Bu araştırma, standart bisiklet veya elektrik destekli bisikletleri şehir içi yük taşımacılığında daha yüksek taşıma kapasitesine sahip araçlara dönüştürmek amacıyla geliştirilen modüler bir kargo eklentisinin elektrik destek ve kontrol sistemini inceliyor. Temel fikir, çekilen yük modülünün sürücünün bisiklete uygulaması gereken ek kuvveti mümkün olduğunca azaltacak şekilde kendi elektrik motorlarıyla hareket etmesi ve öndeki bisikletin hızlanma, yavaşlama ve dönüş hareketlerine otomatik olarak uyum sağlamasıdır.

Sistemde iki adet 250 W BLDC göbek motoru, iki adet 576 Wh lityum-iyon batarya, bağlantı mekanizmasına yerleştirilen iki yük hücresi, HX711 sinyal yükseltme ve analog-dijital dönüştürme modülleri, motor sürücüleri ve STM32 NUCLEO-F030R8 mikrodenetleyici kullanılmaktadır. Kontrolün temel hedefi, eklenti ile öndeki bisiklet arasındaki bağlantı kuvvetlerini sıfıra mümkün olduğunca yakın tutmaktır.

Bisiklet eklentiyi çekmeye başladığında bağlantı noktasındaki pozitif kuvvet motor desteğinin artırılması gerektiğini gösterir. Eklenti öndeki bisikleti itmeye başladığında ise motor komutu azaltılarak iki araç arasındaki kuvvet dengelenmeye çalışılır. Sağ ve sol taraftaki yük hücreleri ayrı ayrı değerlendirildiğinden iki motor da bağımsız kontrol edilebilir. Böylece sistem yalnız düz hızlanma ve yavaşlamaya değil, viraj sırasında iki tarafta oluşan farklı kuvvetlere de tepki verebilecek biçimde tasarlanmıştır.

Kontrol yazılımında uyarlanabilir oransal kazanç, integral anti-windup mekanizması ve motor komutunun çevrimler arasındaki değişimini sınırlayan bir rate limiter içeren PID yapısı kullanılmıştır. Ön değerlendirme amacıyla mekanik eklentiden bağımsız yapılan açık çevrim testinde 0,39 s yükselme süresi ve 3,49 s yerleşme süresi raporlanmıştır. Bununla birlikte bu değerler gerçek 200 kg kargo taşıyan araçla yapılmış yol testine ait değildir; yapay olarak oluşturulmuş bağlantı kuvveti profili altında kontrol algoritmasının ilk davranışını değerlendirmektedir.

Çalışmada gerçek CZL635 yük hücreleri ve STM32 kullanılarak sensör verilerinin alınması ve 115.200 baud UART bağlantısı üzerinden aktarılması da test edilmiştir. Veriler STM32CubeMonitor ve araştırmacıların geliştirdiği Python tabanlı izleme aracıyla görüntülenmiştir.

Türkiye açısından anlamı: Şehir içi son kilometre teslimatı, kampüs lojistiği, sanayi alanları ve yoğun kent merkezleri açısından bisiklet tabanlı modüler yük taşıma sistemleri Türkiye için de teknik olarak ilgi çekici olabilir. Bununla birlikte bu araştırmadaki sistem Romanya ve Avrupa PEDELEC çerçevesi dikkate alınarak geliştirilmiştir. Türkiye'deki uygulamalarda karayolu mevzuatı, araç sınıflandırması, römork boyutları, azami yük, frenleme, aydınlatma, bağlantı güvenliği, motor gücü ve hız sınırları ayrıca değerlendirilmelidir. Çalışma mevcut haliyle Türkiye'de yasal uygunluk, gerçek işletme maliyeti veya ticari dağıtım performansı kanıtı sunmamaktadır.

Araştırmanın temel problemi nedir?

