单轮机器人在左右自由度和俯仰自由度上是静态不稳定的,系统本身具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性,是验证各种控制算法的理想平台,具有十分重要的理论意义。此外单轮机器人具有结构简单、运行灵活、成本低等特点,适合在狭小和危险的环境工作,具有广泛的应用前景。本文将单轮机器人的平衡控制分为纵向稳定控制和侧面稳定控制。针对左右自由度平衡设计了“配重稳定”式和“陀螺稳定”式两种结构,并对“配重稳定”式结构建立数学模型,设计了PID控制器。通过Matlab仿真实验验证了该模型的可行性。本文重点分析设计了单轮机器人的俯仰自由度平衡控制。根据牛顿力学定律建立了下平衡组件的动力学模型,将其线性化得到了系统的线性状态方程。然后基于此模型的线性状态方程进行了系统能控性、能观性和稳定性分析,利用极点配置方法设计了俯仰倾角控制器,并利用Matlab进行了仿真分析。针对传统极点配制算法无法克服机器人运动过程中干扰大、参数变化的问题,设计了滑模变结构控制器。滑模变结构控制方法具有鲁棒性好的优点,适合用于控制单轮机器人静态稳定。仿真结果表明在系统输入受干扰时的情况下,滑模变结构控制算法使系统的跟踪速度更快、稳定性更高,具有较高的实际应用价值。