独轮机器人是一种模拟人骑独轮自行车的机器人,与一般轮式机器人相比,独轮机器人与地面接触点数目降到最小,其侧向和偏航方向均为欠驱动,是典型的欠驱动、非线性、非完整、多耦合、静不平衡系统。因此独轮机器人具有极其独特和复杂的动力学特性。其建模和运动平衡控制问题是控制科学与机器人学研究的重要问题。本文研究了基于气流的反扭矩独轮自平衡机器人。传统的基于惯性飞轮的独轮机器人依靠加减速来提供恢复力矩,容易产生速度饱和现象,而在匀速阶段无法产生作用力,本文利用基于气流的姿态调节器产生反力矩作为独轮机器人的侧向平衡机构,从而控制机器人的侧平衡,此侧平衡姿态调节机构的恢复力矩与风轮的速度正相关,在匀速阶段依旧能产生反扭矩,克服了传统惯性飞轮机构的缺陷。针对此反扭矩独轮机器人,进行了物理系统的设计,包括机器人机械系统的设计、电气系统的设计以及程序系统的设计。同时本文利用拉格朗日方法建立了反扭矩独轮机器人俯仰方向和横滚方向的动力学模型,并运用非线性PD方法和Backstepping方法对其进行了平衡控制的研究。本文的详细工作内容和取得的主要成果如下:(1)基于气流的反扭矩独轮自平衡机器人的物理系统设计本文完成了基于气流的反扭矩独轮机器人机械结构的设计,同时设计了反扭矩独轮机器人的电气系统,包括检测系统、控制系统以及电源系统。该系统采用ARM的一款STM32芯片作为核心板,负责执行总的平衡控制任务。使用姿态传感器实时检测独轮机器人的姿态,执行机构为电机伺服系统,负责控制轮子转动,以完成不同的控制任务。编写了基于STM32控制器的程序架构,以时间片轮训法作为基础,接着设计了人机接口模块,负责接收状态信息,并且负责下达指令。(2)基于拉格朗日方法的反扭矩独轮机器人动力学建模本文首先对基于气流的姿态调节器进行数学建模,并且对该姿态调节器所产生的扭矩与速度正相关进行了物理实验验证。接着对独轮机器人俯仰方向和横滚方向进行解耦,运用Lagrange方法建立独轮机器人在横滚和俯仰方向的动力学模型,并对数学模型进行了仿真验证。本文建立的模型为反扭矩独轮机器人的设计和控制提供了一定的理论依据。(3)基于非线性PD的反扭矩独轮机器人控制方法的研究本文针对独轮机器人的运动平衡控制问题,设计一种基于非线性PD的控制方法。将独轮机器人系统分成俯仰方向控制系统和横滚方向控制系统。俯仰方向控制系统包括运动控制、前后姿态控制和电机伺服控制,横滚方向控制系统包括左右姿态平衡控制和电机伺服控制,其中电机伺服驱动为两个PID控制器分别控制上下电机伺服转动,姿态平衡控制为一种基于tan函数的非线性PD控制器,控制机器人的姿态平衡。通过非线性PD算法与线性PD算法的仿真对比分析实验,表明非线性PD能控制机器人的平衡,且动态性能指标要优于线性PD。(4)基于Backstepping算法的反扭矩独轮机器人控制方法的研究本文针对独轮自平衡机器人的稳定性问题,提出了基于Backstepping的控制方法,设计反扭矩独轮机器人控制系统,利用Lyapunov证明了其稳定性,通过与非线性PD算法的对比仿真实验,包括平衡控制和鲁棒性控制仿真实验,仿真结果证明了该控制方法的有效性。并且该控制方法在响应速度和鲁棒性上要优于非线性PD算法。