轮式倒立摆是一类欠驱动结构,它被广泛地应用在自主移动机器人和智能小型交通工具上,其动力学模型具有不稳定、多变量、强耦合、非线性等特点,是检验控制方法有效性的重要平台。由于其结构简单、体积小,可以在狭小、危险以及人无法到达的环境运动,因此基于轮式倒立摆的移动机器人在民用、工业、军事、航天航空中都有广泛的应用前景。本文研究了轮式倒立摆的结构,在非完整约束情况下建立其在平坦地面上运动时的动力学模型,并实现轮式倒立摆的平衡点控制和速度控制。在此基础上,提出一种基于轮式倒立摆的新型座椅自平衡两轮机器人,它本质上是一类两轮自平衡移动机器人。它的下体部分是由两个同轴、左右平行分布的车轮的传统轮式倒立摆构成；上体由直线电机驱动的可移动座椅组成。主体结构类似于轮式倒立摆系统,但它优于轮式倒立摆系统,具有更多的运动自由度。车体的重心在两个车轮的上方,通过可移动座椅运动实现自平衡。该移动机器人作为个人交通工具,具有体积小、质量轻、结构简单、能够与其他座椅自平衡两轮机器人共用一个车道或车位、低排放等特点,特别适合狭小空间的运载操作。与已有的基于轮式倒立摆的个人交通工具等相比,座椅自平衡两轮机器人增加的可移动座椅,解决了驾驶者在行驶过程中的疲劳问题。本文在分析新型座椅自平衡两轮机器人的发展和特点的基础上,根据该机器人的机械结构,计算得到机器人各部分的动能、势能和耗散能,再采用拉格朗日运动方程的方法建立了座椅自平衡两轮机器人在平坦路面和不平坦路面上运动的二维动力学模型,进一步得到了其在平坦地面上运动的三维动力学模型。在这些模型的基础上,计算得到该机器人在运动过程中的平衡点,通过设计LQR控制器和滑模控制器,实现了其在直线运动和拐弯运动时的速度控制。为了改进速度控制的性能,进一步提出了一种改进的滑模控制方法,使座椅自平衡两轮机器人在速度控制过程中收敛到期望值的速度更快。为了验证理论分析,本文分别在MATLAB和动态物理引擎ODE仿真环境中实现了轮式倒立摆和座椅自平衡两轮机器人的控制。ODE是一个典型的三维多物体动态仿真引擎,它通过在虚拟环境中搭建实物结构来仿真物体运动,模拟空间物体之间的动态关系,反映物体的动态特性,提供三维动态虚拟环境。通过两个仿真结果的比较,一定程度上证明了该动力学模型的正确性,仿真结果验证了所提控制器控制器的有效性。