自平衡车结构简单、控制灵活,能够适应多种复杂场合,其相关应用已经在安保、民用代步工具等领域投入使用。对自平衡车的设计和研究,其相关理论算法和设计思路能够为自平衡车应用提供新的设计方案,具有广阔的应用前景。本文首先对自平衡车进行数学建模。建立自平衡车瞬时力学平衡方程,对控制电机进行线性化处理,建立自平衡车状态空间模型。通过MATLAB验证了该模型的可观性和能控性。然后从自平衡车的功能角度,对其硬件系统进行设计,对关键模块进行选型和计算,确保设计的合理性和科学性。算法设计是本文的重点。本文通过Kalman滤波算法对陀螺仪和加速度计信号进行滤波融合,使自平衡车姿态信息更加准确。同时针对自平衡车系统的不稳定性,设计了LQR控制器,并用Simulink进行仿真,仿真结果表明该算法对自平衡车的姿态具有很好的控制效果。最后,搭建自平衡车控制平台,对自平衡车进行调试,调试结果表明该设计能够很好地实现自平衡车的各项功能。