本文研究的非同轴两轮自平衡移动机器人是依靠一对陀螺转子同步进动产生的陀螺力矩来实现静止或动态平衡,其在运输货物或执行侦察的任务过程中,很容易受到外力的撞击倾倒而无法继续执行任务,因此,提高其运行平稳性具有重要的意义。机器人平稳性以其横滚角为评价指标,它与双陀螺平衡装置控制系统和转向控制系统等因素相关。机器人起摆或受到撞击时,通过陀螺进动产生陀螺力矩直接控制其横滚角,而进动角过大会使控制系统崩溃;机器人转向运动会产生离心力,使机器人向外翻转而可能倾倒。因此,本课题针对此款机器人运行平稳性较差的问题,以双陀螺平衡原理和转向运动力学分析为基础,从数学建模、控制算法设计与优化、控制系统设计等方面对机器人的平稳性展开研究。首先,在理论上从双陀螺控制和转向控制的角度对机器人平稳性的影响进行分析,得到机器人陀螺进动角、转向角、运行速度与横滚角之间的关系。其次,采用Euler-Lagrange方程和角动量守恒建立以机器人转向角、横滚角、运行速度、进动角的四自由度动力学模型。在此基础上设计基于进动回零补偿和离心力补偿的滑模控制算法,从机器人起摆自平衡、抗干扰、转向运动等三个方面对其平稳性在Matlab中进行仿真实验,证明了设计的控制算法能够保证机器人具有良好的平稳性;并设计了模糊算法对滑模算法的参数进行调度,优化滑模控制算法。然后,对控制系统进行功能需求分析,设计控制系统硬件电路和PCB板,选择控制系统的传感器、外围电机及其驱动器,编写传感器采集、电机控制、双陀螺平衡装置控制算法、运动控制算法等模块程序并进行调试。最后,搭建机器人样机,从起摆自平衡、抗干扰、转向运动对机器人平稳性进行实验。实验研究表明,优化后的模糊滑模控制算法能使机器人横滚角在平衡点由±2°减少到±1°;设计的控制算法能使机器人从横滚角18°恢复到平衡点±1°范围内,同时进动角也恢复到设置的边界点8°左右;在受到不同程度撞击或负载加载时,机器人横滚角能恢复到平衡点±1°;在转向运动时,机器人转向到最大值45°时,机器人横滚角能保持在2°左右。综上所述,本文设计的控制系统能够保证机器人良好的平稳性能。