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简介：这份资源是面向STM32初学者与嵌入式控制入门者的自平衡小车完整工程包，聚焦纯平衡控制这一核心目标，可用于学习姿态解算与闭环控制的实际落地。压缩包共234个文件、约8.57MB，以41个c源文件与47个h头文件为主体，涵盖STM32外设驱动、MPU6050数据读取与DMP解算、定时器与串口配置；配套的uvprojx、uvoptx工程文件与axf、hex、map等编译产物可直接用Keil打开烧录验证，另附sct分散加载文件与批处理脚本便于清理与构建。已有2215人学习下载，说明该工程在同类入门项目中具有一定参考基础。读者可从中获取传感器数据解析、PID参数整定、电机驱动与调试排错的完整思路，并借助现成工程结构快速搭建实验环境，对照源码理解比例、积分、微分环节对平衡效果的实际影响，适合作为课程设计或自学练手的参考工程。

1. 纯平衡小车到底在跑什么：先看懂这条 5ms 控制链路

平衡小车程序（纯平衡）这类压缩包，真正值钱的地方不是那几个 PID 系数，而是它把 STM32 上一整套控制链路切得很干净：姿态采样、角度融合、串级 PID、电机输出，全部挂在同一个定时中断里，周期固定。很多新手拿到手先改 kp，车一倒就开始怀疑代码，其实问题往往出在链路没跑通，比如角度方向反了、编码器读数没清零、控制周期抖动。纯平衡版本的好处是它砍掉了循迹、避障、遥控这些干扰项，只剩“站住”这一件事，对想搞懂嵌入式闭环控制的人来说，是块很干净的地板。这份代码适合手上已经有 F103 开发板、电机驱动和一块六轴模块，想从零把车调站起来的人；也适合已经能跑 Demo、但说不清串级 PID 到底谁套谁的人。

2. 工程骨架拆解：目录、外设与中断的时间片怎么分

拿到源码包先别急着打开 main.c，先看目录。这类工程一般由 CubeMX 生成 HAL 库骨架，后面的业务代码被拆进几个独立模块，彼此只通过头文件里的函数原型打交道。把目录读一遍，你大概就知道作者把复杂度放在了哪。

2.1 目录结构与模块职责

典型的目录长这样，不同人做法略有出入，但分层思路基本一致：

BalanceCar/ ├── Core/ │ ├── Inc/ │ │ ├── main.h │ │ ├── pid.h # PID 结构体与通用计算 │ │ ├── attitude.h # 姿态：MPU6050 读写 + 互补滤波 │ │ ├── motor.h # 电机 PWM 与方向控制 │ │ ├── encoder.h # 编码器测速 │ │ ├── oled.h # 本地显示（可选） │ │ └── debug.h # 串口调试输出 │ └── Src/ │ ├── main.c # 初始化 + 主循环，不放控制逻辑 │ ├── pid.c │ ├── attitude.c │ ├── motor.c │ ├── encoder.c │ ├── oled.c │ ├── debug.c │ └── stm32f1xx_it.c # 中断入口，只做转发 ├── Drivers/ # HAL 库 + CMSIS └── MDK-ARM/ # Keil 工程文件

如果包里的 Drivers 目录下出现的是STM32F10x_FWLib，说明这是标准库版本，模块划分不变，只是初始化 API 从HAL_xxx_Init换成了xxx_Init。两种版本的业务代码几乎可以直接对拷，真正要改的只有外设初始化和中断回调的写法。

main.c 在这套结构里应该很薄：时钟、GPIO、定时器、串口、I2C 初始化完，启动定时中断，然后进 while(1) 做慢任务（显示刷新、串口打印、按键扫描）。所有跟“车会不会倒”相关的计算，一律不放在主循环。这个边界一旦破了，后面调参基本没法调——主循环里加一句 printf，控制周期就从 5ms 变成 6ms，PID 参数全部要重来。我带过的新手最常见的翻车点，就是在主循环里塞了一堆东西，然后奇怪为什么加个屏幕车就抖。

