ESP32+MPU6050自制双足自平衡机器人入门

双足自平衡机器人是机器人入门经典的項目之一。两轮平衡、实时PID控制，做完这个项目对控制理论的理解会上一个台阶。今天用ESP32和MPU6050搭建一台，总成本不到100元。

一、硬件方案

核心硬件就三样：ESP32开发板（约25元）、MPU6050陀螺仪加速度计模块（约8元）、两台带编码器的N20减速电机（约30元一对）。再加上L298N电机驱动板、锂电池、3D打印车架，总成本控制在100元以内。

MPU6050通过I2C接口和ESP32通信，采样率可以设到200Hz。ESP32读取角度数据后运行PID算法，输出PWM信号给L298N，控制两台电机的转速和方向。整个过程在主循环里完成，循环周期建议控制在5ms以内。

二、PID调参是关键

硬件搭起来不难，难的是PID调参。平衡机器人的PID一般用串级PID：外环是角度环，内环是速度环。角度环根据MPU6050测到的倾斜角计算出需要的加速度，速度环再根据目标加速度计算电机输出。

调参顺序是先调角度环的P，让机器人能短暂站立几秒钟。然后加角度环的D，减少振荡。加上加速度环的PI，让机器人能在平衡的同时不跑偏。

一个实用技巧：调参的时候把机器人用绳子吊起来，这样可以防止它倒下来摔坏，也能让你更专心地调参数。

三、MPU6050数据融合

MPU6050同时输出加速度计和陀螺仪数据。加速度计长期稳定但高频噪声大，陀螺仪短期精确但有漂移。两者互补融合才能得到稳定的角度估计。

简单的融合方式是用互补滤波器：angle = 0.98 * (angle + gyro * dt) + 0.02 * accel_angle。这个公式里0.98和0.02是两个权重系数，可以根据实际效果微调。ESP32的算力完全够跑这个计算。

如果想要更好的效果，可以用Madgwick滤波器或者卡尔曼滤波器，但对平衡机器人来说互补滤波器已经够用了。

四、常见问题

电机响应延迟是另一个容易忽视的问题。N20电机的减速比一般在1:100左右，启停响应较慢。如果PID的D参数设得太大，会导致系统震荡。解决方式是限制电机输出的变化率，加一个输出限幅。

重心位置也很关键。电池和电路板要尽量放在靠近轮子轴心的位置，重心太高会导致稳定性变差。建议车架设计的时候把重心控制在轮轴上方3cm以内。