两轮自平衡机器人是一种基于倒立摆模型的复杂非线性系统,是验证各类控制算法的良好实验平台。两轮自平衡机器人具有体积小、结构紧凑、机动能力强的特点,在狭小环境中具有出色的表现。作为一种方便、环保的交通工具,在步行街等场合有着广泛的应用前景。本文以两轮自平衡机器人为研究对象,以实现机器人的运动控制为目标,对运动控制中的如下问题进行了研究：1.分析惯性传感器陀螺仪和加速度计的动、静态特性,建立各自的误差模型。根据惯性传感器的特性,结合卡尔曼滤波理论,实现多惯性传感器信息融合,最终实现机器人的姿态解算。2.应用牛顿力学方法建立两轮自平衡机器人的数学模型,并分析了机器人的运动特点。结合机器人机械结构及数学模型将机器人的运动控制分为姿态控制、速度控制和方向控制三项控制任务。3.根据两轮自平衡机器人的数学模型,分析机器人三项控制任务之间的耦合关系和动态实现过程。应用拉开三项控制任务工作频率的方法,实现三项控制任务之间的相对独立。针对机器人实际运行中可能存在的异常状态,对常规PI[)控制器予以改进。提出一种“快计算,慢输出”的速度控制方法,更好的实现了两轮自平衡机器人的运动控制。提出一种双速度环速度控制算法,实现了机器人速度控制和方向控制在车轮层面上的闭环控制。4.利用自行设计的两轮自平衡机器人硬件平台设计实验,验证了上述姿态解算、运动控制方法的有效性和可行性。考虑机器人实际运行的客观需要介绍了两轮自平衡机器人的安全保护策略。理论分析与实验结果表明,本文研究的姿态解算方法及运动控制策略是有效的。限于实验平台等因素,虽然与实际的载人代步工具相比在运行速度、安全保护等方面还存在着一定的差距,但也为机器人的运动控制工程研究提供了参考。