两轮自平衡小车：MPU6050配PID怎么调稳

两轮自平衡这件事，难的不是把车拼起来，是把那三个字母调对。MPU6050 一上电就会告诉你"我现在歪了 12 度"，可这 12 度该换成多大的 PWM 给电机，才是真正卡人的地方。Circuit Digest 上 Aswinth Raj 那篇 DIY Self Balancing Robot 把整套流程写全了：器件清单、接线表、DMP 初始化、PID 三个参数怎么一个个加上去。这篇按他的顺序重新捋一遍，把容易翻车的点标出来。

先给个量级：Arduino UNO 加两个黄色减速直流电机、L298N、MPU6050、7.4V 锂电，作者报的整机成本 30 到 50 美元，做完 8 到 12 小时，难度标的是中级偏上。他自己也承认电机首选其实是步进，直流减速是"为了简单"的妥协；轮子抓地不好，PID 调到手抽筋也白搭。

这台就是作者最后调通的样子：两块亚克力板夹着电池和洞洞板，后面插着 USB 线，方便边调边看串口

一、先把账算清：器件怎么挑

控制器选 UNO 的理由很实在：不用外接下载器，插上 USB 就能改代码、看串口。换成 Nano 也能跑，只是调试时多一层转接，作者的建议是新手先别省这一步。

电机这段值得多说。自平衡车理论上最好的选择是步进电机，没有齿隙、没有死区、力矩曲线干净。但作者为了压低门槛，用的是最常见的那种黄色减速直流电机。代价很明确：减速箱有回差，低速段有死区，PID 输出在 60 以下的 PWM 可能根本推不动轮子，参数就得在能推动的区间里找。

传感器没有替代方案，就是 MPU6050。他专门点了一句：别想着用 ADXL345 这类纯加速度计顶替。纯加速度计静态能算倾角，车一动起来全是加速度噪声，分不清"车在倾斜"和"车在加速"，这个坑绕不过去。

GY-521 模块，MPU6050 就在这块蓝板上，走 I2C，VCC、GND、SCL、SDA 之外还引了一根 INT

二、接线与装配：六根信号线，重心往下压

接线表基本可以照抄。MPU6050 走 I2C，占 A4、A5，中断接 D2；L298N 的四路输入接 D6、D9、D10、D11，全部是 UNO 的 PWM 脚，因为调速要靠改占空比。

供电这段他讲得最细：电池 7.4V 正极一路进 Arduino 的 Vin，一路进 L298N 的 12V 端子；UNO 板载稳压把 7.4V 降到 5V，ATmega 和 MPU6050 都吃这一路。电机标称 5 到 12V，实际就跑在 7.4V。共地必须做，地没接好，I2C 读出来不是 0 就是一串随机数。

方向靠 IN1 到 IN4 的高低电平组合决定，速度靠 PWM 占空比，而这个占空比就是后面 PID 算出来的 output。所以这四根线接错一根，车不是不动，是原地打转。

接线走线示意：电池、UNO、MPU6050、L298N 和两个电机的相对位置，红黑是电源，彩色是信号

结构比电路更容易被低估。作者的车体是自己用 SolidWorks 画的，STL 挂在 Thingiverse 上，没有悬垂结构，25% 填充就能打，电机和板子用 3mm 螺母螺栓锁死。重心这条是硬要求：电池和驱动板尽量压到底层，整机高度别超过底盘长度太多。

他实际装的时候把电池和 UNO 的位置对调了，图的是插 USB 改程序方便，还加了一块洞洞板走线，所以最后的样子和最初的设计图并不一样。这种"装到一半改方案"的细节，比漂漂亮亮的效果图有用。

三层结构，底层电机和驱动板，中层主控，顶层电池，重心全压在轮轴附近

还有一处他吃过亏：最初那对"超级朴素"的塑料轮子抓地太差，车在原地打滑，PID 怎么调都像在抽搐，换轮子之后才正常。这条对后来人价值最大——先确认轮子不打滑，再谈参数。

三、角度从哪来：DMP 出 yaw，PID 出 PWM

MPU6050 给两种数据。加速度计测重力方向，静态准、动态全是噪声；陀螺仪测角速度，短时准、时间一长就漂。单用哪一个都不行，必须融合。作者没自己写互补滤波，直接用芯片里的 DMP（数字运动处理器），把融合交给硬件，Arduino 只管读四元数再换算成 yaw、pitch、roll。

代码是站在 jrowberg 的 MPU6050_DMP6 例程上改的，PID 用 br3ttb 的 PID_v1 库。三个库先装进 Arduino 的 libraries 目录，再重启 IDE。

#include "I2Cdev.h"
#include "PID_v1.h" //From https://github.com/br3ttb/Arduino-PID-Library/blob/master/PID_v1.h
#include "MPU6050_6Axis_MotionApps20.h" //https://github.com/jrowberg/i2cdevlib/tree/master/Arduino/MPU6050

