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工学硕士学位论文
两轮自平衡机器人控制算法的研究
袁泽睿
哈尔滨工业大学
2006 年 6 月
图书分类号:
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工学硕士学位论文
两轮自平衡机器人控制算法的研究
硕士研究生: 袁泽睿
导
申请
师: 赵杰教授
学位: 工学硕士
学科、专业: 机械电子工程
所在单位: 机电工程学院
答辩日期: 2006 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:
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Dissertation for Master Degree in Engineering
RESEARCH OF CONTROL ALGORITHM
OF TWO-WHEELED SELF-BALANCING
ROBOT
Candidate:
Supervisor:
Academic Degree Applied for:
Specialty:
Affiliation:
Date of Defence:
University:

Yuan Zerui
Prof. Zhao Jie
Master of Engineering
Mechatronics Engineering
School of Mechatronics Engineering
June, 2006
Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
基于倒立摆模型的两轮自平衡机器人属于轮式机器人的范畴,并结合了
自主移动的思想,其体积小、结构简单、运动灵活,适于在狭小和危险的空
间内工作,在民用和军事上有着广泛的应用前景;同时由于其不稳定的动态
特性,两轮自平衡机器人成为验证各种控制算法的理想平台,具有重要的理
论意义。两轮自平衡机器人属于非线性、时变、欠驱动、非完整约束系统,
控制问题是其研究的关键。
本文旨在探讨两轮自平衡机器人控制算法设计相关问题,为最终实现完
全自主移动打下基础。采用牛顿动力学方法,对两轮自平衡机器人进行了运
动学和动力学分析,建立了系统的数学模型,为控制器设计提供理论依据。
根据两轮自平衡机器人所用传感器的特点,提出了一种基于陀螺仪和加速度
计数据融合的间接卡尔曼滤波算法,得到最优的倾角及角速度估计。将系统
解耦成前进与转向两个子系统。针对具有强非线性的前进子系统,论证了基
于近似线性化、精确线性化及智能控制的非线性系统控制策略的应用可行
性,据此按照不同性能要求设计了三种前进速度控制器:渐近跟踪鲁棒调节
器简单精确,具有良好的干扰抑制能力;二次型最优跟踪控制器,在耗能最
小的条件下,大大提高系统的平衡能力;而基于动态聚焦学衡性能好、环境适应性强、精度高及鲁棒性好的优点。
对于线性的转向子系统,通过极点配置设计了对转速进行控制的Ⅰ型伺服系
统。在速度控制器基础上,采用控制 Lyapunov 函数(CLF)方法设计了具有
全局渐近稳定的控制律,实现了两轮自平衡机器人的位置控制和轨迹跟踪控
制。
利用 MATLAB 及 Simulink 对上述滤波器、控制器进行仿真,并通过两
轮自平衡机器人系统实验平台进行数据融合、平衡控制、鲁棒性、速度跟踪
实验,获得了期望的平衡与速度跟踪性能,验证了数据融合算法和相应控制
器的正确性与有效性。
关键词

两轮自平衡机器人;数据融合;卡尔曼滤波;自适应模糊控制
-I-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Two-wheeled self-balancing robot based on the inverted pendulum model
belongs to the category of the wheeled robots bines with the idea of
autonomous moving. The robot is small in mechanism and can make a flexible
motion. So it is fit for tasks in narrow and dangerous space and has a wide
foreground both in civilian and military application. The instability of balancing
robot systems will also be an excellent test bed for control theory
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