针对自行车静态下稳定性能较差的问题,本文以单框架控制力矩陀螺的平衡原理为基础,从动力学建模、控制策略设计与优化、机械结构设计、控制系统设计、物理仿真实验平台搭建及实验验证等方面对自行车系统静态下的稳定性能展开研究。首先,在理论上从控制力矩陀螺的作用原理对自行车系统稳定性的影响进行分析,推导得出陀螺转动惯量、自转角速度、进动角速度和自行车滚转角之间的数量关系。其次,采用欧拉—拉格朗日方程和角动量守恒原理建立自行车滚转角、进动角为广义坐标的系统动力学模型,求得以自行车滚转角、滚转角速度、进动角速度、电流为状态变量的四阶系统状态空间方程,进而对系统动力学模型进行特性分析。在此基础上提出带有输入约束的MPC控制策略和带有尺度因子的LQR控制策略,并设计经典的PID控制策略与所提控制策略进行对比,借助MATLAB/SIMULINK对自行车的稳定性进行仿真分析,证明所提的控制策略对提高自平衡自行车稳定性能的有效性和可靠性。然后,分析自平衡自行车控制系统的功能需求,提出控制系统总体方案设计思路。按照总体方案架构设计出控制系统硬件电路及其PCB板打样。在此基础上分别编写自平衡控制算法、电机控制、传感器采集及数据处理等模块的软件程序并进行调试优化,完成控制系统整体的软硬件设计。最后,搭建物理仿真实验平台,对自平衡自行车系统静态和抗干扰下的稳定性能进行实验分析。结果表明,在无干扰情况下,系统启动后经过4s的振荡阶段,最终保持在平衡位置,满足自行车自平衡功能的稳定性要求。在车身施加侧向干扰力,自行车滚转角突然显著增大,控制器随之迅速做出反应并调整输出,系统经过多次左右振荡调节,最终使自行车回复到平衡位置,整个过程调整时间约为2s。综上所述,本文所提出的两种控制策略对自平衡自行车的稳定性控制具有较好的鲁棒性和抗干扰性,对比经典PID控制策略,在受到外力干扰后,自行车滚转角偏离平衡位置的角度较小且回复时间短,能够保证自行车系统较好的稳定性能。