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简介：这份资料包面向嵌入式初学者与DIY爱好者，围绕基于STM32微控制器的两轮自平衡小车展开，提供从硬件设计到软件实现的完整制作参考。内容涵盖原理图中的STM32选型、传感器连接与电机驱动电路，源码中的陀螺仪与加速度计数据采集、PID算法实现及电机控制逻辑，以及装配烧录的使用说明和记录故障排查与性能优化的开发笔记，帮助读者理解实时控制与反馈调节的落地方式。压缩包共1430个文件，以c与h源码、d与o编译中间文件、crf与uvproj等Keil工程配置为主，另含pdf文档、hex固件与map映射文件，整体约53.19MB，工程结构完整便于按模块查阅。已有4138人学习下载，适合希望系统掌握STM32应用、传感器融合与PID控制的中级开发者对照实践。

1. 从一堆散件到能站住的车：这套 STM32 自平衡小车资料到底值不值得拆

很多人第一次碰两轮自平衡小车，都是先买齐电机、驱动、陀螺仪、车架，焊完板子烧进程序，结果车一上电就往一边倒，调了三天 PID 还是原地抽搐。问题往往不在代码，而在于你手里缺一份把机械装配、姿态解算、串级控制、参数整定串成一条线的完整资料。这套基于 STM32 的两轮自平衡小车制作教程，走的就是这条线：从硬件选型清单、原理图与 PCB、MPU6050 姿态读取、卡尔曼与互补滤波、串级 PID 到整车调试，按制作顺序铺开，适合刚学完 STM32 外设、想拿一个能跑起来的闭环项目练手的同学，也适合带课程设计、毕业设计的从业者当参考底稿。它解决的不是“教你写一行 PID”，而是“让你知道每一环为什么这么接、参数为什么这么给”。

2. 硬件与姿态链路：先搞清楚车为什么会倒

自平衡小车的本质是一个倒立摆：车体偏离竖直方向时，控制器要让轮子往倾倒方向加速，把重心“追”回来。这条链路里，姿态角是眼睛，PID 是大脑，电机驱动是腿，任何一环延迟或噪声过大，整车就会抖或者直接趴下。这套资料的价值在于它把这条链路按模块拆开了，你能看到每个模块的输入输出边界，而不是拿到一个黑匣子工程。

2.1 硬件清单与选型理由

资料里的硬件方案是常见的入门配置，核心几件套如下：

选型上最容易翻车的是电源。电机启动瞬间的电流冲击会把主控电压拉低，表现为陀螺仪数据跳变、程序复位。常见做法是电机电源和逻辑电源各走一路，逻辑侧加足够的去耦电容，这一点资料里在电源部分有对应说明，照着接能省掉很多“玄学复位”。

2.2 MPU6050 初始化与数据读取

姿态链路的第一步是把原始数据稳定读出来。下面这段是典型的初始化与读取骨架，量程和滤波参数按实际车体调整：

# 伪代码示意：MPU6050 初始化与读取流程（对应 C 工程里的寄存器配置） # 1. 唤醒设备，退出睡眠 write_reg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x00) # 2. 陀螺仪量程 ±2000dps，加速度 ±2g write_reg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18) write_reg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x00) # 3. 数字低通滤波 DLPF，抑制电机振动高频噪声 write_reg(MPU6050_CONFIG, 0x03) # 4. 采样率分频，1kHz/(1+4)=200Hz write_reg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x04) def read_attitude(): ax, ay, az = read_accel() # 原始加速度 gx, gy, gz = read_gyro() # 原始角速度 angle_acc = atan2(ay, az) * 57.3 # 加速度算倾角，单位度 angle_gyro = gx / 16.4 # 角速度积分，16.4 对应 ±2000dps return angle_acc, angle_gyro

逻辑说明：加速度计静态准但动态噪声大，陀螺仪动态好但会积分漂移，所以后面必须做融合。参数说明：GYRO_CONFIG=0x18对应 ±2000dps，灵敏度 16.4 LSB/(°/s)，这个值直接决定角速度换算系数，写错整车响应会差一个数量级；CONFIG=0x03是 DLPF 带宽约 44Hz，车体振动大的时候可以再降，但降太多会引入相位延迟，反而让控制环更容易振荡。读取频率要和后面的控制周期对齐，常见做法是姿态更新 200Hz、控制环 100Hz 左右。

