的工况下，仅调整动量轮的安装高度到自平衡设备的上部(安装高度较高)，重复同样的测试，自平衡设备无法回复至平衡点(即偏转角不能够回归至零位)。这说明动量轮安装在自平衡设备下部，即其具有较低的安装高度时可以达到更好的自平衡效果。这与本申请所述自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法所得到的结果一致。

应了解，上述测试是在动量轮电机以极限力矩工作的情况下进行的，而动量轮电机在大力矩下长时间运行时会对动量轮电机造成损伤。因此，测试时仅采用了5Nm作为限定最大力矩输出进行测试。这可以得到上述关于动量轮安装位置的结论，但不代表自平衡设备可以从某一初始偏转角恢复到平衡位置测试的最大初始偏转角仅为2.8-2.9度。实际测试中，某一初始偏转角恢复到平衡位置测试中可以实现的最大初始偏转角例如在3度以上。

通过上述自平衡设备为自平衡车的实施例，基于该自平衡设备的具体结构及机械参数，使用本申请所提出的自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法，能够定量得出动量轮在自平衡设备中的不同安装高度时动量轮电机输出力矩和转速的变化，从而在多个预设安装高度中选择最佳安装高度。

根据本公开的另一方面，提出了一种自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置。其中，所述自平衡设备包括动量轮和动量轮电机，所述动量轮电机用于驱动所述动量轮。图6示出了根据本发明实施例的自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置600的示例性框图。

如图6所示的自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置600包括预设安装高度获取模块610、自平衡设备动力学模型生成模块620、动量轮电机物理模型生成模块630、自平衡结果生成模块640和动量轮安装高度确定模块650。

所述预设安装高度获取模块610被配置为获取自平衡设备动量轮的预设安装高度。

所述动量轮的预设安装高度旨在表征在预设的安装情况下，动量轮中心点与自平衡设备最低点沿垂直方向的距离。本公开的实施例不受所述预设安装高度的来源及计算方式的限制。

所述预设安装高度能够基于实际需求选取，本公开的实施例不受所述预设安装高度的具体数值的限制。

所述自平衡设备动力学模型生成模块620被配置为基于所述自平衡设备的动力学特性构造自平衡设备动力学模型。

所述自平衡设备动力学模型旨在表征该自平衡设备所具有的动力学特征，例如其中包括的刚体的数目、刚体间的运动关系等。本公开的实施例不受所述自平衡设备动力学模型的具体建立方式的限制。

动量轮电机物理模型生成模块630被配置为基于所述动量轮电机的物理特征，构造动量轮电机物理模型。

所述动量轮电机的物理模型旨在表征该动量轮电机的物理运动属性及参数。本公开的实施例不受所述动量轮电机的物理模型建立的具体方式的限制。

所述自平衡结果生成模块640被配置为基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果。

所述自平衡预测结果旨在表征能够反应该自平衡设备在静态状态下保持或恢复静态平衡的能力的数据，其具体的数据类型可以基于实际需要选取。本公开的实施例不受所述自平衡预测结果的具体组成及其形式的限制。

计算得到所述自平衡预测结果的过程例如可以更具体地描述。例如经由自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型生成自平衡设备多刚体综合模型，并基于该自平衡设备多刚体综合模型计算得到自平衡预测结果。

然而，应了解，本公开的实施例不限于此，还可以通过其他方式基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型得到自平衡预测结果。

所述动量轮安装高度确定模块650被配置为基于所述自平衡预测结果，确定所述动量轮的安装高度。

例如可以通过查看所述自平衡预测结果是否达到预设标准确定是否将当前输入的预设安装高度确定为动量轮的安装高度，或者也可以将多个预设安装高度分别所对应的自平衡预测结果相比较来确定为动量轮的安装高度。本公开的实施例不受确定所述动量轮的安装高度的具体方式的限制。

