平衡小车car资源包：STM32+MPU6050三环PID完整工程解析

简介：平衡小车自主直立与运动控制学习资料包，面向自动控制初学者、嵌入式开发人员及科创竞赛爱好者，可用于研究双轮自平衡系统的姿态解算、多传感器数据融合与闭环控制。压缩包内共1420个文件，其中C源码439个、头文件379个，文本说明121个，另有工程配置、链接脚本、汇编启动代码、编译中间文件及少量文档图片，总体积36.17MB，目录结构清晰，便于按功能模块对照阅读。目前已有1746人学习下载。资料覆盖从底层传感器驱动到上层控制算法的完整链路，涉及陀螺仪与加速度计数据读取、滤波处理、PID参数整定、电机驱动等关键环节；同时提供完整工程与编译配置，可帮助读者复现项目，理解状态观测器在平衡控制中的实际用法，并为移植到其他主控平台提供改造基础。对于准备课程设计或智能车竞赛的读者，可从这份资源快速搭建实验环境，结合源码梳理硬件连接与控制逻辑，缩短从理论到真机调试的距离。

1. 平衡小车car资源包：一套能立住、能跑通、能改的完整工程

把平衡小车从手里放下来的那一刻，是最容易怀疑人生的：它要么朝一个方向冲出去撞墙，要么原地高频抖动，要么干脆躺平。这个项目真正的难点不在接线，而在让三个PID环同时工作还不互相打架。这份资源包是一套完整的平衡小车car工程，STM32主控、MPU6050姿态传感器、带编码器的直流减速电机、蓝牙遥控和OLED显示全串在一条链路里，从硬件接线到控制算法都给你铺好了。它适合正在做课设、被直立环调参折磨的学生，也适合想用最短路径摸一遍惯导与闭环控制完整链路的一线开发。按工程里的接线和参数配置，照着烧录、照着调，车就能自己立住。下面从硬件选型讲到踩坑记录，最后给几条改造方向。

2. 硬件与架构：从传感器选型到三环控制回路的信号流

2.1 硬件分层：传感器层、执行层与控制层怎么分工

拆这套资源的第一步是先把硬件链路画清楚。平衡车和普通小车最大的区别是它没有静态平衡点，车身一倾斜就必须靠电机反向补偿，所以整个硬件其实就是围绕“测倾角—算补偿—输出力矩”这条闭环来搭的。常见做法是分三层：传感器层负责感知姿态，控制层负责运算，执行层负责输出力矩。

传感器层用MPU6050六轴惯性传感器，I2C接口挂到主控总线上，输出三轴加速度和三轴角速度。加速度计用来算静态倾角，陀螺仪用来获得瞬时角速度，两者互补，正好为后面的姿态解算提供原始数据。需要注意MPU6050的供电是3.3V，和主控电平一致，接线时SCL、SDA别接反，否则读回的全是乱码。

控制层是主流的STM32F103系列，Cortex-M3内核，72MHz主频，定时器资源多，生成多路PWM很方便，这对双电机差速控制来说属于刚需资源。资源包里主控的PA口和PB口管脚分配都写在头文件里，换芯片时主要改引脚映射和定时器通道。执行层是带霍尔编码器的直流减速电机，减速比常见1:30，配合TB6612双路电机驱动，输出PWM同时控制方向和占空比。

电源部分在平衡车里最容易被忽略。2S锂电池7.4V供电，经过降压模块分别给主控和传感器供电。编码器虽然只消耗小电流，但供电纹波大会导致测速跳变，一般会在编码器电源脚并一个10uF陶瓷电容，低成本但很有效。

2.2 软件架构：中断时基与控制周期的分配

硬件确定后，代码层面的核心问题是节奏：控制算法多久跑一次，传感器多久读一次，PWM多久更新一次。这套工程的软件结构是典型的前后台架构，一个定时器中断提供时基，主循环里跑控制任务。

控制周期直接决定平衡效果。常见做法是直立环跑1ms，速度环和转向环跑5ms，也就是主循环里用一个计数器分频，累加到5次才执行一次速度环。这里的依据是：直立环需要高刷新率来抑制倾角变化，而速度环反馈的是电机转速，本身有编码器采样延迟，没必要跑那么快，跑太快反而容易引入噪声。

定时器中断里只做一件事：置一个标志位并累加时基计数。真正的姿态读取、PID计算、PWM输出全部放在主循环里。这样设计的好处是控制任务的耗时不会阻塞中断，中断只负责节奏，不会因为传感器I2C读取出问题而丢时基。如果某个I2C读操作卡住，最多是主循环卡住，定时器中断仍能维持系统心跳。