2.2 外设分配：谁在什么时候干活

一张表把外设职责列清楚，后面查问题会快很多。引脚按工程实际为准，下面是一组常见映射：

PWM 频率这一项经常被忽略。用 1kHz 驱动电机，人耳能听到明显啸叫，电流纹波也大；拉到 15~20kHz 就听不见了，但驱动芯片的开关损耗会上去，TB6612 这类模块一般扛得住。频率改完记得同步改预分频和自动重装值，否则占空比分辨率会掉到没法做细调。

2.3 控制周期：那条 5ms 中断

整套代码的心脏是这个回调，所有实时计算都在里面：

/* TIM6 更新中断，5ms 触发一次，对应 200Hz 控制频率 */ void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { static uint8_t slow_tick = 0; if (htim->Instance != TIM6) return; /* 1. 采姿态：滤波系数与 dt 强相关，dt 变了这里必须跟着改 */ attitude_update(&g_angle, CTRL_DT); /* 2. 读编码器增量，读到就清零，供下个周期重新累计 */ g_enc_l = encoder_read_delta(&htim3); g_enc_r = encoder_read_delta(&htim4); /* 3. 串级 PID：先算速度环，再算直立环和转向环 */ balance_control(g_angle.pitch, g_angle.gyro_y, g_enc_l + g_enc_r, CTRL_DT); /* 4. 输出到电机 */ motor_set(g_pwm_l, g_pwm_r); /* 5. 慢任务分频：10ms 打印一次，绝不在 5ms 里做阻塞 IO */ if (++slow_tick >= 2) { slow_tick = 0; debug_output(); } }

CTRL_DT就是 0.005f，定义成宏而不是到处写 0.005，是为了以后想改周期时只改一处。中断里只做计算和寄存器写入，不做任何等待，printf 靠分频挪到 10ms 一次，而且用的串口发送要配 DMA 或至少是非阻塞的写法——半双工阻塞发送一次 40 字节在 115200 下大约 3.5ms，5ms 周期里塞这个，控制就废了。

编码器读数这里有个小技巧值得单独说，因为很多人第一次写会踩：

/* 读增量并清零：5ms 内计数不会超过 int16 范围，直接强转即可 */ static int16_t encoder_read_delta(TIM_HandleTypeDef *htim) { int16_t cnt = (int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(htim); __HAL_TIM_SET_COUNTER(htim, 0); return cnt; }

计数器是 16 位的，转成有符号数就能同时表达正反转。清零的好处是每个周期拿到的是纯增量，不用自己维护上一次的值做减法，也不会因为累计溢出算错。前提是周期足够短，5ms 内电机转速对应的脉冲数远小于 32767。如果控制周期拉到 50ms，高速时就会溢出翻负，表现为速度环突然反向修正，车猛地一顿——这种偶发问题最难查。

3. 姿态解算链路：MPU6050 读数、互补滤波和开机零漂校准

车能不能站住，七成看角度准不准。角度不准，PID 参数调到天上去也是白搭。这条链路分三段：把原始寄存器读成物理量、把加速度和陀螺仪融合成一个角度、开机时把零漂扣掉。

3.1 初始化与原始数据读取

初始化要关注三个寄存器：电源管理、采样率分频、低通滤波。采样率和滤波带宽必须跟 200Hz 的控制周期匹配，配太高会把噪声全引进来，配太低相位滞后严重，直立环会明显发软。

#define MPU_ADDR 0xD0 #define REG_SMPLRT_DIV 0x19 #define REG_CONFIG 0x1A #define REG_GYRO_CFG 0x1B #define REG_ACCEL_CFG 0x1C #define REG_ACCEL_XOUT 0x3B #define REG_PWR_MGMT_1 0x6B void mpu_init(void) { mpu_write(REG_PWR_MGMT_1, 0x00); /* 解除休眠 */ HAL_Delay(50); /* 上电稳定，别省这一步 */ mpu_write(REG_SMPLRT_DIV, 0x04); /* 1kHz / (1+4) = 200Hz 输出率 */ mpu_write(REG_CONFIG, 0x03); /* DLPF 约 42Hz，压住电机振动噪声 */ mpu_write(REG_GYRO_CFG, 0x08); /* 陀螺 ±500 dps，灵敏度 65.5 LSB/dps */ mpu_write(REG_ACCEL_CFG, 0x00); /* 加速度 ±2g，灵敏度 16384 LSB/g */ }