Kargo bisikletleri şehir içi teslimatlarda otomobil ve hafif ticari araçlara göre daha az alan kaplayan ve yerel egzoz emisyonu oluşturmayan bir ulaşım alternatifi sağlayabilir. Bununla birlikte yük miktarı arttıkça sürücünün uygulaması gereken pedal kuvveti, batarya ihtiyacı ve aracın fiziksel boyutları da artmaktadır.

Araştırmacılar bu probleme tamamen yeni bir kargo bisikleti üretmek yerine mevcut iki tekerlekli pedal araçlarına bağlanabilecek modüler bir elektrik destekli yük eklentisi yaklaşımıyla çözüm arıyor.

Kaynak çalışmanın sayfa 3'ündeki Şekil 1, eklentiyi hem kompakt hem de tamamen genişletilmiş biçimde gösteriyor. Tasarımın kargo hacmi ihtiyaca göre değiştirilebiliyor. Böylece küçük teslimatlarda gereksiz hacmin azaltılması, daha büyük yüklerde ise taşıma alanının genişletilmesi hedefleniyor.

Önerilen sistemin üç temel özelliği

Araştırmacılar tasarımın klasik yük römorklarından üç ana noktada ayrılmasını hedeflemiştir:

• Bağımsız elektrik desteği: Eklenti, öndeki elektrikli bisikletin motoruna veya bataryasına bağımlı değildir.
• Esnek bağlantı: Evrensel bağlantı mekanizmasıyla farklı pedal araçlarına uyarlanması amaçlanmaktadır.
• Değişken depolama hacmi: Kargo alanı taşınacak yük miktarına göre ayarlanabilmektedir.

Kaynakta eklenti konsepti için 200 kg'a kadar yük taşıma kapasitesinden söz edilmektedir. Ancak mevcut araştırmanın elektrik kontrol deneyleri tam yüklü 200 kg'lık fiziksel bir römork yol testi değildir.

Elektrik desteğinin kontrol hedefi nedir?

Sistemin kontrol mantığında doğrudan hedef hızdan çok bağlantı kuvveti kullanılıyor. Öndeki bisiklet ile römork arasında çekme veya itme kuvvetinin oluşması, iki aracın dinamik olarak tam senkron olmadığını gösteriyor.

Araştırmacıların hedeflediği ideal durum:

\[ F_{hitch}\approx0 \]

olarak özetlenebilir.

Öndeki bisiklet eklentiyi çekiyorsa bağlantı kuvveti pozitif kabul ediliyor ve elektrik motorunun hızı artırılıyor. Eklenti bisikleti itmeye başlıyorsa bağlantı kuvveti negatif oluyor ve motor komutu azaltılıyor.

Bu yaklaşım sürücünün eklentinin yükünü mümkün olduğunca az hissetmesini ve eklentinin frenleme/yavaşlama sırasında öndeki bisikleti kontrolsüz biçimde itmesini önlemeyi amaçlıyor.

Neden iki yük hücresi kullanılıyor?

Bağlantı mekanizmasının sağ ve sol tarafında iki ayrı CZL635 yük hücresi bulunmaktadır. Böylece yalnız toplam çekme kuvveti değil, iki taraf arasındaki kuvvet farkı da algılanabiliyor.

Bu özellik dönüş kontrolü için önemlidir. Kaynak çalışmanın sayfa 9'daki Şekil 4'ü dört temel hareket biçimini gösteriyor:

Bu sayede iki motorun aynı komutu almak zorunda olmadığı diferansiyel bir elektrik destek yapısı oluşturulmuştur.

Hangi elektrik motorları kullanılıyor?

Eklentide iki adet Bafang BFSWXK36V250W255R BLDC göbek motoru seçilmiştir.

BLDC motorlar yüksek güç yoğunluğu, güvenilirlik ve görece düşük ağırlık nedeniyle seçilmiştir. Çalışma, yüksek motor devrinde elektromotor kuvvetinin etkisiyle tork cevabının zayıflayabilmesini kontrol tasarımında dikkate almaktadır.

Batarya sistemi neden eklentinin üzerinde?

