đồ án máy bay 6 cánh Hexacopter

Máy bay không người lái (UAV) là một trong những loại khí cụ bay không người lái có điều khiển. Từ khi ra đời đến nay UAV ngày càng được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực: chụp ảnh trên không, giám sát trên bộ, trên biển, chống buôn lậu, kiểm soát môi trường, bảo vệ rừng, thăm dò địa chất, dịch vụ nông – ngư nghiệp. Tuy nhiên UAV được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực an ninh quốc phòng. Trong quân sự UAV được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ trinh sát, chụp ảnh, giám sát chiến trường, chỉ thị mục tiêu

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án 6

2.1 Khái quát lịch sử phát triển và ứng dụng của UAV 8

2.1.2 Vai trò và khả năng ứng dụng của UAV 102.2 Tình hình nghiên cứu phát triển UAV trên thế giới 122.2.1 Phát triển UAV của một số nước trên thế giới 12

2.3 Tình hình nghiên cứu và phát triển UAV ở nước ta 222.3.1 Phát triển máy bay mô hình ở Việt Nam 22

CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC BAY CỦA UAV 25

3.1.3 Hệ trục toạ độ tốc độ thẳng đứng Oxyz 26

3.2 Các dạng chuyển động chính của hexacopter 27

4.4 Xây dựng, kết nối mạch điều khiển cho hexacopter 474.4.1 Bộ điều khiển bay Pixhawk PX4 Autopilot PIX 47

4.4.2 Bộ điều khiển tốc độ ECS 30A 49

4.4.4 Máy thu phát Flysky FS-i6 6CH 2.4GHz AFHDS 2A RC 51

4.4.7- Tính toán lựa chọn nguồn cho máy bay 56

4.5- Sơ đồ kết nối chân các linh kiện và kiểm tra hoạt động của mô hình

bay

61

đã hoàn thành đúng thời gian quy định

Qua đây em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô giáo trong khoa Cơ Điện Tửtrường …., là những người truyền thụ tri thức, kỹ năng, kinh nghiệm cho em trongsuốt bốn năm học vừa qua Đó là nền tảng cho việc thực hiện đồ án tốt nghiệp này.Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn – thầy ….,thầy đã luôn theo dõi, chỉ dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành

đồ án Trong thời gian thực hiện đồ án, em đã phải những khó khăn và sai xót, thầyluôn có những phát hiện và gợi ý cho em có thể tìm ra phương pháp khắc phục vàhoàn thiện đồ án

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày…tháng…năm 2022

Sinh viên thực hiện

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan nội dung được trình bày trong đồ án tốt nghiệp là kếtquả nghiên cứu của bản thân Nội dung đồ án của chúng em có tham khảo và sửdụng các tài liệu, thông tin đã được đăng tải trên các tạp chí, Webside theo danhmục tài liệu tham khảo của đồ án ở phần cuối

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Máy bay không người lái (UAV) là một trong những loại khí cụ bay khôngngười lái có điều khiển Từ khi ra đời đến nay UAV ngày càng được sử dụng phổbiến trong nhiều lĩnh vực: chụp ảnh trên không, giám sát trên bộ, trên biển, chốngbuôn lậu, kiểm soát môi trường, bảo vệ rừng, thăm dò địa chất, dịch vụ nông – ngưnghiệp Tuy nhiên UAV được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực an ninh quốcphòng Trong quân sự UAV được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ trinh sát, chụpảnh, giám sát chiến trường, chỉ thị mục tiêu Hơn nữa do đặc điểm có kích thướcnhỏ, khó bị phát hiện nên UAV dễ dàng xâm nhập không phận đối tượng để trinhsát và gửi ảnh về trung tâm tạo điều kiện cho lực lượng tiến công có thể có đượcnhững hình ảnh chính xác về mục tiêu trong thời gian thực

Về mặt kỹ thuật, UAV có nhiều điểm giống với máy bay có người lái Tuynhiên chúng có những điểm khác biệt như:

− Chi phí cho nghiên cứu phát triển, chế tạo, vận hành, đảm bảo kỹ thuật thấp

− Không bị tổn thất phi công trong chiến đấu, không tốn kém cho huấn luyệnphi công

− Không bị hạn chế bởi các yếu tố tâm lý của phi công.

Với các ưu điểm trên, cùng với sự tiến bộ nhanh chóng của khoa học và côngnghệ, trong khoảng 10 năm trở lại đây đang diễn ra sự bùng nổ về UAV Cũng nhưcác nước trên thế giới, đối với Việt Nam nhu cầu sử dụng UAV trong thời điểmhiện nay rất đa dạng:

− Làm mục tiêu cho máy bay, tên lửa, pháo phòng không bắn tập

− Sử dụng cho các mục đích trinh sát quân sự: chụp ảnh, tuần tiễu biên giới,hải đảo và các nhiệm vụ an ninh quốc phòng và kinh tế xã hội khác

Do đó việc nghiên cứu tổng hợp hệ thống tự động điều khiển UAV trong điềukiện có tác động của gió, nhiễu động khí quyển, có khả năng đáp ứng được các yêucầu chiến thuật về khả năng cơ động nhanh trong các nhiệm vụ cụ thể hoặc các tìnhhuống phức tạp là rất cần thiết

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án

Do khối lượng và thời gian hạn chế của đồ án, hơn nữa chuyển động dọc củaUAV là một chuyển động phức tạp, liên quan trực tiếp đến điều khiển UAV theoquỹ đạo hành trình, vì vậy đồ án sẽ đi sâu vào thiết kế, điều khiển hệ thống củaUAV và thu thập không gian ảnh mà UAV có thể thu được trong suốt hành trìnhbay

Để đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển chuyển động dọc được tổng hợp,

đồ án của nhóm sẽ sử dụng thiết kế, chế tạo và lắp ráp điều khiển mô hình của máybay 6 cánh

3 Phương pháp nghiên cứu

Là một đề tài có tính thực tế cao nên phương pháp nghiên cứu và thực hiện đềtài của nhóm phải bám sát với thực tiễn một cách sát sao nhất Vì vậy, nhóm lựa

chọn hình thức kết hợp làm mô hình thực nghiệm và quá trình tính toán và thiết kếtrên các phần mềm mô phỏng.

