轮式自平衡机器人是轮式移动机器人中重要的一类仿生系统。桌面两轮自平衡机器人不仅在体积、成本上存在优势，而且很多在大型两轮自平衡机器人上无法实现的控制策略也可以在桌面自平衡机器人上加以实验，具有广泛的应用前景。因此研究桌面两轮自平衡机器人的问题成为了研究两轮机器人技术的重要问题之一。　　 本文构建并实现了桌面自平衡机器人的物理系统，并在此系统和仿真环境下研究了桌面自平衡机器人的数学模型和平衡控制策略，取得的研究成果有：　　 第一：构建了桌面自平衡机器人物理实验平台　　 本文总结了国内外相关的两轮自平衡机器人实际物理系统，并结合小型化机器人设计的经验，构建了桌面两轮自平衡机器人物理系统。包括机械结构设计，电气结构设计以及软件结构设计。并将各个部分进行整合，构建成了一个自动控制系统。该系统具有较强的可靠性、稳定性，为一个通用的物理系统，可以验证各种控制策略。系统设计基于模块化设计，大大降低了系统的复杂度，提高了系统质量，并且系统具有较强的可扩展性，方便研究人员进行系统的二次开发。　　 第二：基于红外线传感器的姿态检测系统设计与研究　　 考虑到桌面机器人受到体积、重量、成本等方面的制约，本系统所使用的传感器为红外线传感器。同时，采用红外线传感器的优点还在于不存在零点温漂以及系统累积误差，提高了测量的准确度。测量方法采用经典的三角测量法。红外线传感器将采集到的信号传送到下位机DSP处理器中，DSP处理器将信号进行相应处理，一方面将采集到的数据转换成PWM波信号控制电机，另一方面将采集到的数据以数字量的形式传送到上位机的监测软件中。设计并实现了传输辅助电路板，用来给上位机提供准确实时的信号。在上位机监测软件中，可以对采集到的数据进行相应的处理，以便对实际得到的数据和仿真得到的数据进行对比，从而研究桌面自平衡机器人的数学模型和控制方法。　　 第三：对桌面自平衡机器人进行建模并对其进行平衡控制　　 本文针对桌面自平衡机器人，根据牛顿经典力学建立其数学模型，并对模型进行了线性化，分析其能控性，能观性。应用增量式PID控制策略对机器人进行控制。首先进行仿真实验，在得到参数后，对机器人的实际物理系统进行控制，取得良好的控制效果。同时，在PID控制算法上引入了模糊控制，设计了模糊PID控制器。实验结果表明桌面自平衡机器人的物理系统、数学建模以及相应的控制策略设计的合理性、可行性以及有效性。并且通过DSP编写的控制程序亦可实现其他控制策略，为今后的研究提供了便利。　　 本文的研究工作得到了国家“863计划”项目（编号：2007AA042226），国家自然科学基金项目（60774077），北京市教委重点项目（KZ200810005002），北京市人才强教计划项目的资助，相关研究成果已经得到国家知识产权局的专利授权证书，所写论文被控制工程正式录用。本文的研究工作对于桌面自平衡机器人的设计、小型化研究和一类有多个反馈量、非线性、自不稳定系统的运动控制问题具有一定的参考价值。