从控制的角度来讲,自行车是一个不稳定系统,在纯滚动过程中受非完整约束。无人自行车的稳定被证明是一个非常棘手的问题,在自动化领域内引起了广泛的关注。本文利用建模、分析、综合、设计和实现的方法,对无人自行车的平衡控制进行了研究。首先,本文在不同的假设条件下,建立了自行车的倒立摆模型和多体模型。分析了自行车的动力学行为,包括前叉非最小相位的操纵特性和车速对系统稳定性的影响。在多体模型的基础上,本文以车速作为语言变量,建立了系统的模糊T-S模型,采用局部线性理论设计模糊控制器,提出了车速发生变化时保持系统平衡的一种新方法。其次,本文在自行车动力学特性的基础上,开发了两代无人自行车控制系统,实现了调节车速、转动前叉和感知车体姿态信息的功能,并比较了各自的优缺点。系统采用主从式控制,PC机根据单片机采集到的车体姿态信息计算出最优的操纵角,并将其发送给单片机,单片机接收到命令后驱动执行机构动作。最后,本文对无人自行车平衡控制进行了试验研究。为了抑制噪声,利用巴特沃思低通数字滤波器实时对采样信号进行预处理。试验证明了前叉的转动对自行车的稳定具有非常重要的影响。设计的PID控制器能够使系统在一段时间内保持平衡,为完全实现系统的平衡控制奠定了基础。