- Thực hiện thiết kế mô hình cơ khí thực tế;

- Sử dụng và kết hợp các module có sẵn trong thị trường để chế tạo bộ điềukhiển của máy bay 6 cánh;

- Điều khiển hoạt động thực tiễn của máy bay;

- Tính toán một số thông số quan trong đối với mô hình chế tạo

- Thiết kế bản vẽ 3D, 2D mô hình máy bay không người lái UAV 6 cánh;

- Gia công lắp rắp mô hình;

- Tìm hiểu, kết nối các module điều khiển;

- Tìm hiểu, kết nối hệ thống thu thập ảnh;

- Điều khiển mô hình bay thực tế trong điều kiện môi trường cho phép

- Thu thập không gian ảnh trong quá trình bay

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ UAV 2.1 Khái quát lịch sử phát triển và ứng dụng của UAV

2.1.1 Lịch sử phát triển của UAV

Phương tiện bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle - UAV) là thuậtngữ chỉ những phương tiện bay được điều khiển tự động theo chương trình địnhtrước, hoặc được điều khiển từ xa bởi trạm mặt đất hoặc máy bay có người lái, cóthể thu hồi hoặc tự hủy sau khi hoàn thành nhiệm vụ mà không cần phi công điềukhiển trực tiếp

Chiếc UAV sơ khởi, tự điều khiển đầu tiên được tạo ra từ việc phát triển mộtcon quay hồi chuyển bởi Lawrence và Elmer Sperry (USA) trong năm 1916 cũng

là thiết bị đầu tiên có kiểm soát độ cao Sau đó hai người đã phát triển Máy bayKhu trục không người lái (Aerial Torpedo), có thể mang một tải trọng nổ đến mụctiêu, đã bay được một khoảng cách hơn 30 dặm

Mẫu UAV phản lực ký hiệu XQ-2, có thể coi là ông nội của UAV hiện đại, rađời vào năm 1951 do Cty Teledyne Ryan Aeronautical ở San Diego chế tạo theođặt hàng của Bộ Quốc phòng Mỹ Ban đầu chỉ để làm mục tiêu bay huấn luyện, sau

đó chuyển thành trinh sát với mẫu AQM-34 nổi tiếng với 34.000 phi vụ trong chiếntranh Việt Nam Có thông tin cho rằng Trung Quốc có được mẫu UAV này là nhờ

Việt Nam chuyển cho họ những chiếc bị bắn rơi ở Miền Bắc, trên cơ sở đó họnghiên cứu, sao chép và tạo ra chiếc WZ-5 (Chim thần) vào năm 1981 và sau đóxuất khẩu dưới tên CH-1

Các thế hệ UAV hiện đại đều được sinh ra sau chiến tranh Việt Nam Mỹ đưaUAV sử dụng thực tế trong chiến tranh vùng Vịnh năm 1991, đánh dấu sự tiến triểnmột cách nhanh chóng của UAV quân sự Cũng sau chiến tranh Việt Nam, Mỹ vàIsrael phát triển UAV nhỏ hơn và rẻ hơn, trang bị động cơ nhỏ tương tự như của xemáy hoặc xe trượt tuyết, truyền hình ảnh video về căn cứ của nhà khai thác Đâycũng là lúc việc nghiên cứu chế tạo UAV lưỡng dụng quân sự - dân sự bắt đầu và

từ 1990 trở thành kỷ nguyên của UAV dân sự và thương mại

Từ khi ra đời đến nay UAV đã được sử dụng phổ biến trong quân sự, chúngđược sử dụng cho các nhiệm vụ huấn luyện, trinh sát, thông tin, tác chiến điện tử,

và thậm chí trực tiếp tham gia chiến đấu Còn trong các lĩnh vực khác, UAV được

sử dụng trong các nhiệm vụ như giám sát bờ biển, chống buôn lậu, kiểm soát môitrường, hay đánh giá sản lượng nông sản

Phương tiện bay không người lái được nghiên cứu, phát triển từ thế chiến lầnthứ nhất, thiết bị đầu tiên được biết đến là Aerial Torpedoes Tiếp đó, ngày12/09/1916 máy bay tự động Hewitt-Sperry, còn được gọi là “Flying Bomb” đượcthử nghiệm thành công Năm 1917 các máy bay tự động đã được quân đội Mỹ pháttriển và sử dụng, đây chính là tiền đề mở ra những hướng nghiên cứu và phát triểncác mô hình máy bay tự động sau này

Trong những năm 1930, quân đội Anh với khả năng về khoa học kỹ thuật vượttrội đã chú trọng nghiên cứu và phát triển các phương tiên bay tự động Trước hết

là những máy bay điều khiển bằng vô tuyến để hiệu chỉnh súng pháo phòng không,điển hình trong số đó là mục tiêu bay “Fairey Queen” phát hiển từ thủy phi cơ

“Fairey IIIF” Bước phát hiển tiếp theo là mục tiêu bay “DH82 Queen Bee” ra đờinăm 1935

Thời gian này, quân đội Mỹ cũng phát triển hàng loạt các loại máy bay điềukhiển vô tuyến Nổi bật nhất là các sản phẩm của Reginal Denny - một người Anh

di cư - như RP-1, RP-2, RP-3, RP-4, và đặc biệt nhất là máy bay điều khiển vôtuyến OQ-2 được quân đội Mỹ đặt hàng 15000 chiếc vào năm 1940

Bước đột phá diễn ra trong chiến tranh thế giới lần thứ II khi quân đội Mỹ sửdụng những chiếc máy bay điều khiển vô tuyến TDR-1 mang theo bom và ngư lôitấn công các tầu của hải quân Nhật đang rời khỏi quần đảo Solomon Cũng trongcuộc chiến này không quân Mỹ (USAAF - the us Army Air Forces) đã sử dụnghàng trăm mục tiêu bay loại PQ-8, hàng ngàn loại PQ-14 và rất nhiều máy bay B-

7, B-24 Thời gian này cũng đánh dấu sự ra đời của các loại UAV sử dụng động

cơ phản lực Pulsejet, điển hình là loại mục tiêu T2D-1 Katydid được sử dụng trongHải quân Mỹ Trải qua một quá trình phát triển lâu dài, ngày nay vị trí của UAVtrong lĩnh vực quân sự là không thể thay thế Những bước tiến về công nghệ trongmọi lĩnh vực đã góp phần hoàn thiện công nghệ chế tạo UAV, giúp chúng đóng vaitrò ngày càng quan trọng hơn và tham gia tích cực vào các nhiệm vụ mà trước đâykhông một phương tiện nào khác có thể đảm trách được

2.1.2 Vai trò và khả năng ứng dụng của UAV

Những UAV đầu tiên được phát triển với mục đích huấn luyện truyền phátthông tin, làm mồi bẫy và làm mục tiêu bay, phục vụ việc hiệu chỉnh các thiết bịphòng không Tuy nhiên ngày nay nhiệm vụ của UAV ngày càng được mở rộng, cóđược điều đó là do những ưu điểm vượt trội của UAV so với các phương tiện baykhác

Những ưu điểm đó có thể được tóm tắt như sau:

− Không cần phi công điều khiển trực tiếp, do đó giảm thiểu thương vong, chỉphí đào tạo, có thể bay liên tục trong nhiều giờ và trong các trong các trườnghợp khẩn cấp

− UAV dễ dàng thay đổi đường bay do đó khó bị đánh chặn hơn các tên lửahành trình, đồng thời có thể hoạt động ở các địa hình phức tạp.

