近年来,移动机器人技术的不断发展,其应用前景广阔,已经成为了机器人研究领域重要的组成部分。两轮自平衡车作为一种特殊的轮式移动机器人,其结构式两轮共轴、独立驱动、重心位于整个车体的上方部分,通过控制两个轮子的正反转运动达到平衡的目的。因此两轮自平衡车对控制方法要求较高,也成为了检验各种算法控制效果的实验平台。两轮自平衡车是一个高度不稳定,欠驱动、强耦合的非线性系统,其动力学方程也是一个多变量、参数不确定的非线性高阶方程。由于其结构的特殊性,在受到外部扰动时需用在短时间内达到平衡状态,否则车身会有进一步倾倒的风险。而作为结构特殊的移动机器人在运动过程中,不仅需保持姿态的稳定,同样也需要在短时间内到达设定的目标位置。因此控制系统中,针对短时间这个要求,提出了稳定时间这个重要的性能指标,它表示了系统收敛到所需状态的速度快慢。与渐近稳定相比较,有限时间稳定可以保证系统的稳定时间是有边界的。对于两轮自平衡车的姿态平衡和动态位置控制,稳定时间即收敛速度都可以作为评价系统控制性能的指标,所以基于有限时间稳定理论的两轮自平衡车控制研究具有重要的意义。本文基于有限时间稳定理论,对两轮自平衡车的姿态平衡控制和动态位置控制展开了较为深入地研究,其主要研究内容概括如下:第一,本文研究了两轮自平衡车的平衡原理,利用动力学方法分析了两轮自平衡车的物理学方程并得到其数学模型。接着融合加速度计和陀螺仪两个惯性传感器数据,通过卡尔曼滤波器得到较为精确的角度和角速度信号。最后通过以上数学模型和数据信息,设计了最优控制器（LQR）实现了两轮自平衡车的姿态平衡控制,且通过仿真实验验证了其有效性。第二,两轮自平衡车运动过程中可能存在未知的扰动,以及在上述的建模过程中采用了近似化的处理,针对这两个问题,采用了自抗扰控制技术（Active Disturbance Rejection Control）扩展两轮自平衡车的状态变量去估计这两个部分,并在控制器通过补偿量对系统进行补偿达到系统稳定的状态。为了加快对扩展状态量的估计,本文基于有限时间控制理论改进了ADRC控制器中最为核心的扩张状态观测器（ESO）,提出并设计了有限时间状态观测器（FTESO）,结合设计的LQR控制器实现两轮自平衡车的平衡控制,并通过理论证明和相关实验验证了其有效性。第三,两轮自平衡车作为特殊的移动机器人,同样也可以成为编队控制中的载体。因此本文研究了两轮自平衡车的视觉编队控制问题,而位置信息的获取和控制器的设计是最为关键的两个问题。本文通过摄像头模块检测April Tag标签获取两轮自平衡车相对于外界环境或者其他移动机器人之间的相对位置信息。为了两轮自平衡车可以在较快时间内达到目标位置并形成期望队形,本文采用了滑模控制作为编队控制器,在设计滑模面时基于有限时间稳定性理论设计了双幂次趋近律,使得两轮自平衡车在编队控制中可以在有限时间内达到稳定状态。本文所提出的视觉编队控制方法通过理论证明和相关实验验证了其有效性和可靠性。最后,总结了本文的主要工作以及工作中出现的一些问题,并对今后的工作进了展望。