自行车机器人和独轮车机器人作为轮式机器人的代表,具有车体狭小、结构简单、运动灵活等特点,既深受广大机器人爱好者的喜欢,也吸引着众多国内外研究者的目光,将其视为研究控制理论的理想平台。目前,单独针对自行车机器人和独轮车机器人的研究比较多,而对可以同时实现两者功能的研究相对较少。本文提出一种多态自平衡车机器人,该机器人兼具了自行车机器人和独轮车机器人的结构特点,不仅可以处于自行车或者独轮车模式单独运行,又可以灵活的在这两种模式之间切换。论文以这种机器人为对象,围绕着动力学建模和控制算法两个方面展开,主要工作如下:(1)根据多态自平衡车机器人的结构特点,首先,分别设计了多态自平衡车机器人自行车态和独轮车态下的机构简图;然后,对这两种形态依次进行运动学和动力学分析,并基于查浦雷金方法建立它们的动力学模型;最后,通过逆动力学仿真来验证动力学模型计算的正确性。(2)设计并搭建完成多态自平衡车机器人的物理样机一台,包括机构本体和测控系统两部分。机构本体包括3个薄饼电机和1个步进电机,分别通过齿轮和同步带传递动力。测控系统以TMS320F28335数字信号处理器(DSP)为核心,包括惯性测量单元、光电编码器、电流传感器、无线通讯模块、直流稳压模块以及动力锂电池等,采用RS232总线方式串行连接4个电机驱动器。(3)对多态自平衡车机器人自行车态下的动力学模型进行解耦,采用线性二次型调节器(LQR)的方法设计多态自平衡车机器人自行车态下4种平衡运动的仿真分析与样机实验的控制器,4种平衡运动控制分别为:90/45??定车运动平衡控制、90/45??圆周回转运动平衡控制。通过Matlab/simulink仿真分析与物理样机实验相结合的方法验证了所设计控制策略的可行性与正确性。(4)采用LQR的控制方法,研究车架质心位置变化对多态自平衡车机器人自行车态下的圆周回转运动的影响,具体为:车架质心位置横、纵向变化对90/45??圆周回转运动平衡控制的影响。通过Matlab/simulink仿真分析了车架质心位置变化时,90/45??圆周回转运动平衡控制的影响,并进行了车架质心位置横、纵向变化时,90?圆周回转运动的物理样机实验研究。(5)对多态自平衡车机器人独轮车态下的动力学模型进行解耦,采用部分反馈线性化的控制原理,设计了动态俯仰平衡运动控制器,并通过Matlab与Adams联合仿真验证所设计控制策略的可行性与正确性。