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复杂地形的平衡小车智能路径规划与控制：一种融合A*算法、动态窗口法与级联混合控制的系统设计方案

摘要

随着移动机器人在复杂、非结构化环境中的应用日益广泛，两轮自平衡小车作为一种特殊的轮式机器人平台，面临着平衡控制与智能导航的双重挑战。两轮自平衡机器人本质上是欠驱动、固有非线性系统，其结构简洁但控制难题丰富，已成为验证和基准测试各类控制算法的标准平台。传统路径规划算法大多假设机器人在2D平面环境中运动，环境被简单地划分为可行区域与障碍物，这对在崎岖地形、岩石堆、倒伏树干等复杂地貌上运行的机器人而言远远不够。

本文系统阐述了一套面向复杂地形的两轮自平衡小车AI智能路径规划与控制系统的完整设计与实现方案。文章从系统总体架构出发，详细介绍了全局路径规划、局部路径规划、平衡控制以及地形感知与定位等核心模块，提供了完整的数学模型推导和关键代码实现。全局规划采用A*算法与非完整约束优化相结合的方法，局部规划采用动态窗口法（DWA）实现实时避障，平衡控制采用级联PID与LQR相结合的混合控制策略。此外，还介绍了基于ROS的感知与定位子系统、传感器融合算法以及系统集成方案。

关键词：两轮自平衡小车；路径规划；动态窗口法；PID控制；LQR控制；复杂地形；AI智能导航

一、引言

1.1 研究背景与意义

路径规划与导航控制是移动机器人自主运行的核心技术。随着自主系统在工业自动化、物流配送、灾害救援、野外勘探等领域的广泛应用，机器人需要在日益复杂和动态的环境中实现安全、高效的运动。在此背景下