2.3 信号流向：从角速度到PWM的完整链路

把整个信号流从传感器一路捋到电机，就能看到完整闭环了。MPU6050输出原始加速度和角速度，经过互补滤波得到车身倾角；倾角进入直立PD环算出补偿力矩；编码器测出的轮速进入速度PI环，输出一个角度修正量叠加到目标倾角上；转向环根据你的遥控目标或角度偏差给出差速量。最终左右电机的PWM就是这三路输出的组合。

这条链路上最容易翻车的是方向约定。加速度计的正方向、陀螺仪角速度的正方向、电机正转时编码器的计数方向、PWM输出极性，这四者必须一致。资源包的头文件里有角度方向和电机方向的宏定义，调参前先确认这些定义和你的实际接线一致，否则后面全是白调。太多人花一晚上调PID，结果发现是陀螺仪符号写反了，这种玄学问题往往都在方向约定上。

3. 核心代码拆解：姿态解算与三环PID的实现细节

3.1 姿态解算：互补滤波融合加速度计与陀螺仪

平衡车的第一公里是拿到一个可信的车身倾角。陀螺仪短时间积分准确，但长时间会漂移；加速度计长时间稳定，但瞬时值充满振动噪声。这套资源用的是互补滤波，把两者按比例融合。核心代码很简洁：

#define DT 0.001f // 控制周期 1ms #define ACC_WEIGHT 0.98f // 陀螺仪权重 float angle_balance = 0.0f; // 融合后的车身倾角 float gyro_y = 0.0f; // 俯仰角速度 void Get_Angle(void) { int16_t acc_x, acc_y, acc_z; float acc_angle; MPU6050_Read_Raw(&acc_x, &acc_y, &acc_z); // I2C读取原始数据 acc_angle = atan2f((float)acc_y, (float)acc_z) * 57.2958f; gyro_y = (float)gyro_raw / 16.4f; // ±2000°/s量程灵敏度 angle_balance = ACC_WEIGHT * (angle_balance + gyro_y * DT) + (1.0f - ACC_WEIGHT) * acc_angle; }

这段代码的逻辑是：先用加速度计的Y轴和Z轴分量通过atan2算出倾角，atan2的好处是能覆盖±180度且不需要额外判断象限。陀螺仪原始值除以16.4是因为量程±2000°/s时，16.4是每LBS对应的角速度值。融合公式里，(angle_balance + gyro_y * DT)是陀螺仪积分的结果，短时间可信；acc_angle是加速度计的瞬时观测，用来长期校正积分漂移。0.98和0.02的比例决定了信任程度，如果车身振动大，就把0.98调小一点，让滤波更平滑，换取响应变慢。

3.2 三环PID：直立环、速度环、转向环怎么合成

姿态有了，接下来是控制。平衡车和四轴不一样，它没有独立的姿态环，而是把直立、速度、转向三个环的输出叠加成最终PWM。直立环是核心，本质是一个PD控制器，比例项把倾角拉回零，微分项阻尼掉振荡：

float Kp_balance = 150.0f; // 直立环比例 float Kd_balance = 1.8f; // 直立环微分 int16_t Balance_PID(float angle, float gyro) { return (int16_t)(Kp_balance * angle + Kd_balance * gyro); }

注意这里的微分项直接用了陀螺仪输出，而不是对角度做差分。两者效果近似，但陀螺仪本身就是角速度，信噪比远高于角度差分，而且不存在差分运算放大高频噪声的问题。Kp调到多少合适，取决于车身重量分布和电机力矩，资源包给的150只是一个起点，换电池、换底盘后必须重调。

速度环用来防止小车往一个方向慢慢溜走。它把编码器的轮速积分成位移，输出一个角度修正值，加到直立环的目标倾角上：

float speed_target = 0.0f; // 目标速度，遥控时改成非零值 float speed_integral = 0.0f; float Kp_speed = 20.0f; float Ki_speed = 0.5f; int16_t Speed_PID(int16_t speed_now) { int16_t error = (int16_t)(speed_target - speed_now); speed_integral += error; speed_integral = clamp(speed_integral, -500, 500); // 限幅防积分饱和 return (int16_t)(Kp_speed * error + Ki_speed * speed_integral); }

速度环的输出不是直接怼到电机上，而是作为直立环的目标角。这句是整个平衡车代码的精髓：车想要往前走，不是直接给电机正转，而是让车身往前倾斜一点点，靠直立环去追这个倾斜角，车自然就往前走。速度环的目标speed_target在静止平衡时是0，做遥控功能时把串口收到的速度值填进来就能控制前后移动。

转向环则简单得多，一个P控制器，输出左右差速：

float Kp_turn = 3.0f; int16_t Turn_PID(int16_t turn_target) { return (int16_t)(Kp_turn * turn_target); }

