近年来,随着城市建设迅速发展,城市的交通拥堵和汽车尾气污染等问题日渐严重。自平衡两轮车由可充电蓄电池供电,行驶过程中没有污染物排放,渐渐受到了科研人员的重视；作为轮式机器人的一种,该车体积小巧,结构简单,通过控制算法自身保持平衡,可以在狭窄的空间内灵活运行,操控性强,在民用军用领域具有广阔的应用前景。同时,尽管国内外学者针对自平衡两轮车的数学建模、控制算法以及机械结构设计展开了深入的研究,并取得了一定的成果(PID控制、模糊控制、滑模变结构控制以及神经网络控制等控制算法均在自平衡两轮车实验平台上得到了有效性验证),但是诸如“直行与转弯复合控制”问题一直未见报道,而其是整车运动控制的关键所在。本文建立了基于拉格朗日方程的自平衡两轮车数学模型,并对其进行了MATLAB/Simulink仿真验证。在线性化数学模型基础之上,推导出了直线运行与转向运行时的系统动态结构图。其直线运行系统动态结构图与一阶直线倒立摆具有相似性,因此其直行控制算法可以参考倒立摆的双闭环控制策略来进行设计。在数学模型基础上对自平衡两轮车系统进行了能观性与能控性分析,设计了自平衡两轮车直线运行时的双闭环PID控制器,倾角环作为内环采用PD控制,速度环作为外环采用PI控制,在MATLAB/Simulink环境下对内外环控制器的有效性与鲁棒性进行了验证。本文提出了二种“分别独立设计直行与转向控制器”的方法,避开系统所存在的“耦合问题”与复杂的解耦算法,以实现系统的有效控制；同时,分析了系统的对称耦合特性,根据转向运行系统动态结构图设计了自平衡两轮车转向环控制器,其采用PI控制方案。在实现自平衡两轮车的二维平面运动控制中,基于系统耦合特性设计了自平衡两轮车直行与转向复合控制系统,对复合控制器的进行了MATLAB/Simulink仿真验证,仿真实验结果证明了方案的有效性。