在科技飞速发展的今天,机器人技术占有非常重要的一席之地,自行车机器人又是机器人研究中的热门话题。负载及平衡能力是自行车机构性能优劣的重要特征,传统两轮自行车机器人车轮间轴距使车体的负载及地形适应能力都受到了一定的限制。本文以一种多节拖挂式无人自行车机器人为研究对象,它由双轮自行车挂接单节拖挂车构成,这样的结构设计相较于双轮自行车,有效提高了系统的负载能力。然而,目前大多数自行车机器人平衡运动控制器设计是基于横滚角的变化,对于多节自行车机械结构,横滚角不唯一特性不能较好满足控制需要,同时对系统平衡运动控制器的鲁棒性提出了更高的要求。基于此,本文采用由零力矩点（ZMP）理论和稳定裕度概念构造的新失稳评测模型和双幂次滑模控制算法对拖挂式无人自行车机器人平衡运动控制问题展开研究,主要研究工作如下:（1）针对拖挂式无人自行车模型复杂占用工控机内存较大、运行时间较长的问题,运用引入了剔除0变量、剔除重复变量及变量排序等算法的程式化建模方法,建立系统动力学和ZMP模型,通过逆动力学仿真及虚拟样机仿真验证模型可靠性,与未引入新算法的程式化建模方法相比,进一步降低了模型复杂度和提高了运算效率。（2）基于所得到的ZMP位置,结合稳定裕度概念设计出直接由ZMP构造的控制误差,开发出了一维基于距离和二维基于面积的ZMP控制误差,并阐明了其基本原理,从而为建立系统新的失稳评测模型与控制策略之间的联系打下基础。（3）由系统动力学模型和ZMP模型,确定系统状态方程并做出能控性和能观性分析,分别将系统横滚角变化和由ZMP直接构造两种控制误差引入部分反馈线性化和双幂次滑模控制算法,由此设计相应的系统平衡运动控制器并进行稳定性分析。（4）借助MATLAB/Simulink数值仿真工具,根据系统动力学模型、ZMP模型和所设计的控制器,构造相应仿真框图并编写子系统M文件,开展拖挂式无人自行车系统平衡运动控制研究。结果表明:双幂次滑模控制方法下的系统平衡运动具有更短的收敛时间和更小的超调量,且抗干扰能力更强;与传统横滚角作为系统控制误差相比,由ZMP直接构造的系统控制误差的平衡运动仿真收敛速度更快,超调量更小。（5）参与完成拖挂式无人自行车机器人机械、电控系统的改造、搭建与调试工作,在此基础上进行平衡运动控制基础实验。