− Với ưu thế nhỏ, khó bị phát hiện, UAV có thể hoạt động ở những vùng nguyhiểm, xâm nhập vào không phận để trinh sát và theo dõi đối phương, thậmchỉ có thểtrực tiếp tấn công các mục tiêu khi cần thiết

Hiện nay, vai trò quan trọng nhất của UAV là trinh sát, giám sát chiến trường,chuyển tiếp thông tin, tác chiến điện tử và chỉ thị mục tiêu Được trang bị các thiết

bị hiện đại như: Camera quang điện tử, hồng ngoại, rada, các thiết bị vô tuyến, cácsensor và các phương tiện điện tử khác , dữ liệu thu được từ UAV đã tạo ra mộtlợi thế đáng kể để xác định thông tin về mục tiêu tấn công cho các loại vũ khí.Ngoài ra hiện nay các UAV còn được sử dụng làm phương tiện tấn công và cóthể thực hiện các nhiệm vụ tương đương máy bay có người lái Chuyến bay thànhcông của UAV chiến đấu (UCAV - Unmanned Combat Aeriel Vehicle) loại X-45vào tháng 10/5/2002 tại Mỹ, đã mở ra một kỷ nguyên mới cho UCAV Điều nàyhứa hẹn trong một tương lai gần các UCAV sẽ dằn thay thế các máy bay chiến đấu

có người lái

Hình 1.1- UAV chiến đấu mang theo tên lửa

Trong khi chờ đợi những UCAV thế hệ mới như X-45, quân đội Mỹ đã trang bị

vũ khí cho các UAV làm nhiệm vụ trinh sát, biến chúng thành các phương tiện tấncông UAV Predator RQ1 được trang bị hai tên lửa chống tăng Hellfire trên cánh

đã tiêu diệt một số thành viên Al-Qaeda trong cuộc chiến tại Afganistan

Trong các hoạt động dân sự, UAV cũng chứng tỏ được vai trò của mình trongcác nhiệm vụ chuyển tiếp thông tin, quan sát bờ biển, giám sát môi trường, chốngbuôn lậu, cứu hộ cứu nạn

HC-342E là dòng UAV phát triển bởi Tổ Ong Hàng Không Vũ Trụ Công Nghệ(Bắc Kinh) để đối phó với ba vấn đề chính chữa cháy trên thế giới, bao gồm cả caotầng xây dựng cháy, cháy rừng và hóa dầu lửa

Các sản phẩm có thể được trang bị với một tập hợp của ba bình chữa cháy bệphóng tên lửa, và tích hợp với độ nét cao Video Capture mục tiêu khác nhau, chứcnăng Các nền tảng có đầy đủ tự trị chuyến bay khả năng Thân máy bay thông quacác thiết kế khái niệm của kéo giảm Bằng cách sử dụng hiệu suất cao pin lithiumpin như các nguồn cung cấp năng lượng thiết bị, có hiệu quả cải thiện các chuyếnbay tốc độ và thời gian bay Cánh tay thông qua các Gấp thiết kế, đó là thuận tiệncho giao thông vận tải và chiếm không gian nhỏ Toàn bộ máy thông qua sợiCarbon vật liệu composite, với độ tin cậy cao

Đặc biệt trong nhiệm vụ giám sát biên giới và chống buôn lậu, biên phòng vàhải quan Mỹ sử dụng UAV Predator MQ-9 Reapers để giám sát biên giới Mỹ vàMexico Kết quả, trong 6 tháng UAV này phát hiện hon 2000 người nhập cư tráiphép và hơn 4 tấn cần sa

2.2 Tình hình nghiên cứu phát triển UAV trên thế giới

2.2.1 Phát triển UAV của một số nước trên thế giới

Hiện tại, UAV đang phát triển với tốc độ chưa từng có Phải kể tới Bay nhanhnhất (D-21, 4 lần tốc độ âm thanh, USA), Bay cao nhất (Helios, 96.500 ft, USA),Nhỏ nhất (Black Widow, 6 inch, USA), Bay lâu nhất (Heron, 52 giờ, Israel), Bay

xa nhất (RQ-4 Global Hawk, 8.580 dặm, USA) Chuyến bay xuyên Đại Tây Dươngđầu tiên do UAV Aerosonde (USA) thực hiện năm 1998, chuyến bay xuyên TháiBình Dương đầu tiên do RQ-4 Global Hawk (USA) thực hiện năm 2001

Trong quân sự hiện nay, các hệ thống không người lái được các tư lệnh chiếntrường ưa chuộng và đánh giá cao nhờ tính linh hoạt và bền bỉ của chúng Với việcthực thi các nhiệm vụ như giám sát, báo hiệu thông minh (SIGINT), chỉ định mụctiêu chính xác cao, phát hiện mìn, trinh sát hóa học, sinh học, phóng xạ hạt nhân(CBRN)… hệ thống không người lái đóng góp quan trọng cho cuộc chiến chốngkhủng bố toàn cầu.

Hệ thống UAV thường có giá thấp hơn nhiều so với máy bay có người lái Banđầu người ta còn dự trù làm những hệ bay rất rẻ tiền, dùng một lần rồi bỏ, tuynhiên đến năm 2011 thì khả năng này là không thật hiện thực Các bộ cảm biến tiêntiến trang bị trên các hệ thống UAV rất đắt tiền và không thể dùng một lần rồi bỏđược, hơn nữa, tổn thất quá cao có thể phủ nhận lợi thế chi phí vì phải mua một sốlượng lớn UAV thay thế

Theo tính năng công nghệ và phạm vi hoạt động, người ta có thể thấy có cácUAV nhỏ và siêu nhỏ, bay dưới 300m luồn lách trong thành phố hoặc ngay trongcác tòa nhà, chui vào trong các hành lang, mang theo các thiết bị thu phát nghenhìn và chỉ nặng dưới 100gr Trong khi đó, UAV chiến thuật có thể mang tên lửatìm diệt chính xác cao, sử dụng kết nối vệ tinh hoặc một nền tảng riêng nào đó.Còn UAV chiến lược có thể có trọng lượng cất cánh lên đến 12.000 kg, trần baycao đến 20.000m; chiếc Global Hawk có thể bay lâu đến 35 giờ hoặc chiếc Helioscủa NASA dùng năng lượng pin mặt trời, đạt được trần bay cao đến 30.000m.Chiếc Helios đã được dùng để quan sát trái đất, lập bản đồ và cảnh báo môi trường

Mỹ là nước dẫn đầu thế giới trong mọi phân khúc của máy bay không người lái,tuy nhiên, so với số tiền đã chi cho máy bay chiến đấu và tên lửa thì số đã đầu tưcho UAV chỉ là phần rất bé nhỏ, khoảng 8% Nhưng nay tình hình đã thay đổi doyêu cầu lớn của cuộc chiến tranh chống khủng bố Chương trình UAV phóng từ tàungầm hoặc từ chiến hạm đã vạch ra lộ trình tương lai đầy tham vọng đối với UAVquân sự Sử dụng UAV trong hàng loạt các tác vụ an ninh nội địa, phi quân sự cũng

