垂摆式两轮车,不同于传统的倒立摆式两轮自平衡车,是一种重心下置式两轮车。由于结构简单,能耗低,避障灵活,稳定易控等优点,垂摆式两轮车更适合在非结构化环境下工作,因此,拥有广阔的应用前景,如空间探索、抢险救援等,近年来得到越来越多的关注。垂摆式两轮车的动力学具有非线性、强耦合、非完整及欠驱动等特点,为方便系统的运动控制及轨迹跟踪研究,需要建立系统的动力学模型。首先,应用Euler-Lagrange能量法建立相互耦合的四坐标具有非完整约束的非线性动力学模型；为消除非完整约束的影响,对建立的四坐标动力学模型进行了降阶处理,得到了包含运动速度及车身摆角速度的三坐标动力学模型。其次,对于垂摆式两轮车的运动控制和轨迹跟踪,提出双闭环控制方法；对内环的动力学部分,利用滑模变结构方法设计控制器,实现对运动速度的跟踪；对外环的运动学部分,设计位姿误差控制器,实现垂摆式两轮车在惯性坐标系下对任意参考轨迹的跟踪。再次,对于垂摆式两轮车动力学模型的欠驱动特性,提出自适应的分层滑模控制方法,实现速度跟踪及车身摆角的镇定,同时,自适应策略使得控制器摆脱对于系统物理参数精确值的依赖。最后,考虑地面摩擦力的影响,建立垂摆式两轮车动力学模型,采用连续的参数化模型对摩擦效应进行描述,设计带有摩擦补偿的跟踪控制方法对摩擦产生的不利影响进行消除,同时利用RBF神经网络对不确定的参数化摩擦模型进行在线辨识。仿真结果验证所提出的控制策略的可行性和有效性。