自行车作为最普遍的交通工具,具有轻便、灵活、环保等其他交通工具不可替代的优点,深受人们的喜爱。即使是汽车已经非常普及的今天,自行车依然是人们短途出行的首选交通方式。无人驾驶自行车是自行车与智能控制的有机结合,既有自行车的灵活便捷性,又有控制系统的智能性。在恶劣的环境下无人驾驶自行车能够代替人们进行一些运输工作、野外探险工作等,具有广泛的应用前景。同时,自行车作为一个典型的时变、不稳定、非线性系统,其力学特性与运动特性始终受到各国学者的关注。自行车运动特性以及平衡控制方案的探索,对欠驱动非线性系统的研究具有重要意义。本文利用动力学建模、稳定性分析、控制器设计、仿真等方法,对前向行驶的无人自行车平衡控制问题进行了研究。(1)分别设计了平衡板、双连杆两种自行车平衡配重调节器,将配重调节器与自行车作为一个整体,使用了拉格朗日方程法对系统进行了动力学建模,分别对其无源性进行了简要分析,并使用仿真软件对系统进行了简单的反馈控制仿真,其结果验证了配重调节方案的正确性。(2)对车把调节车身稳定的自行车单输入单输出模型进行了系统性能分析,确定了车速对系统稳定性的影响。并在自行车前向车速恒定不变的情况下分别使用极点配置法与LQR控制方法设计了状态反馈控制器,通过仿真验证了两种控制器的有效性。(3)使用变增益LQR控制方法对非线性SISO模型进行了控制,在车速不断变化的情况下对系统给定一个非零状态,分别对车身不受扰动、受短时扰动与持续扰动三种情况进行控制系统仿真。通过与经典LQR控制方法作用下的系统各状态随时间的变化曲线进行对比,变增益LQR控制器不仅能够使系统保持在相对稳定的状态,且较LQR控制器有更高的自适应性与可靠性。