基于 STM32F103C8T6 的双轮自平衡小车项目，采用串级 PID 控制与倒立摆动力学模型，实现稳定自平衡与蓝牙遥控行走。
| 模块 | 型号 | 说明 |
|---|---|---|
| 主控 | STM32F103C8T6 | Cortex-M3, 72MHz, 64KB Flash, 20KB SRAM |
| 姿态传感器 | MPU6050 | 三轴陀螺仪 + 三轴加速度计, I2C 接口 |
| 电机驱动 | TB6612FNG | 双 H 桥, PWM 调速 |
| 电机 | 带编码器直流减速电机 | 双路编码器测速 |
| 蓝牙 | HC-05 / JDY-31 | UART 透传, 9600bps |
| 显示 | 0.96" OLED (SSD1306) | I2C 接口 (可选) |
| 电源 | 2S / 3S 锂电池 | 7.4V ~ 12.6V 输入 |
main.c (超级循环)
├── App_Bat_Proc() — 电池 ADC 采样 + LED 指示
├── App_Button_Proc() — 按键启停状态机
├── App_Motor_Proc() — 1ms 电机速度环 PI 控制
├── App_MPU6050_Proc() — 5ms 姿态解算 (互补滤波)
├── App_Control_Proc() — 5ms 串级平衡控制 (倒立摆模型)
└── App_RC_Proc() — 蓝牙遥控指令解析
- 裸机架构，使用
PERIODIC(T)宏实现协作式伪多任务调度 - 非 RTOS，无操作系统依赖，适合初学者理解底层时序
采用四环串级 PID 控制，从外到内依次为：
遥控速度设定 → [速度环 PID] → θ_ref → [角度环 PID] → θ̇_ref → [角速度环 PID] → θ̈_ref
↑ ↑
MPU6050 俯仰角 MPU6050 角速度
速度环 (最外层): 输入速度偏差，输出目标倾角 θ_ref，利用 atan2(v_ref, g) 进行倒立摆逆解算
角度环: 输入角度偏差，输出目标角速度
角速度环 (最内层): 输入角速度偏差，输出角加速度 θ̈
转向环: 独立 P 控制，以陀螺仪 Z 轴角速度 gz 为反馈，叠加差速到左右电机
根据倒立摆模型将角加速度转化为轮胎线加速度：
ẍ = (g·sinθ - θ̈·lp) / cosθ
其中 lp 为轮轴到质心距离，rw 为轮胎半径。
对陀螺仪积分和加速度计解算进行融合：
angle = 0.95238 × angle_gyro + 0.04762 × angle_accel
对应截止频率约 200Hz 采样周期下的高通/低通滤波。
- 使用 EXTI 外部中断 + T 法测速
- 两路编码器独立计数，支持正反转判别
├── user/ # 应用层代码
│ ├── main.c # 主函数 & 超级循环
│ ├── app_control.c/h # 串级 PID 平衡控制
│ ├── app_motor.c/h # 电机速度环 PI + PWM 输出
│ ├── app_mpu6050.c/h # MPU6050 驱动 & 姿态解算
│ ├── app_encoder.c/h # 编码器测速
│ ├── app_pid.c/h # PID 控制器实现
│ ├── app_pwm.c/h # TIM PWM 驱动 TB6612
│ ├── app_rc.c/h # 蓝牙遥控协议解析
│ ├── app_bat.c/h # 电池电压 ADC 采样
│ ├── app_button.c/h # 按键状态机
│ └── app_usart2.c/h # USART2 调试串口
├── my_lib/ # 底层驱动库
│ ├── si2c.c/h # 软件 I2C (bit-bang)
│ ├── i2c.c/h # 硬件 I2C 驱动
│ ├── spi.c/h # SPI 驱动
│ ├── usart.c/h # USART 驱动
│ ├── delay.c/h # SysTick 延时 & 微秒时间戳
│ ├── pid.c/h # PID 库 (通用版)
│ ├── qmath.c/h # 三角函数查表实现
│ ├── button.c/h # 按键驱动
│ ├── oled.c/h # OLED 驱动 + 字体
