无人自行车是一个不稳定的欠驱动系统,它是近年来机器人领域关注的一种智能交通工具,具有广阔的应用前景。本文以无人自行车为研究对象,对其动力学模型分析、平衡控制器设计、避障功能实现、控制软件开发等问题进行了研究。本文主要工作如下:第一,描述无人自行车的基本结构,建立无人自行车系统的运动学模型,进而,对无人自行车系统进行能控性、能观性及稳定性的分析,为后续设计控制器奠定基础。第二,基于变论域模糊控制的相关理论,提出了一种双闭环变增益的控制器。该控制算法先由变论域模糊控制器对误差进行调节,然后再利用变增益LQR控制器根据调节后的误差给出合适的控制量,从而实现对无人自行车系统的控制。抗扰性和轨迹跟踪实验表明,基于变论域模糊控制理论设计的双闭环变增益控制器使无人自行车的控制性能得到较大幅度的提升,能够满足复杂环境下无人自行车系统的控制要求。第三,基于动态窗口算法提出了无人自行车避障功能实现的方案,并进行了仿真实验。无人自行车直线避障实验表明该算法使无人自行车具有了避障能力。而后针对无人自行车在轨迹跟踪下的避障情况提出了一种切换策略,使无人自行车在进行轨迹跟踪的同时,仍然能够躲避期望轨迹上的障碍物,仿真验证了切换策略的有效性。第四,开发了无人自行车系统的控制软件,对软件设计方案以及软件界面的相关功能进行了介绍。该软件平台为无人自行车提供了友好的控制界面,使参数设置及状态监测更加方便。