一、系统设计目标与原理

本设计以 STM32F103C8T6 为控制核心，构建两轮自平衡小车系统，旨在实现小车的稳定直立、前进后退、左右转向等功能。核心目标是直立平衡误差≤±3°，速度控制精度 ±5cm/s，转向响应时间≤0.5s，续航时间≥30 分钟（满电状态），同时具备蓝牙遥控与上位机调试功能，满足机器人控制与自动控制原理教学实验需求。
系统工作原理基于 “姿态检测 - 闭环控制 - 执行驱动” 的动态平衡架构：MPU6050 传感器实时采集小车的倾角与角速度，STM32 通过卡尔曼滤波融合数据得到当前姿态；采用 PID 控制算法（直立环 + 速度环 + 转向环）计算电机输出量，经电机驱动模块控制左右轮转速；通过调节两轮转速差实现转向，转速同步实现前进后退，最终维持小车直立状态。

二、硬件设计（含原理图与 PCB）

（一）核心控制模块
主控芯片：STM32F103C8T6（ARM Cortex-M3 内核，72MHz 主频，64KB RAM），负责数据处理与控制算法运行。
外设接口：
I2C1：连接 MPU6050 传感器（SCL=PB6，SDA=PB7）。
TIM1/TIM2：生成 PWM 信号（频率 10kHz），控制左右电机（TIM1_CH1=PA8，TIM1_CH2=PA9；TIM2_CH1=PA0，TIM2_CH2=PA1）。
USART1：连接 HC-05 蓝牙模块（TX=PA9，RX=PA10）。
GPIO：连接按键（PA2）、LED 指示灯（PA3）、循迹传感器（可选，PB0-PB3）。
（二）姿态检测模块
传感器：MPU6050（3 轴加速度 + 3 轴陀螺仪），量程 ±2g/±2000°/s，通过 I2C 通信，采样率 100Hz。
电路设计：VCC 接 3.3V，GND 与系统共地，INT 引脚（PB4）接 STM32 外部中断，触发数据就绪中断。
（三）电机驱动模块
驱动芯片：TB6612FNG 双通道电机驱动，支持 2 路电机正反转与 PWM 调速，工作电压 5-12V，持续电流 2A。
连接方式：
PWM_A（AIN1=PA4，AIN2=PA5）控制左轮方向与转速。
PWM_B（BIN1=PA6，BIN2=PA7）控制右轮方向与转速。
STBY=PA2（高电平使能），GND 与电机电源共地。
（四）电源模块
供电方案：7.4V/2000mAh 锂电池（2 串锂聚合物电池），经以下电路转换：
5V 输出：通过 LM1117-5V 为 TB6612FNG 与蓝牙模块供电。
3.3V 输出：通过 AMS1117-3.3V 为 STM32、MPU6050 供电。
保护电路：电池正极串联 10A 自恢复保险丝，防止过流；并联 100μF 电解电容滤除纹波。
（五）机械结构与执行机构
电机：N20 减速电机（转速 6000rpm，减速比 1:100，空载转速 60rpm），配套 65mm 橡胶轮。
底盘：亚克力板（直径 12cm），电机对称安装（轴距 10cm），重心位于轮轴正上方。
（六）原理图与 PCB 设计
原理图：采用 Altium Designer 绘制，主要包含 STM32 最小系统、MPU6050 接口、TB6612 驱动电路、电源管理四部分，关键节点标注网络名（如 “MPU_SCL”“MOTOR_A_PWM”）。
PCB 布局：两层板设计，顶层放置 STM32 与传感器（模拟地），底层放置电机驱动与电源（功率地），模拟地与功率地通过 0 欧电阻单点连接，减少干扰；电机接线采用粗铜皮（≥2mm），确保载流能力。

