倒立摆系统是根据实际研究需要提出的一种模型化的系统，研究者根据对倒立摆的起摆与平衡控制研究成果应用在其它自然不稳定系统领域的控制研究。本课题考察了几种独轮车比较常见的侧平衡控制装置，针对基于质量块的侧平衡控制低效并会为系统带来波动、基于水平转子的侧平衡装置不能灵活稳定地实现系统侧平衡、垂直转子的平衡装置对电机驱动性能的高要求，并借鉴基于陀螺仪的独轮车平衡机构，提出了一种基于陀螺进动效应的稳定装置，在此基础上设计了一种基于陀螺进动效应的倒立摆系统，并进行稳定平衡能力的研究。本文的研制的基于陀螺进动效应的倒立摆系统结构上主要有陀螺外支架、陀螺内支架、陀螺转子以及底轮四部分组成。陀螺转子由盘式无刷电机驱动，陀螺内支架与陀螺转子组成陀螺体，由直流电机驱动，为陀螺转子提供进动角速度。控制系统的核心部分为基于STM32F103C8T6单片机的控制器，它直接控制电机驱动器、MPU6050传感器信息的采集以及数据通讯模块等。文中提出了一种能实现倒立摆稳定平衡的PID控制方法，它基于系统的动力学模型设计，并利用Lyapunov函数对系统进行了稳定性分析，验证了系统的稳定性与可收敛性。利用Adams与Matlab对基于陀螺进动效应的倒立摆系统进行了三种方法的PID控制仿真，分别是基于系统传递函数的Simulation仿真、基于matlab编程的仿真以及Adams与matlab的联合仿真。通过仿真实验初步验证了PID算法的可行性以及倒立摆系统的可实现稳定平衡，并获得了能实际实验中PID参数的初始值。最后应用GUI编写了一个系统参数实时监测界面，并利用观测到的参数响应曲线调试PID参数，完成倒立摆的稳定平衡实验。