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独轮机器人的平衡问题主要包括俯仰平衡和横滚平衡两个方面，其中横滚的平衡问题是独轮机器人研究的关键，各国的科研工作者都对此横滚方向的姿态调节问题进行了各式各样的探究。其中，影响较大的是日本的基于惯性飞轮的横滚平衡姿态调节机构，但是此结构仍旧存在一些问题，譬如依靠惯性轮的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。为此提出了一种基于气流阻尼的侧平衡姿态调节机构，该姿态调节器主要部件是离心式风轮和电机，电机带动风轮旋转产生力矩，并用此机构设计了反扭矩倒立摆，模拟独轮机器人侧平衡系统，进行平衡控制，验证此姿态调节器的有效性。此结构的恢复力矩是与风轮的速度正相关，在匀速阶段仍旧能够产生反扭矩，克服了传统惯性飞轮机构的缺陷。 本文研究了基于气流的姿态调节机构，并把此机构做成反扭矩倒立摆系统，该系统与独轮机器人侧平衡系统具有相同特性。利用基于气流的姿态调节器产生反扭矩，进行姿态控制。设计了整个物理系统，建立了此系统的动力学模型，并对其进行了平衡控制的研究，主要完成了以下研究工作: (1)基于气流的反扭矩倒立摆的设计与建模分析 本文设计了反扭矩倒立摆的整个机械结构，并且设计了整个反扭矩倒立摆的电气系统，该系统核心板采用ARM的一款STM32系列芯片，负责执行控制算法与任务的调度。以STM32为核心，辅以姿态传感器，负责检测实时的姿态。执行机构为电机伺服系统，负责控制风轮转动，来完成不同的控制任务。设计了人机接口模块，负责接收实时的状态信息，并且负责下达指令。接着对反扭矩倒立摆上部的基于气流的姿态调节器进行数学模型的建立，并且对该姿态调节器所产生扭矩与速度正相关进行了物理实验验证。采用拉格朗日建模的方法，建立了整个倒立摆的数学模型，并对数学模型进行了仿真验证。整个反扭矩倒立摆可以像普通的倒立摆一样用于理论实验平台，可以作为独轮机器人的侧平衡姿态调节机构，并且和日本惯性飞轮机构比，克服了依靠加速度的缺陷。 (2)基于线性控制理论的反扭矩倒立摆控制方法研究 将反扭矩倒立摆系统的数学模型在平衡点附近，采用泰勒级数的方法进行线性化，建立系统的状态空间模型，并对整个系统的能控性与稳定性进行分析。设计LQR控制器，对该反扭矩倒立摆系统进行平衡控制，在Simulink中对该控制方法进行数值仿真，结果表明该方法能够在平衡点附近有效的对反扭矩倒立摆进行控制，并且该控制方法具有一定的抗击干扰的能力。 (3)基于非线性PD的反扭矩倒立摆控制方法研究 完成了非线性PD算法软件程序的编写，将整个算法运用在物理系统上，进行物理实验。实验结果表明:这种基于气流的姿态调节机构的反扭矩倒立摆在偏离平衡位置14度左右均有效，并且可以保持3度左右任意偏角的姿态，证明了此种基于气流的姿态调节器与速度正相关的优势，在人为给其冲击扰动的情况下，该倒立摆很快能够恢复到平衡位置，表明该算法具有一定的抗干扰能力。 (4)基于非线性自抗扰的反扭矩倒立摆控制方法研究 本文针对反扭矩倒立摆的平衡控制问题，提出了一种基于自抗扰控制的方法，该控制方法发扬了PID控制的精髓，同时借助于状态观测器补偿了内外扰动。将该系统的非线性数学模型作为被控对象，设计了自抗扰(ADRC)控制器，搭建了相应的Simulink模型，进行了起摆控制和抗干扰等仿真实验，与非线性PD方法进行仿真对比实验，仿真结果证明了该控制方法的有效性和有效抗击干扰的能力。并且该控制方法响应速度要快于非线性PD控制方法。