缪文南， 周 政， 旋极一， 陈东水， 曹闹昌

(华南理工大学广州学院 电子信息工程学院，广东 广州 510800)

0 引 言

单球自平衡移动机器人模型类似全方位倒立摆模型，骑在球体上可实现自平衡和可持续稳定的运动控制，具有非线性、欠驱动、高阶次、多变量等特点[1]。系统集先进控制理论、传感器检测、机电设计与控制等多学科于一体复杂的控制系统，不仅仅对提高机器人在复杂的环境下适应能力具有现实意义，还可以促进控制理论的发展[2]。在特定的环境下，利用机器人与地面单点接触、无半径和全向移动的灵活特点，可辅助或代替人在复杂地形条件下完成既定任务[3,4]。

单球自平衡移动机器人主要包含球轮、全向轮、机身三大部分，其中机身主要包含电气控制系统、整体机械框架、载重组件等，涉及机械结构建模、姿态控制、运动轨迹导航与跟踪等技术，引起了国内外众多学者的研究。据文献记载，国外最早研究始于1980年日本Ozaka等人提出独轮自平衡机器人；美国卡内基梅隆大学Kantor GA等学者2005年推出了单球驱动机器人Ballbot。随后瑞士苏黎世联邦理工学院在此基础上重新设计了一种结构简单的单球自平衡机器人[5，6]。国内于2012年开始对球平衡机器人进行建模和研究，文献[7]针对球平衡机器人运用拉格朗日方程法建立动力学模型，并进行线性二次型最优控制方法进行控制机器人姿态。文献[8]基于二维倒立摆模型建立动力学模型，提出遗传算法的优化控制机器人的原点自平衡控制。……