đã và đang gia tăng mạnh mẽ ở Mỹ, chẳng hạn giao UAV giám sát thực thi phápluật thường xuyên, theo dõi xe tải vận chuyển hàng hóa nguy hiểm hoặc tìm kiếmcác vụ cháy rừng Trong khi đó, tất cả các quốc gia trong Liên minh Châu Âu hoặc

là đang sử dụng UAV hoặc đã và đang lập kế hoạch mời thầu trang bị UAV trongtương lai

Hình 1.2- UAV bay cùng máy bay tiêm kích của Mỹ

Ở Canada UAV đã được sử dụng vào nhiều mục đích như lấy mẫu khí trong khíquyển, nghiên cứu hải dương, địa vật lý, thăm dò khoáng sản, tiếp sức viễn thông,tuần tra biên giới, kiểm tra đường dây điện và đường ống dẫn từ xa, cảnh báo thờitiết, giám sát và điều hành phòng cháy chữa cháy… Luật Canada quy định UAV làthiết bị bay chuyên nghiệp, phải có giấy chứng nhận hoạt động bay đặc biệt Người

sở hữu phải gửi trước đơn mô tả rõ ràng hành trình các chuyến bay sẽ được thựchiện

Vào năm 2007, cảnh sát vùng Keno đã tạo ra một tiền lệ là lần đầu tiên dùngnhững bức ảnh do UAV chụp để trình ra trước tòa án làm bằng chứng Cảnh sát đã

sử dụng Draganflyer do 2 hãng của Canada thiết kế và chế tạo, cất-hạ cánh thẳngđứng, gắn Camera và GPS Chất lượng hình ảnh cao, nhờ máy ảnh có bộ giảmrung và công nghệ ổn định hình ảnh Các chuyến bay thường từ 5-15 phút, vậnhành bởi ba điều hành viên mặt đất, trong đó có một sĩ quan an toàn hàng không.Nga thừa hưởng di sản khá đồ sộ của ngành công nghiệp hàng không Liên Xô

cũ, chẳng hạn từ thập kỷ 1950 đã viện trợ dòng UAV LA-17 cho Trung Quốc Tuy

vậy, ngành công nghiệp UAV hiện đại thì Nga có vẻ chậm chân Mãi đến năm 2012

Bộ quốc phòng Nga mới loan báo UAV chiến đấu do Nga chế tạo dự định đưa vàophục vụ cuối năm 2014 Hiện nay có vài chục công ty Nga đang phát triển và sảnxuất UAV mini, như ENICS ở Kazan chế tạo Eleron, AERO Zala ở Izhevsk sảnxuất Strekoza và Lastochka, STTs tại St Petersburg với sản phẩm dòng Orlan Nga đang chế tạo các UAV tiệm cận với những UAV tốt nhất trên thế giới, ví dụDozor - 600 do Công ty Tranzas phát triển chắc không kém hơn so với chiếcPredator của Mỹ về đặc tính chiến đấu

Hình 1.3- UAV đa năng dẫn đường tên lửa của Nga

Ngành công nghiệp UAV Trung Quốc có nguồn gốc từ những năm 1950 hiệnđang mở rộng và rất đa dạng Rất ít thông tin của các cơ sở quốc doanh phát triểnchế tạo UAV công bố công khai nên đã hạn chế sự hiểu biết chi tiết về ngành côngnghiệp này của Trung Quốc Bản chất kép quân sự - dân sự của công nghệ UAV đãdẫn đến sự đan xen giữa giới Đại học, các Viện khoa học, Quân giải phóng nhândân Trung Quốc (PLA), các doanh nghiệp quốc phòng của nhà nước và khu vực tưnhân Các Công ty quốc phòng của Trung Quốc không phải đối mặt với những hạnchế xuất khẩu như ở các nước xuất khẩu UAV hàng đầu, chẳng hạn như Mỹ vàIsrael Kết quả là Trung Quốc có thể trở thành một nhà cung cấp UAV quan trọng,

đặc biệt là cho các nước đang phát triển Điểm đáng chú ý là Trung Quốc đã vàđang phát triển mạnh mẽ UAV cho dân sự, phi quốc phòng, bao gồm thực thi phápluật, giám sát hàng hải, viễn thám, phục vụ nông nghiệp và hỗ trợ/cứu trợ thảm họanhân đạo.

Nhật Bản nổi bật từ rất sớm trong việc phát triển các công nghệ tinh vi, thôngminh trang bị cho các loại UAV trung bình, nhỏ, siêu nhỏ và giúp chúng toàn phần

tự chủ (Autonomous) Người Nhật gọi đó là các Robot bay Yamaha Motor bắt đầuphát triển UAV lên thẳng với động cơ của xe máy dùng để phun hóa chất nôngnghiệp từ năm 1983 Năm 1989 đánh dấu thành công đầu tiên trên thế giới trongviệc sử dụng UAV lên thẳng để rải phân bón và cho đến tháng 12.2002 đã có 1.281chiếc được sử dụng cho công việc phun hóa chất trên khắp Nhật Bản Bắt đầu từnăm 1998, các UAV được trang bị cảm biến GPS và thành công đầu tiên là chuyếnbay tự động độc lập thám sát hoạt động núi lửa Usu trong tháng 4.2000 Trong sốcác quốc gia tiên tiến sở hữu UAV cánh quạt ngang, Nhật Bản có thị phần lớn nhấtchứ không phải là Mỹ

Indonesia bắt đầu chương trình tự phát triển UAV trong năm 2004, chế tạothành công Wulung và được biết chiếc UAV này đã được quân đội đặt hàng chomục đích giám sát Nó có thể bay tối đa trong 4 giờ với bán kính lên tới 120 km,đạt độ cao lên đến 3.650m, hệ thống điều khiển có tầm kiểm soát lên tới 73 km.Wulung sử dụng động cơ đốt xăng 2 thì, vỏ được chế tạo từ vật liệu composite,thiết kế tinh vi và có những khả năng khác biệt khi so sánh với một số loại UAVkhác Ngoài chụp ảnh trên không và phát hiện cháy rừng, Wulung còn có thể làmmưa nhân tạo để góp sức dập lửa

Những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ đã tạo điều kiện chế tạo ra những

hệ thống thiết bị bay ngày càng nhỏ hơn (smaller UAV - SUAV) nhưng lại mạnh

mẽ hơn Giờ đây UAV/SUAV không chỉ thực hiện các nhiệm vụ thông tin tình báo,giám sát và trinh sát (ISR), mặc dù điều này vẫn còn là một trong những nhiệm vụ

chính, mà vai trò đã mở rộng sang các khu vực khác Chỉ nói riêng trong quân sựthôi thì UAV đã nhận lãnh việc tấn công điện tử (EA), nhiệm vụ đánh phá, trấn áphoặc phá hoại sức mạnh phòng không của đối thủ…

