无人自行车系统作为非同轴轮式系统在运输、安防、救援等方面有着良好的应用前景。非同轴轮式自行车是典型的非线性、多变量系统,具有静态不稳定特性,同时具备结构简单、操作便捷、运动灵活等优点,可以完成不同场景的任务要求,是轮式移动机器人的热点研究方向之一。目前,国内外针对自行车机器人展开了大量研究工作,从动力学理论研究到平衡方法的实验研究都有涉及。本文在总结分析当前自行车系统研究的基础上,通过对自行车的平衡分析,从数学建模、控制算法设计、系统设计以及数据处理等方面对辅助平衡式自行车进行研究。首先,采用了自行车基本四要素作为主体结构,针对带有辅助平衡装置的自行车系统,分析了车体横向平衡原理,得到了侧倾角与飞轮系统加速度的关系。采用拉格朗日方程研究了自行车系统的动力学模型,通过近似线性化方法,得到了平衡点附近的简化模型。针对辅助式自平衡自行车系统的特点,设计了自行车系统基本结构,并研究了飞轮形式。通过功能分析,完成了自行车系统部分硬件电路设计以及剩余硬件选型。针对传感器数据采集方式,研究了数据融合处理方法,完成了系统整体控制程序、数据处理以及电机控制等程序的编写。并搭建了上位机系统框架,完成了上位机串口通信功能。基于辅助平衡自平衡式自行车系统的倾角关系,设计了PID控制器和模糊PID参数控制器。采用MATLAB/Simulink软件构建了简化模型,并研究了两种控制器在不同阶跃响应下的控制效果。通过增加干扰信号,研究比较了两种控制算法的可行性。针对重心低、质量轻、尺寸小的原则,搭建了辅助式自平衡无人自行车系统,并进行了相关稳定性、抗干扰以及直线“骑行”实验,取得一定的控制效果。通过采集数据,分析数据段的均值与均方差值,研究了自行车系统的平衡位置和倾角的波动范围,验证了仿真结果的准确性,同时证明了自行车系统的动态稳定性。