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简介：这套基于STM32的两轮平衡小车资料面向电赛备赛学生、嵌入式入门开发者及机器人爱好者，提供一套可落地的完整项目方案。资源以MCU源码为核心，包含大量C语言与头文件（.c/.h），覆盖姿态解算、电机控制、蓝牙通信等关键模块；硬件部分提供原理图（.schdoc）、PCB生产图纸及CAD文件，并附BOM表和姿态传感器设计说明，可支撑从打样到调试的全流程。压缩包共221个文件，除源码和图纸外，还包含蓝牙遥控器APK及源码、Keil工程配置（.uvproj）与备份文件，整体约29.34MB，结构划分清晰，便于按需查阅。目前已有120人学习下载，对于想快速搭建两轮平衡车原型或理解平衡控制算法的读者，是一份值得参考的工程资料。

1. 两轮平衡车的关键不在电机，在 5ms 实时闭环

两轮平衡车最容易让人误判的地方，是以为难点在电机驱动或机械结构。实际上电机驱动和结构件只要按图纸做都能转，真正决定车能不能站稳的，是 STM32 在每一个 5ms 控制周期里，能不能把 MPU6050 的姿态数据解算完、把三层闭环跑完。这套资料的主控工程直接以 IMU_AHRS 命名，一眼就能看出重心在姿态参考系统上；配套的 TWABV 工程、蓝牙遥控器 APK 及源码、CAD 生产图纸和 BOM 表，意味着拿到手能从硬件图纸一路做到 App 层改造。准备参加电赛、做毕设，或者想把 stm32 项目从「点灯」推进到「实时控制」的人，这套资料值得拆开看一遍。

2. 硬件电路设计细节：供电树、传感器接线与 PCB 避坑

2.1 器件选型与工程文件的对应关系

从资料正文里能看到bmp180.__i、uarts.__i、IMU_AHRS.uvproj、TWABV.uvproj这些编译中间文件和工程文件，说明这套设计里有三个关键外围：BMP180 气压计、UART 串口（用于调试和蓝牙）、以及独立的主控工程和遥控器工程。主控 MCU 是 STM32F103 系列，具体型号以 Keil 工程设置里 Device 一栏为准，常见做法是 STM32F103C8T6，48 脚封装，72MHz 主频，足够跑姿态解算和三层控制环。

姿态传感器用的是 MPU6050 六轴（加速度计+陀螺仪），BMP180 挂在同一条 I2C 总线上，地址分别是 0x68 和 0x77，互不冲突。电机驱动选 TB6612FNG 这类低压 H 桥，相比 L298N 它的导通压降小得多，7.4V 锂电池供电时电机端电压更足，堵转时发热也小。蓝牙模块用 HC-05，走 UART 透传，和手机 APK 配对后直接收发协议帧。

2.2 供电树设计与 PCB 布局要点

整车的供电路径是：7.4V 两节锂电池 → 5V LDO 给 MCU、蓝牙模块和传感器 → MPU6050/BMP180 模块本身带 3.3V 稳压的话就无需额外 LDO。电机不经过 LDO，直接从电池正极取电，由 TB6612 的 VM 引脚供电，避免电机大电流把 MCU 电压拉垮。

PCB 布局上，电机驱动部分的地和信号地要单点连接。PWM 占空比突变时，电机电流会在功率地上产生毫伏级压降，如果功率地和 MPU6050 的地是同一段走线，加速度计读数会出现周期性跳变，表现就是车身高频抖动。电机焊盘附近放 100nF 陶瓷电容加 10μF 电解电容，吸收换向尖峰。另外 MPU6050 尽量靠近车体几何中心，且保证芯片 Z 轴垂直安装面，否则后续姿态解算要额外做安装角补偿。

2.3 接线表与上电检查步骤

以常见 STM32F103C8T6 蓝色 pill 板为参考，接线表如下：

注意 STM32F103 的硬件 I2C 有时会有总线锁死问题，如果解算时读到的加速度值全为零，优先怀疑 I2C 总线状态。我一般直接改用软件模拟 I2C，把 SCL 和 SDA 配置为开漏输出加上拉电阻，稳定性反而更好，尤其是在电机电磁干扰大的环境下。

上电后别急着下载程序，先量三处电压：电池端 7.4V、LDO 输出端 5.0V、模块 VCC 端 3.3V。然后用串口线接 USART1，打开 115200 波特率终端，正常启动时能看到初始化日志，包括 MPU6050 自检通过、BMP180 气压值、蓝牙模块状态。哪一步没打印就查哪一路，比焊完直接下程序再猜问题省时间。

3. 姿态解算落地：互补滤波与 AHRS 模块化设计

3.1 为什么姿态解算要单独做成 AHRS 模块

IMU_AHRS这个工程名拆开看是 IMU（惯性测量单元）加 AHRS（姿态参考系统），说明这套代码把「传感器驱动」和「姿态解算」分成了两层。传感器驱动只负责读原始数据，解算层只负责把加速度和角速度变成稳定的俯仰角，这样换传感器或者换算法都不影响上层控制代码。