Trị giá của UAV có thể từ vài nghìn USD đến hàng chục triệu USD Phần đắttiền nhất, khác biệt nhất của UAV so với kỹ thuật hàng không thông thường chính

là lĩnh vực Điều khiển tự động hóa và Avionics Đây cũng là lĩnh vực non trẻ vàđang có sự nhảy vọt trong những năm gần đây Chất lượng và giá cả của UAVđược đánh giá bởi khả năng Toàn phần tự chủ của hệ điều hành Một số UAV phiênbản đầu tiên không có gì phức tạp, chỉ đơn giản là máy bay do một phi công (còngọi là điều hành viên - Operator) sử dụng sóng điện từ điều khiển liên tục suốtchuyến bay Phiên bản tinh vi về sau thì cấy ngay vào trong thiết bị những hệ thốngđiều khiển và dẫn đường tạo công năng độc lập, giúp con người chỉ cần can thiệprất ít và UAV có thể tự chủ hoàn toàn

So với sản xuất phần cứng của UAV, lĩnh vực công nghệ tự chủ hoạt động độclập (Autonomous technology) hãy còn khá mới mẻ và chưa phát triển được baonhiêu Do đó Autonomous technology đang và có thể sẽ tiếp tục là nút cổ chai cho

sự phát triển UAV tương lai Giá trị tổng thể và tốc độ mở rộng của thị trường UAVtương lai tùy thuộc vào những tiến bộ sẽ đạt được trong lĩnh vực Autonomoustechnology (Tụ hợp cảm biến/ Sensor fusion, Truyền thông/ Communications,Hoạch định chuyển động/ Motion planning, Khởi tạo quỹ đạo bay/ TrajectoryGeneration, Phân bổ nhiệm vụ và lịch trình/ Trajectory generation, Các chiến thuậthợp tác/ Cooperative tactics…)

Công nghệ tự chủ đã, đang và có thể sẽ tiếp tục được coi là phần mở rộng hơncủa ngành điều khiển học Mục tiêu cuối cùng trong sự phát triển của công nghệ tựchủ là để công nghệ thay thế cho con người phi công Vẫn còn phải chờ xem liệu

sự phát triển tương lai của công nghệ tự chủ đạt được như thế nào, nhận thức vềcông nghệ và quan trọng nhất, không khí chính trị xung quanh việc sử dụng công

nghệ đó Tất cả những điều đó sẽ vạch ra giới hạn để sự phát triển và sự hữu dụngcủa công nghệ tự chủ áp dụng vào UAV.

UAV không bị phụ thuộc vào những hạn chế tâm, sinh lý của con người phicông, chúng có thể được thiết kế để tối đa hóa thời gian ứng trực và hoạt động Sovới số tiền đã chi cho tên lửa và máy bay chiến đấu thì con số đã đầu tư cho UAVchỉ là phần bé nhỏ Mỹ đã lập ra một lộ trình để thực hiện các mức độ tự chủ cần

có của UAV cũng như dự đoán xu hướng tương lai đạt được cho khoảng thời gian

2005 - 2030 Xu hướng của kiểm soát tự chủ độc lập chia làm nhiều giai đoạn khácnhau, mức khởi đầu là việc điều khiển từ xa giản đơn ở cấp 1 và tiến tới cấp độ 10

là kiểm soát tự trị hoàn hảo cả đám như các chuyến bay hình thành của côn trùng

và các loài chim

Hiện tại, UAV đã ở mức có thể hoạch định lại quỹ đạo hành trình ngay khi đangbay dựa vào cảm ứng thị giác và máy tính nhúng, đang tiến đến giai đoạn có thể tựtránh được chướng ngại vật Mặc dù còn ở mức độ nghiên cứu, các chuyến tự chủbay tập thể của 2 hay nhiều chiếc UAV cũng đã được thực hiện, tức là hầu như đạttới mức 4 hoặc 5 sự tự chủ toàn phần Sự hoàn hảo không người lái được kỳ vọng

sẽ đạt được tương tự như một quá trình tiến hóa Một điểm then chốt quan trọngcho việc thực hiện điều này là CPU, với tốc độ xử lý phát triển theo cấp số nhânnhư định luật Moore dự báo

Công nghệ UAV đã trưởng thành ở mức cho phép chúng có khả năng trở thànhgia sản then chốt trong các liên minh quân sự, các quốc gia chủ chốt toàn cầu Để

dễ hiểu về thị trường UAV và tiềm năng tương lai, hãy liên hệ rằng nó giống nhưgiai đoạn sơ khởi của máy bay và sự hình thành ngành hàng không hiện nay Côngnghệ UAV được các chuyên gia đánh giá là ngành có tăng trưởng năng động nhấttrong công nghiệp hàng không vũ trụ ở thập kỷ này

Một nghiên cứu của Tập đoàn Teal cho biết rằng thị trường thế giới dành choviệc nghiên cứu, phát triển và mua sắm UAV là 6 tỉ USD trong năm 2011, sẽ tăng

gấp đôi trong 10 năm tới và lưu ý rằng con số này không bao gồm Chiến đấu cơkhông người lái (Unmanned combat aerial vehicles - UCAV) Theo khảo sát củaFrost & Sullivan, số lượng hệ thống UAV triển khai trên toàn cầu năm 2004 làkhoảng 1.000 thì đến 2008 đã tăng đến 5.000, phần lớn sự tăng trưởng này là donhu cầu của Mỹ.

2.2.2 Phân loại UAV

A, Theo vai trò

Các UAV thường rơi vào một trong sáu loại chức năng (mặc dù các nền tảng khung máy bay đa vai trò đang trở nên phổ biến hơn):

− Chiến đấu - cung cấp khả năng tấn công cho các nhiệm vụ có nguy cơ cao

(Máy bay chiến đấu không người lái (UCAV)).

Hình 1.4- UAV ScanEagle Việt Nam được đầu tư từ Mỹ

− Mục tiêu và mồi nhử - cung cấp pháo trên mặt đất và trên không một mụctiêu mô phỏng máy bay hoặc tên lửa của đối phương;

− Trinh sát - cung cấp thông tin tình báo chiến trường;

− Logistics - giao hàng;

− Nghiên cứu và phát triển - cải tiến công nghệ UAV;

− UAV dân dụng,thương mại-nông nghiệp, chụp ảnh trên không, thu thập dữliệu;

Hình 1.5- UAV dân dụng và thương mại

B, Theo độ cao

− Hand-held ( Cầm tay) độ cao 600 m, phạm vi khoảng 2 km;

− Close (Gần) độ cao 1500m, phạm vi lên đến 10km;

− NATO type độ cao 3000 m, phạm vi lên đến 50 km;

− Tactical (Chiến thuật cao) 5,5km độ cao, phạm vi khoảng 160km;

− MALE (medium altitude, long endurance) lên đến 9km và phạm vi trên

200 km;

