刘佩佩，周亚丽，张奇志，徐鑫鑫

（1.北京信息科技大学自动化学院，北京 100192；2.北京沃普拉斯科技有限公司，北京 100086）

0 引言

平衡控制在航空航天、机器人直立控制、科研教学、控制理论研究及验证等方面有着广泛应用［1］。与无人驾驶汽车相比，无人驾驶自行车具有静态不稳定性和动态可稳定性，因此对自行车的运动特性和平衡控制的研究已经成为一个重要的研究领域［2］。1899年Whipple［3］首次运用数学方程描述自行车的运动行为，他将自行车简化为前轮、后轮、车架和车体前叉四部分，应用倒立摆模型导出了自行车围绕直立垂直平衡点的线性化运动方程，并提出了自稳定的概念。随着计算机时代的到来，越来越多的研究者借用计算机仿真等工具对复杂问题进行仿真和分析，由此开始了对无人驾驶自行车的深入研究。从国内外研究现状可以看出，学者们对无人驾驶自行车系统的研究主要集中在各种形式的配重调节器设计、车体结构分析和运动过程中车身平衡稳定性控制等相关方面，并取得了丰硕的成果。例如，一些学者［4-8］着重研究了增加配重或改变传统自行车原有结构对无人驾驶自行车平衡运动的影响，结果表明，增加配重调节器或者改变自行车原有结构可以扩大系统倾角的调整范围。而另有学者［9-13］则认为无人驾驶自行车无需添加配重调节装置，仅靠车把和车轮运动即可保持稳定平衡。此种方案驱动自由度较少，控制容易，但能否达到前者的倾角调整范围和效果还需进一步验证［14］。……