量程选择是个权衡。陀螺选 ±500dps 而不是 ±2000dps，是因为小车倒下瞬间角速度也就两三百度每秒，量程小一位，分辨率就高一位，静态噪声明显小。但如果你的车特别高、倒得特别快，±500 会削顶，表现为倒到某个角度后数据不动了。

读原始值一次连续读 14 个字节，比逐个寄存器读快得多，也避免两次读取之间数据不同步：

typedef struct { int16_t ax, ay, az; int16_t gx, gy, gz; } mpu_raw_t; void mpu_read_raw(mpu_raw_t *r) { uint8_t buf[14]; mpu_read(REG_ACCEL_XOUT, buf, 14); /* 一次读满，保证同一采样点 */ r->ax = (int16_t)((buf[0] << 8) | buf[1]); r->ay = (int16_t)((buf[2] << 8) | buf[3]); r->az = (int16_t)((buf[4] << 8) | buf[5]); r->gx = (int16_t)((buf[8] << 8) | buf[9]); /* 6、7 是温度，跳过 */ r->gy = (int16_t)((buf[10] << 8) | buf[11]); r->gz = (int16_t)((buf[12] << 8) | buf[13]); }

换成物理量时除以对应灵敏度就行，浮点运算在 F103 上是软件模拟的，能少算就少算。常见做法是加速度只在算角度时用一次，陀螺仪在滤波里用一次，别在每个环节反复换算。

3.2 互补滤波：为什么小车很少上卡尔曼

加速度计算角度用反正切，长期稳定但噪声大；陀螺仪积分短期准但会漂。互补滤波干的事就是给两者分配权重，高通给陀螺、低通给加速度，一行代码搞定：

#define ALPHA 0.98f #define RAD2DEG 57.29578f void attitude_update(attitude_t *a, float dt) { mpu_raw_t raw; mpu_read_raw(&raw); float ax = raw.ax / 16384.0f; float ay = raw.ay / 16384.0f; float az = raw.az / 16384.0f; float gyro_y = (raw.gy - a->gyro_bias_y) / 65.5f; /* 扣零漂后转 dps */ /* 用 atan2 而不是 atan(ax/az)：不会除零，也不用管象限 */ float acc_pitch = atan2f(ay, az) * RAD2DEG; /* 核心一行：陀螺积分占 98%，加速度校正占 2% */ a->pitch = ALPHA * (a->pitch + gyro_y * dt) + (1.0f - ALPHA) * acc_pitch; a->gyro_y = gyro_y; }

ALPHA是这套代码里最玄学的一个参数。取 0.98，时间常数大约 0.25 秒，跟得上车的动作又能压住振动；取 0.999，角度很平滑但会明显滞后，直立环表现为“反应慢半拍”，车总是往倒的方向多走一步才修正；取 0.9，加速度噪声直接灌进来，电机发出沙沙声。我一般从 0.98 起调，如果车在原地高频小幅抖动，先往 0.99 调一点看看，如果反而更晃，说明是机械共振不是滤波问题。

至于卡尔曼，网上教程一片一片，但在这类小车上收益有限。F103 没有硬件浮点，五阶矩阵运算一次几百微秒，200Hz 下 CPU 占用不低；而且卡尔曼的过程噪声、观测噪声两个协方差矩阵，实际调起来比 ALPHA 一个参数难得多。除非你的车要上坡、要扛冲击，否则互补滤波够用。这是个典型的“教程最优”和“工程够用”之间的差别。

3.3 开机校准：把零漂扣干净

陀螺仪静止时输出不为零，这是物理特性，不是坏块。零漂不扣，积分出来的角度会匀速漂移，车会一直以为自己在往一个方向倒，于是持续给反向修正，表现为上电后慢慢往一边跑。

/* 开机静置 1 秒，采样 500 次求均值作为零漂 */ void mpu_calibrate(attitude_t *a) { int32_t sx = 0, sy = 0, sz = 0; mpu_raw_t raw; for (uint16_t i = 0; i < 500; i++) { mpu_read_raw(&raw); sx += raw.gx; sy += raw.gy; sz += raw.gz; HAL_Delay(2); } a->gyro_bias_x = (float)sx / 500.0f; a->gyro_bias_y = (float)sy / 500.0f; a->gyro_bias_z = (float)sz / 500.0f; }