− HALE (high altitude, long endurance) trên 9,1km, phạm vi không xác định

− Siêu thanh high-speed, siêu âm (Mach 1-5) hoặc siêu thanh (Mach 5+) độcao 15,2km , phạm vi trên 200 km;

− Orbital low earth orbit (Mach 25+);

− CIS Lunar Earth-Moon transfer;

− Hệ thống hướng dẫn vận chuyển hỗ trợ bởi máy tính (CACGS) cho UAVs;

C, Theo chủng loại, thiết kế

− Drone: Từ đồng nghĩa với UAV, nhưng thường nó được dùng để chỉ các thiết

bị bay không người lái dùng cho các mục đích quân sự, còn từ UAV đượcdùng để chỉ các thiết bị sử dụng cho mục đích giải trí

− Multirotor: Có thể hiểu là các thiết bị bay sử dụng nhiều cánh quạt (dạng lênthẳng);

− Hexacopter: UAV sử dụng sáu động cơ/cánh quạt;

− Octocopter: UAV sử dụng tám động cơ/cánh quạt;

Hình 1.6- Hexacoper UAV

− Quadcopter: UAV có bốn động cơ/cánh quạt và bốn cánh tay đỡ

− Tricopter: UAV có ba động cơ/ cánh quạt và thường có 3 tay đỡ

− Spyder: UAV kiểu “Spyder” (thường là UAV loại quad hoặc hexa) mà cáccánh tay đỡ motor không nằm đối xứng với nhau khi nhìn từ trên xuống

− V-Tail: Có bốn động cơ/cánh quạt, ở mỗi cặp tay đỡ tạo thành hình chữ “V”

− X4/X8: X4 và X8 là dạng UAV với 4 cánh tay đỡ;

− Y3/Y6: Y3 và Y6 là dạng UAV với 3 cánh tay đỡ;

− Cỡ (mm) đo bằng đơn vị milimet (450 mm), nó thể hiện khoảng cách lớnnhất giữa 2 động cơ trên một UAV Cỡ của UAV cũng có thể dùng định xácđịnh “lớp'” UAV (micro, mini, );

− RTF (Ready-to-fly) : UAV không cần lắp ráp và có thể thực hiện bay ngay

− ARTF, ARF (Almost-ready-to-fly): Đã lắp ráp hầu hết các thành phần trong

đó chưa bao gồm máy thu (RX) và máy phát tín hiệu (TX), gọi chung là RC

− BNF (Bind-And-Fly): UAV đã được lắp ráp hoàn thiện gồm của RX, ngườiđiều khiển chỉ cần chọn một TX tương thích và tích hợp với RX để thực hiệnđiều khiển Các UAV sản xuất theo hướng này được người dùng lựa chọnnhằm tiết kiệm chi phí cũng như có thể dễ dàng để phát triển các UAV mới

2.3 Tình hình nghiên cứu và phát triển UAV ở nước ta

2.3.1 Phát triển máy bay mô hình ở Việt Nam

Bên cạnh việc đáp ứng nhu cầu thị trường UAV trong lĩnh vực quân sự, cáccông ty quốc phòng của các nước cũng đang nỗ lực để đa dạng hóa cơ sở sản xuấtUAV để lấn sang thị trường thương mại Với Việt Nam, là một nước có biên giớitrên biển, trên đất liền dài hàng chục ngàn km, 2/3 diện tích là vùng rừng núi, diệntích lãnh hải và vùng đặc quyền kinh tế trên biển khá rộng, nhu cầu sử dụng UAV

để kiểm soát, cảnh giới và bảo vệ là rất lớn Bên cạnh đó, nhu cầu sử dụng UAVtrong các lĩnh vực khác của đời sống xã hội cũng không hề nhỏ Mới đây, Công tyTruyền tải điện 2 (PTC2), Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia đã mua UAVAltura Zenith ATX8 của hãng Aerialtronics (Hà Lan) để phục vụ công tác quản lývận hành đường dây truyền tải 220kv và 500kv Theo ông Trần Thanh Phong -Giám đốc PTC2, việc sử dụng UAV để kiểm tra đường dây truyền tải có nhiều ưuđiểm: Kiểm tra nhanh và chính xác toàn bộ thiết bị, phụ kiện trên cao, hạn chế việctrèo cao của công nhân, hạn chế việc di chuyển thủ công đến các vị trí, nhất là các

vị trí nằm trên đồi núi cao, hiểm trở

Trong tương lai gần, UAV có thể được sử dụng rộng rãi cho đa dạng kháchhàng Ví như Cảnh sát biển, sử dụng UAV để giám sát thực thi pháp luật trên biển.Hải quan, Công an, sử dụng UAV để chống buôn lậu, chống tội phạm, giám sátgiao thông trên bộ Ủy ban Quốc gia tìm kiếm-cứu nạn, sử dụng UAV để tìm kiếmtrên biển hoặc ở những vùng hiểm trở Ủy ban Phòng chống lụt bão Trung ương,

sử dụng UAV để quan sát trực tiếp các vùng bị thiên tai, đánh giá thiệt hại thực tế,trên cơ sở đó có kế hoạch trợ giúp kịp thời Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nôngthôn, sử dụng UAV để phục vụ công tác phòng chống phá rừng, cháy rừng, kiểmtra các rừng cà phê, rừng cao su, các cánh đồng rộng lớn Bộ Tài nguyên và Môitrường, sử dụng UAV phục vụ công tác điều tra, quy hoạch sử dụng đất, tìm kiếmtài nguyên trên Bộ Giao thông Vận tải, sử dụng UAV để trợ giúp việc lập dự ánlàm cầu đường, nhất là ở vùng rừng núi

Có thể thấy rằng, việc sử dụng UAV trong các lĩnh vực của đời sống kinh tế xãhội sẽ đem lại lợi ích cao và là xu thế tất yếu trong thời đại công nghệ 4.0 Và nhưvậy, thị trường UAV Việt Nam sẽ nhộn nhịp và sôi động trong tương lai không xa.

2.3.2 Nghiên cứu và phát triển UAV

Nhiều năm sau khi một số nhóm các nhà kỹ thuật nghiệp dư, các nhà khoa họccông nghệ quân - dân sự trong các cơ quan khác nhau âm thầm nghiên cứu thịtrường và kỹ thuật chế tạo cũng như việc thử nghiệm một số mẫu UAV nguyênchiếc hoặc Modul nhập về Việt Nam theo các con đường khác nhau, từ năm 2013Việt Nam đã nhận thấy việc phát triển và ứng dụng UAV là thực sự hữu ích, cầnthiết và khả thi Trên cơ sở đó đã định hướng những đề án trung hạn với tầm nhìndài hạn cho lĩnh vực mới mẻ, hiện đại, đã, đang và sẽ có những đóng góp đặc biệtcho kinh tế quốc dân, an ninh và quốc phòng của đất nước

