仿人机器人是机器人领域中的一个热门的研究方向。解决仿人机器人的前进问题是仿人机器人领域中的一个重要课题。轮式机器人具有机动性高,并且在狭小空间内灵活的运动的能力。因此轮式机器人是解决仿人机器人前进问题的一个很好的解决方案。双轮自平衡机器人是一个非线性的欠驱动系统,如何实现对双轮自平衡机器人的轨迹跟踪控制一直以来都是该研究方向的重点和难点。本文主要以双轮自平衡机器人作为研究对象,设计双轮自平衡机器人实验样机,研究双轮自平衡机器人的轨迹跟踪控制。实验平台是实验研究的基础,其搭建是否合理,直接影响了后期所设计的控制方法能否很好的执行。本文分别从机械系统和硬件系统两方面阐述了双轮自平衡机器人的设计过程。机器人采用双轮中心共线布置,整体结构设计较为紧凑,有利于后续模型构建。硬件控制系统中,选择微控制器和传感器等关键元件,并设计了硬件系统部分控制电路。采用牛顿欧拉方法建立了双轮自平衡机器人动力学模型,并运用最小二乘参数辨识方法获取相关动力学参数。最后,完成带约束的轨迹规划,为后续的控制仿真与实验提供合理的期望轨迹。由于所建立的动力学模型存在耦合,故将双轮自平衡机器人解耦为前行系统和转向系统,分别设计控制器。双轮自平衡机器人需要快速准确地跟踪期望速度或位置指令,由于滑模控制具有较强的鲁棒性,前向系统分别采用基于LQR的滑模控制和终端滑模控制进行设计。转向系统因本身为线性定常系统,故采用模型预测控制设计控制器。根据控制器的理论推导,在MATLAB中完成仿真。首先,分析LQR滑模控制器和终端滑模控制器对前向速度的跟踪能力。其次,分析模型预测控制器对转向速度的跟踪能力,最后跟踪规划的期望轨迹,分析所设计的控制器是否合理。在实验平台上,分别进行前向速度跟踪实验、转向速度跟踪实验和所规划期望轨迹的轨迹跟踪实验,验证设计的控制器能否到达预期控制的效果。