随着世界各国环境问题的日益突出和人们对环境保护意识的持续增强，节能环保已成为产品研发和生产的重要目标。进入新世纪以来，随着机器人学和先进制造技术的飞速发展，直立式两轮自平衡机器人在新能源交通工程中的应用引发了人们极大的研究热情，其中，两轮自平衡电动车是两轮直立式机器人与新能源交通工具结合产品中最为典型的代表，给城市交通压力带来了很大的缓解。两轮自平衡电动车集成了嵌入式技术、自动控制技术和伺服驱动技术等现代前沿技术于一体的先进复杂的机电一体化系统。作为改变人类出行方式的智能交通工具，不仅可以自我实现自由平衡、定点平衡、环形绕圈、自我旋转、自驾巡航等多种基本的运动模式，而且在匹配先进的智能控制系统基础上还能够适应较复杂的外界环境。两轮自平衡电动车的关键部分是姿态检测模块，核心技术是车体的控制技术。因此本文研究的重点是两轮自平衡电动车的控制系统，在前人研究的基础上开发出新的控制系统，同时完成对关键模块的设计。以下是本论文完成的主要工作：①悬挂系统。创新性的设计了车体机械结构中的悬挂系统，为车体的减震和提高驾驶的舒适性起到了重要的作用。②数学建模。结合两轮自平衡电动车的动力学模型，运动学模型和电机及其伺服机构模型，运用欧拉-拉格朗日能量法，建立了控制系统的状态方程。③姿态检测系统。利用加速度计和陀螺仪组合成捷联惯导定姿系统，结合传感器自身的系统模型，设计出自适应扩展Kalman滤波器，使姿态检测系统能有效地滤除随机漂移和噪声干扰信号。④分层滑模控制器的设计。作为本文的核心部分，是在传统的滑模变结构控制原理基础上设计出分层滑模控制器，并在理论上对此种方法进行了论证。本文提出得分层滑模控制方法，是利用幂次函数作为趋近律，在保持传统滑模控制的优良特性的基础上有效的削弱了系统的抖振现象。通过与传统滑模控制方法在仿真实验中的对比研究，不仅验证了该控制方法的可行性，而且也验证出该方法在削弱抖振现象上的有着更加明显的效果。