Sẽ không dễ dàng đánh giá thị trường Việt Nam cho từng loại hình ứng dụngUAV dân sự và thương mại, vả lại đây là vấn đề còn rất mới, thị trường nước ta hầunhư chưa có khái niệm cụ thể Hy vọng rằng, với mức độ hội nhập toàn diện vàonền kinh tế và khoa học kỹ thuật thế giới, thị trường này của Việt Nam cũng sẽkhông khác nhiều so với mức trung bình trên thế giới hiện nay

Với yêu cầu đặt ra của các loại mục tiêu bay phục vụ công tác huấn luyện thìnhững kết quả đạt được trên đây là những tín hiệu đáng mừng Tuy nhiên, tiêu chíđưa ra với các loại mục tiêu bay không người lái này là chỉ cần xây dựng ở mức độđơn giản, gọn nhẹ nhất và giá thành thấp nhất Do vậy, để các UAV này có thể pháttriển và mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác khi những đầu tư nghiên cứu,phát triển và hoàn thiện một cách cơ bản là hết sức cần thiết Vài năm gần đây, rấtnhiều cơ sở nghiên cứu, cả trong và ngoài quân đội như: Viện KHCNQS/Bộ Quốcphòng, Quân chủng Hải quân, hay một số nhà trường như Học viện Kỹ thuật Quân

sự, Đại học BK Hà Nội cũng bắt đầu có những đầu tư nghiên cứu theo cả hướngchế tạo.

CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC BAY CỦA

HEXACOPTER

- Gốc toạ độ : là một điểm nằm trên mặt đất (thường chọn điểm bắt đầu chạy đà).

- Trục : nằm trên mặt phẳng ngang, có hướng tuỳ chọn.

- Trục : vuông góc với mặt phẳng ngang, có chiều hướng lên trên.

- Trục : vuông góc với mặt phẳng O0x0y0, có chiều tạo với Ox0, Oy0 một hệ tọa

độ thuận

Ý nghĩa: Hệ tọa độ tốc độ mặt đất là hệ tọa độ cố định được sử dụng khi cần xác

định độ cao và quãng đường bay của hexacopter

3.1.2 Hệ trục toạ độ tốc độ O

- Gốc toạ độ O: trùng với trọng tâm hexacopter

- Trục O: hướng theo véc tơ tốc độ bay ;

- Trục O: vuông góc với Oxc và nằm trong mặt phẳng đối xứng của hexacopter;

- Trục O: vuông góc với mặt phẳng O tạo với các trục O, O thành hệ tọa độ thuận (Trục O hướng sang cánh phải);

Ý nghĩa: Hệ tọa độ tốc độ là hệ tọa độ di động gắn với hexacopter, được sử dụng

khi xem xét các thành phần của lực khí động

3.1.3 Hệ trục toạ độ tốc độ thẳng đứng Oxyz

- Gốc toạ độ O: trùng với trọng tâm hexacopter

- Trục Ox: hướng theo véc tơ tốc độ bay ;

- Trục Oy: vuông góc với Oxc và nằm trong mặt phẳng thẳng đứng, chứa trục dọccủa UAV

- Trục Oz: vuông góc với mặt phẳng Oxyz tạo với các trục Ox, Oy thành hệ tọa độ thuận (Trục Oz hướng sang cánh phải)

Ý nghĩa: Hệ tọa độ tốc độ thẳng đứng là hệ tọa độ di động gắn với hexacopter,

được sử dụng xây dựng hệ phương trình chuyển động của trọng tâm hexacopter,đánh giá trạng thái của hexacopter và quỹ đạo bay

3.1.4 Hệ trục toạ độ liên kết O

- Gốc toạ độ O: trùng với trọng tâm hexacopter;

- Trục O: trùng với trục dọc của hexacopter;

- Trục O: vuông góc với Ox1 và nằm trong mặt phẳng đối xứng của hexacopter;

- Trục O: vuông góc với mặt phẳng O tạo với các trục Ox1, Oy1 thành hệ tọa độ thuận (Trục O hướng sang cánh phải);

Ý nghĩa: Hệ tọa độ liên kết cũng là hệ tọa độ di động gắn với hexacopter, được sử

dụng khi nghiên cứu chuyển động quay của hexacopter, xác định các mô men khí

động của hexacopter

3.2 Các dạng chuyển động chính của hexacopter

Khác với các loại máy bay không điều khiển thường chỉ xét chuyển động tịnhtiến của tâm khối, chuyển động của hexacopter ngoài chuyển động tịnh tiến củatâm khối còn phải xét chuyển động quay của hexacopter so với các hệ tọa độ nóitrên Để có thể phân tích định tính và định lượng sơ bộ, người ta thường phân biệtmột số dạng chuyển động dưới đây:

− Chuyển động nền (còn gọi là chuyển động định trước) là chuyển động theoquỹ đạo định trước với các tham số chuyển động cho trước

− Chuyển động ổn lập (còn gọi là chuyển động xác lập hoặc thiết lập) làchuyển động có các tham số động hình học, trước tiên là tốc độ bay khôngthay đổi hay thay đổi không đáng kể

− Chuyển động cận ổn lập là chuyển động có thể coi là ổn lập với một sai sốnhất định

− Chuyển động không ổn lập là chuyển động có các tham số động hình họcthay đổi tương đối nhanh, nhất là tốc độ bay và độ cao bay

Khi phân tích định tính và định lượng sơ bộ người ta thường lấy chuyển độngnền làm cơ sở để tuyến tính hóa và “đông cứng” các đặc trưng động học củachuyển động thực của hexacopter xung quanh chuyển động nền được coi nhưchuyển động cận ổn lập Tuy nhiên, ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của côngnghệ thông tin và các phương pháp số, có thể giải trực tiếp bài toán chuyển độngcủa hexacopter mà không nhất thiết phải sử dụng phương pháp gần đúng nói trên

Ở đây cần nhắc lại một số kiến thức cơ bản của cơ sở lý thuyết:

Điều kiện để duy trì chuyển động thẳng của một vật rắn là tổng véc tơ hìnhchiếu tất cả các ngoại lực xuống mặt phẳng pháp tuyến với quỹ đạo bằng 0 Điềukiện để tạo ra chuyển động cong (với bán kính cong tức thời R) nhất thiết phải cólực pháp tuyến theo phương quỹ đạo để tạo ra gia tốc pháp tuyến

Gia tốc này thường tính theo hệ số quá tải pháp tuyến , trong đó

Từ phương trình trên, ta có: = /G/////////////// , trong đó G là trọng lượng của vật chuyểnđộng, là tổng tất cả các ngoại lực pháp tuyến không kể trọng lực Như vậy, ví dụnếu nói một tên lửa có khi bay cong trong mặt phẳng ngang với quá tải pháp tuyến

là 10 thì phải hiểu là tổng véc tơ tất cả các lực pháp tuyến tác dụng lên tên lửa bằng1000N

Từ công thức có nhận xét là muốn tạo ra cùng một độ cong của quỹ đạo (bánkính R) thì khi bay với tốc độ lớn gấp đôi cần phải có quá tải pháp tuyến lớn gấpbốn lần

Khi chiếu lên hệ trục toạ độ tốc độ O ta được các thành phần.

