【开源毕设/项目】基于STM32F103C8T6与TB6612FNG的串级PID直立平衡小车

自己的毕设，学了两个月搓出来的平衡车小板，用来验证串级pid的直立算法，有演示视频：https://www.bilibili.com/video/BV1CZ9ZBTELb/
代码和3d模型在附件

本项目是一个基于STM32F103C8T6单片机制作的迷你两轮平衡小车，包含原理图PCB、3D打印外壳及全开源软件算法。核心算法采用串级PID（双闭环） 进行直立控制，非常适合单片机初学者、控制理论入门以及毕业设计参考。

🧩 项目亮点

• 纯国产/易购买器件：STM32F103C8T6 + TB6612FNG（经典低成本方案）。
• 核心算法：使用 串级PID + 互补滤波，实现稳定的自平衡效果。
• 硬件开源：提供Altium Designer/立创EDA源文件，修改方便。
• 3D打印结构：提供小车底壳、电机支架、电池卡扣等STL模型。
• 快速上手：提供完整的Keil工程代码和烧录教程。

---

🔧 硬件方案详解 (基于原理图)

1. 主控单元 (MCU)

• 型号：STM32F103C8T6
• 最小系统：8M晶振 + 复位电路，支持SWD调试接口。

2. 电机驱动

• 驱动芯片：TB6612FNG (双路直流电机驱动)
• 优点：相比L298N，TB6612的发热量更小，响应频率更高，支持大电流。可直接接入锂电池供电。

3. 电源管理

• 输入：7.4V - 12V 锂电池。
• 5V稳压：R3TPS5430DDAR（高效率DC-DC降压芯片），为大功率电机驱动提供稳定5V。
• 3.3V稳压：RT9013-33GB（低压差线性稳压器），为MCU和传感器提供低噪3.3V。

4. 姿态传感器 (通常配合板载I2C接口)

• 板载预留I2C接口，推荐使用 MPU6050 六轴陀螺仪/加速度计。

5. 人机交互

• 按键：SW1 (PB3), SW2 (PB4), SW3 (PB5)
  • 用途：控制小车启停、切换调试模式、PID参数加减调整。
• 指示灯：提供系统状态LED。

6. 引脚分配（核心）

• MCU - 电机A (左/右)：
  • PB14, PB15 (PWM/方向)
  • PB12, PB13 (PWM/方向)
• 传感器：支持I2C (PB10/PB11) 连接MPU6050。

---

🧠 软件与算法设计 (核心部分)

1. 姿态解算：互补滤波 (Complementary Filter)

为了获得平滑且无漂移的角度，软件中使用互补滤波融合陀螺仪与加速度计数据：
Angle = 0.98 * (Angle + GyroY*dt) + 0.02 * AccelAngle

2. 控制算法：串级PID (Cascade PID)

为什么不只用单级PID？
单级PID直接调节电机输出来平衡车身，响应慢且容易过冲。本项目采用内环+外环模式：

• 外环 (角度环)：输入为目标角度(0°)和当前实际角度。输出为目标角速度。
• 内环 (角速度环)：输入为上面计算出的目标角速度和实测角速度。输出直接为电机PWM值。

调参心得：一定要先调内环P值（使车能僵直地阻止你推它），再调外环P值（让车快速回正），最后加一点D值抑制震荡。

3. 避震与保护代码

• 死区补偿：解决电机在极小PWM下不动的问题。
• 限幅保护：PWM输出上限保护电机不烧坏。
• 电池过放检测：通过ADC读取电池电压（如有），低电量时自动停机。

---

🖨️ 3D打印结构件 (基于此PCB)

本小车的3D打印件包含（需自行组装）：

1. 车架：固定PCB和电池和电机。

注：附件中包含 xxx.stl 和 xxx.step 源文件，可根据个人电机尺寸调整。

---

🚀 快速上手 & 复现指南

1. 准备物料：
   • 本PCB打样 * 1。
   • STM32F103C8T6 * 1、TB6612FNG * 1、MPU6050 * 1。
   • N20或GA12电机 * 2（带编码器非必需，纯位置/速度控制）。
   • 电池组2s/3s * 1。
2. 组装：
   • 焊接好板子 -> 安装MPU6050 -> 安装电机 -> 连接电源。
3. 烧录程序：
   • 使用ST-Link连接SWD接口。
   • 打开 Keil_Project/ 目录下的工程，编译并下载。
4. 试车：
   • 打开开关 -> 放置在地面上 -> 等待MPU6050初始化完毕 -> 轻推小车观察是否平衡。

💡 常见问题 (FAQ)

• Q：小车一直往一边倒怎么调？
  • A：调整板子的物理重心，或者通过软件给PID增加一个机械零点补偿值。
• Q：电机发出嗡嗡声且剧烈震荡怎么办？
  • A：这是因为PID参数P值过大。请降低角速度环（内环）的P参数。
• Q：遥控控制怎么实现？
  • A：你可以在代码中添加HC-05蓝牙模块（在串口1/UART上），通过把上位机发送的速度值叠加到电机总输出上即可实现。

---

📺 演示视频

https://www.bilibili.com/video/BV1CZ9ZBTELb/