lijinshang/GM_BalanceCar

 智能有刷电机两轮平衡车，主打 “全开源·超稳定·低成本”。磐石级稳定操控、多重防护防摔车、免调参数开机即用、物料易得焊接简单、模块化设计易学习。 ## 视频展示链接： [哔哩哔哩-开源智能两轮平衡车](https://www.bilibili.com/video/BV1aMTy6wEjd/) https://www.bilibili.com/video/BV1aMTy6wEjd/ ## 代码仓库： [github-GM_BalanceCar](https://github.com/lijinshang/GM_BalanceCar) https://github.com/lijinshang/GM_BalanceCar ## 渲染图  ## 项目简介 本项目是基于STM32F401RET6微控制器开发的高性能智能两轮平衡车系统，采用充电板+主控板双板架构，硬件原生兼容有刷/无刷电机，以**低成本、高稳定性、易复刻和安全可靠为设计核心**，面向高校教学、科研实验及开源硬件爱好者社区快速落地。 系统搭载Cortex-M4内核（带FPU），主频84MHz，具备强大的浮点运算能力，为复杂控制算法提供充足算力。姿态感知采用**MPU6052C六轴传感器模块**，结合互补滤波算法实现高精度姿态解算，确保平衡车在各种工况下的稳定运行。驱动部分采用**EG2133双路电机驱动方案**，支持无刷电机和有刷电机，便于后续升级扩展。 电源系统采用两节18650锂电池串联供电，充电板集成IP2326电源管理芯片，支持USB-C充电，具备过充、过放、过流等多重保护。主控板内置DC-DC转换电路，输出5V/3.3V为系统各模块供电，并创新性地设计了**零功耗软件开关机电路**——长按按键开关机、短按紧急制动，兼顾操作便捷性与使用安全性。 系统在控制算法上采用**串级PID架构**，实现**静态磐石级稳固与动态刚性化**操控，免调参。软件基于**FreeRTOS实时操作系统**，采用多任务调度架构（平衡控制任务1ms、传感器任务1ms、通信任务10ms、显示任务50ms），兼顾控制实时性与系统稳定性。支持标准USB游戏手柄无线遥控，交互界面通过WS2812B RGB灯与音乐蜂鸣器直观反馈系统状态。代码采用分层模块化设计，核心算法与硬件驱动解耦，复用性强、易于二次开发与平台迁移。 本项目**采用分层堆叠式结构设计**，从上至下依次为：电池充电板 → 平衡车主控板 → 底盘。各层之间通过M3铜柱连接固定，形成稳固的塔式结构。整体重心位于平衡车主控板偏上位置，有利于自平衡控制的动态稳定性。  ## 项目功能 ### 核心控制功能 - **自平衡站立**：基于MPU6052C六轴姿态传感器与串级PID控制算法，实现两轮平衡车的稳定直立，静态晃动小，抗干扰能力强，轻碰撞不倾倒 - **运动控制**：支持前进、后退、原地转向及速度连续调节，响应迅速、操控精准 - **三档速度调节**：通过手柄按键切换低速/中速/高速三档，适应不同场景（室内调试、户外行驶、快速机动） - **自动校准**：首次上电自动执行编码器角度校准（车轮悬空，耗时约20秒），校准数据永久存入Flash，后续开机免等待。长按开关机键10秒可清除校准数据，下次开机重新校准 ### 遥控交互功能 - **USB游戏手柄遥控**：兼容标准USB HID协议游戏手柄（如Xbox风格手柄），按键功能如下： - START键：启动平衡 - SELECT键：停止平衡 - 左摇杆左右：左转/右转控制 - 右摇杆上下：前进/后退控制 - 方向键：低速精细控制 - L1键：转向限幅（降低转向灵敏度） - R1键：半速（中速），R2键：全速（高速） - B键：喇叭提醒 - **手柄断线保护**：手柄连接断开后自动将控制指令清零，速度降为零并维持平衡，杜绝失控风险 - **板载POWER按键控制**：长按3秒开关机，短按紧急制动停车，长按10秒清除校准数据 ### 免调参 - **免调参设计**：参数预设即完美，用户无需调整PID参数即可稳定运行 ### 安全保障功能 - **分级保护响应**：根据异常严重程度分为三级——轻异常告警（LED+蜂鸣器提醒）、中异常降速（逐步降低输出）、重异常停机（切断电机输出），平衡安全与操控连续性 - **姿态超限保护**：当车体倾斜角度超过安全阈值（±30°）且持续1秒时自动停机，防止侧翻 - **电机过流保护**：实时监测电机驱动电流，超过设定阈值自动衰减输出而非立即停机，防摔车。衰减后至少保留 50% 输出，避免动力完全中断 - **低压报警停机**：电池电压低于6.4V时触发三级保护——平衡状态下先蜂鸣警告再自动关机，行驶中先将速度归零维持平衡再关机，防止突然断电摔车 - **车轮离地保护**：检测到车轮空转（转速>450RPM 且 角度<30° 持续1秒）时自动停止电机输出，防止飞车 - **传感器异常保护**：MPU6052C通信异常或数据超时自动进入安全停机模式。编码器故障时发出报警并阻止系统启动 - **二次启动保护**：停机后必须检测到一次角度超限事件，才允许再次启动，防止误触发重复启动 ### 状态可视化 - **RGB LED状态指示**：WS2812B灯珠，支持纯色常亮、呼吸、追逐、故障、渐变五种显示效果，运行状态颜色映射如下： - 未直立：亮红色 | 待机：绿色 | 平衡中：蓝绿色 - 速度映射：低速偏蓝 → 高速偏红渐变 - **车身照明**：前进时前白光照明亮起，后退时红光照明亮起，自平衡状态时全灯点亮 - **蜂鸣器提示**：音乐蜂鸣，消息队列非阻塞播放，支持开机音、关机音、启动音、停止音、低电量警告、角度异常警告、校准完成等多种场景音效 - **串口调试输出**：通过UART实时输出姿态角、电机转速等关键调试数据，支持在线参数调试，无需重新烧录 ### 应用场景 - **高校教学实验**：作为控制理论、嵌入式系统、传感器应用的综合性实验平台，覆盖串级PID控制、姿态解算、电机驱动、通信协议等知识点 - **创新实践与竞赛**：适合电子设计大赛、机器人竞赛、创新项目等，可快速搭建、稳定可靠 - **科技科普展示**：适合实验室、科创社团、科技馆进行互动展示，观赏性强 - **开源学习项目**：物料易得、成本低廉，学生与爱好者可轻松复刻 - **二次开发平台**：预留UART、SPI等扩展接口，可加装超声波避障、OLED显示、蓝牙通信、AI摄像头等模块 ## 项目设计 ### 总体硬件架构  ## 系统架构设计 系统采用分层模块化架构，硬件层面划分为上下两级功能板： - **上层：电池充电板** 负责外部能量输入、锂电池充放电管理、过流保护及车身照明配电。该板作为整车能量枢纽，向下级主控板提供+8.4V电源。 - **下层：平衡车主控板** 作为系统计算与控制核心，承担姿态解算、平衡控制算法执行、电机驱动、状态监测及外部通信等功能。 两板之间通过主电源母线与信号线束互联，形成从能量获取到运动执行的完整闭环。 ## 电池充电板设计   ### 能量输入与充电管理 外部能量通过USB Type-C接口接入，由**IP2326电池管理芯片**实现锂电池的充电状态机控制。IP2326在本项目中承担以下关键职能： - 恒流/恒压（CC/CV）充电控制； - 两节18650锂离子电池的均衡管理； - 过充电压、过放电压、过温及短路保护。 电池组采用两节18650电芯串联方案，额定电压7.4V，满电电压8.4V，为整车电机驱动及控制电路提供原始动力。 ### 电源保护与前级配电 电池输出端串接保险丝，作为系统最后一级过流与短路保护屏障。经保护后的+8.4V母线直接输出至主控板。 ### 照明系统 电池充电板集成车身照明功能，包括： - 彩灯×4（氛围灯）； - 前进灯×2、后退灯×2（方向指示和照明）； ## 平衡车主控板设计    ### 电源管理单元 主控板接收来自电池板的+8.4V母线，首先通过**零功耗开关机管理电路**实现系统的一键启停与极低功耗待机。随后经二次稳压网络生成： - **+5V电源**：为电机栅极驱动器、蜂鸣器及模拟外设供电； - **+3.3V电源**：为MCU内核、IMU传感器、通信接口等数字电路供电。 **电压检测模块**对电池母线进行实时采样，为电量估算（SOC）及低压报警、欠压保护提供数据支撑。 ### 核心控制单元 本项目选用**STM32F401RE**作为主控制器，其基于ARM Cortex-M4内核，最高工作频率84MHz，具备浮点运算单元（FPU），满足姿态解算与实时控制算法的计算需求。MCU在本系统中的核心职责包括： - 与IMU模块通信，获取姿态信息； - 闭环平衡控制算法执行； - 双路电机PWM控制； - 系统状态监测与保护逻辑； - 外部通信与调试接口管理。 ### 运动执行单元 本项目采用双通道有刷直流电机驱动方案（支持无刷电机），每通道配置如下： - **EG2133半桥栅极驱动器**：接收MCU输出的PWM信号，组成H桥驱动有刷电机，支持电机正反转及调速； - **INA181A1电流检测放大器**：实时监测电机电流，实现过流保护及力矩闭环控制； - **电机反馈接口（SPI）**：通过SPI总线连接磁性编码器，获取电机转子位置与转速信息。 ### 人机交互与调试接口 主控板提供丰富的外部接口资源，以支持调试、扩展及人机交互： - **蜂鸣器**：用于开机提示、故障报警、低电量及超速等声学状态提示； - **LED指示灯/LED灯接口**：用于电源状态、运行状态及外部灯带的视觉反馈； - **USB接收器**：用于无线游戏手柄接收； - **串口（UART）**：支持在线参数调试、数据示波等； - **SWD调试口**：程序下载、实时在线调试； - **SPI扩展接口**：为显示屏等外设预留高速总线资源。 ## 项目参数 ### 电源系统 - 电池类型：**两节18650锂电池串联**（标称7.4V，满电8.4V），容量建议2600mAh以上 - 充电管理：**IP2326**，支持USB-C 5V输入，最大充电电流2A，带NTC温度保护 - DC-DC转换：5V/3A降压，3.3V/500mA LDO（MCU及传感器电源） - 软件开关机：长按3秒开机/关机，短按紧急制动，关机功耗<1μA（零功耗待机） - 续航时间：2600mAh电池组，连续直立约30小时 ### 主控及传感器 - 主控芯片：**STM32F401RET6**，Cortex-M4内核，带FPU，主频84MHz，Flash 512KB，SRAM 96KB - 姿态传感器：**MPU6052C**六轴（三轴陀螺仪+三轴加速度计），采样率500Hz ### 电机驱动 - 驱动芯片：**EG2133**双路半桥栅极驱动，每路组成H桥驱动有刷电机 - 电机类型：直流有刷电机 - PWM频率：12kHz - 最大持续驱动电流：5A（单路） - 电流采样：低侧分流电阻+运放放大 - 编码器接口：磁性编码器（SPI通信），支持位置与速度检测 ### 控制性能 - 控制周期：2ms - 姿态解算算法：四元数互补滤波 - 静态直立角度稳态误差：<0.02度 - 指令响应延迟：2ms - 控制架构：姿态环（直立/转向） + 速度环串级PID - 操作系统：FreeRTOS 实时多任务调度 ### PCB设计 - 板层结构：**两层板**（双面板），板厚1.6mm，铜厚1oz - 板卡架构：电池充电板（电源管理）+ 平衡车主控板（控制与驱动） - 充电板尺寸：92mm × 54mm - 主控板尺寸：92mm × 54mm ### 物理参数 - 整体尺寸：约160mm × 56mm × 100mm - 整机重量：约480g（含电池，不含手柄） - 轮径：65mm橡胶轮胎 - 轮距：130mm - 质心高度：60mm - 最大载重：>1kg ### 通信接口 - USB HID：通过STM32内置USB FS外设实现，用于连接游戏手柄 - UART6：调试串口，115200bps，输出实时数据 - UART：连接MPU6052C传感器 - SPI1：磁性编码器接口*2 - SPI2：预留扩展接口 - SWD：程序下载与调试接口 ## 系统状态机 系统运行过程中在不同状态之间切换，确保运行逻辑清晰、安全可控： | 状态 | 含义 | |------|------| | 初始化 | 系统上电，硬件自检，加载校准数据 | | 待机 | 等待启动指令，监测启动角度（±10°范围内自动启动） | | 平衡 | 车身自主稳定直立 | | 运动 | 平衡状态下接收遥控指令，执行前进/转向 | | 保护 | 异常触发，安全停机或降级运行 | 关键状态转换： - 待机→平衡：车身进入启动角度范围，自动启动平衡 - 平衡↔运动：接收/停止遥控指令 - 平衡/运动→保护：姿态异常、过流、低电量等触发 - 保护→待机：异常解除后返回 ## 仿真调试 本项目开发了一款基于html5的**两轮平衡车仿真调试器**，以倒立摆为物理模型，融合角度环与速度环双闭环PID控制策略。仿真器提供直观的图形界面，支持**实时调节车身质量、重心高度、阻尼系数**等物理参数，并可**在线修改PID系数、积分限幅和输出限幅**，直观观察系统动态响应。通过六组**实时曲线和动态侧视图**，用户可清晰监测角度、速度、位移及PID分量变化，并可**注入扰动、设定目标速度**，测试控制系统的鲁棒性与抗干扰能力。该仿真工具有效缩短了控制参数调试周期，降低了实物实验风险，为平衡车初期算法开发和后期参数调试提供了可靠的验证平台。  利用 GM CommsDebug 的串口示波功能，可在平衡车运行过程中实时抓取并绘制数据曲线，瞬时反馈控制效果，让实物调试从“盲调”迈向可视化精准调校。告别烧录-观察-再烧录的低效循环。  ## 整车BOM | 描述 | 类别 | 数量 | 单价 | 金额 | |---|---|---|---|---| | 平衡车主控板（SMT不含价格浮动元件） | PCBA | 1 | 22 | 22 | | 电池充电板（SMT不含价格浮动元件） | PCBA | 1 | 13 | 13 | | 磁性编码器板（SMT不含价格浮动元件） | PCBA | 2 | 1.5 | 3 | | 50P06 | MOS管 | 1 | 0.5 | 0.5 | | BSC0702LS | MOS管 | 12 | 0.8 | 9.6 | | INA181A1IDBVR | 运放 | 2 | 1 | 2 | | EG2133 | 栅极驱动芯片 | 2 | 1.3 | 2.6 | | STM32F401RET6 | MCU | 1 | 7 | 7 | | IMU姿态传感器板 | IMU | 1 | 15 | 15 | | 10mR R2010 2W | 电流采样电阻 | 1 | 0.5 | 0.5 | | 电解电容 | 电容 | 2 | 0.2 | 0.4 | | USB-A-SMD | USB | 1 | 0.23 | 0.23 | | 2节 18650插脚 电池盒 | 电池仓 | 1 | 0.8 | 0.8 | | 1808 8A保险丝+1808底座 | 保险丝 | 1 | 0.5 | 0.5 | | WS2812B | LED | 4 | 0.08 | 0.32 | | 5mm直插LED灯（红光、白光） | LED | 4 | 0.05 | 0.2 | | USB-TYPEC | USB | 1 | 0.11 | 0.11 | | TLE5012BE1000 | 芯片 | 2 | 5 | 10 | | 径向充磁编码器磁铁4x3mm | 磁铁 | 2 | 0.26 | 0.52 | | 全牙内六角M2.5*6 | 螺丝 | 4 | 0.0084 | 0.0336 | | 全牙内六角M3*16 | 螺丝 | 4 | 0.0429 | 0.1716 | | 全牙内六角M3*8 | 螺丝 | 4 | 0.0118 | 0.0472 | | 双通铜柱六角M3*20 | 铜柱 | 4 | 0.201 | 0.804 | | 车架RC385 | 3D打印 | 1 | 19.53 | 19.53 | | 轴套 | 轴套 | 2 | 0.2 | 0.4 | | 六角联轴器 | 联轴器 | 2 | 1.62 | 3.24 | | 电机RC385 | 电机 | 2 | 2.8 | 5.6 | | 65mm橡胶轮 | 车轮 | 2 | 3.36 | 6.72 | | 黑色16AWG硅胶线10cm | 线 | 1 | 0.183 | 0.183 | | 红色16AWG硅胶线10cm | 线 | 1 | 0.183 | 0.183 | | MX1.25-5P;100mm;双头反向 | 线束 | 3 | 0.3395 | 1.0185 | | 鑫旺成X3无线游戏手柄+接收器 | 手柄 | 1 | 28 | 28 | | 18650电池 | 电池 | 2 | 5 | 10 | **总成本约：165 元（不含邮费）** 注意：有些物料价格不稳定，上表中的价格是我采购的样品价，供参考 ## 组装流程 全部物料一览图  视频安装流程详见开头：视频展示链接 安装电机径向磁铁 使用AB胶粘接径向磁铁到电机尾部轴承及输出轴   注意：用AB胶粘接时先少量涂抹在轴端，放置磁铁，固化后再次磁铁表面与轴端再涂一层胶 安装电机 安装磁性编码器板   注意：电机红色标记对应电机+ 注意：先安装电机再焊接磁性编码器板 安装轴套与六角联轴器  注意：紧固六角联轴器时要分别旋转两侧紧固螺丝，防止偏心 安装车轮  焊磁性编码器板电机线、插编码器排线 安装平衡车主控板 焊主控板电机线、电源线 插磁性编码器排线  注意：电机+极对应电路板A相，电机-极对应电路板B相 焊电池充电板电源线 插LED灯排线 安装电池充电板   注意：电池充电板的USBTypeC对应平衡车主控板的USBTypeA方向 ## 实物图 充电板和主控板  整机正面视图  整机侧面视图  电机部分特写  ## 注意事项 * MPU6052C模块应Z轴垂直向上，安装偏差>1°将导致平衡性能显著下降 * 电机接线时需确认正反转方向，接线错误会导致平衡车旋转失控 * 电池首次使用前请确认正负极正确安装，**电池正负极以电路板标识为准** * USB手柄兼容性：仅支持标准USB HID协议的游戏手柄（Xbox等），非标准协议手柄可能无法识别 * 如需户外使用，PCB建议喷涂三防漆，防止潮湿环境导致短路或腐蚀 ## 🎁 【盲盒盖楼抽奖】动态算法抽奖！ 本次活动送出 **8套奖品！** 采用“阶梯累计+动态盲盒算法+点赞评选”，越认真盖楼，中奖概率越高！你不仅可能在最新楼层中奖，之前认真评论过的楼层也有机会被后续算法“击中”！ 🎁 **奖品**：智能两轮平衡车成品（不含电池和游戏手柄） ### 🎯 如何参与活动 只需简单三步，即可解锁中奖资格： 1. **点赞与关注**：为本工程点击「点赞」，并「关注」作者。 2. **有效评论盖楼**：在评论区发布与本项目相关的技术提问、改进建议或复刻进度（字数**必须 ≥ 15字**，带图最佳，禁止水贴）。 3. **坐等盲盒击中**：保持活跃，并邀请好友为你的优质评论点赞，争夺人气大奖！ ### 📜 活动规则 #### 1. 阶梯累计触发机制与系数（7套） **评论区总楼层数达到以下阶梯节点时，解锁1套新奖品，并基于当前总楼层数（设为N）重新计算所有中奖楼层。