独轮机器人是一种本征不稳定的移动机器人,其动力学系统复杂,具有非线性、多变量、强耦合等特点,是一种典型的非完整、静不平衡系统。其建模和运动控制问题是控制科学及机器人学研究的重要问题之一。　　本文针对单飞轮独轮机器人的特性设计了控制系统,并对物理系统进行了调试实验,实现了单飞轮独轮机器人的平衡控制和直线行走控制。由于自由转向是机器人自由移动所不可或缺的功能,因此我们设计了一种具有转向能力的双飞轮独轮机器人系统,并建立了相应动力学模型,同时进行了系统特性分析。根据其特性,我们设计了双飞轮独轮机器人的系统控制器,并进行了其平衡、行走、偏航控制问题的研究,取得了以下主要研究成果:　　第一:基于非线性PD的单飞轮独轮机器人控制　　本文针对单飞轮独轮机器人的运动平衡控制问题,提出一种基于非线性PD的三环控制方法。其三环分别为电机伺服驱动内环、姿态平衡控制中环和运动位移控制外环。本文进行了单飞轮独轮机器人的静态平衡和直线行走控制的物理系统实验,使用该方法能够很好的实现机器人静态平衡控制和直线行走,同时也能够实现独轮机器人在钢丝行走。实验结果验证了本文提出的控制方法是一种解决机器人运动平衡控制问题的有效方法。　　第二:双飞轮独轮机器人的系统设计　　单飞轮独轮机器人只能直线行走,无法转向。因此为了使机器人能够实现自由转向,本文设计了一种具有转向能力的双飞轮独轮机器人系统,该系统包括机械系统、电气系统和软件系统。其重要的结构特征是下行走轮、竖直惯性飞轮和水平惯性飞轮之间的相互配合。其中车轮的移动用于调节俯仰自由度平衡,竖直惯性飞轮的转矩用于调节横滚自由度平衡,水平惯性飞轮转向装置产生的转矩直接用于偏航运动,当水平惯性飞轮的速度瞬间发生变化时,将产生旋转转矩,使得独轮机器人克服轮子与地面之间的静摩擦力,从而实现机器人转弯的功能。　　第三:双飞轮独轮机器人系统的动力学建模与仿真　　本文运用拉格朗日法建立了双飞轮独轮机器人的动力学模型,分析了系统的稳定性和能控性,同时将独轮机器人系统在平衡点附近线性化,设计线性二次型最优调节控制器,进行了平衡控制、转向控制和直线行走控制的实验。仿真实验表明,本文设计的控制器可以较好的实现机器人的运动平衡控制。　　第四:双飞轮独轮机器人物理系统控制实验　　本文针对双飞轮独轮机器人的控制问题,设计了系统的控制器,运用非线性PD的运动控制方法实现了双飞轮独轮机器人物理系统的姿态平衡控制、直线行走控制、转弯控制等实验。转向能力是机器人自由移动不可缺少的功能,我们进行多组转弯控制实验:定点左右转向、行走左转弯、行走右转弯、方波曲线等实验。通过分析实验数据,说明所设计的水平飞轮机构和控制算法可以实现系统的转弯功能,也说明水平惯性飞轮的加入不会影响原有的行走和侧平衡功能,证明了本研究设计的双飞轮独轮机器人系统是可行的。　　本课题得到国家“863计划”项目(2007AA04Z226)国家自然科学基金项目(60774077):北京市教委重点项目(KZ200810005002)的资助。