تبدیل دوچرخه معمولی به دوچرخه خودمتوازن با Arduino و MPU-6050 (فارسی)

BOM

محاسبه ممان اینرسی دیسک

برای یک دیسک توپر با جرم m و شعاع r: I = ½ × m × r²

دیسک آلومینیوم ۲۰cm قطر، ۱cm ضخامت: m ≈ ۰.۸۵kg → I = ½ × ۰.۸۵ × ۰.۱² = 0.00425 kg·m²

با چرخش ۳۰۰۰ RPM گشتاور واکنشی: T = I × α — برای اصلاح ۱°/s² نیاز است: T = 0.00425 × 0.0175 ≈ 74 mN·m — کافی برای دوچرخه ۱۵kg.

مراحل نصب Reaction Wheel

1. یک پایه L-شکل از آلومینیوم ۵mm روی لوله افقی فریم دوچرخه (بالاترین نقطه) جوش یا ببند.
2. موتور BLDC را در مرکز دیسک با Hub Adapter وصل کن.
3. مجموعه دیسک+موتور را عمود بر صفحه دوچرخه (محور چرخش = محور طولی) نصب کن.
4. MPU-6050 را روی فریم نصب کن — محور X باید موازی جهت حرکت باشد.
5. VESC را زیر فریم با تسمه ولکرو ثابت کن.

کد PID برای Reaction Wheel

#include <Wire.h>
#include <MPU6050.h>

MPU6050 imu;
// VESC درایو از طریق UART یا PWM
// این مثال از PWM روی D9 استفاده می‌کند (0-255 → سرعت BLDC)

float Kp=120.0, Ki=2.0, Kd=8.0;
float angle=0, setpoint=0;
float errSum=0, lastErr=0;
unsigned long lastTime;

void setup(){
  Wire.begin(); imu.initialize();
  pinMode(9, OUTPUT);
  lastTime = millis();
}

void loop(){
  int16_t ax,ay,az,gx,gy,gz;
  imu.getMotion6(&ax,&ay,&az,&gx,&gy,&gz);
  float dt = (millis()-lastTime)/1000.0; lastTime=millis();

  // roll angle (چپ-راست)
  float accelRoll = atan2(ax, az)*180.0/PI;
  angle = 0.98*(angle+(gz/131.0)*dt)+0.02*accelRoll;

  float err = setpoint - angle;
  errSum += err*dt; errSum=constrain(errSum,-50,50);
  float dErr=(err-lastErr)/dt; lastErr=err;
  float out = Kp*err + Ki*errSum + Kd*dErr;
  // تبدیل خروجی PID به سرعت reaction wheel
  // مثبت = چرخش یک جهت، منفی = معکوس
  int pwmVal = 128 + constrain((int)out,-128,127);
  analogWrite(9, pwmVal);
  delay(5);
}

• VESC Project — فریمور و مستندات
• آپارات: دوچرخه خودمتوازن فارسی