基于上述，通过基于所述自平衡设备的动力学特性构造自平衡设备动力学模型，基于所述动量轮电机的物理特征构造动量轮电机物理模型，基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，计算其自平衡预测结果，基于该自平衡预测结果来确定动量轮的安装高度，使得用户可简单便捷地计算得到动量轮安装在自平衡设备各不同位置处的自平衡效果，无需将动量轮在自平衡设备上不同位置处进行多次安装及测试过程，简化了自平衡设备的组装过程，同时基于自平衡预测结果确定动量轮的安装高度，使得可以合理地选取动量轮的安装位置，使动量轮所产生的力矩发挥最优的作用，且其具有良好的鲁棒性。

在一些实施例中，所述自平衡结果生成模块640包括多刚体综合模型生成模块641和自平衡预测结果输出模块642。其能够执行如图2所示的流程，基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型计算自平衡预测结果。

所述多刚体综合模型生成模块641被配置为执行图2中步骤S1041的操作，基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，构造自平衡设备多刚体综合模型，所述自平衡设备多刚体综合模型包括预测矩阵和附加预测向量。

所述自平衡设备多刚体综合模型旨在表征基于具有动量轮的自平衡设备的动力学特征和自平衡设备动量轮电机的物理特征得到的物理模型。其输入例如为动量轮的预设安装高度，输出为对应于该预设安装高度的自平衡预测结果。

所述自平衡设备的多刚体综合模型例如可以表示为空间状态矩阵或方程式组的形式，或者其也可以表示为多个空间状态向量或计算公式的形式。本公开的实施例不受所述自平衡设备的多刚体综合模型的表示形式的限制。

所述预测矩阵旨在表征在自平衡设备多刚体综合模型中用于计算自平衡预测结果的矩阵，其例如可以为4*4维矩阵；所述附加预测向量旨在表征在自平衡设备多刚体综合模型中用于计算自平衡预测结果的向量，基于所述自平衡设备多刚体综合模型，其例如可以为4维向量。

所述自平衡预测结果输出模块642被配置为执行图2中步骤S1042的操作，基于所述自平衡设备多刚体综合模型确定预设安装高度所对应的自平衡预测结果。

基于上述，通过基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型构造自平衡设备多刚体综合模型，使得该自平衡设备多刚体综合模型可以良好地反映自平衡设备的机械及物理运动特征，且当改变动量轮的预设安装高度时，可以生成其所对应的自平衡预测结果，实现对于该动量轮静态平衡性能的预测，有利于当该模型中任一输入参数(例如动量轮安装高度、设备偏转角等)改变时，得到相应的自平衡状态预测，有利于实现对于自平衡设备中相应部件(例如动量轮)的合理安装和实时调整。

在一些实施例中，所述自平衡预测结果输出模块642包括中间参数生成模块6421和自平衡预测结果计算模块6422。其可以执行如图3所示的流程，基于所述自平衡设备多刚体综合模型确定预设安装高度所对应的自平衡预测结果。

所述中间参数生成模块6421被配置为执行图3中步骤S1042-1的操作，基于所述自平衡设备多刚体综合模型生成与该预设安装高度相对应的预测矩阵和附加预测向量。

所述自平衡预测结果计算模块6422被配置为执行图3中步骤S1042-2的操作，基于所述预测矩阵和附加预测向量，计算得到该预设安装高度对应的自平衡预测结果。

基于上述，通过生成与该预设安装高度相对应的预测矩阵和附加预测向量，并基于所述预测矩阵和附加预测向量计算得到该预设安装高度对应的自平衡预测结果，使得可以对于每一个输入的动量轮的预设安装高度生成其对应的自平衡预测结果，有利于实现对于动量轮安装高度的合理选取。

在一些实施例中，所述自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置能够执行如前所述的方法，具有如前所述的功能。

根据本公开的另一方面，提出了一种自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备。其中，所述自平衡设备包括动量轮和动量轮电机，所述动量轮电机用于驱动所述动量轮。

如图7所示的自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备950可以实现为一个或多个专用或通用的计算机系统模块或部件，例如个人电脑、笔记本电脑、平板电脑、手机、个人数码助理(personal digital assistance，PDA)及任何智能便携设备。其中，自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备950可以包括至少一个处理器960及存储器970。