最终合成逻辑是：左电机PWM等于直立环输出减去速度环输出加上转向环输出，右电机PWM等于直立环输出减去速度环输出再减去转向环输出。减号的意义是差速转向，转向环为正时左快右慢，车身右转。三个环的方向如果有一个反了，整套控制就全乱，这也是后面避坑章节里最常见的翻车点。

3.3 PWM输出与电机换向

PID算出的输出是带符号的整型，正负代表方向，数值代表占空比。驱动芯片TB6612需要方向信号和PWM信号配合输出。资源包里封装了一个电机设置函数：

#define PWM_MAX 7200 // 定时器ARR值，对应约16kHz PWM频率 void Motor_Set(int16_t pwm_left, int16_t pwm_right) { uint8_t left_dir = pwm_left > 0 ? 1 : 0; uint8_t right_dir = pwm_right > 0 ? 1 : 0; HAL_GPIO_WritePin(AIN1_GPIO_Port, AIN1_Pin, left_dir); HAL_GPIO_WritePin(AIN2_GPIO_Port, AIN2_Pin, !left_dir); HAL_GPIO_WritePin(BIN1_GPIO_Port, BIN1_Pin, right_dir); HAL_GPIO_WritePin(BIN2_GPIO_Port, BIN2_Pin, !right_dir); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, abs(pwm_left)); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, abs(pwm_right)); }

AIN1与AIN2的逻辑组合决定电机转向，PWM比较值决定速度。这里有一个隐藏细节：PID输出不允许出现负的PWM比较值，所以必须先取绝对值再写进定时器，否则会写成一个很大的数导致电机全速猛转。PWM_MAX取7200是因为定时器ARR设成7200，配合72MHz主频得到约16kHz开关频率，这已经超出人耳可听范围。如果频率设成几百赫兹，电机就会发出刺耳的尖叫声，那基本是PWM频率配置错了。

PWM频率、定时器分频、ARR值这三个参数都集中在定时器初始化里，改的时候注意三处联动：ARR值、分频系数和Motor_Set里的PWM_MAX宏。三处不一致，输出就会莫名其妙地成比例缩放。

4. 运行与调参：从工程烧录到小车直立的完整路径

4.1 工程目录结构：这套代码的文件组织方式

拿到资源解压后，是一个完整的Keil工程目录。典型的平衡车工程会把驱动外设的代码和业务逻辑分开，目录一般长这样：

Car/ ├── USER/ # main.c + 中断入口文件 ├── HARDWARE/ # mpu6050.c / motor.c / oled.c / bluetooth.c ├── SYSTEM/ # 延时与串口驱动 ├── CORE/ # 启动文件与内核寄存器定义 ├── bsp/ # 定时器与GPIO初始化 └── OBJ/ # 编译输出，烧录hex在这里

main.c里只做三件事：初始化外设、开定时器中断、进主循环调用控制任务。所有硬件驱动都放在HARDWARE目录下，每个模块一个.c和一个.h，接口尽量简单，比如MPU6050模块只暴露Get_Angle和Get_Gyro两个函数，电机模块只暴露Motor_Set。这样改代码时不需要在main.c里翻来翻去。

4.2 编译烧录：从Keil到ST-Link的完整操作

烧录用的是ST-Link的SWD四线接口：SWDIO、SWCLK、GND、3.3V。接线完成后在Keil里选好调试器，然后在Flash Download选项卡里勾选Reset and Run，这样烧录完会自动复位运行，不用每次手动按复位键。

串口调参是这套工程里最常用到的能力。资源包默认配置了UART1，波特率115200，在main.c主循环里周期性发送角度、PWM输出和三个环的当前值。用任意串口助手打开，能看到类似这样的输出：

angle:0.53 gyro:-12.4 balance_out:65 speed_out:-3 turn_out:0

先看角度和陀螺仪数值。用手把车身掰正，角度应该在0附近；迅速前倾再回正，陀螺仪应该有正负两个方向的突变。这两个数据正常，说明传感器链路是通的，再往下调PID才有意义。

4.3 调参顺序：先直立环，再速度环，最后转向环

调参顺序在整个平衡车项目里决定了效率。正确顺序是把速度环和转向环先禁用，单独调直立环。具体操作是先把速度环输出设为0，只让直立环工作，然后从上电开始逐步加大Kp。

Kp很小时，车身会往一边慢慢倒下，电机几乎没有反应；Kp增大到某个临界值，车身开始能短暂回正，但会来回摆动；继续增大，高频振荡越来越剧烈，发出嗡嗡声。当Kp大到车身持续高频抖动时，加入Kd，抖动会明显被压制。典型参数起点可以看这张表：

直立环稳定后，再逐步放开速度环。判断速度环方向是否正确的方法是：用手推一下车身，如果小车往推的方向加速冲过去，说明速度环方向反了，需要把编码器两根线对调或把速度环输出取反。速度环正确时，车被推一下会后退一点然后回到原位，这个“回位”动作就是速度环在起作用。