BMP180 在平衡车里的作用容易被忽略。气压计能感知高度变化，常见做法是用它做悬空检测：当车被提起或者翻倒时，气压高度突变，同时编码器脉冲也停止，MCU 据此关闭电机输出，避免轮子空转加速。另一个用途是起步辅助，测量水平面高度差，防止车在斜坡上误判零位。

3.2 三种姿态解算方案怎么选

MPU6050 官方提供了 DMP 固件，F103 可以直接读四元数，很多工程图省事就挂 DMP。但 DMP 输出频率受 FIFO 配置影响，和 5ms 控制周期对不齐的话，读取时刻会抖动。卡尔曼滤波在小车这种线性近似系统里效果确实好，但协方差矩阵需要调 4 个参数，静态收敛速度和动态响应是矛盾的，调试成本高。互补滤波代码量最小，只有一个加权公式，权重系数有明确的物理意义，平衡车只关心俯仰角 pitch 和横滚角 roll，互补滤波完全够用。这也是资料里 IMU_AHRS 工程最可能采用的方式。

3.3 互补滤波核心代码与参数说明

以下代码逻辑对应资料中 AHRS 模块的实现思路，可在工程里IMU_AHRS工程目录下搜索AHRS相关源文件对照：

#define ALPHA 0.98f #define RAD_TO_DEG 57.29578f static float g_fPitch = 0.0f; // 融合后的俯仰角，单位：度 static float g_fGyroY = 0.0f; // 陀螺仪 Y 轴角速度，单位：度/秒 // gyroY_raw: MPU6050 原始 Y 轴角速度，FS_SEL=1 时灵敏度 65.5 LSB/(°/s) // accX_raw / accZ_raw: 原始加速度值，直接参与 atan2 计算 // dt: 控制周期，单位秒，5ms 中断时传 0.005f void AHRS_Update(short gyroY_raw, short accX_raw, short accZ_raw, float dt) { float accel_pitch = atan2f((float)accX_raw, (float)accZ_raw) * RAD_TO_DEG; g_fGyroY = (float)gyroY_raw / 65.5f; g_fPitch = ALPHA * (g_fPitch + g_fGyroY * dt) + (1.0f - ALPHA) * accel_pitch; }

互补滤波的本质是一个一阶低通滤波和一个一阶高通滤波并联：加速度计计算出的角度长期稳定但短期噪声大，陀螺仪积分出的角度短期精确但会随时间漂移。ALPHA越大越信任陀螺仪，动态响应越好，但静态漂移也越明显；ALPHA越小越信任加速度计，静态稳定但动态会显得迟钝。dt必须和实际中断周期严格一致，否则陀螺仪积分项会引入固定偏差。读加速度计的accX_raw和accZ_raw用atan2f计算俯仰角，比先用反正切再拼接要更抗坐标轴串扰。

3.4 姿态解算结果怎么验证

代码下进去先别急着装车，把g_fPitch通过串口打印出来，频率 100Hz。车体水平放置时角度应接近 0，误差超过 2° 就检查加速度计零偏和安装方向。用手把车绕 Y 轴前倾 20°，串口数值应立即跟到 20° 附近，松手回到 0°，回程超调超过 3° 说明ALPHA偏大。静止 30 秒，角度漂移如果超过 1°，检查陀螺仪零偏补偿，一般要在初始化时采集 100 组陀螺仪数据取平均作为零偏，在积分前减掉。这步做完再进入控制环调试，否则 PID 参数再准也救不回来。

4. 三层闭环实现：直立、速度、转向的参数整定

4.1 控制拓扑与时序分配

两轮平衡车的控制结构是三个并联反馈环：直立环用 PD 控制车身俯仰角，速度环用 PI 控制轮子平均速度，转向环用 P 控制左右轮差速。三者输出叠加后分别给左右电机，而不是串联结构。直立环必须跑在最高优先级，资料里的 5ms 周期刷新一次是常见配置；速度环积分的本质是让车通过整体前倾或后倾来调节前进速度，周期放 20ms 甚至 50ms 都没问题，太长车会晃但不会倒；转向环和直立环同步刷新即可。一个常见的错误是把三个环算完再一起输出 PWM，直立环本身计算量小，但 UART 发送调试信息会打断时序，我一般会把串口打印放在主循环里用计数器降频到 20Hz。