调用这个函数期间小车必须完全静止放在桌上，电机不能通电。校准完再启动控制中断，顺序反了会把电机振动一起算进零漂里，那这个校准就白做了。另外零漂随温度变化，冷机开机和跑十分钟后能差出零点几度每秒，长跑场景下有人会做慢速跟踪补偿：车静止判断成立时，缓慢把零漂往当前陀螺读数上拉，用时间换精度。这套纯平衡代码里不一定带，属于可以自己加的改造点。

4. 串级 PID 实现：直立环、速度环、转向环的代码与参数

这是整个项目最核心的一段。很多人卡在“三个环怎么套”，其实理顺一句话就通了：直立环负责让车不倒，速度环不直接驱动电机，而是去改直立环的目标角度，转向环最后叠加到左右轮差速上。

4.1 通用 PID 结构体与计算函数

先把三个环共用的部分抽出来，避免复制三份几乎一样的代码：

typedef struct { float kp, ki, kd; float target; float integral; /* 积分累计项 */ float last_err; float out_max; /* 输出限幅 */ float integral_max; /* 积分限幅，防止饱和 */ } pid_t; float pid_calc(pid_t *p, float measure, float dt) { float err = p->target - measure; p->integral += err * dt; if (p->integral > p->integral_max) p->integral = p->integral_max; if (p->integral < -p->integral_max) p->integral = -p->integral_max; float out = p->kp * err + p->ki * p->integral + p->kd * (err - p->last_err) / dt; p->last_err = err; if (out > p->out_max) out = p->out_max; if (out < -p->out_max) out = -p->out_max; return out; }

积分限幅和输出限幅这两行看着不起眼，实际上是血泪经验。速度环积分不限，车被手挡住两秒，积分项能攒到几千，一松手车直接蹿出去，这就是典型的积分饱和。integral_max一般取out_max / ki的量级再留点余量，具体数值配合实际调参定。

4.2 直立环：PD 控制与机械中值

直立环只用 PD，不用 I。因为它要的是快速响应，积分项在这里只会拖慢节奏、引入过冲。

float balance_pid(float angle, float gyro_y) { /* 目标是机械中值，不是 0 度。车重心偏前偏后都要靠这个补偿 */ float err = angle - g_mech_zero; /* P 拉回角度，D 用陀螺仪而不是对角度差分 */ float out = g_balance.kp * err - g_balance.kd * gyro_y; return out; }

D 项直接拿陀螺仪读数，这一点值得展开。如果用(err - last_err) / dt对角度做数值微分，角度本身的噪声会被放大十几倍，电机听着像在打嗝。陀螺仪输出的本来就是角速度，物理意义上正好对应微分项，还自带低通，噪声小得多。代价是符号要自己确认：车往前倾时角度增大、陀螺读数方向可能相反，第一次调的时候把 D 的符号搞反，车会瞬间变成正反馈，一上电就全速冲出去，非常危险。

g_mech_zero是机械中值，也叫平衡点。它不是 0 度，因为电池、驱动板、传感器的重量分布决定了重心不在几何中心。判断方法：手扶车让它静止在刚好不往任何方向倒的姿态，读此时的角度值，写进这个变量。这个值调不准，车会一直有个恒定的前后偏移，速度环再怎么调也只能把它压成缓慢蠕动。

4.3 速度环：PI 串进直立环的中值

速度环的输出不去驱动电机，而是叠加到机械中值上。这是串级的精髓所在：

void balance_control(float angle, float gyro_y, int32_t enc_sum, float dt) { /* 编码器原始计数转换成 cm/s，系数靠实测标定 */ float speed = enc_sum * ENC_TO_SPEED; /* 一阶低通，滤掉编码器量化噪声，系数 0.3 左右 */ static float speed_f = 0; speed_f = speed_f * 0.7f + speed * 0.3f; /* 第一级：速度环 PI，目标是零速 */ g_speed.target = 0.0f; float speed_out = pid_calc(&g_speed, speed_f, dt); /* 速度环输出改变直立环的目标角度，而不是直接给 PWM */ float target_angle = g_mech_zero + speed_out; /* 第二级：直立环 PD */ float err = angle - target_angle; float balance_out = g_balance.kp * err - g_balance.kd * gyro_y; /* 转向环单独算，纯平衡版本一般只给 0，留接口 */ float turn_out = turn_pid(); /* 合成到左右轮，转向是差速叠加 */ int16_t pwm_l = (int16_t)(balance_out + turn_out); int16_t pwm_r = (int16_t)(balance_out - turn_out); g_pwm_l = pwm_limit(pwm_l); g_pwm_r = pwm_limit(pwm_r); }

