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近十年来,一类以单球体作为驱动轮的轮式自平衡机器人逐渐引起了国内外学者的关注。单球驱动自平衡机器人在水平方向的两个自由度上等效正交倒立摆模型,它具有多变量、非线性、强耦合等复杂特性,是研究控制理论和应用的理想平台。本文针对单球驱动自平衡机器人的结构设计、位姿估计和控制展开研究。首先,在实现基于传统三足式驱动结构的单球驱动自平衡机器人的基础上,针对单球驱动自平衡机器人移动过程中稳定性及灵活性的要求,设计了一种四足式单球驱动自平衡机器人并推导了轮速空间向量关系。四足式单球驱动自平衡机器人的底部驱动结构在空间上高度对称,降低了后续建模的复杂程度可有效解决传统三足式驱动结构在水平XOZ/YOZ平面上由于机器人质量分布不均而造成的理想等效模型和实际模型误差大的问题。然后,设计了单球驱动自平衡机器人位姿解算算法。其一,针对MEMS陀螺仪存在误差漂移、加速度计易受运动加速度影响以及磁力计易受干扰等问题,设计了一种融合陀螺仪/加速度计/磁力计的互补滤波算法,提高单球驱动自平衡机器人的位姿估计的精度和稳定性。其二,将机器人全向轮上编码器测得的机器人运动速度作为观测传感器,设计了基于卡尔曼滤波的单球驱动自平衡机器人组合导航系统,对单球驱动自平衡机器人的速度、位置进行估计。其次,在实现对单球驱动自平衡机器人系统建模的基础上,在单球驱动自平衡机器人的PI位置控制系统的基础上,设计了位置-姿态串级控制系统。对于姿态控制环节,将ADRC技术引入单球驱动自平衡机器人的姿态控制系统中,设计了基于ADRC的角度-角速度串级控制系统,利用自抗扰控制器的ESO(扩张状态观测器)实时估计不确定扰动,实现系统的快速响应、稳定性及鲁棒性最后,自主搭建了单球驱动自平衡机器人的嵌入式系统实验平台,完成所设计系统的姿态解算实验、磁力计球面拟合实验、位置解算实验、姿态自平衡控制实验。实测实验结果表明本文所设计的单球驱动自平衡机器人位姿解算与控制系统的可行性与有效性。