调参时看波形比看数值高效得多。用串口助手的虚拟示波器功能，同时监看角度和直立环输出，观察阻尼是否合适。调参过程中不要一次改多个参数，每改一个就重新抓一次波形，养成记录参数的习惯，改坏了才知道回到哪一版。

5. 避坑手册：平衡车调试中最常见的五个问题

5.1 电机不动但代码在跑

现象：串口有数据输出，角度也在正常变化，但两个电机完全没反应。 原因：九成是TB6612的STBY引脚没有拉高。STBY是待机控制脚，低电平时驱动芯片整个休眠，PWM输入再正常也不会输出。 解决：确认主控GPIO对STBY的初始化，把它配置为推挽输出并拉高。另外检查PWM通道是否正确映射到电机驱动芯片的PWMA和PWMB引脚，定时器通道号写错也会导致没有输出。

5.2 一上电就往一个方向猛冲

现象：刚上电，车身还没放稳，电机直接以最大占空比猛转，车瞬间窜出去。 原因：这是平衡车调参最经典的坑，几乎都是方向约定不一致。陀螺仪方向或者加速度计方向反了，控制系统把“向前倒”识别成“向后倒”，于是输出反而加速了倾倒。 解决：先把角度方向验证一遍——用手让车身向前倾斜，看串口打印的角度是正还是负，如果方向不对，在MPU6050驱动里把对应轴取反。同理验证电机方向：把电机PWM设为一个固定正值，看车轮转向是否与代码预期一致。四个方向全部对齐后再接线调参。

5.3 车身高频抖动

现象：车能立住，但站在旁边能看到车身以很高的频率微微颤抖，同时电机温度上升很快。 原因：直立环的Kp太大，或者机械结构重心偏高，系统进入临界振荡状态。重心越高，稳定裕度越小，同样的Kp在小车上正常，换个高重心底盘就会抖。 解决：先把Kp降到能稳住的最低值，再加入适量Kd。如果还抖，检查控制周期，确保直立环确实是1ms跑一次。如果主循环里塞了OLED刷新或蓝牙解析导致周期变长，PID参数会整体失灵。

5.4 电池电压变化后参数失效

现象：满电时车很稳，玩十几分钟后开始频繁点头，甚至彻底倒下去。 原因：锂电池电压从8.4V降到7V，电机能输出的峰值力矩明显下降，原来的PID参数是建立在满电压力矩上的。 解决：一个方案是把电源做稳压，让电机驱动供电保持在稳定电压。更实用的方案是在代码里用ADC实时采样电池电压，把它作为PID输出的补偿系数。电压低时适当降低速度环积分强度，避免积分饱和把直立环输出顶到限幅。

5.5 蓝牙连接不上

现象：手机搜索不到蓝牙模块，或者连上后丢包严重。 原因：蓝牙模块是3.3V供电，模块的RXD引脚不能直接接5V串口。如果主控和模块电平不匹配，轻则搜索不到，重则烧模块。数据丢包往往是波特率不一致，主控串口配了115200，蓝牙默认却是9600。 解决：先短接蓝牙模块的EN引脚进入AT模式，用串口助手把波特率设置成和主控一致；再检查RXD和TXD是否交叉连接；最后确认主控与蓝牙共地。这三点全对齐，蓝牙基本就不会出问题。

6. 二次开发：从直立到遥控，再到视觉跟随的改造路径

6.1 先改遥控：把速度环目标值变成串口数据

最值得做的第一个改造是给小车加遥控。实现方法很简单，速度环目标值speed_target原本是常量0，把它改成全局变量，在主循环里解析串口数据并赋值即可。收到前进指令就赋正值，收到后退就赋负值，转向环的目标值同理。改完这一处，车就能从“原地直立”变成“可以开走”。验证方法很简单：先开环测试油门方向，再闭环验证速度环方向，方向无误后遥控功能就通了。

6.2 再做视觉跟随：用目标角度代替人工指令

更进一步的做法是加视觉跟随。常见思路是接一个摄像头识别前方目标，把目标在画面中的水平偏差映射成转向环目标值，把距离偏差映射成速度环目标值。代码层面完全复用三环结构，只需要在控制循环前面加一个视觉回调函数，输出两个目标值。调试时的技巧是先让车静止，只验证转向跟随，再做运动跟随，不要一上来就全链路调参。

这套工程的价值在于三环结构清晰，每个环的入口就是一个目标值，改目标值就是加新功能。我现在每拿到一个平衡车项目，都会强制先走一遍方向验证——电机方向、编码器方向、陀螺仪方向、加速度计方向，四者全部确认后再动手调PID。这个习惯是从一次通宵调参后彻底倒车学来的，从那以后所有闭环项目我都先查方向再调参。希望帮到你。

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