两轮式倒立自平衡机器人具有体积小、结构简单、运动灵活、运动回转半径小等特点,在服务类机器人、小球类运动机器人的研发中作为移动载体具有着无可比拟优势。近些年来,视觉跟踪技术发展迅速,在移动机器人的研究中成为一个重要分支。将两轮倒立自平衡车的控制技术与视觉导航技术相结合,将很大程度地扩展自平衡机器人的自主能力。本文旨在探讨两轮自平衡机器人三维运动建模、控制算法设计、视觉引导以及硬件等相关问题,为进一步研究具有服务功能和小球类运动机器人打下先期基础。首先,基于拉格朗日法对自平衡机器人进行了动力学分析,建立了自平衡机器人的三维动力学方程,为后续控制算法研究提供了较为全面的基础动力学模型。然后,在得到动力学模型的基础上,研究针对自平衡机器人保持直立稳定,在以李雅普诺夫稳定分析为基础,分别讨论了以已知模型条件下和未知模型自适应条件下的Backstepping控制器设计;在控制自平衡的基础上,又讨论基于PD的转向控制和基于PI的速度控制的算法实现;对相应控制器进行仿真,验证控制器算法的正确性与有效性。然后,本文讨论了基于颜色特征的目标识别方法,利用HSV颜色空间的色度单通道图像,建立目标区域的颜色直方图,并利用反向投影算法得到目标主体颜色概率分布的灰度图像,从而实现目标与背景的分割;利用Meanshift搜索算法对跟踪目标进行定位,确定目标中心;采用Camshift目标跟踪算法实现根据每帧图像确定的目标位置设为下一帧图像Meanshift搜索的起始点,实现连续目标图像的识别;根据摄像机小孔模型,估计跟踪目标的位置;利用点镇定法调整小车运动轨迹实现目标的跟踪。最后,根据两轮自平衡机器人的应用需求,以STM32F103为核心构建了控制系统的硬件平台。运动驱动模块实现电机的驱动;电子陀螺仪模块实现对车体姿态的检测;无线通讯模块实现设备间数据的传输;摄像头模块实现目标图像跟踪。通过调试,基本实现了基础的运动控制功能。