电动自行车价格低廉且轻巧便捷,是配送行业最后一个环节的首选工具。无人驾驶能够提升送货效率、降低人力成本和减少交通事故。无人自行车可为配送服务提供一个理想的方案。平衡是无人自行车控制中不可缺少的一部分。自行车具有欠驱动和非线性等诸多特点,其动力学特性较为复杂。普通无人自行车的控制输入量有限,其平衡控制具有较大的难度,运动模式也有所受限。本课题针对普通自行车控制输入少、运动模式受限的不足,提出了一种新型的双驱动无人自行车结构,并以其作为研究对象,从动力学建模与分析、样机设计与搭建和平衡控制算法设计等方面展开研究。本文的无人自行车由1个车架结构、1个配重结构和2个转向结构组成,整车关于车架对称,具有5个自由度,4个独立的控制输入,每个车轮均可作为主动轮。基于上述双驱动无人自行车的结构进行动力学建模。采用动量矩定理法建立了由配重结构控制的无人自行车静态平衡的动力学模型,并进行了零输入响应和车体倾斜最大可控角度分析。采用拉格朗日方法建立了由配重和转向结构共同控制的无人自行车动态平衡的动力学模型,分析证明该无人自行车是一个能控系统。在动力学模型的基础上,本文针对不同的控制输入设计了相应的单输入平衡控制算法并进行了仿真分析,同时探讨了多输入情况下的平衡控制效果。在单控制输入条件下,配重输入采用线性二次型最优控制,在无人自行车静止状态下可实现车体初始倾斜角1°以内的平衡;转向输入采用线性二次型最优控制和模糊控制,在匀速状态下可实现10°以内的平衡,且对双转向结构同时运动的情况也有一定的平衡效果。在多控制输入条件下,配重和转向输入采用线性二次型最优控制,与单控制输入相比,减小了系统超调量。最后,对该双驱动无人自行车的物理样机进行了平衡控制实验。实验结果证明单转向控制器能够在短时间内起到使车恢复直立的作用,为完全实现无人自行车的平衡控制和协同运动奠定了基础。