│ ├── task.h # 协作式伪多任务调度宏
│ └── str_cmd.c/h # 字符串命令解析
├── test/ # 模块单元测试
│ ├── bat_test.c/h # 电池模块测试
│ ├── encoder_test.c/h # 编码器测试
│ ├── mpu6050_test.c/h # MPU6050 测试
│ ├── pid_test.c/h # PID 测试
│ ├── pwm_test.c/h # PWM 测试
│ └── qmath_test.c/h # 三角函数测试
├── std_periph_driver/ # STM32 标准外设库
├── startup/ # 启动文件 (.s)
├── DebugConfig/ # 调试配置
├── banlance_car.uvprojx # Keil MDK 工程文件
├── banlance_car.uvoptx # Keil 工程选项
└── .clang-format # 代码格式化规则
- MDK-ARM (Keil uVision 5) 或 EIDE (Embedded IDE)
- STM32F1xx DFP 芯片包
- ST-Link / J-Link 调试器
-
克隆仓库
git clone https://github.com/YouZiUser/STM32_Balance_Car.git
-
用 Keil MDK 打开
banlance_car.uvprojx -
编译 (F7)，下载 (F8)
-
或使用 EIDE (VS Code 插件):
- 在 VS Code 中打开项目文件夹
- 安装 Embedded IDE 插件
- 导入 Keil 工程或直接编译
| 外设 | STM32 引脚 | 说明 |
|---|---|---|
| MPU6050 SCL | PA5 | 软件 I2C |
| MPU6050 SDA | PA6 | 软件 I2C |
| TB6612 AIN1/2 | PB12/PB13 | 左电机方向 |
| TB6612 BIN1/2 | PB14/PB15 | 右电机方向 |
| TB6612 PWMA | PA1 (TIM2-CH2) | 左电机 PWM |
| TB6612 PWMB | PB7 (TIM4-CH2) | 右电机 PWM |
| 编码器 L | PB3 (EXTI3) | 左编码器 A 相 |
| 编码器 R | PB4 (EXTI4) | 右编码器 A 相 |
| 蓝牙 TX/RX | PB10/PB11 | USART3 |
| 调试串口 | PA2/PA3 | USART2, 921600bps |
| 电池 ADC | PA0 (ADC1-IN0) | 分压检测 |
| 按键 | PA4 | 启停控制 |
蓝牙串口 (USART3, 9600bps) 接收 ASCII 文本指令：
move <turnSpeed> <moveSpeed>\n
| 参数 | 范围 | 含义 |
|---|---|---|
turnSpeed |
-100 ~ +100 | 转向速度，正值为右转 |
moveSpeed |
-100 ~ +100 | 前进速度，正值为前进 |
示例:
move 0 50\n— 以 50% 速度前进move 30 0\n— 原地右转move 0 0\n— 停车
注意: 协议无校验位，无线传输距离取决于蓝牙模块（通常 10m 以内）。
- 单击: 启动 / 停止平衡车
- 启动后自动进入平衡模式，蓝牙指令可覆盖遥控
- 硬件 I2C 未调通，暂用软件 I2C (时序精度受限)
- 编码器测速使用 EXTI 而非定时器编码器模式 (资源利用不优)
- 未使用 DMA，串口收发为阻塞/中断模式
- 缺少 IWDG 独立看门狗和倾覆保护
- 互补滤波 dt 为固定值，实际随主循环负载漂移
- NVIC 优先级分组为 Group_0 (无抢占优先级)
- 速度环/角度环未做 anti-windup
欢迎提交 Issue 和 PR 改进！
- MPU6050 数据手册
- STM32F103 参考手册 (RM0008)
- TB6612FNG 数据手册
- 铁头山羊 — STM32 平衡车教程
本项目采用 MIT License 开源。
作者: YouZi
联系: youziuser@hrbeu.edu.cn