运动平衡控制问题是机器人系统中普遍存在的问题，自平衡机器人是一类需要通过运动才能实现平衡的机器人。与一般的自平衡机器人相比，独轮自平衡机器人与地面接触点的数目降到最小，是一种典型的非完整、非线性、静不平衡系统，其建模和运动平衡控制问题是控制科学与机器人学研究的重要问题。　　本文的研究内容是独轮自平衡机器人系统设计及其运动平衡控制。本文主要内容包括:独轮自平衡机器人的物理系统设计，包括机器人的机械系统设计、电气系统设计、姿态测量系统设计和基于ARM控制器的程序系统设计;同时本文利用Newton-Euler法建立了独轮自平衡机器人俯仰方向运动和横滚方向运动的动力学模型;此外，还设计了基于PID的独轮自平衡机器人无模型姿态控制器，针对俯仰方向的运动控制和姿态控制分别设计了线性PID控制器，针对横滚方向的姿态平衡设计了非线性PID控制器。最后针对独轮自平衡机器人物理平台进行了物理实验的设计，对机器人在俯仰方向和横滚方向的平衡控制以及在外界施加冲击扰动和阶跃扰动的干扰下的鲁棒性进行了测试。本文的详细工作内容和取得的主要工作成果如下:1)独轮自平衡机器人物理系统。设计并完成了基于反作用飞轮作为侧向平衡驱动机构的独轮自平衡机器人机械结构，同时设计了机器人的控制电路，该电路包括ARM核心板电路、电源电压转换电路、电机驱动电路、角度和角速度处理电路等内容。编写了基于STM32控制器的程序构架，以时间片轮训法作为基础结构，同时对于机器人的姿态角采用了四元数法进行转换，同时针对角度信息设计了互补滤波器和扩展卡尔曼滤波滤波器。　　2)基于Newton-Euler法的独轮自平衡机器人动力学模型。本文首先对独轮自平衡机器人进行了模型简化处理，然后在俯仰方向和横滚方向对机器人模型进行了解耦。机器人在俯仰方向的模型可简化为可移动的一阶倒立摆模型，在横滚方向的模型可以简化为反作用飞轮倒立摆模型。本文利用Newton-Euler法分别建立了机器人俯仰方向和横滚方向的动力学模型。　　3)基于非线性PID的独轮自平衡机器人的无模型姿态平衡控制。针对独轮机器人在俯仰方向的运动控制、姿态控制和伺服控制设计了线性PID控制器，其中采用PI对行走轮速度作为控制量设计了定点平衡的运动控制任务。针对机器人在侧向的横滚姿态平衡设计了非线性PID控制器，后续的实验结果表明机器人在侧向平衡控制上具有较好的效果。　　4)基于独轮自平衡机器人实体的姿态平衡物理实验。本文针对独轮自平衡机器人俯仰平衡控制和横滚平衡控制分别进行了物理实验。在俯仰方向进行了机器人起摆测试，机器人能够迅速从初始位置到达平衡位置稳定，同时对于外界施加的冲击扰动和阶跃扰动，机器人能够在保持姿态平衡的状态下完成运动控制任务。在横滚平衡控制的实验中，机器人在同样能够在姿态平衡状态下抵御一定的外部冲击扰动和阶跃扰动。试验结果证明机器人物理系统的设计和控制算法的设计具有很好的效果同时具备一定的鲁棒性。　　本课题来源于北京市自然科学基金项目/北京市教育委员会科技计划重点项目(No.KZ201210005001)。本课题的主要目的是，针对独轮自平衡机器人系统，研究机器人的物理系统设计，以及基于姿态平衡控制的运动平衡控制算法。本课题取得成果对提高独轮自平衡机器人设计水平以及推广独轮自平衡机器人的应用范围具有一定意义。