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两轮自平衡机器人作为一种特殊的倒立摆式的移动机器人，具有非完整、非线性、欠驱动和不稳定等特点，这使它能够成为验证各种控制算法的理想平台。同时它具有运动灵活、结构简单，容易控制的特点，具有广泛的应用前景。可用于交通、教育、服务机器人和玩具等领域。所以开展两轮自平衡机器人方面的研究工作对提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论与现实的意义。 两轮自平衡机器人的本体结构对自平衡及运动控制有着重要的影响，通过分析两轮自平衡机器人的运动规律，建立了机器人的运动学模型，得到了机器人动能、势能的数学模型，并根据拉格朗日法建立了机器人的动力学模型，为机器人结构和控制策略的设计提供了理论依据。 为了确定机器人的平衡的运动姿态，设计了多惯性传感器三轴姿态检测系统来测量机器人的三个轴向的偏转角度与角速度。针对机器人不同位姿状态的动态特性和非线性程度，在考虑了姿态检测系统的误差的基础上，通过对低成本的惯性传感器的误差补偿，提出了利用Unscented卡尔曼滤波(UKF)算法设计了基于四元数的姿态估计器，得到了机器人姿态的最优估计，提高了机器人控制的精度，实现了机器人的平衡姿态控制与局部导航定位。 两轮自平衡机器人所有的运动控制方式都以平衡控制为前提。平衡控制是两轮自平衡机器人运动的关键。本文在机器人动力学模型的基础上，设计了线性二次型最优跟踪控制器(LQR)和基于T-S模糊模型的机器人自平衡控制器，分别来实现两轮自平衡机器人的平衡控制。本文还对两轮自平衡机器人的动态平衡和稳定鲁棒性和性能鲁棒性进行了研究。通过仿真实验与实验验证，这两种方法对于两轮自平衡机器人的平衡控制自平衡、抗干扰和调整时间上的都是有效可行的，并探讨了不同负载对于平衡控制的影响。 两轮自平衡机器人在平衡控制的基础上，又对机器人的轨迹跟踪控制进行了研究。提出了预测控制的轨迹跟踪控制方法，对非完整轮式移动机器人的轨迹跟踪问题进行了研究。预测控制在系统模型的基础上采用先预测后控制，滚动优化，反馈校正的方式进行控制，对位姿误差与轨迹误差进行估计，实现了对预定轨迹的准确跟踪。文中还对两轮自平衡机器人在坡面运动的情况进行了探索性研究。 本文对两轮自平衡机器人的控制进行了实验。首先叙述了自行研制的两轮自平衡机器人样机。在样机上验证了机器人的运动功能，本文分别进行了自平衡控制、变负载平衡控制实验、坡面运动控制实验和轨迹跟踪的实验。实验结果表明，所提出的平衡控制方法与轨迹跟踪控制策略的正确可行的。同时验证了两轮自平衡机器人样机的设计在结构上是合理的，能够满足机器人实时地动态控制要求。