两轮自平衡小车是一种特殊轮式移动机器人,其动力学系统具有多变量、非线性、强耦合、参数不确定等特性,其运动环境复杂且运动学方程受到非完整约束,其控制任务复杂,在完成平衡控制的同时完成路径规划、路径跟踪等任务,因此,自平衡小车是学习和研究各种控制方法的理想平台。变结构控制器控制系统时,能够使系统具有很好的鲁棒性,但是控制范围小,也会不可避免地产生抖振。因此,本文重点研究自平衡小车非线性模型的反馈线性化方法对控制范围的影响,并在此基础上设计大范围、强鲁棒、小抖振的变结构控制器。具体为：第一,根据反馈线性化控制理论,运用微分几何方法中的李导数,发现并证明了小车非线性系统模型不可以精确反馈线性化,据此采用局部反馈线性化方法实现系统的线性化。对平衡点附近级数展开近似线性化模型和局部反馈线性化模型设计线性状态反馈控制器,用它们控制原始非线性系统并进行各方面的仿真比较。仿真结果表明局部反馈线性化模型更加逼近于原始的非线性系统模型,而且据此所设计的控制器控制效果更好。第二,基于反馈线性化模型设计变结构控制器。具体做法是根据趋近律设计出常规的变结构控制器,在增强系统抑制抖振能力的目的下改进控制器,并提出了动态滑模变结构控制的设计方法以获得大范围、小抖振的控制效果。第三,对几种控制方法做了多方面的仿真比较研究,主要集中在小车可控初始倾角范围,系统抗外部扰动能力以及抑制抖振能力等方面,仿真结果显示变结构控制器控制系统时,可以使系统获得很强的鲁棒性；动态滑模变结构控制器较常规滑模变结构控制器在对小车可控制的倾角范围和抑制抖振的能力上明显占优,但系统的抗外干扰能力稍弱。最后,参与设计调试了小车的硬软件系统,实现了小车的自平衡行为。