基于STM32的自平衡小车研发

1. 立项背景和目标
智能移动机器人是物联网与嵌入式运动控制领域典型应用，传统遥控小车无法自主保持平衡，操控难度高。本项目立足智能硬件运动控制业务，结合姿态传感技术，目标开发一台基于STM32的两轮自平衡小车，实现车体自主平衡、姿态稳定控制、蓝牙无线遥控调速转向，可应用于小型巡检、智能移动载体场景，掌握闭环PID运动控制、姿态解算、无线指令交互整套嵌入式开发流程。
2. 软件核心功能模块
1. 姿态采集模块：驱动陀螺仪加速度MPU6050传感器，读取车体角速度、倾角原始数据；
2. 姿态解算与PID控制模块：对原始传感数据滤波处理，通过PID闭环算法计算输出控制量；
3. 电机驱动模块：输出PWM波形，驱动左右直流电机，调整转速与转向，抵消倾斜角度，维持车体平衡；
4. 蓝牙通信模块：接收手机蓝牙端下发的操控指令，解析前进、后退、左右转向、速度档位命令
5. 系统调度模块：基于FreeRTOS实时操作系统，划分姿态采集、PID运算、电机控制、蓝牙指令解析多任务并发执行。
3. 完整业务流程路径
MPU6050实时采集车体倾斜角度、运动加速度数据 → STM32通过I2C接口读取原始数据并软件滤波 → PID控制器根据倾角偏差值计算电机输出PWM数值 → 驱动电机正反转动，输出力矩校正车身姿态，实现自平衡；
同时蓝牙模块实时监听外部操控指令 → FreeRTOS任务解析指令参数，叠加速度、转向控制量至PID输出值 → 小车同步完成平衡+遥控行进动作，整套闭环控制链路毫秒级循环运行，实现稳定可控的智能平衡运动。

1. 整体架构与技术栈
整体采用嵌入式分层架构：硬件层（STM32主控、MPU6050姿态传感器、直流减速电机、蓝牙模块、L298N电机驱动板）；驱动层（C语言编写I2C、PWM、蓝牙串口底层驱动）；系统层（FreeRTOS实时操作系统）；算法应用层（姿态融合解算、PID闭环控制算法）。
核心技术栈：C语言、STM32单片机、Keil MDK、FreeRTOS、PWM波形输出、I2C通信、PID控制算法、串口蓝牙通信。
2. 个人负责模块&量化成果
本人独立完成平衡小车全部固件开发、硬件接线调试、参数整定工作：
1. 编写传感器、电机、蓝牙全套底层驱动代码，总代码量约3000行；
2. 移植FreeRTOS系统，划分四大独立任务，实现姿态采样、算法运算、电机输出、指令接收并行运行；
3. 分段整定PID参数，最终车体静态平衡倾角误差控制在±1.5°以内，行驶过程无明显抖动；
4. 蓝牙通信协议解析调试，可稳定接收手机指令，无级调速、灵活转向，遥控响应延迟＜20ms；
5. 整车连续通电测试2小时，平衡控制系统全程稳定，不会倾倒、失控、死机。
3. 难点、问题及解决方案
1. 难点：车体无法自主平衡，左右剧烈晃动，极易倾倒；
解决方案：拆分PID参数调试逻辑，先单独调试比例P参数，实现基础角度纠偏；再加入积分I消除静态倾斜偏差；最后调试微分D参数抑制晃动抖动，分段迭代优化整套参数，最终实现平稳平衡。
2. 难点：多任务并行时，PID运算耗时过高，导致姿态控制周期不稳定，平衡效果变差；
解决方案：优化任务优先级，将PID姿态控制任务设置为最高优先级，精简算法冗余计算，缩短单次运算耗时，保证控制周期固定，闭环控制系统实时性达标。
3. 难点：传感器原始数据噪声大，倾角数值跳变，导致电机频繁乱转；
解决方案：采用一阶互补滤波算法融合加速度计与陀螺仪数据，过滤高频噪声，输出平滑稳定的倾角数值，控制系统输出更加平稳顺滑。
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