4.2 Balance.c 核心实现代码

以下为简化后的控制逻辑，对应工程中 Balance 或 Control 模块：

#define PWM_MAX 720 int g_iBalancePwm = 0; int g_iSpeedPwm = 0; int g_iTurnPwm = 0; // 参数由外部整定，初始值参考 4.3 表 float g_fKAngle = 800.0f; float g_fKAngleSpeed = 2.5f; float g_fKSpeed = 30.0f; float g_fKSpeedI = 0.4f; float g_fKTurn = 1.8f; static int g_iSpeedIntegral = 0; // 5ms 周期调用 void Balance_Control(float pitch, float gyroY, int speedLeft, int speedRight, float turnRate) { int speedError = (speedLeft + speedRight) / 2; // 目标速度为 0 g_iSpeedIntegral += speedError; if (g_iSpeedIntegral > 1500) g_iSpeedIntegral = 1500; if (g_iSpeedIntegral < -1500) g_iSpeedIntegral = -1500; g_iBalancePwm = (int)(g_fKAngle * pitch + g_fKAngleSpeed * gyroY); g_iSpeedPwm = (int)(g_fKSpeed * speedError + g_fKSpeedI * g_iSpeedIntegral); g_iTurnPwm = (int)(g_fKTurn * turnRate); int pwmL = g_iBalancePwm + g_iSpeedPwm - g_iTurnPwm; int pwmR = g_iBalancePwm + g_iSpeedPwm + g_iTurnPwm; if (pwmL > PWM_MAX) pwmL = PWM_MAX; if (pwmL < -PWM_MAX) pwmL = -PWM_MAX; if (pwmR > PWM_MAX) pwmR = PWM_MAX; if (pwmR < -PWM_MAX) pwmR = -PWM_MAX; Motor_SetPWM(pwmL, pwmR); }

注意几个量纲问题：pitch单位是度，gyroY单位是度/秒，PWM_MAX对应定时器 ARR 值的一半，比如定时器 7200 分频 10 后满量程 720。这个表里g_fKAngleSpeed直接作用在角速度上，相当于 PD 控制的微分项，数值远小于比例项是正常的。积分限幅必须比 PWM 限幅小，否则速度环积分饱和后松开遥控器，车会以最大速度冲向一边。转向环的turnRate我习惯用陀螺仪 Z 轴角速度，比左右轮编码器差更平滑，也避免了差速计算在大占空比时溢出。

4.3 PID 参数三步整定法

第一步只跑直立环，把速度环输出和转向环输出直接注释掉。手持车体在桌面正上方，KAngle从 300 开始往上加，车会开始自动找平衡点。如果车身来回摆动幅度越来越大，多半是KAngle符号反了，把角度反馈取反即可。加到车能在松手后原地站 2 秒以上，再加入KAngleSpeed，直到手推车身能迅速回正且不抖。第二步打开速度环，空载时看车是否会在原地缓慢移动，速度环积分项能消除静态误差，但积分增益过大会导致车周期性前冲后撤。第三步打开转向环，手机蓝牙发送左转/右转指令，观察转弯半径是否平滑。整个调试过程建议把蓝牙遥控和串口调参分开，避免遥控数据帧在控制周期内打断直立环。

4.4 蓝牙遥控链路与 APK 源码改造

蓝牙模块走 UART 透传，MCU 在串口接收中断里解析协议帧。协议格式是典型的 8 字节帧：AA 55 04 01 00 00 00 1A，前面AA 55是帧头，04表示后续数据长度，01是命令字，后两个字节分别代表前后速度（-100 ~ 100）和左右转向（-100 ~ 100），末位是校验和，等于前 7 字节累加取低 8 位。手机端 APK 源码直接搜AA 55就能定位到数据打包函数，下载下来的 APK 可以先安装看效果，再用 jadx 反编译确认协议细节，最后对比源码修改。需要改包名的话，Android Studio 里 Refactor 一下包名即可，但要同步改 manifest 里的声明以及蓝牙权限，Android 12 以上还需要在运行时申请BLUETOOTH_CONNECT权限，否则扫描不到 HC-05。

HC-05 上电后如果一直慢闪，说明没有配对。按住模块上的按键上电进入 AT 模式，此时快闪，串口发AT+UART=115200,0,0改波特率，AT+ROLE=1设为主机或从机，AT+PSWD=1234设置配对码。APK 扫描到 HC-05 后输入 1234 即可连接，连上后指示灯变为双闪。常见问题是 HC-05 默认波特率 9600 而源码里初始化 115200，串口打印全是乱码，这个先查波特率再查接线。

5. 源码复现与排错清单

资料里IMU_AHRS.uvproj是主控工程，TWABV.uvproj从命名看对应遥控器侧 MCU 固件，.uvgui_*.bak这类文件是 Keil 界面布局的备份，不影响编译可以忽略。先用 Keil 打开主控工程，确认 Device 型号和仿真器设置，ST-Link 选 SWD 模式，烧录前检查Utilities里的 Flash Download 配置。

最后分享一个调试技巧：先用逻辑分析仪抓电机 PWM 输出，确认占空比极限值，再在直立环代码里加一个条件断点，当pitch大于 30° 时强制关闭电机输出。这样即使参数整定失败，车也只是倒下而不是飞出去。车能站稳之后，把串口输出的pitch用 pySerial 导成 CSV，画个曲线看稳态误差和超调量，比肉眼调参快得多。

提示：排错时优先关闭蓝牙串口中断。遥控器高频数据会在 5ms 控制周期里插入串口处理，导致直立环计算被延迟，车身会莫名抖动。把蓝牙数据接收改为主循环轮询，问题通常立刻消失。

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