Eklentinin farklı bisikletlerle çalışabilmesi için öndeki aracın bataryasına bağımlı olmaması amaçlanmıştır. Bu nedenle kendi enerji depolama sistemine sahiptir.

Seçilen lityum-iyon bataryaların her biri kaynakta şu özelliklerle verilmektedir:

Çalışmanın özetinde sistemde iki 576 Wh lityum-iyon batarya bulunduğu belirtilmektedir.

Yük hücreleri ve HX711 modülleri

Kuvvet geri bildirimi için iki adet CZL635 tek noktalı yük hücresi kullanılmıştır.

Yük hücresinin düşük seviyeli analog sinyali iki ayrı HX711 modülüyle yükseltilmekte ve dijital veriye dönüştürülmektedir.

STM32 neden kontrol merkezinde?

STM32 NUCLEO-F030R8 üç temel görevi yerine getiriyor:

• iki yük hücresinden veri toplamak,
• UART üzerinden veri kaydı ve hata ayıklama için sonuçları göndermek,
• PID algoritmasını çalıştırarak iki motor için kontrol sinyalleri üretmek.

Bu yapı, her motorun kendi taraftaki yük hücresinden alınan geri bildirime göre bağımsız kontrol edilmesini mümkün kılmaktadır.

PID kontrolcüsü nasıl çalışıyor?

Kontrol hedefi kaynak kodda doğrudan:

\[ F_{\mathrm{setpoint}}=0 \]

olarak tanımlanmıştır. Anlık hata:

\[ e=F_{\mathrm{setpoint}}-F_{\mathrm{measured}} \]

mantığıyla hesaplanır.

Gösterilen yazılımda PID çıkışının temel yapısı:

\[ u = K_p e + K_i I + K_d(e-e_{\mathrm{previous}}) \]

biçimindedir.

Ancak klasik sabit kazançlı PID'den farklı olarak oransal kazanç motor çalışma bölgesine göre değiştirilir.

Neden Kp motor hızına göre değişiyor?

Motor komutu %80'in altında olduğunda daha yüksek \(K_p=0,8\) kullanılarak bağlantı kuvvetindeki değişimlere hızlı tepki verilmesi amaçlanıyor.

Motor komutu üst çalışma bölgesine ulaştığında \(K_p=0,4\)'e düşürülüyor. Araştırmacılar bunun, BLDC motor elektromotor kuvveti sınırına yaklaştığında aşırı agresif kontrol düzeltmelerinin ve salınım riskinin azaltılmasına yardımcı olduğunu açıklıyor.

Rate limiter ne işe yarıyor?

PID'nin hesapladığı motor komutunun ardışık iki kontrol çevrimi arasında sınırsız değişmesine izin verilmiyor. Kaynak kodda bir çevrimdeki maksimum değişim 15 ile sınırlandırılmıştır.

Bu mekanizma, kuvvet hatasında ani bir artış meydana geldiğinde motorun fiziksel olarak gerçekleştiremeyeceği kadar hızlı bir tork değişiminin talep edilmesini önlemeyi amaçlamaktadır.

Anti-windup neden gerekli?

Motor komutu 0 veya 100 sınırına ulaştığında integral teriminin kontrolsüz biçimde büyümesi, sistem yeniden normal çalışma bölgesine döndüğünde büyük aşım ve gecikmelere yol açabilir.

Kaynak yazılım bu nedenle integral değerini ±200 ile sınırlandırmakta ve çıkışın doygun olduğu bazı durumlarda integrali güncellememektedir.

Çalışmada gerçek fren torku gösterilmiş mi?

Metin, bağlantı kuvveti negatif olduğunda eklentinin öndeki bisikleti itmesini engellemek amacıyla yavaşlaması veya “brake” etmesi gerektiğini belirtmektedir.

Ancak gösterilen PID fonksiyonunun motor çıkışı:

\[ 0\leq u\leq100 \]

aralığıyla sınırlandırılmıştır. Kaynak kodda negatif motor komutu veya ayrı bir rejeneratif/mekanik fren komutu gösterilmemektedir.