其中，所述至少一个处理器用于执行程序指令。所述存储器970在自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备950中可以以不同形式的程序储存单元以及数据储存单元存在，例如硬盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)，其能够用于存储处理器处理和/或执行自平衡设备动量轮的安装过程中使用的各种数据文件，以及处理器所执行的可能的程序指令。虽然未在图中示出，但自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备950还可以包括一个输入/输出组件，支持自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备950与其他组件(如安装高度采集设备980)之间的输入/输出数据流。自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备950也可以通过通信端口从网络发送和接收信息及数据。

在一些实施例中，所述存储器970所存储的一组指令在由所述处理器960执行时，使所述自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备执行操作，所述操作包括：获取所述动量轮的预设安装高度；基于所述自平衡设备的动力学特性，构造自平衡设备动力学模型；基于所述动量轮电机的物理特征，构造动量轮电机物理模型；基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果；基于所述自平衡预测结果，确定所述动量轮的安装高度。

在一些实施例中，自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备950可以接收来自该自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备950外部的动量轮预设安装高度，并对接收的动量轮预设安装高度执行上文描述的自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法、实现上文描述的自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置的功能。

尽管在图7中，处理器960、存储器970呈现为单独的模块，本领域技术人员可以理解，上述设备模块可以被实现为单独的硬件设备，也可以被集成为一个或多个硬件设备。只要能够实现本发明描述的原理，不同的硬件设备的具体实现方式不应作为限制本发明保护范围的因素。

在一些实施例中，所述自平衡设备例如为能够实现自平衡的机器人。所述机器人例如包括自平衡系统，所述自平衡系统包括动量轮和动量轮电机，所述动量轮电机用于实现对所述动量轮的驱动。

其中，所述机器人包括如上所述的自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备，其用于实现对该机器人的动量轮安装位置的确定，以使得该机器人能够处于良好的自平衡状态下。

此外，机器人还可以包括总线、存储器、传感器组件、控制器、通信模块和输入输出装置等。

总线可以是将该机器人的各部件互连并在各部件之中传递通信信息(例如，控制消息或数据)的电路。

传感器组件可以用于对物理世界进行感知，例如包括摄像头、红外传感器超声波传感器等。此外，传感器组件还可以包括用于测量机器人当前运行及运动状态的装置，例如霍尔传感器、激光位置传感器、或应变力传感器等。

控制器用于对机器人的操作进行控制，例如以人工智能的控制方式。具体地，控制器可以从传感器组件及自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备接收信息，并基于该信息控制动量轮安装位置。

所述控制器例如包括处理装置。处理装置可以包括微处理器、数字信号处理器(“DSP”)、专用集成电路(“ASIC”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)、状态机或用于处理从传感器线接收的电信号的其他处理器件。这种处理器件可以包括可编程电子设备，例如PLC，可编程中断控制器(“PIC”)、可编程逻辑器件(“PLD”)、可编程只读存储器(“PROM”)、电子可编程只读存储器(“EPROM”或“EEPROM”)等。

通信模块例如可以通过有线或无效与网络连接，以便于与物理世界(例如，服务器)通信。通信模块可以是无线的并且可以包括无线接口，例如IEEE802.11、蓝牙、无线局域网(“WLAN”)收发器、或用于接入蜂窝电话网络的无线电接口(例如，用于接入CDMA、GSM、UMTS或其他移动通信网络的收发器/天线)。在另一示例中，通信模块可以是有线的并且可以包括诸如以太网、USB或IEEE 1394之类的接口。

输入输出装置可以将例如从用户或任何其他外部设备输入的命令或数据传送到机器人的一个或多个其他部件，或者可以将从机器人的一个或多个其他部件接收的命令或数据输出到用户或其他外部设备。

多个能够实现自平衡的机器人可以组成机器人系统以协同地完成一项任务，该多个机器人通信地连接到服务器，并且从服务器接收协同机器人指令。

根据本发明的另一方面，还提供了一种非易失性的计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读的指令，当利用计算机执行所述指令时可以执行如前所述的方法。

根据本公开的另一方面，还提出了一种自平衡设备，所述自平衡设备包括动量轮和动量轮电机，所述动量轮电机用于驱动所述动量轮，其中，所述动量轮在所述自平衡设备上的安装位置根据如前所述的自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法来确定。

