随着科学技术的不断发展,小型化的电驱动自平衡单轨车辆有可能为城市提供廉价、安全、节能的短距离交通工具,进而解决城市污染、道路和停车场拥堵问题。在单轨车辆自平衡控制的研究中,转向控制通常是基于线性动力学模型来实现的,例如Whipple-Cornell-Delft基准自行车。然而,在机器人自行车在处于接近零速度状态的情况下,转向控制是无效的。实际上,当单轨车辆静止时,转向控制对单轨车辆的横滚方向上的运动影响很小。因此,要让机器人自行车实现静态平衡,其中一种可行的手段是通过使用机械飞轮来提供足够大的侧倾扭矩,从而使得车身能够处于静态直立平衡。但是,增加高速的飞轮系统将使得单轨车辆的整体功耗及价格大幅增加,不仅不利于商业化,而且飞轮系统的存在也会使得机器人自行车不能够实现急转弯,从而降低了单轨车辆在复杂路况的适用性。因此,本文提出了一种新的能使机器人自行车在零速度下保持平衡的方法。并且由于已知的文献中没有可直接用于机器人自行车在大转向角状态下控制的线性动力学模型,所以在对自行车非线性动力学模型的研究基础上,建立了一个在大转向角附近下的线性化动力学模型,对新建立的线性模型进行了稳定性分析,并基于新模型设计了一个线性二次型调节器(Linear Quadratic Regulator,LQR)来对零速度下的机器人自行车进行平衡控制。最后还设计搭建了机器人自行车物理样机来验证理论工作的可行性。理论和实验都表明,通过所设计的LQR控制器,机器人自行车可以在零速度下达到平衡,而无需使用飞轮或任何其它提供侧倾扭矩的设备。基于此,本论文主要完成的工作如下:(1)首先通过广义坐标描述了无约束的自行车运动学,并分析了前后车轮与地面接触产生的完整和非完整约束,然后对机器人自行车进行动力学建模,得到了机器人自行车拉格朗日动力学模型,并在此模型的基础上,开发了机器人自行车在90°车把转角下的线性化动力学方程,新开发的线性模型可实现车辆在90°转把下的静态平衡控制,并且该模型与著名的Whipple-Cornell-Delft线性基准自行车模型不同的是,后者仅能够适用于车辆在小转向角和小倾斜角状态下的控制,最后并对新开发的线性化模型的可控性和可观性进行了分析。(2)基于新开发的线性机器人自行车模型设计了一个用于驱动前轮电机的LQR控制器,并进行了Matlab仿真,验证了LQR控制策略的有效性,并且仿真实验也表明,当倾斜角有遇到一定的扰动时,新设计的LQR控制器仍可以快速有效地帮助单轨车辆恢复到原地定车状态,从而实现车辆的静态平衡。(3)机器人自行车实验平台设计与搭建。设计并搭建了一辆通过前轮电机驱动的在90°车把转角下的机器人自行车,主要内容包括样机平台的安装结构设计,平衡控制系统的硬件平台搭建以及相应的平衡控制系统软件工作流程。并以此样机为实验平台进行静态平衡控制实验,物理样机的测试实验实现了车辆在零速度下的平衡控制,验证了该静态平衡控制设计方案的有效性。