Bu nedenle mevcut çalışma, eklentinin aktif negatif torkla fren yaptığına ilişkin bağımsız bir deneysel kanıt olarak değerlendirilmemelidir. Gösterilen kontrol mantığının açık biçimde desteklediği davranış, motor tahrik komutunun azaltılmasıdır.

Yöntem ve Bulgular

Kontrol yazılımı nasıl ön testten geçirildi?

Mekanik eklentinin tamamından bağımsız olarak PID kontrolcüsüne temsili bir kuvvet profili uygulanmıştır. Amaç uyarlanabilir kazanç, rate limiter ve anti-windup mekanizmalarının algoritmik davranışını erken geliştirme aşamasında değerlendirmektir.

Kaynakta test girişinin yaklaşık +60 N ile −50 N arasındaki bağlantı kuvvetlerini temsil ettiği belirtilmektedir. Bu profil; kalkış, frenleme ve bağlantı sisteminde oluşabilecek salınımları temsil edecek şekilde hazırlanmıştır.

Kaynak özellikle bunun düşük yük seviyesini ve eklentinin kompakt konfigürasyonunu temsil ettiğini belirtmektedir.

PID ön testinin performans sonuçları

Araştırmacılar bu parametrelerin nihai ayarlar olmadığını açıkça belirtmektedir. Kazançlar erken geliştirme aşamasında sayısal kararlılık ve güvenli kontrol davranışı sağlamak üzere seçilmiş; gerçek kapalı çevrim sistem kurulduktan sonra yeniden ayarlanması planlanmıştır.

Sola dönüş kontrolü nasıl çalışıyor?

Kaynak çalışmanın sayfa 12'deki Şekil 5'i, sola dönüş senaryosunu sensör sinyalleri ve iki motor komutuyla birlikte göstermektedir.

Sola dönüşte sol bağlantı tarafında negatif, sağ tarafta pozitif kuvvet oluştuğu varsayılır. Bunun anlamı eklentinin sol tarafta bisikleti itmesi, sağ tarafta ise bisiklet tarafından çekilmesidir.

Kontrolcü bu durumda:

• sol motorun komutunu azaltır,
• sağ motorun komutunu artırır.

Böylece eklentinin dönüş hareketine mekanik olarak karşı koyması yerine öndeki bisikletin dönüş yönünü takip etmesi hedeflenmektedir.

Gerçek donanımla hangi bölüm test edildi?

Araştırmacılar yük hücreleri, HX711 modülleri ve STM32 geliştirme kartından oluşan sensör–kontrolcü prototipini fiziksel olarak kurmuştur.

Kaynak çalışmanın sayfa 14'teki Şekil 7'si bir yük hücresinin merkezine statik kuvvet uygulanırken elde edilen gerçek veri aktarım testini göstermektedir. Sensör sinyali STM32CubeMonitor üzerinden kaydedilmiş ve farklı kuvvet basamaklarının veri akışında izlenebildiği gösterilmiştir.

Bu deney, tam römorkun yol performansını değil, sensörün ve seri haberleşme zincirinin çalıştığını doğrulamaktadır.

UART haberleşme ayarları

Python izleme aracı ne amaçla kullanılıyor?

Araştırmacılar STM32'nin UART bağlantısından gelen yük hücresi verilerini bilgisayarda canlı olarak izlemek için Python tabanlı basit bir araç geliştirmiştir.

Kaynak kod COM8 seri portunu 115.200 baud hızında açmakta, “Load1” etiketini içeren satırları aramakta ve son 100 ölçümü temsil eden sabit uzunlukta bir tampon kullanmaktadır.

Ancak burada kaynak içi önemli bir yazılım uyuşmazlığı bulunmaktadır: açıklama metni “Load1: 1234 g” biçimindeki verinin sayısal kısmının ayrıştırıldığını belirtirken yayınlanan kod örneğinde:

data.append(line_data)

satırı doğrudan metin dizisini tampona eklemektedir. Aynı kod daha sonra:

ax.set_ylim(min(data)-10, max(data)+10)

işlemini gerçekleştirmeye çalışmaktadır. Gösterilen parçada metni sayıya dönüştüren bir ayrıştırma işlemi bulunmadığından kod örneği ile açıklanan davranış arasında eksik bir adım vardır. Verianla metninde bu kod tahmini biçimde düzeltilmemiştir.