三、软件设计（含源码）

（一）开发环境
IDE：Keil MDK5（V5.32）
库：STM32CubeMX 生成初始化代码，HAL 库开发
调试工具：J-Link V9，支持在线仿真与断点调试
（二）核心算法
姿态解算：
// 卡尔曼滤波融合加速度与角速度
void Kalman_Filter(float acc_angle, float gyro_angle, float dt){
// 预测
angle_err = acc_angle - angle;
P[0][0] += dt*(P[1][1]*dt + Q_angle);
P[0][1] = P[1][0];
P[1][1] += Q_gyro * dt;
// 更新
K[0] = P[0][0] / (P[0][0] + R_angle);
K[1] = P[1][0] / (P[0][0] + R_angle);
angle += K[0] * angle_err;
gyro_bias += K[1] * angle_err;
// 更新协方差
P[0][0] -= K[0] * P[0][0];
P[0][1] -= K[0] * P[0][1];
P[1][0] -= K[1] * P[0][0];
P[1][1] -= K[1] * P[0][1];
}

PID 控制：
// 直立环PID（目标角度0°）
float Balance_PID(float target, float current, float gyro){
err = target - current;
err_sum += err * dt;
// 积分限幅
if(err_sum > 500) err_sum = 500;
else if(err_sum < -500) err_sum = -500;
output = Kperr + Kierr_sum + Kd*gyro;
return output;
}
// 速度环与转向环类似，此处省略

（三）主程序流程
int main(void){
HAL_Init();
SystemClock_Config(); // 配置72MHz系统时钟
MPU6050_Init(); // 初始化传感器
Motor_Init(); // 初始化电机驱动
PID_Init(); // 初始化PID参数
Bluetooth_Init(); // 初始化蓝牙模块

while(1){
if(MPU6050_DataReady()){
MPU6050_GetData(&acc, &gyro); // 读取加速度与角速度
Calculate_Angle(acc, gyro); // 计算原始角度
Kalman_Filter(acc_angle, gyro_angle, 0.01); // 融合角度

  balance_output = Balance_PID(0, angle, gyro.y); // 直立控制
  speed_output = Speed_PID(target_speed, current_speed); // 速度控制
  turn_output = Turn_PID(target_turn, gyro.z); // 转向控制
  
  // 分配左右轮输出
  left_pwm = balance_output + speed_output - turn_output;
  right_pwm = balance_output + speed_output + turn_output;
  Motor_SetPWM(left_pwm, right_pwm); // 输出到电机
}
Bluetooth_Receive(); // 接收遥控指令
HAL_Delay(10);       // 10ms控制周期

}
}

（四）蓝牙通信协议
指令格式：帧头(0xAA) + 指令码(1字节) + 参数(2字节) + 校验和(1字节)
示例：前进指令 0xAA 0x01 0x00 0x64 0xCF（参数 0x0064 表示速度 100）

四、调试与优化

（一）PID 参数整定步骤
直立环：
先调 Kp：从 0 开始增大，直至小车能短暂直立（约 1-2 秒）。
再调 Kd：抑制震荡，使小车稳定直立（约 5-10 秒）。
最后加少量 Ki：消除静态偏差（如小车偏向一侧）。
速度环与转向环：
速度环 Kp 从 0.1 开始，确保加减速平稳。
转向环 Kp 略大于速度环，保证转向灵活无超调。
（二）常见问题解决
抖动问题：增加低通滤波（截止频率 5Hz），或减小 Kd 参数。
平衡偏移：通过 MPU6050 校准（水平放置时执行校准函数）。
续航不足：优化电机 PWM 输出（避免长时间满速），降低 STM32 主频至 36MHz。

五、文件清单

原理图：SelfBalancingCar_Schematic.PDF（Altium Designer 格式）
PCB 文件：SelfBalancingCar_PCB.PcbDoc（含 Gerber 文件）
源码：
Core/：主程序与算法实现
Drivers/：STM32 HAL 库与外设驱动
Projects/：Keil 工程文件
调试工具：PID_Tuning_Tool.xlsx（PID 参数调试记录表）

六、结语

本设计通过 STM32 与 MPU6050 构建了两轮自平衡小车的软硬件系统，核心 PID 控制算法实现了稳定平衡与灵活运动。系统硬件布局紧凑，软件模块化程度高，适合作为自动控制原理的实践平台。后续可扩展功能包括循迹导航（增加红外对管）、避障功能（超声波传感器）、APP 遥控（开发 Android 客户端）等，进一步提升小车的智能化水平。

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