** 所有系数依次为：1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4。 - 达到 10 楼：解锁 1 套（计算 N×1.0） - 达到 20 楼：解锁 2 套（计算 N×1.0，N×0.9） - 达到 50 楼：解锁 3 套（计算 N×1.0，N×0.9，N×0.8） - 达到 100 楼：解锁 4 套（计算 N×1.0，N×0.9，N×0.8，N×0.7） - 达到 200 楼：解锁 5 套（计算 N×1.0，N×0.9，N×0.8，N×0.7，N×0.6） - 达到 300 楼：解锁 6 套（计算 N×1.0，N×0.9，N×0.8，N×0.7，N×0.6，N×0.5） - 达到 500 楼：解锁 7 套（计算 N×1.0，N×0.9，N×0.8，N×0.7，N×0.6，N×0.5，N×0.4） #### 2. 人气特别奖（1套） 活动截止时，**评论区中点赞数最高的一条评论将直接获得一套**。（若点赞数相同，以评论时间较早者优先）。 #### 3. 防重复中奖与顺延规则 - 若公式计算出的楼层在历史开奖中已有人中奖，则该楼层向下顺延至最近的未中奖楼层。 - 若公式计算出的楼层为无效水贴，同样向下顺延至最近的有效楼层。 #### 4. 有效楼层判定 为确保交流区的高质量，**中奖楼层必须满足以下条件**： - **字数限制**：评论内容必须 ≥ 15个字。 - **内容有效**：必须是与本项目相关的提问、技术探讨、改进建议、复刻进度分享（带图最佳）。 - **禁止水贴**：单纯发“支持”、“顶”、无意义标点符号、重复复制粘贴他人内容，一律判定为无效。 ### 📅 活动时间与开奖 - **楼层截止时间**：2026年9月30日 23:59:59（含）。 - **开奖时间**：楼层截止后的3天内，作者将统一核算并公布最终所有中奖结果。 - **奖品发放**：中奖网友请加QQ交流群（281111878），奖品全国包邮。 ### ⚖️ 补充声明 本活动最终解释权归作者所有。参与本次活动即视为同意上述规则，**请注意：未点赞、未关注或未发布有效评论的用户，将不具备中奖资格。** ## 更新日志 2026-7-14：拼板改单板（方便PCB免费打样） 2026-7-13：增加盲盒盖楼抽奖 2026-7-12：开源软件发布 2026-7-11：开源硬件、3D模型发布 2026-7-5：项目设计视频发布 2026-5-24：软件调试完成 2026-5-4：整车组装完成 2026-4-25：平衡车主控板PCB完成 2026-4-11：电池充电板PCB完成 2026-4-5：机械设计完成 ## 后续计划 套件供应计划 ## 写在最后 最后想说的是，这也是本人的第一个嵌入式开源项目。期间第一次深度使用了嘉立创EDA，体验下来真的非常好用！对于之前用过其它EDA软件的朋友来说，基本可以实现无缝衔接、直接上手无压力。非常感谢大家的支持与鼓励，后续我也会持续开源更多有意思的项目，希望能与大家共同进步！ ## 交流群及版权声明 更多硬核玩法与技术答疑，欢迎加入「GM开源交流群：281111878」，和志同道合的创客们一起玩转硬件、少走弯路！ 版权声明：本项目（智能两轮平衡车）采用CC BY-NC 4.0许可协议（知识共享署名-非商业性使用4.0国际许可协议）。 你可以自由地： * 共享 — 在任何媒介以任何形式复制、发行本作品。 * 二创 — 修改、转换或以本作品为基础进行创作。 惟须遵守下列条件： * 署名 — 必须给出适当的署名，提供指向本许可协议的链接，并指出是否对作品进行了修改。 * 非商业性使用 — 不得将本作品直接用于或修改、二创后用于商业目的。

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