两轮自平衡机器人是一种典型的轮式移动机器人,由于其占地面积小、运动灵活的特点,在工程上有着广泛的应用前景。同时,它又是一种移动式倒立摆,由于其非线性、欠驱动和具有非完整约束的特点,已经成为验证各种控制算法的理想平台,因而对它的研究有着重要的科学研究意义。目前两轮机器人在水平面上的控制已经比较成熟,而在实际应用中,特别是在户外场合,会面对各种复杂环境,特别是斜坡环境,它的动力学特性会发生较大的变化,这时对它的建模与控制也变得更加复杂和困难。　　本文针对两轮自平衡机器人在复杂环境中的建模和控制问题,在总结了针对水平面环境的建模和控制方法,比较了不同控制方法之间的优缺点后,对两轮机器人在斜坡上的建模和控制方法进行了研究,取得了如下成果:　　第一:斜坡环境下两轮自平衡机器人动力学模型的建立　　将斜坡环境抽象成平面,将两轮机器人抽象成由左、右轮和车身组成的刚体系统,在适当的模型假设下,采用Lagrange方法建立了两轮机器人在斜坡上的动力学模型,并通过Adams和matlab的对比仿真实验,来验证模型的正确性,在此基础上,证明了机器人在斜坡上的直立平衡姿态是不稳定和局部可控的。　　第二:斜坡上基于LQR理论的运动平衡控制方法　　针对机器人在斜坡上的运动平衡控制问题,分析了机器人在斜坡上不同位置处的平衡姿态,采用LQR方法和积分控制相结合的方法,设计了机器人在斜坡上的自由平衡控制器,仿真结果表明,机器人能在斜坡上任意位置处保持直立平衡姿态,并在行进方向和偏航方向有一定的抗干扰能力,用同样方法设计了行进速度和偏航速度控制器,仿真结果表明,机器人能实现行进速度的无静差控制,但对偏航速度的控制存在较大的震荡,控制效果有待进一步改善。　　第三:斜坡上两轮机器人的滑模控制方法　　针对在斜坡上两轮机器人非线性的特点,使用具有多输入的仿射非线性系统的滑模控制器设计方法,设计了两轮机器人在斜坡上运动平衡的滑模控制器,实现了两轮机器人在斜坡上的平衡和行进控制。滑模运动的切换面采用线性切换函数,趋近模态的趋近律采用指数趋近律。并针对滑模控制存在抖动的问题,采用饱和函数有效的抑制了抖动。仿真结果表明,此方法与线性控制方法相比,该方法调节时间明显减小,且动态响应过程中振荡幅度亦有所下降,而且抗干扰能力明显增强。　　本文的研究工作得到了国家自然科学基金项目(No.61075110);国家“863计划”项目(No.2007AA04Z226):北京市教委重点项目(No.KZ201210005001);北京市自然科学基金项目(No.4102011);高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(No.20101103110007)的资助。本文所取得的研究成果对于机器人系统的研究具有参考意义。