1. 平衡小车直立环控制原理与工程实现
平衡小车的直立控制是整个控制系统中最基础、最关键的环节。其核心目标并非让小车绝对静止于零度垂直状态，而是构建一个动态负反馈系统，使小车在受到扰动（如地面不平、外力推搡、传感器噪声）后，能通过车轮的主动运动产生恢复力矩，将倾角偏差持续收敛至一个微小的稳定区间。这一过程本质上是对倒立摆物理模型的实时闭环控制，其稳定性直接决定了后续速度环与转向环能否有效工作。
1.1 直立环的物理本质：倒立摆建模
从力学角度看，两轮平衡小车可等效为一个一阶倒立摆。当车身绕轴心发生微小倾角θ时，重力mg会产生一个使倾角进一步增大的力矩M = mgL·sinθ ≈ mgL·θ（θ为小角度弧度值），其中L为质心到轮轴的距离。这是一个典型的不稳定系统——任何微小的初始扰动都会导致倾角指数发散。要实现稳定，必须引入一个与倾角偏差方向相反的控制力矩。这个力矩由电机驱动车轮产生加速度a来提供，根据牛顿第二定律，该加速度产生的惯性力F = ma，其力臂为L，故控制力矩M_c = maL。当M_c与M大小相等、方向相反时，系统达到动态平衡点。
因此，直立环的控制律本质上是在求解一个关于倾角θ及其变化率（角速度ω）的函数：PWM = f(θ, ω)。其中，θ决定了当前失衡的“位置”量，而ω则预示了失衡“恶化”的速率。仅依赖θ（比例控制）会使系统响应迟钝或振荡；仅依赖ω（微分控制）则无法消除静态偏差。两者结合，构成了直立环PID控制的物理根基。
1.2 传感器数据融合：俯仰角与角速度的获取
直立环的输入信号来源于IMU（惯性测量单元），本项目采用MPU6050。其原始数据包含三轴加速度计（ACC）和三轴陀螺