Sistemin mevcut doğrulama seviyesi nedir?

Çalışmanın doğrulamasını üç ayrı katmanda değerlendirmek gerekir:

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• İki yük hücresinden alınan kuvvet bilgisinin STM32 tabanlı bir elektrik destek kontrolünün geri bildirimi olarak kullanılabileceğini gösteriyor.
• Sağ ve sol motorların ayrı kuvvet sensörleriyle bağımsız kontrol edilmesine yönelik uygulanabilir bir mimari sunuyor.
• Uyarlanabilir Kp, rate limiter ve anti-windup içeren PID kodunun temsili kuvvet girdileri altında sayısal olarak kararlı davranabildiğini gösteriyor.
• Gerçek yük hücresi verilerinin STM32 üzerinden UART yoluyla bilgisayara aktarılabildiğini gösteriyor.
• Modüler elektrik destek sisteminin öndeki bisikletin elektrik altyapısından bağımsız tasarlanabileceğini ortaya koyuyor.
• Kompakt ve genişletilebilir kargo modülüyle elektrik desteğin aynı sistem mimarisinde birleştirilebileceği bir demonstratör yaklaşımı sunuyor.

Çalışmanın henüz kanıtlamadığı sonuçlar

• 200 kg yükle gerçek şehir içi sürüş performansı gösterilmemiştir.
• İki 250 W motorun maksimum yük ve yol eğimi altında yeterliliği gerçek yol testiyle doğrulanmamıştır.
• Gerçek menzil veya tek şarjla teslimat kapasitesi ölçülmemiştir.
• Bataryaların yoğun lojistik kullanımındaki termal davranışı ve çevrim ömrü ölçülmemiştir.
• PID'nin mekanik eklentiyle kapalı çevrimde kararlılığı mevcut çalışmada doğrulanmamıştır.
• Acil fren, aktif negatif motor torku veya rejeneratif frenleme deneysel olarak gösterilmemiştir.
• Viraj kararlılığı gerçek araç üzerinde test edilmemiştir.
• Gerçek teslimat filosunda maliyet, süre veya enerji avantajı nicel olarak doğrulanmamıştır.
• Kullanıcı kabulü ve lojistik şirketleriyle saha değerlendirmeleri henüz gerçekleştirilmemiştir.

Gelecek çalışma

Araştırmacılar bir sonraki aşamada PID parametrelerini gerçek kapalı çevrim sistem üzerinde yeniden ayarlamayı, farklı kullanım senaryolarında sistemi test etmeyi ve gerçek lojistik operasyonlarında pilot çalışmalar gerçekleştirmeyi planlamaktadır.

Uzun dönem dayanıklılık, kullanıcı kabulü, işletme tasarrufu, enerji verimliliği ve filo yönetimi için bağlantılı sistem özellikleri de gelecekte araştırılması gereken başlıklar arasında gösterilmektedir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Tam özgün çalışma adı: Development of the Electrical Assistance System for a Modular Attachment Demonstrator Integrated in Lightweight Cycles Used for Urban Parcel Transportation

Yazarlar: Vlad Teodorascu; Nicolae Burnete; Levente Botond Kocsis; Irina Duma; Nicolae Vlad Burnete; Andreia Molea; Ioana Cristina Sechel.

Yazar sırası: Kaynak çalışmadaki sıra aynen korunmuştur.

Eş katkı/eş birinci yazar: Kaynakta eş birinci yazarlık veya eş katkı bildirimi bulunmamaktadır.

Sorumlu yazar: Vlad Teodorascu.

Kurumlar:

1. Department of Automotive Engineering and Transports, Technical University of Cluj-Napoca, Cluj-Napoca, Romania.
2. European University of Technology, European Union.

