自平衡机器人是一个典型的非线性、强耦合的被控对象,对其控制系统的设计与分析,可以拓展到如飞行器、机器人等相关的非线性控制领域,故有着极为巨大的研究价值。本文从自平衡机器人的控制器性能角度出发,首先对其整体硬件系统进行了选择与分析,其中包括了以DSP2812为核心的主控系统,基于数据融合方法的陀螺仪与角加速度计的姿态测量系统,电机伺服控制系统,以及电源模块。而后通过建立非线性数学模型的方法,进而确定自平衡机器人的运动特性。其中,使用拉格朗日方法分别建立了两种等价的,分别适用于非线性仿真与控制器设计的两种非线性模型,并对其线性化方法进行了一个有益的探讨,最终结合仿真结果进行说明。在其控制系统的设计中,使用了基于模型的开发方法,即控制系统中的基于V模式的开发方法,使理论与实际达到完美的统一。自平衡机器人的品质特性至关重要,但由于自平衡机器人本身没有固定的结构形式,故对于不同结构类型的机器人而言其姿态感知系统,以及伺服控制系统各不相同。如：对许多小型的自平衡机器人而言,由于其自身质量小,质心低,故可以省去数据融合算法以及伺服控制部分。但对于本自平衡机器人而言,姿态感知融合部分,以及伺服控制部分是不可或缺的。因此,在此自平衡机器人系统中,加入了Kalman传感器数据融合算法,以及基于电机安全性考虑的双电机同步控制研究,最终通过仿真与实物验证加以说明。自平衡机器人属于动平衡系统,其本质也是一个自然不稳定系统,故对其鲁棒性进行分析有着极为重要的价值。在自平衡机器人最终的控制系统中,使用了基于鲁棒H∞的状态反馈控制器,并对H∞状态反馈控制器的设计方法进行了证明,最终使用了线性矩阵不等式(LMI)方法来求解最终的控制器。并通过与其他算法的仿真对比,以及实物验证进而说明了其在鲁棒性上的优势。