2.3 互补滤波与卡尔曼滤波怎么选

资料里两种融合都给了，新手容易纠结用哪个。互补滤波一句话：高频信陀螺、低频信加速度，实现简单、计算量小，参数就一个系数；卡尔曼滤波在噪声模型匹配时更平滑，但要调过程噪声和观测噪声，调不好反而发散。我的建议是先用互补滤波把车调站起来，再换卡尔曼对比波形，别一上来就啃卡尔曼，否则车抖了你分不清是滤波问题还是 PID 问题。

// 互补滤波核心：alpha 越大越信陀螺仪 float angle = 0.0f; void complementary_filter(float acc_angle, float gyro_rate, float dt) { // 0.98 是常见起点，车体振动大就适当降低 angle = 0.98f * (angle + gyro_rate * dt) + 0.02f * acc_angle; }

dt是采样周期，必须和实际定时器中断周期一致，写成固定值而实际中断有抖动，积分项就会累积误差。alpha的物理含义是时间常数，0.98 在 100Hz 下对应约 0.5 秒的信任切换窗口，车体越重、振动越小可以往 0.99 靠，但别超过 0.995，否则加速度计几乎不起纠正作用，角度会慢慢漂走。

3. 串级 PID 与电机闭环：让车“追”回来的控制结构

姿态角算出来只是知道了“歪了多少”，真正让车动起来的是控制环。这套资料采用的是角度环 + 速度环的串级结构，外环输出给内环，内环再输出 PWM。理解这个结构比抄参数重要得多，因为参数是跟车体质量、轮径、电机特性绑定的，换辆车就得重调。

3.1 串级结构：为什么不能只用一个 PID

只用一个角度环，车能站住但会慢慢跑偏，因为角度环不关心轮子转多快。加上速度环后，外环根据“车在往哪跑”给出一个目标倾角，内环再去追这个倾角，车就能既站住又不大范围漂移。资料里的结构大致是：速度环输入是编码器测得的轮速与目标速度之差，输出叠加到角度环的目标值上；角度环输入是融合后的倾角与目标倾角之差，输出 PWM。

// 串级 PID 骨架，控制周期 5ms float pid_angle(float target, float feedback); float pid_speed(float target, float feedback); void control_loop(void) { float speed_out = pid_speed(target_speed, measured_speed); // 外环 float angle_target = speed_out; // 外环输出即内环目标 float pwm = pid_angle(angle_target, fused_angle); // 内环 set_motor_pwm(pwm); }

参数说明：内环（角度环）响应要快，P 给大、I 给小甚至不给，D 用来抑制超调；外环（速度环）响应慢，P 小、I 慢慢积。常见翻车是内外环周期一样快，两个环互相打架，车会低频摆动。正确做法是内环周期明显快于外环，比如内环 5ms、外环 20ms，让内环先把姿态稳住，外环再慢慢修正位置。

3.2 编码器测速与死区处理

速度环的输入质量直接决定车会不会“一顿一顿”。编码器测速常见两种方式：定时器编码器模式和外部中断计数。前者硬件自动计数，不占 CPU，推荐优先用。测速时要注意低速死区：轮子几乎不转时，固定周期内脉冲数为零，速度环会误以为车停了而猛加输出，表现为原地小幅抖动。

// 定时器编码器模式读速，单位：脉冲/周期 int16_t read_encoder_speed(TIM_TypeDef *TIMx) { int16_t cnt = (int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(TIMx); __HAL_TIM_SET_COUNTER(TIMx, 0); // 读完清零，下周期重新计 return cnt; }

逻辑说明：每个控制周期读一次并清零，得到的就是本周期脉冲增量，乘以换算系数就是轮速。参数说明：清零时机必须和读取在同一临界区，否则中断里又计数会导致丢脉冲；如果脉冲数很小，可以拉长测速周期或者用 M/T 法混合测速，别硬用固定周期短采样，量化误差会把速度环带偏。

3.3 电机 PWM 与方向控制

驱动层看着简单，坑却不少。H 桥模块一般两路 PWM 加两路方向，或者一路 PWM 加两路方向。资料里的接法要和你手上的驱动板对应，方向引脚电平反了，车会正反馈直接倒地。

void set_motor_pwm(float pwm) { // pwm 范围 -1000 ~ 1000，正负代表方向 if (pwm >= 0) { HAL_GPIO_WritePin(DIR_L_PORT, DIR_L_PIN, GPIO_PIN_SET); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim_pwm, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t)pwm); } else { HAL_GPIO_WritePin(DIR_L_PORT, DIR_L_PIN, GPIO_PIN_RESET); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim_pwm, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t)(-pwm)); } }

