所有的平衡機(jī)器人一樣，兩輪機(jī)器人的核心問(wèn)題是運(yùn)動(dòng)平衡控制的問(wèn)題。

兩輪機(jī)器人的姿態(tài)平衡問(wèn)題類似于倒立擺(inverted pendulum)的平衡問(wèn) 題。因此，兩輪機(jī)器人又被稱為移動(dòng)式倒立擺(mobile inverted pendulum)。所 不同的是，兩輪機(jī)器人可以在二維空間甚至三維空間中運(yùn)動(dòng)。兩輪機(jī)器人不僅 僅需要保持姿態(tài)的平衡，還需要在保持姿態(tài)平衡的同時(shí)行走于二維空間或三維 空間。

兩輪機(jī)器人是一種典型的非完整系統(tǒng)(nonholonomic system),一個(gè)欠驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)(underactuated system)。 兩輪機(jī)器人有4個(gè)自由度：2個(gè)平面支撐運(yùn)動(dòng)自由度，2個(gè)姿態(tài)角運(yùn)動(dòng)自由度。然而，其中只有2個(gè)自由度，即左輪和右輪位置，是可驅(qū)動(dòng)的。

兩輪機(jī)器人的機(jī)體坐標(biāo)系O(X,Y, Zb)和地坐標(biāo)系 (X,Y,Z.) 如圖1 .2所 示。在機(jī)體坐標(biāo)系O(X,Y,Zb) 中，本書(shū) 規(guī)定Zb 過(guò)機(jī)器人重心并垂直于輪系軸線， 由原點(diǎn)(₆指向重心； Yb 為輪系軸線延長(zhǎng) 線，由原點(diǎn)O, 指向左輪圓心；X 垂直于Y 和Z, 由 原 點(diǎn)O₆ 指向機(jī)器人正前方。在地 坐標(biāo)系O(X,Ye,Ze) 中，本書(shū)規(guī)定Z. 指 向重力加速度g 的負(fù)方向，Y。指向正北方 向 ，X. 指向正東方向。

就運(yùn)動(dòng)平衡控制問(wèn)題而言，兩輪機(jī)器 人通常有3個(gè)量需要控制，但只有2個(gè)可 以施加的控制量，即

三維被控量： x 。=(θ,ψ,v)T

二維控制量： u 。=(tL,TR)T 式中，θ為姿態(tài)傾角；ψ為航向角；v=(vL+vR)/2

為行進(jìn)速度，vL 為左輪線速度，

vR 為右輪線速度；zL 為左輪驅(qū)動(dòng)力矩；tR 為右輪驅(qū)動(dòng)力矩。

兩輪機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平衡控制問(wèn)題涉及兩個(gè)方面： 

一是“平衡”,即姿態(tài)平衡控制的問(wèn)題；二是“運(yùn)動(dòng)”,即運(yùn)動(dòng)軌跡控制的問(wèn)題。

盡管兩輪機(jī)器人是不完整系統(tǒng)和欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，然而，兩輪機(jī)器人的姿態(tài)平衡和運(yùn)動(dòng)軌跡仍然是可控制的或可操作的。

1)姿態(tài)平衡控制的基本原理

如圖1.3(a) 所示，兩輪機(jī)器人的姿態(tài)可以通過(guò)調(diào)節(jié)左輪和(或)右輪的運(yùn)動(dòng) 速度和運(yùn)動(dòng)方向來(lái)控制。當(dāng)兩輪機(jī)器人姿態(tài)傾斜時(shí)，可通過(guò)左右電機(jī)產(chǎn)生控制 力矩zL 和 t 來(lái)調(diào)節(jié)左輪和右輪的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，控制左輪和右輪向傾 斜方向和(或)傾斜速度方向運(yùn)動(dòng)，使其姿態(tài)回復(fù)直立平衡狀態(tài)。

2)運(yùn)動(dòng)軌跡控制的基本原理

如圖1.3(b)所示，兩輪機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡控制問(wèn)題，是其行進(jìn)速度和行進(jìn)方向的控制問(wèn)題。行進(jìn)速度v=(vL+vR)/2 是左輪速度vL 和右輪速度vR 的平 均值，可以通過(guò)左右電機(jī)產(chǎn)生的控制力矩z₁ 和 tR 來(lái)調(diào)節(jié)。行進(jìn)方向ψ需要通 過(guò)左輪和右輪的差動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)，即對(duì)左輪和右輪施加不同的作用力矩，以產(chǎn)生不同 的運(yùn)動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輪機(jī)器人航向的控制。

兩輪機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平衡控制問(wèn)題，是機(jī)器人學(xué)和機(jī)器人技術(shù)研究的重要問(wèn) 題，同時(shí)也是控制科學(xué)研究的重要問(wèn)題。

就運(yùn)動(dòng)平衡控制問(wèn)題而言，兩輪機(jī)器人類似于倒立擺。實(shí)際上，從某種意義 上說(shuō)，倒立擺是兩輪機(jī)器人的前身，兩輪機(jī)器人的基本思想和基本原理源于倒 立 擺 。