滑模变结构控制出现于上个世纪中期，经历了六十余年发展，该理论已经越来越成熟。这种控制方法的优点是系统对于参数的摄动和外部干扰有着优良的鲁棒性，缺点是系统存在抖震。抖震的减小问题仍然是变结构控制理论的一大阻碍，但是通过当前的一些消抖理论只要我们能把系统的抖震控制在可以接受的范围内，那么变结构控制就能够显示出其优越性。随着基于自平衡机器人技术的产品如Segway、国产T-Robot、太空机器人等的不断涌现，可以说自平衡机器人技术实用、有研究价值。本文的研究对象是本质上不稳定的双轮自平衡机器人，和倒立摆系统一样，经过动力学分析，该系统具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定等特性。实际应用中随着环境的变化，路面平整与否以及小车载物与否都一定程度上影响了系统的结构，因此研究具有强鲁棒性的控制方法是十分迫切且必要的。本文旨在研究论证滑模变结构控制器良好鲁棒稳定性并在实时控制中验证算法。本文首先介绍了系统的硬件结构、模型参数，继而推导出系统的数学模型以及进行模型的线性化和系统的解耦。系统经过解耦分为两个独立的子系统，位移倾角系统及左右转弯系统，这里我们主要研究位移倾角系统即系统的平衡稳定是我们的主要研究任务。计算系统极点分析出小车是本质上不稳定的，但是其为既能观又能控系统，因此可以设计控制器对其控制。应用变结构控制理论进行小车的控制研究，设计出基于趋近律的滑模变结构控制器和常规滑模变结构控制器，包括常值切换控制及比例切换控制。对系统仿真，检验其抗干扰能力和系统存在参数不确定情况的控制效果。最后进行实时控制，小车得以保持平衡运转良好，验证了算法的可行性。