两轮自平衡机器人是一种结构简单的轮式移动机器人,类似于倒立摆,由车身与两个独立驱动的车轮组成。它具有体积小、运行灵活等特点,可以实现原地转向及一些复杂路径的跟踪运行。鉴于两轮自平衡机器人具有以上的优点,所以在军用和民用领域都有广泛的应用前景。自平衡机器人已经成为移动机器人研究上的一个新热点。本文在介绍分析了国内外研究现状的基础上,利用牛顿力学定律建立了两轮自平衡机器人的非线性数学模型。对自平衡机器人的运行轨迹进行了运动学分析,对机器人运行时的参数耦合关系进行了分析。在此基础上确定了自平衡机器人的控制系统结构,并对系统的非线性模型进行了线性化。利用极点配置方法分别设计了系统的线速度控制器和角速度控制器,并利用MTLAB进行了仿真分析。滑模变结构控制方法具有鲁棒性好的优点,很适合用于自平衡机器人的控制。因此,本文重点研究了利用变结构控制方法设计自平衡机器人的平衡线速度控制器。分别利用极点配置和二次型最优控制方法设计了滑模控制器,使用MATLAB对机器人平衡控制和爬坡运行状况进行了仿真分析。针对滑模变结构控制产生的抖振现象,使用了基于等效控制的模糊滑模变结构控制方法,改进了滑模控制器,减小了系统的抖振。在此基础上对系统在不平坦路面上行驶的状态与在系统参数摄动情况下的平衡控制进行了仿真分析。通过仿真与实验分析,验证了极点配置法与滑模变结构控制方法都有很好的控制效果,但滑模变结构控制方法的鲁棒性更强。