欠驱动的自平衡运动机械系统的行走甚或匀速行走控制是人工智能和机器人学的重要研究课题,由于两轮自平衡机器人的原型就是双倒立摆系统,并且当前对于倒立摆系统的研究主要着眼于倒立平衡控制、位置控制、自摆起控制,很少考虑系统在倒立平衡状态下的行走控制问题。有鉴于此,研究了直线倒立摆系统的匀速行走控制问题,设计了LQR控制器和模糊控制器。在直线倒立摆系统匀速行走的仿真实验和实际物理系统的实时控制实验上均取得了成功。这对于今后研究其他更复杂的自平衡运动机械系统的行走控制问题甚或匀速行走控制问题(诸如多级倒立摆系统、两轮自平衡机器人等的匀速行走)将起到很好的借鉴作用。 本文主要开展了以下几方面的工作： 第一,针对直线倒立摆系统的匀速行走控制问题设计了LQR控制器,对直线一、二级倒立摆系统的数学模型进行了仿真实验。考虑到实际倒立摆系统实验时倒立摆行程的限制,仿真程序中设计了自动换向开关。在选择各种不同的速度整定值时对系统进行的仿真实验表明设计的控制器动态性能好,抗扰能力强。 第二,针对直线一级倒立摆系统匀速行走的伺服控制问题设计了一种基于状态变量合成的Mamdani型模糊控制算法。提出了一种基于Mamdani型的模糊控制器结构,其输入端采用了状态变量合成技术,将直线一级倒立摆系统的四个状态变量合成为两个变量作为模糊控制器的输入,以避免所谓的“规则爆炸”问题,考虑到控制器的通用性,将其输入输出论域均设计成对称单位区间。仿真实验表明：对于不同的速度整定值,通过适当调节几个比例增益环节的权值后模糊控制器成功实现了系统在一段有限的行程上来回不停匀速行走的控制目标。 第三,将设计的LQR控制器和模糊控制器分别对实验室的直线一级倒立摆系统进行了实物控制实验,实验结果表明LQR控制器的匀速性很好,而用模糊控制器控制倒立摆系统时,正负向速度存在较大的偏差。经分析发现,这种原因是由于系统在伺服控制起始时刻轻微抖动产生的角度测量误差所引起的。在控制器中的角度整定值模块中补偿这个微小的角度测量误差后进行的实验显示：系统的速度偏移情况不再明显,这一方面说明所设计的控制器的有效性,也体现了角度整定值的精确性对于系统的控制性能而言有很大的影响。相比LQR控制器,模糊控制器控制时系统运行过程中位移振荡幅度值只有前者的三分之一左右。 第四,利用所设计的LQR控制器和模糊控制器分别结合自摆起模块后,依然能实现对直线一级倒立摆系统的起摆控制和匀速行走控制。利用三档速度整定值(零、正负速度值)手动切换开关还能实现对系统的位置控制。 本文的研究工作得到了国家863计划项目、国家自然科学基金、北京市教委重点项目及北京市属市管高等学校人才强教计划资助项目等的支持,根据相关研究成果撰写的三篇论文分别被中文核心期刊《控制工程》、《计算机测量与控制》录用,另两篇论文被2008建模、计算、仿真、优化学术会议论文集和中国人工智能学会第12届全国学术年会论文集收录。本文的研究工作拓宽了传统上的针对倒立摆系统的研究范畴,对一大类自平衡运动机械系统的匀速行走问题的研究及应用具有积极的意义,可广泛应用于自动控制、机器人学等领域。