Dergi: Vehicles.

Yayınevi: MDPI.

Cilt / sayı / makale numarası: 7 / 4 / 164.

DOI: 10.3390/vehicles7040164

Gönderim tarihi: 7 Ekim 2025.

Revizyon tarihi: 8 Aralık 2025.

Kabul tarihi: 11 Aralık 2025.

Yayın tarihi: 17 Aralık 2025.

Kaynak türü ve hakemlik: Hakemli araştırma makalesi.

Resmî yayın bağlantısı:https://www.mdpi.com/2624-8921/7/4/164

DOI bağlantısı:https://doi.org/10.3390/vehicles7040164

Lisans: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0). Çalışma açık erişimlidir.

Finansman: Araştırma Technical University of Cluj Napoca tarafından GNaC ARUT 2023 National Grant Program kapsamında, 25/01-07-2024 numaralı hibe ile desteklenmiştir.

Veri erişilebilirliği: Araştırmacılar özgün katkıların makale içinde bulunduğunu ve ek soruların sorumlu yazara yöneltilebileceğini belirtmektedir.

Çıkar çatışması: Yazarlar çıkar çatışması bulunmadığını beyan etmektedir.

Yazar katkıları: Kavramsallaştırma N.V.B. ve V.T.; araştırma I.C.S.; yazılım ve görselleştirme V.T.; ilk taslak V.T.; inceleme ve düzenleme I.D., A.M., L.B.K. ve N.B.; gözetim N.B.; proje yönetimi ve finansman edinimi L.B.K. tarafından gerçekleştirilmiştir.

Doğrulama kapsamı: Çalışmanın mevcut elektrik destek doğrulaması; yük hücresi–STM32 elektronik prototipi, UART veri aktarımı ve temsili bağlantı kuvveti profili altında PID algoritmasının açık çevrim ön değerlendirmesinden oluşmaktadır. Tam mekanik eklentinin gerçek kargo ve öndeki bisikletle kapalı çevrimli sürüş doğrulaması bu araştırmanın mevcut sonuçları arasında değildir.

Kaynak içindeki önemli teknik ve editoryal noktalar

• Özet bölümünde “urban parchment deliveries” ifadesi bulunmaktadır. Çalışmanın başlığı, kapsamı ve diğer bölümleri kentsel paket/parcel teslimatlarını ele aldığından bu kullanım kaynakta bulunan editoryal bir yazım sorunudur.
• Python kodunun açıklamasında “Load1: 1234 g” benzeri UART mesajlarından sayısal ölçüm değerinin ayrıştırıldığı belirtilirken gösterilen kod parçasında doğrudan metin satırı data.append(line_data) ile tampona eklenmektedir. Kod ile açıklanan sayısal işleme arasında eksik bir dönüştürme adımı bulunmaktadır.
• Metin, negatif bağlantı kuvveti oluştuğunda eklentinin frenlediğini ifade etmektedir. Ancak sunulan PID kodunda motor komutu 0–100 aralığında sınırlandırılmıştır ve negatif motor torku üreten ayrı bir fren komutu gösterilmemektedir. Bu nedenle aktif elektriksel frenleme mevcut koddan doğrulanamamaktadır.
• Kaynakta 200 kg'a kadar kargo taşıma kapasitesi modüler eklentinin tasarım özelliği olarak sunulmaktadır. Mevcut kontrol testi ise +60 N ile −50 N arasındaki temsili kuvvet profilini ve düşük kargo yükünü temsil etmektedir; 200 kg gerçek yükle gerçekleştirilen yol testi değildir.

Bilimsel içerik notu: Bu Verianla makalesindeki donanım parametreleri, yazılım değerleri, kontrol mantığı, test metrikleri ve sınırlılıklar yalnız incelenen çalışmaya dayanmaktadır. Dış kaynaklar yalnız bibliyografik yayın kimliğini ve derginin hakemli durumunu doğrulamak amacıyla kullanılmıştır.