自行车机器人是一款自行车与智能控制融合的高性能机器人,既具备自行车方便灵活的特点又具有集成控制系统的高智能性。自行车机器人能够在特定的场合代替人类工作,在抢险救灾、工业生产和资源探查等方面有广泛的应用前景,因此自行车机器人的研究具有重大意义。平衡控制是自行车机器人中不可或缺的部分。自行车机器人是一种在自然条件下具有不稳定性和非线性的复杂系统,并且系统的稳定性受多种因素的影响,因此对自行车机器人进行平衡控制具有很大的挑战性。本文使用动量矩定理建立了一个考虑前叉角度和前进速度的自行车倒立摆模型,并且对模型进行了理想化假设和线性简化。对基于此模型的自行车机器人运动过程进行了稳定性分析。然后针对自行车机器人系统平衡控制器设计与控制性能不足的问题,使用滑模变结构控制算法、自适应控制算法和观测器法创新性地设计了基于极限学习机观测器的自适应积分终端滑模控制器,并对自行车机器人的控制系统进行了李雅普诺夫稳定性证明,并使用MATLAB仿真实验证明了新型控制器的控制效果。最后搭建了集成STM32控制芯片、电机驱动、编码器和MPU6050模块的反作用轮自行车机器人系统,同时设计了四种不同实验场景,验证了四个平衡控制器的性能。本文针对自行车机器人平衡控制的问题,在模型建立、控制器设计、稳定性分析和实验验证等方面进行了研究,最终创新性地设计了一种基于极限学习机观测器的自适应终端积分滑模控制器,通过实验证明了新型控制器优秀的控制性能。