参数说明：PWM 上限不要一上来给满，先限到 60% 左右调参，避免车一冲就撞墙；方向切换时最好留一个短暂的全零死区，防止 H 桥上下管直通。左右电机的机械特性不会完全一致，资料里如果有左右轮单独系数，别嫌麻烦，各给一个微调系数，车走直线会稳很多。

4. 上车调试与避坑：那些调了三天才想明白的事

纸面参数再漂亮，上车就是另一回事。这一章按“现象 → 原因 → 解决”记录几条高频翻车点，都是这套资料对应的制作流程里最容易卡住的地方。

4.1 上电就倒、方向反了

现象：车一上电，往倾倒方向加速，越加速倒得越快。原因：角度环极性反了，或者电机方向接反，控制器在“帮倒忙”。解决：先把车拿在手里倾斜，观察轮子转向是否朝着倾斜方向转；如果不是，先改电机方向引脚，再检查角度环输出符号。别同时改 PID 和方向，否则你永远不知道是哪一项起了作用。

4.2 原地高频抖动

现象：车能站住，但轮子高频小幅抖动，声音刺耳。原因：角度环 D 过大，或者陀螺仪噪声没滤干净，微分项把噪声放大了。解决：先把 D 降到 0，确认 P 能让车缓慢回正，再一点点加 D；同时检查 DLPF 配置和机械连接，传感器没固定牢，振动会直接进微分项。

4.3 车慢慢跑偏、越跑越快

现象：车能站，但持续往一个方向加速，最后撞墙。原因：速度环没起作用，或者编码器方向与电机方向不一致，速度环形成正反馈。解决：单独测速度环，手推轮子看输出是否反向修正；检查编码器计数方向，左右轮符号要统一到“前进为正”的约定上。

4.4 调参时车突然复位

现象：加大 PWM 或者电机急停时，主控复位、陀螺仪数据跳变。原因：电机电流冲击拉低电源，或者地线走线不合理。解决：电机电源与逻辑电源分开，逻辑侧加去耦电容，电机线远离传感器信号线；PWM 变化加斜率限制，别让占空比瞬间跳变。

4.5 换了电池或地面就站不住

现象：同一套参数，换块电池或者换到地毯上就抖。原因：电池电压变化影响电机实际出力，地面摩擦改变等效阻尼。解决：参数按“中等电量、硬地面”整定，留一点裕量；如果资料里有电压补偿环节，把电池电压采样接进来做前馈，能明显改善不同电量下的表现。

5. 从能站到能跑：用阶跃响应验证你的控制环

车能站住只是及格线，真正判断这套资料你有没有吃透，是看你能不能定量地说出“我的控制环响应如何”。我一般会做一个简单的阶跃测试：给角度环一个小的目标倾角阶跃，用串口把融合角度和 PWM 输出按固定周期打出来，看超调量、上升时间和稳态误差。这比盯着车看靠谱得多，也是排查“感觉能站但说不清为什么”的后悔药。

具体做法是加一个调试通道，控制周期里把关键变量打包发出去：

// 每 5ms 发一帧：融合角度、目标角度、PWM、轮速 void debug_send(void) { uint8_t buf[16]; memcpy(&buf[0], &fused_angle, 4); memcpy(&buf[4], &angle_target, 4); memcpy(&buf[8], &pwm_out, 4); memcpy(&buf[12], &measured_speed, 4); uart_send(buf, 16); // 上位机按小端 float 解析 }

参数说明：发送频率别和控制周期抢资源，5ms 一帧在 115200 波特率下大约占一半带宽，够用；上位机解析时注意 float 字节序和帧头对齐，丢帧会导致波形错位，看起来像控制环在抽风。拿到波形后看三件事：阶跃后有没有明显超调（有就加 D 或降 P）、回到稳态要多久（太长说明 P 偏小）、稳态有没有持续偏差（有就补一点 I）。这套方法对速度环同样适用，只是阶跃给在目标速度上。

还有一个容易被忽略的点：机械中值。车体不可能绝对对称，重心偏一点，角度环就会一直带着一个固定偏差去补偿。资料里如果有“机械中值”标定步骤，一定要做，把车放在水平面上读融合角度，把这个值作为目标角度的零点，比你在代码里硬写 0 靠谱。做完这一步再调 PID，你会发现参数好调很多。

从那以后我每次碰自平衡类项目，都强制先跑一遍阶跃波形再动车，哪怕只是改了一个滤波系数。波形不会骗人，车会。希望帮到你。

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