所述自平衡设备旨在表征具有静态自平衡能力的设备，其例如可以为自平衡滑板车、自平衡机器人或其他类型的设备。本公开的实施例不受所述自平衡设备的具体类型及其组成的限制。

基于上述，通过采用如前所述的动量轮安装位置确定方法，可以基于动量轮预设安装高度确定最佳的动量轮安装高度，从而使得所述自平衡设备可以具有良好的自平衡能力。

在一些实施例中，动量轮在该自平衡设备上的安装位置可调节。例如经由可调丝杠调节动量轮位置，或者也可以采用其他方式调节动量轮的位置。本公开实施例不受动量轮在自平衡设备上位置调节的具体方式的限制。

基于上述，通过设置动量轮在该自平衡设备上位置可调节，使得当自平衡设备的质量分布发生变化或其偏转角度发生显著改变时，在经由前述自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法确定动量轮的安装位置后，可以进一步地通过调节动量轮的安装位置使动量轮所产生的力矩发挥最优的作用，从而实现自平衡设备良好的静态平衡。

在一些实施例中，所述自平衡设备还包括如前所述的自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置，且其中，所述自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置用于确定所述动量轮在所述自平衡设备上的安装位置。

基于上述，所述自平衡设备通过自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置能够实时地检测到自平衡设备的动量轮电机初始转矩、设备初始偏转角的变化，从而对于所述动量轮的安装高度进行动态实时的调整，以使得所述自平衡设备在不同情况下均能够具有最佳的自平衡性能。

技术中的程序部分可以被认为是以可执行的代码和/或相关数据的形式而存在的“产品”或“制品”，通过计算机可读的介质所参与或实现的。有形的、永久的储存介质可以包括任何计算机、处理器、或类似设备或相关的模块所用到的内存或存储器。例如，各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器或者类似任何能够为软件提供存储功能的设备。

所有软件或其中的一部分有时可能会通过网络进行通信，如互联网或其他通信网络。此类通信可以将软件从一个计算机设备或处理器加载到另一个。例如：从自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备的一个服务器或主机计算机加载至一个计算机环境的硬件平台，或其他实现系统的计算机环境，或与提供自平衡设备动量轮的安装所需要的信息相关的类似功能的系统。因此，另一种能够传递软件元素的介质也可以被用作局部设备之间的物理连接，例如光波、电波、电磁波等，通过电缆、光缆或者空气等实现传播。用来载波的物理介质如电缆、无线连接或光缆等类似设备，也可以被认为是承载软件的介质。在这里的用法除非限制了有形的“储存”介质，其他表示计算机或机器“可读介质”的术语都表示在处理器执行任何指令的过程中参与的介质。

本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“第一/第二实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

此外，本领域技术人员可以理解，本申请的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本申请的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。

除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

上面是对本发明的说明，而不应被认为是对其的限制。尽管描述了本发明的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本发明的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本发明范围内。应当理解，上面是对本发明的说明，而不应被认为是限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在所附权利要求书的范围内。本发明由权利要求书及其等效物限定。

Claims (13)

1.一种自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法，其中，所述自平衡设备包括动量轮和动量轮电机，所述动量轮电机用于驱动所述动量轮，

所述方法包括：

获取所述动量轮的预设安装高度；

基于所述自平衡设备的动力学特性，构造自平衡设备动力学模型；

基于所述动量轮电机的物理特征，构造动量轮电机物理模型；

基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果；

基于所述自平衡预测结果，确定所述动量轮的安装高度；

其中，基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果包括：

基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，构造自平衡设备多刚体综合模型，所述自平衡设备多刚体综合模型包括预测矩阵和附加预测向量；

