本論文旨在設計以控制力矩陀螺為致動器之二維倒單擺系統，與其他種類的致動器相比，控制力矩陀螺擁有較小的體積卻可產生較大之力矩，有助於減少機構的體積。系統先以Euler-Lagrange的方法建立動態數學模型，接著使用物理建模軟體MapleSim建構系統模型，並加入所設計的平衡控制器進行電腦模擬，評估控制系統的可行性，系統姿態的部分，使用以陀螺儀、加速規及磁力計組成的慣性測量單元，經由感測器融合的技術配合姿態演算法，得到系統相對於大地座標的三軸姿態角，在實作上，本系統以數位訊號處理器TMS320F2812做為控制核心並使用C語言撰寫卡門濾波器、平衡控制器等演算法，並配合周邊電路，進而完成二維倒單擺的平衡控制。