基于 STM32 的双轮自平衡小车——从原理到实践

原创已于 2025-11-15 21:41:23 修改 · 1.4k 阅读

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机 #mcu #c语言

于 2025-11-15 21:38:54 首次发布

一、项目整体介绍

双轮自平衡小车本质上是一个倒立摆系统：
车身就像一根竖着的棍子，两侧的轮子不断调节转速，让车身维持在“快要倒、但没倒”的状态。

一个典型的 STM32 平衡小车系统通常包含：

主控 MCU：STM32F103C8T6 / STM32F103RCT6 等
姿态传感器：MPU6050（陀螺仪 + 加速度计）或其他 IMU
驱动模块：L298N、TB6612 或带编码器的直流电机驱动板
电机与编码器：12V/6V 直流减速电机 + 光电/霍尔编码器
电源模块：锂电池 + 升降压模块 + 5V/3.3V 稳压
通信与调试：蓝牙串口 / 无线串口 / 上位机（串口助手、MATLAB、QT 等）
显示与按键（可选）：OLED/LCD，参数显示与调参

二、平衡小车的控制原理

平衡小车常用的几个关键物理量：

角度 Angle（θ）：相对于竖直方向的偏移角度，0° 为完全直立
角速度 Gyro（ω）：车身倾斜变化的速度
车速 Speed（v）：两个轮子的平均转速
位移 Position（s）：小车前后移动的距离

对应的控制目标：

保持直立：θ 尽量接近 0°
速度控制：让期望速度 v_target 与实际速度 v 接近
位置控制（可选）：让车回到某个目标位置

因此，常见的控制结构是三环控制：

三、硬件系统设计

3.1 姿态传感器：MPU6050

MPU6050 内部集成：

三轴陀螺仪（Gyro）：角速度
三轴加速度计（Accel）：加速度（静止时可估算重力方向 → 倾角）

接线常见方式：

MPU6050 → STM32：I2C 通信（SCL/SDA）
电源：3.3V（注意供电电压与 IO 电平）

3.2 电机与驱动

两个直流减速电机（带编码器）安装在小车两侧；
通过 L298N/TB6612 等驱动芯片接到 STM32 的 PWM / GPIO 引脚；
编码器接到 STM32 的外部中断 / 正交编码接口（TIMx_CH1/2）用于测速和记步。

注意事项：

电机电源与单片机电源注意分开供电或加足够滤波，避免干扰；
驱动芯片的电流、功率要匹配电机参数；
启停电流比较大，注意电池放电能力。

3.3 电源管理

常见方案：12V锂电池 + 升降压模块；
输出 12V（电机）、5V、3.3V（单片机与传感器）；
要有电压检测功能（ADC 采样），方便实现欠压保护与电量显示。

四、姿态解算（角度计算）

MPU6050 提供：

陀螺仪：角速度（积分后得到角度，但会漂移）
加速度计：可算出倾角（但对震动和加减速非常敏感）

常用方法：互补滤波

核心思想：

低频成分信任加速度计（抗漂移）
高频成分信任陀螺仪（抗噪声）

一个简单的互补滤波公式：


float angle;      
float K = 0.98f;  // 互补滤波系数，一般 0.95~0.99

void Update_Angle(float gyro, float accel_angle, float dt)
{
    float gyro_angle = angle + gyro * dt;  // 陀螺仪积分角度
    angle = K * gyro_angle + (1 - K) * accel_angle;
}

实际实现时的关键点：

陀螺仪和加速度计在上电后需要零偏校准；
采样周期 dt 要尽量稳定（用定时器中断）；
互补滤波系数 K 的选择会影响响应速度与稳定性，可以先 0.98 起步再微调。

如果想要更好的效果，可以使用卡尔曼滤波或开源的姿态解算库（如 Mahony/Madgwick），但对于简单的平衡小车，互补滤波已经够用。

五、PID 控制策略

5.1 常见三环结构

角度环（平衡环）PID
- 输入：目标角度 θ_target（一般设为 0）与当前角度 θ 的误差
- 输出：期望速度 v_expect（或者直接输出 PWM 分量）
速度环 PID
- 输入：目标速度 v_target 与实际速度 v 的误差
- 输出：对目标角度或角度环的偏置量（如让小车略微前倾以加速）
位置环 PID（可选）
- 输入：目标位置与当前位移差
- 输出：作为速度环的目标速度 v_target

在初学阶段，建议先实现：

只做角度环：先让车能在原地站住；
然后增加速度环：实现前进/后退 + 静止保持；
最后再考虑位置环与转向控制。

typedef struct
{
    float Kp;
    float Ki;
    float Kd;
    float integral;
    float last_error;
} PID_t;

PID_t angle_pid = { .Kp = 50.0f, .Ki = 0.0f, .Kd = 1.0f, .integral = 0, .last_error = 0 };

float PID_Calc(PID_t *pid, float target, float measure)
{
    float error = target - measure;
    pid->integral += error;
    float derivative = error - pid->last_error;
    pid->last_error = error;

    float output = pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;
    return output;
}

六、调试与 PID 参数整定经验

6.1 调试顺序建议

先调角度解算
- 把小车放在桌面上，读取角度值；
- 手工轻轻前后倾斜，看看角度变化是否线性、方向是否正确；
- 静止时角度是否基本稳定（抖动范围小于 ±1° 为佳）。
再调电机驱动
- 单独写一个测试程序：给定 PWM 值，让左右轮正转/反转；
- 检查轮子转向是否符合预期，是否有一边明顯比另一边快；
- 确保编码器计数正常。
只开角度环
- 速度环、位置环全部关闭；
- 仅用角度 PID 输出电机 PWM；
- 小车会在原地“抖着站立”，此时重点调 Kp、Kd；
- Ki 一开始可以设为 0，避免积分导致发散。
加入速度环
- 让车可缓慢前进后退，并在停止命令时能大致停住；
- 速度环的输出不要太大，否则会干扰角度环。