为什么不能速度环直接给 PWM？因为直立车是欠驱动系统，唯一的控制量是轮子加速度，而轮子加速度同时影响倾角和位移。速度环直接输出会跟直立环抢控制权，两个环互相打架，表现为车在原地前后低频摆动，怎么调参数都压不住。串起来之后，速度环只管“我要往哪边倾一点才能回到原点”，直立环只管“怎么快速倾到那个角度”，职责清晰，参数也好调。

速度环一般只给 PI，不给 D。编码器信号本来就有量化噪声，再微分会炸。P 决定回到原点的力度，I 消除稳态误差——只有 P 的话，车会停在一个偏离原点的位置不动，因为速度为零时 P 项输出为零，没有力量把它拉回去。

4.4 输出限幅与死区

最后一道关卡是限幅和死区，这两个参数直接决定车是“稳”还是“抖”：

static int16_t pwm_limit(int16_t v) { /* 死区：占空比太小电机转不动，反而发热，直接归零 */ if (v > 0 && v < MOTOR_DEADZONE) return 0; if (v < 0 && v > -MOTOR_DEADZONE) return 0; if (v > PWM_MAX) return PWM_MAX; if (v < -PWM_MAX) return -PWM_MAX; return v; }

MOTOR_DEADZONE是电机启动的最小占空比，减速电机带齿轮箱，一般要 5%~10% 才转得动。不加死区，PID 在零点附近输出的几十个 LSB 占空比推不动车，只在电机线圈里发热，还会让积分项持续累积。加了死区，零点附近变成开关式的输出，反而更干净。

PWM_MAX也别设成满量程。留 20% 余量，一是防止瞬间大电流拉垮电池电压导致单片机复位，二是给转向差速留空间——如果balance_out已经顶到最大值，再加减turn_out就会削顶，转向直接失效。

5. 避坑排查：上电就倒、高频抖动、慢漂的 5 条现场经验

代码看懂了不等于车能站起来。下面这几条是调车过程中几乎必然会撞上的，按“现象、原因、解决”的顺序排好，对号入座能省不少时间。

5.1 现象：一上电就朝一个方向全速冲，扶都扶不住

原因基本只有一个——某个环节的符号反了。可能是电机相线接反、编码器 A/B 相接反、陀螺仪方向与安装方向不一致，也可能是直立环 D 项符号写反。这几个错误的表现都是正反馈：车越倒，输出越往倒的方向推。

解决方法是上电前逐项验证，不要靠猜。第一步架空车轮，用手把车头往下压，看轮子是不是往车头方向转（追着倒的方向跑才对）；第二步转动车轮，看串口打印的速度符号跟实际方向是否一致；第三步把车倾斜一个固定角度，看打印的角度符号。三项全部对上再落地。从那以后我每次重新接线都会走一遍这个流程，比事后排查快十倍。

5.2 现象：车能站住但原地高频抖动，电机发出“嗡嗡”或“哒哒”声

这个要分两种。嗡嗡声一般是滤波或 D 参数问题，哒哒声更像机械间隙或者控制周期不稳。常见诱因有三个：D 参数给太大，把传感器噪声放大成了抖动；ALPHA 取值偏小，加速度噪声漏进角度里；MPU6050 没有做减振，电机振动直接传上来。

处理顺序是先减振再调参。在传感器和车架之间垫一层厚双面胶或者减振棉，效果立竿见影，很多“调不出来的抖动”其实换个安装方式就没了。然后再把 kd 往小调 20%，看抖动频率有没有下降。如果调小 kd 后车变得软塌塌站不稳，说明抖动不是 D 引起的，回头查 ALPHA 和 PWM 频率。

