为提高本质不稳定移动机器人稳定性,论文对系统动力学建模、姿态检测以及动力学控制三个关键问题进行研究。首先,利用拉格朗日力学方程,对三种典型轮式不稳定系统进行动力学建模。将模型做线性化处理,以便找出共性问题,为后续控制算法的普适性提供理论支持。其次,根据惯性测量单元的特点,结合轮式不稳定系统的控制需求,设计数据融合算法,以获取准确姿态信息;在反馈通道设计带阻滤波器,抑制系统谐振,拓展系统有效带宽。再次,基于样机硬件参数,分别设计线性模型预测控制器和鲁棒模型预测控制器。仿真对比实验表明,由于对系统非线性的补偿作用,鲁棒模型预测控制器的控制效果明显优于线性模型预测控制器。最后,设计姿态检测算法测试平台,实验验证互补滤波器和卡尔曼滤波器姿态测量效果;设计轮式不稳定系统原理样机,进一步验证鲁棒模型预测控制和线性模型预测控制对两轮自平衡系统的控制效果差异。此外,姿态检测算法测试平台采用硬件在环技术(Hardware in the loop),即算法开发统一采用Simulink集成开发环境。通过S函数驱动CAN通信及SPI通信,实现Simulink对驱动器及惯性测量单元(Inertial Measurement Unit)的支持。这种控制架构可充分利用Simulink提供的控制系统开发工具,加快算法实验进程,避免人为因素降低实验结果可信度;可定义驱动器控制架构,以适应动力学模型的不同需求;还可在线更新底层控制器参数,构造复杂控制算法,避免通信时延对采样周期的影响。