DMP 初始化里有一组偏移量必须换成自己传感器的值：X 轴 220、Y 轴 76、Z 轴 -85、Z 轴加速度 1688，这是作者手上那颗芯片的，同一批货也可能不一样，得单独标定。偏移不对，车会把"歪着"当成竖直，setpoint 怎么设都别扭。

参数区就四个数：setpoint 176、Kp 21、Kd 0.8、Ki 140。setpoint 不是理论上的 180，因为传感器贴上去有装配误差，得让车真的立住，再读串口显示的角度值填回来。这也是为什么换一台车、换一个传感器，这几个数字就得重来。

主循环的逻辑很短：等 DMP 中断，没新数据就先算一次 PID，把 input 和 output 打到串口；只要角度落在 150 到 200 之间，也就是车在倒，output 为正就往前推，为负就往后推；超出这个区间直接停电机。

    while (!mpuInterrupt && fifoCount < packetSize)
    {
        //no mpu data - performing PID calculations and output to motors    
        pid.Compute();  
       
        //Print the value of Input and Output on serial monitor to check how it is working.
        Serial.print(input); Serial.print(" =>"); Serial.println(output);
              
        if (input>150 && input<200){//If the Bot is falling
         
        if (output>0) //Falling towards front
        Forward(); //Rotate the wheels forward
        else if (output<0) //Falling towards back
        Reverse(); //Rotate the wheels backward
        }
        else //If Bot not falling
        Stop(); //Hold the wheels still
    }

三个电机函数是纯手工 PWM。注意 Reverse 里把 output 乘了 -1，因为 analogWrite 只吃正数，负值传进去行为不可预期，这一步漏了车只会往一个方向冲。

void Forward() //Code to rotate the wheel forward
{
    analogWrite(6,output);
    analogWrite(9,0);
    analogWrite(10,output);
    analogWrite(11,0);
    Serial.print("F"); //Debugging information
}
void Reverse() //Code to rotate the wheel Backward 
{
    analogWrite(6,0);
    analogWrite(9,output*-1);
    analogWrite(10,0);
    analogWrite(11,output*-1);
   Serial.print("R");
}
void Stop() //Code to stop both the wheels
{
    analogWrite(6,0);
    analogWrite(9,0);
    analogWrite(10,0);
    analogWrite(11,0);
    Serial.print("S");
}

四、调参：先 P，再 D，最后 I

顺序不能乱。Kp 从 0 开始慢慢加，加到车开始围绕平衡点来回摆；这时候加 Kd 把摆动压住；最后才加 Ki 消掉长时间站偏。作者的起点是 Kp 21、Kd 0.8、Ki 140，他自己也讲没有两台车参数一样，照抄只是拿个量级。

调的时候 USB 线别拔，串口 115200 波特率开着，看的就是 input => output 那一行。车立住时 output 接近 0；往前倒 output 变正，串口跟着打 F；往后倒 output 变负，打 R；没在倒就打 S。这三个字母比看车更快，方向反没反一眼就知道。

串口这一屏就是调参的全部依据：左边角度，右边 PID 输出，末尾的 F、R、S 是电机状态

三个参数给过头的表现很好区分：Kp 大了会高频抖，车像通电的按摩棒；Kd 大了会迟钝发飘，推一下要晃半天才回来；Ki 大了会越摆越猛，最后直接拍地。真要省事，先把 setpoint 校准到正负 1 度以内，再动 PID。

五、调不稳时，先回查这几处

作者在问答里把翻车原因归了几类，按排查成本从低到高排：

• 轮子打滑、胎面太硬，先换轮子，别急着改代码
• 重心太高或电池偏在一侧，PID 还没反应过来车已经倒了
• 供电不足，插 USB 能跑、上电池就抽，多半是电池放电能力不够或者地没共好
• 传感器没标定，偏移量还留着别人的值

另外两个点容易被忽略。一是车体刚性，板材一受力就扭，等于给 IMU 喂了一个假信号，这时候 PID 越调越乱。二是 setpoint 抄了别人的 176，而你自己那台的机械零位可能差好几度，车永远差一点才站直。

整套东西拆开看没有玄学：一个六轴传感器告诉你歪了多少，一个 PID 把这笔误差换算成 PWM，两个减速电机负责把轮子往歪的方向推。真正费时间的只有两件事——把重心和轮子弄扎实，把 Kp、Kd、Ki 一个个加上去。作者说 8 到 12 小时，我判断前两小时在装配，剩下全泡在调参上，这个比例基本属实。

如果你的目标是"先让它站起来"，直流减速电机这套方案够用；如果想让它在斜坡上也不飘、被推一下能自己找回来，那就得往步进或者带编码器的方案走，代价是驱动和代码复杂度都上一个台阶。