近年來輪型機器人的發展研究受到高度重視，除了應用於日常生活外，由於許多輪型機器人為非線性系統或甚至是不穩定的系統，故常被用來驗證各式非線性控制理論的效能，是非常適合學術研究和教學實驗用途的機電系統。本論文旨在設計並實現一單輪車系統，並使其能穩定平衡。論文中吾人以Euler-Lagrange法推導其完整的三維空間動態數學模型，再針對此數學模型進行系統模擬以及設計回授線性化搭配LQR控制器與非線性順滑模態控制器，論文中吾人以慣性量測元件來偵測系統姿態，並輔以互補濾波器以得到較佳之回授訊號，且採用類比多工器擷取多組訊號，最後以數位訊號處理器(TMS320F2812)實現平衡控制器以及互補濾波器並使系統穩定平衡。