5.3 现象：车静止放着，角度值以每分钟几度的速度缓慢漂移

零漂没扣干净，或者校准的时候车没放稳。还有一种容易被忽略：校准期间电机驱动虽然没输出，但使能脚是开的，线圈有微弱电流，磁场干扰传感器。

解决方法是把校准函数挪到电机初始化之前调用，并且在校准前加 300~500ms 的延时等芯片内部稳定。校准完把零漂值通过串口打出来，正常情况下三轴都应该在几十 LSB 以内，如果某一轴到了几百，说明校准环境有问题（桌子在晃、旁边有音箱或磁铁）。跑久了才漂的属于温漂，可以加一个静止检测：连续若干周期角度变化小于阈值且编码器为零，就慢速更新零漂，时间常数给到几十秒，不影响动态响应。

5.4 现象：车能站，但总是匀速往一个方向慢慢跑，越跑越快

先看机械中值。手扶车找到真正静止平衡的角度，跟代码里的g_mech_zero对一下，差个一两度很正常，差五度以上就要重新标定。标定不准，速度环会持续输出一个偏置去补偿，补偿量一大就容易触发积分饱和。

如果中值没问题，检查速度环的积分限幅是不是设得太大，或者编码器方向接反导致速度环正反馈——这个隐蔽性很强，车会表现为慢慢加速然后突然失控。用串口把速度值打出来，手推车往前，看数值是不是跟预期方向一致，一眼就能看出来。

5.5 现象：一开串口打印，车立刻开始抖

控制周期被破坏了。115200 波特率下发 40 字节大约 3.5ms，如果放在 5ms 中断里做阻塞发送，实际周期就变成 8ms 以上，而且抖动不定。PID 对周期抖动极其敏感，dt在公式里是除数，周期一变，等效的 D 项增益就跟着变。

解决办法有三层：把打印挪出中断，用环形缓冲区加 DMA 发送；降低打印频率到 50ms 甚至 100ms 一次；只打关键变量，别一次打十几个浮点。我一般调试期只打角度、速度、PWM 三个量，够看趋势了。真要精细分析，把数据按二进制帧发出去，上位机解析，比文本协议省一半带宽。

6. 二次开发：调参顺序、串口协议与验证手法

这套纯平衡代码的扩展性其实很好，因为它把控制律和硬件访问分开了。想加功能，优先在balance_control外面套，而不是改里面的公式。我自己改这类工程有个固定顺序：先保证原始版本能站住，再加新东西，每加一样就回归测试一次。

调参顺序千万别乱。正确顺序是：机械中值 → 直立环 P → 直立环 D → 速度环 P → 速度环 I → 转向环。跳过中值直接调 P，你会发现无论怎么调车都有个固定偏移；先调速度环再调直立环，车根本站不住，没有调参的物理基础。

加串口调参是最值得先做的一件事。不用改代码重新烧录，调参效率完全不同：

/* 帧格式：0xAA 0x55 | 参数ID | float 四字节 | 校验和 */ void param_parse(uint8_t *buf, uint8_t len) { if (len != 8 || buf[0] != 0xAA || buf[1] != 0x55) return; uint8_t sum = 0; for (uint8_t i = 0; i < 7; i++) sum += buf[i]; if (sum != buf[7]) return; /* 校验不过直接丢，别信坏帧 */ float val; memcpy(&val, &buf[3], 4); /* 用 memcpy 避免对齐问题 */ switch (buf[2]) { case 1: g_balance.kp = val; break; case 2: g_balance.kd = val; break; case 3: g_speed.kp = val; break; case 4: g_mech_zero = val; break; default: break; } }

再加一条命令让参数能存进 Flash，下次上电自动加载，就不用来回调。注意写 Flash 会阻塞几十毫秒，一定要在车停稳、电机断使能的状态下执行，运行中写 Flash 会导致控制中断丢失，车直接趴下。

验证改动是否有效，别只看“感觉稳了”。我的做法是给一个固定扰动：用手在同一位置、同一力度推车头，看它回到平衡位置需要几次摆动。好的参数一般一到两次就收住，三次以上说明阻尼不够，零次但回得很慢说明 P 偏小。把这个过程录下来对比，比凭记忆靠谱得多。

最后说个习惯。从那以后我每次改完参数、重新烧录之前，都会先把车轮架空再上电，确认三个方向的动作都符合预期才落地。这个动作看着多余，但它拦下过好几次符号写反导致的全速冲车。希望帮到你。

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