阮曉鋼，胡敬敏，王啟源，劉　航
北京工業大學電子信息與控制工程學院，北京

摘　　　要：針對一種由一個車輪驅動并控制前向平衡、并由電機驅動慣性輪形成反力矩來控制側向平衡的獨輪機器人系統，提出了一種分組分層滑模變結構控制方法。該方法根據機器人動力學模型特點，將系統看作兩個單輸入系統組合，并分別針對每個單輸入系統設計分層滑模控制器，從而實現機器人的運動平衡控制。從理論上證明了各層滑動平面的漸近穩定性，并通過仿真實驗驗證了控制方法的有效性和魯棒性。

關　鍵　詞：獨輪機器人；滑模控制；運動平衡控制；分層

１　引　言
獨輪機器人系統是通過模仿人騎獨輪自行車構建的智能系統，該系統與近年來研究較多的兩輪機器人有一定的相似性。與兩輪機器人相比，獨輪機器人系統機械結構更加簡單，外型靈巧，將系統與地面接觸點數目降到較小，可以高速運行，有廣闊的應用前景。同時，獨輪機器人系統屬于一類復雜的欠驅動靜態不平衡非線性系統，其建模和控制問題十分復雜。總之，獨輪機器人系統控制方法的研究具有重要的理論價值和應用價值，同時也存在著較大的難度。獨輪機器人的研究始于二十世紀七八十年代，主要集中于日本、美國等國家。１９８７年斯坦福大學的Ｓｃｈｏｏｎｗｉｎｋｅｌ［１］等人，對一種獨輪機器人的機械機構，平衡傳感器的評價等進行研究；１９８９年麻省理工的Ｖｏｓ，ＤａｖｉｄＷ等人，應用Ｓｃｈｏｏｎｗｉｎｋｅｌ等人的模型，實現對獨輪機器人平衡控制［２］；２００８年９月３１日在“ＣＥＡＴＥＣＪＡＰＡＮ２００８”上，村田制作所推出名為“村田少女” 的獨輪車機器人［３］。但在國內，獨輪機器人的研究罕有報道。目前應用于獨輪機器人的控制方法主要是針對機器人的線性模型進行的線性控制方法，如：文獻［１］根據系統線性模型應用ＬＱＲ控制器實現機器人的前向平衡；文獻［２］在文獻［１］的基礎上提出改進的ＬＱＲ方法，實現了機器人的平衡控制；文獻［４］采用ＰＤ控制實現獨輪機器人的平衡控制；而非線性控制方法在獨輪機器人系統上研究較少，文獻［６］根據簡化的系統非線性模型設計非線性控制器實現機器人的平衡控制。綜上所述，針對獨輪機器人系統的控制方法研究較少，特別是有效非線性控制方法的研究，這方面有待于進一步探索和研究。滑模變結構控制是一種廣泛應用于機器人、航空航天和工業領域的非線性控制方法。本文研究一種由一個車輪驅動并控制前向平衡、由電機驅動慣性輪形成反力矩來控制側向平衡的獨輪機器人系統，根據其動力學模型特點，設計分組分層滑模控制器來實現機器人的平衡控制，并在理論上證明控制器各層滑模面的漸近穩定性。仿真實驗結果表明，這種控制方法有效地實現了獨輪機器人的運動平衡控制，同時該控制器對外界擾動具有一定的自適應性。

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