基于所述自平衡设备多刚体综合模型确定预设安装高度所对应的自平衡预测结果。

2.根据权利要求1所述的安装位置确定方法，其中，基于所述自平衡设备多刚体综合模型确定预设安装高度所对应的自平衡预测结果包括：

基于所述自平衡设备多刚体综合模型，生成与该预设安装高度相对应的预测矩阵和附加预测向量；

基于所述预测矩阵和附加预测向量，计算得到该预设安装高度对应的自平衡预测结果。

3.根据权利要求1所述的安装位置确定方法，其中，基于所述自平衡设备的动力学特性构造自平衡设备动力学模型包括：

基于所述自平衡设备的设备高度、动量轮电机初始转矩、设备初始偏转角构造自平衡设备动力学模型。

4.根据权利要求1所述的安装位置确定方法，其中，所述自平衡预测结果包括以下至少一项：设备偏转角回归曲线、动量轮转速峰值。

5.根据权利要求1所述的安装位置确定方法，其中，所述动量轮在该自平衡设备上的安装位置可调节。

6.一种自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置，其中，所述自平衡设备包括动量轮和动量轮电机，所述动量轮电机用于驱动所述动量轮，

所述装置包括：

预设安装高度获取模块，其被配置为获取自平衡设备动量轮的预设安装高度；

自平衡设备动力学模型生成模块，其被配置为基于所述自平衡设备的动力学特性构造自平衡设备动力学模型；

动量轮电机物理模型生成模块，其被配置为基于所述动量轮电机的物理特征，构造动量轮电机物理模型；

自平衡结果生成模块，其被配置为基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果；

动量轮安装高度确定模块，其被配置为基于所述自平衡预测结果，确定所述动量轮的安装高度；

其中，基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果包括：

基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，构造自平衡设备多刚体综合模型，所述自平衡设备多刚体综合模型包括预测矩阵和附加预测向量；

基于所述自平衡设备多刚体综合模型确定预设安装高度所对应的自平衡预测结果。

7.根据权利要求6所述的安装位置确定装置，其中，所述自平衡结果生成模块包括：

多刚体综合模型生成模块，其被配置为基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，构造自平衡设备多刚体综合模型，所述自平衡设备多刚体综合模型包括预测矩阵和附加预测向量；

自平衡预测结果输出模块，其被配置为基于所述自平衡设备多刚体综合模型确定预设安装高度所对应的自平衡预测结果。

8.根据权利要求6所述的安装位置确定装置，其中，所述自平衡预测结果输出模块包括：

中间参数生成模块，其被配置为基于所述自平衡设备多刚体综合模型生成与该预设安装高度相对应的预测矩阵和附加预测向量；

自平衡预测结果计算模块，其被配置为基于所述预测矩阵和附加预测向量，计算得到该预设安装高度对应的自平衡预测结果。

9.一种自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备，其中，所述自平衡设备包括动量轮和动量轮电机，所述动量轮电机用于驱动所述动量轮，

其中，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器包含一组指令，所述一组指令在由所述处理器执行时使所述自平衡设备的动量轮的安装位置确定设备执行操作，所述操作包括：

获取所述动量轮的预设安装高度；

基于所述自平衡设备的动力学特性，构造自平衡设备动力学模型；

基于所述动量轮电机的物理特征，构造动量轮电机物理模型；

基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果；

基于所述自平衡预测结果，确定所述动量轮的安装高度；

其中，基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，计算得到该预设安装高度所对应的自平衡预测结果包括：

基于所述自平衡设备动力学模型和所述动量轮电机物理模型，构造自平衡设备多刚体综合模型，所述自平衡设备多刚体综合模型包括预测矩阵和附加预测向量；

基于所述自平衡设备多刚体综合模型确定预设安装高度所对应的自平衡预测结果。

10.一种自平衡设备，所述自平衡设备包括动量轮和动量轮电机，所述动量轮电机用于驱动所述动量轮，其中，所述动量轮在所述自平衡设备上的安装位置根据前述权利要求1-5中任一项所述的自平衡设备的动量轮的安装位置确定方法来确定。

11.根据权利要求10所述的自平衡设备，其中，所述动量轮在该自平衡设备上的安装位置可调节。

12.如权利要求11所述的自平衡设备，其中，所述自平衡设备还包括如权利要求6-8中任一项所述的自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置，

且其中，所述自平衡设备的动量轮的安装位置确定装置用于确定所述动量轮在所述自平衡设备上的安装位置。

13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机可读的指令，当利用计算机执行所述指令时执行上述权利要求1-5中任意一项所述的方法。

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