Technologie: Actio et Reactio


Actio et Reactio: dieses einfache Prinzip wenden wir an, um unser Fahrrad zu stabilisieren. Doch wie genau wird das funktionieren?

Fällt ein Fahrrad, erzeugt dies ein Kippmoment, welches sich aus dem Produkt der Fahrradmassenkraft (Fk) und der Höhe des Schwerpunktes (hs) errechnet. Die Fahrradmassenkraft ist abhängig von dem Ausfallwinkel (φ). Wir rüsten das Fahrrad mit einer runden Schwungmasse und einem damit verbunden Drehmotor aus. Wird diese Scheibe nun durch den Motor beschleunigt erzeugt dies ein Drehmoment. Vereinfacht heißt das, dass wir bei einer bestimmten Beschleunigung das gerade vorherrschende Kippmoment ausgleichen können.
Um das fallende Fahrrad zu stabilisieren zu können wird ein Drehmoment von ca. 13 Nm benötigt.

Daraufhin ist die herrschende Gesamtbeschleunigung gleich Null. Ist das Fahrrad allerdings schon in Bewegung fällt es weiter, wenn auch ohne Beschleunigung des Falls.

Wenn wir allerdings die Beschleunigung der Drehscheibe höher ansetzten, haben wir demnach ein größeres Drehmoment bei gleichbleibendem Kippmoment. Somit erschaffen wir eine negative Beschleunigung, die dem Fall entgegenwirkt, somit den Fall abbremst, und schließlich das Fahrrad wiederaufrichtet.

Diese zeitabhängige Berechnung des Kippmoments und erforderlicher Beschleunigung wird ein Regler auf einem Mikrokontroller übernehmen. Daraufhin wird dieser die Motortreiber ansteuern, welche den Drehmotor bedienen, um so das Fahrrad wiederaufzurichten.
Die Schwungmasse wird in den Rahmenkasten des Fahrrades montiert. Die Idee hinter dieser Positionierung ist es, dass die Schwungmasse eingeklappt werden kann und somit im Rahmen verschwindet und der Fahrer während der Fahrt nicht behindert wird. Diese Lage ermöglicht auch ein festes Montieren der Schwungscheibe, da durch den Rahmen die Schwungscheibe sicher montiert werden kann. Auch ist die Schwungmasse so zentral montiert.

Als Voraussetzung um das System starten zu können, sollen die Bremsen angezogen und der Lenker mechanisch fixiert werden. Des Weiteren darf sich kein Fahrer auf dem Fahrrad befinden, dies möchten wir durch Sensoren im Lenker und Sensoren im Sattel sicherstellen.

Warum wir sicher sind, dass dieses Unterfangen funktioniert?
Weil dieses Prinzip im kleinen Format schon funktioniert und exisitiert. Der „Cubli“- ein auf seiner Ecke balancierender Würfel – wurde in einem studentischen Projekt an der ETH Zürich entwickelt. Dieses Grundkonzept möchten wir daher auf ein eher alltägliches Problem anwenden – das selbstständige Balancieren eines Fahrrads.
In unseren Berechnungen haben wir die maximale Auslenkung betrachtet, von welcher das Fahrrad innerhalb angemessener Zeit (10 Sekunden) sich aufrichten kann. Dies war bei einer Auslenkung von +/- 4° gegeben.

Durch erste Simulationen mithilfe von Matlab konnten wir ein erstes Gefühl für die auftretenden Momente bekommen. Eine Herausforderung an unserem Projekt ist das hohe Drehmoment und die hohe Drehzahl, welches der Motor zur Beschleunigung der Masse benötigt. Wir haben uns für einen LQR-Regler entschieden, den wir auf ein maximales Drehmoment des Motors von 15 Nm begrenzt haben. Dieser Regler konnte unsere Auslenkung von 4° innerhalb kürzester Zeit ausgleichen.