两轮自平衡机器人是一个多变量、非线性、高阶次、强耦合、本质不稳定的运动控制系统，它是检验各种控制理论和控制方法的典型装置。同时两轮机器人具有结构简单、运行稳定、能量利用率高、环境适应性强等优点，无论是在军事领域还是在民用领域都得到了广泛的应用。因此，对其研究具有很高的理论和实践意义。首先，对机器人中的传感器单元、控制单元和驱动单元中的各个元器件进行了研究，包括陀螺仪、倾角仪、数字信号处理器、驱动电机等。其次，应用两种方法对两轮自平衡机器人进行数学建模：一是基于牛顿力学方程建立系统的数学模型；二是基于拉格朗日方程建立系统的数学模型。应用平衡点附近近似化原理对机器人非线性数学模型进行了线性化。对系统的能控性、能观性和稳定性进行分析。然后，本文设计了一个LQR控制器，选取了最优的Q、R阵，并且搭建了LQR控制系统的仿真模型，首先进行了MATLAB仿真，取得了比较理想的控制效果，然后将该方法应用到两轮自平衡机器人的实时控制实验中，机器人能较好的实现自平衡，取得了比较好的控制效果。最后，鉴于LQR控制方法过于依赖精确的数学模型，本文提出了另一种方法：双闭环PID控制方法。设计了位置-角度双闭环控制系统，进而搭建模型进行仿真实验，确定其中的控制参数，得到理想的仿真结果。为了更好的验证此控制方法的可行性，把该控制方法应用到机器人中进行实时控制实验，实验时机器人能够很好的实现自平衡。结果表明该方法不但可以精确稳定的对机器人进行控制，而且相比于LQR控制方法具有更加良好的控制效果，具有很高的理论和应用价值。