+ Lực nâng Y (): là thành phần của lực khí động toàn phần chiếu lên trục O, đặt tạitrọng tâm UAV, có chiều hướng lên trên Độ lớn:

+ Lực cản X (): là thành phần của lực khí động toàn phần chiếu lên trục O, đặt tạitrọng tâm UAV, ngược chiều với tốc độ bay.

+ Lực cạnh Z (): là thành phần của lực khí động toàn phần chiếu lên trục

Khi góc trược cạnh β = 0, nằm trong mặt phẳng đối xứng Khi đó hay lựccạnh Thông thường khi tính toán góc β nhỏ người ta cũng bỏ qua sự tác dụng củalực cạnh

b Lực đẩy của động cơ

- Điểm đặt: tại trọng tâm O của hexacopter

- Phương trùng với trục dọc của hexacopter, chiều hướng theo chiều chuyển độngcủa hexacopter

- Độ lớn: Để xác định độ lớn của lực đẩy người ta dựa vào các đồ thị đặc tính củađộng cơ:

+ Đặc tính tiết lưu

+ Đặc tính tốc độ- độ cao

c Trọng lực

- Điểm đặt: tại trọng tâm O của hexacopter

- Phương vuông góc với mặt phẳng ngang, chiều hướng xuống dưới

Nguyên lý hoạt động chính của mô hình này hoạt động dựa trên sự chuyển độngcủa các dòng khí do cánh máy bay tạo ra di chuyển xuống dưới làm vật bay lêntrên và sự điều chỉnh vận tốc từng động cơ sẽ làm thay đổi hướng bay củaHexacopter

Để mô tả các chuyển động của một khung 6 bậc tự do cần 2 hệ qui chiếu, cácbiến (các góc roll - pitch – yaw là góc Euler giữa hệ qui chiếu vật thể và hệ quichiếu mặt đất)

− E hệ quy chiếu quán tính Trái Đất

− B hệ quy chiếu khung Hexacopter

− Sự định hướng của Hexacopter đước biểu thị bởi 3 góc Euler qua ma trậnxoay R

− Quay quanh trục một góc (roll) ta được ma trận

− Quay trục một góc (pitch) ta được ma trận

− Quay quanh trục một góc (yaw) ta được ma trận

− Nhân ba ma trận quay quanh các trục

3.4.2 Bài toán chuyển động của Hexacopter

Với các lí thuyết cơ bản nói trên bài toán chuyển động của Hexacopter như một đốitượng điều khiển được đặt ra như sau:

Cho trước các yếu tố sau:

- Môi trường khí quyển:

+ Các hàm khối lượng riêng, nhiệt độ, tốc độ âm thanh và độ nhớt động hình học phụ thuộc vào độ cao

+ Nhiễu động của khí quyển dưới dạng các tham số của trường gió thay đổi theokhông gian và thời gian

- UAV như một vật rắn 6 bậc tự do:

+ Có các đặc trưng khí động lực học đã biết cho dưới dạng bảng hoặc đồ thị;+ Có các đặc trưng của động cơ đã biết;

Nhiệm vụ của bài toán là:

- Xác định chuyển động khi hoạt động bay của hexacopter,

- Xác định chuyển động của và phương trình gia tốc, momen của các động cơ trênhexacopter

- Thực hiện điều khiển mô hình có thể hoạt động được trong tình trang môi trường

có các yếu tố như trên

3.5 Các phương trình hình, động lực học của Hexacopter

Để đánh giá hiệu suất của trực thăng đa động cơ trong các điều kiện bay khácnhau, một phân tích động lực học phi tuyến đã được xây dựng Nó xác định gia tốccủa máy bay bằng cách sử dụng tổng hợp các lực và thời điểm về một điểm trọngtâm hình học của máy bay, trong cùng mặt phẳng với rôto, sử dụng trạng thái máybay và đầu vào điều khiển làm đối số Các lực này bao gồm lực hấp dẫn, hoạt độngtại trọng tâm, được giả định là nằm ngay bên dưới điểm chuẩn, lực cản của thânmáy bay, và lực của rôto

Một hexacopter thông thường với các rôto cách đều nhau thường giả định mộttrong hai cấu hình đang hoạt động: đỉnh-đầu tiên hoặc cạnh-đầu tiên, như đượchiển thị trong Hình 2 Với sáu điều khiển rôto riêng lẻ cho một hexacopter(, , , , ), phương trình đặc trưng phép biến đổi tọa độ có thể được viết là:

= + sin() + cos() + + sin(2)+ cos(2)

Hình 3.1- Định hướng Hexacopter.

Các thuật ngữ sóng hài thứ hai được giới thiệu ở bên phải bên vì số lượng bộđiều khiển nhiều rôto phải giống như số lượng bộ điều khiển rôto riêng lẻ (bằng số

rôto) Bộ điều khiển nhiều rôto cho hexacopter sau đó là , , , , và , và các điềukhoản của chuỗi trong phương trình đặc trưng, về bản chất của chúng, đảm bảotính trực giao của các chế độ điều khiển nhiều rôto cho hexacopter Cho trường hợpđỉnh-đầu tiên (H3.1(a)) và Ψ = 0 ở đuôi máy bay (do đó = 180◦, = 240◦, = 300◦,

= 0◦, = 60◦, = 120◦), Phương trình đặc trưng mở rộng thành:

Như với quadcopter, đại diện cho kiểm soát tập thể, và chế độ tập hợp (cột đầutiên của ma trận trong phương trình ma trận), tạo ra lực đẩy, tăng tốc độ tất cả cácrôto với cùng một lượng (H3.2 (a)) đại diện cho điều khiển cuộn trong tọa độnhiều rôto và chế độ điều khiển cuộn (cột ma trận thứ hai trong Phương trình matrận) làm chậm hai rôto bên trái và tăng tốc hai cánh quạt bên phải rôto, trong khirôto phía trước và phía sau không được sử dụng (H3.2(b)) đại diện cho điều khiểncao độ trong các tọa độ nhiều rôto, và chế độ điều khiển cao độ (cột ma trận thứ batrong phương trình ma trận) chậm lại ba rôto phía trước trong khi tăng tốc ba rôtophía sau (H3.2(c)) Cần lưu ý rằng thay đổi RPM đối với rôto nhất phía trước vàrôto nhất phía sau (rô to 1 và 4 trong H3.2(c)) gấp hai lần đối với các rôto gần trụcbên (2, 3, 5, và 6) đại diện cho điều khiển yaw và, như với quadcopter, chế độđiều khiển yaw tăng tốc độ rôto theo chiều kim đồng hồ trong khi làm chậm cácrôto ngược chiều kim đồng hồ, đối với ngàm nghiêng trái (H3.2 (d)) Bốn chế độnày là các chế độ điều khiển chính cho hexacopter theo hướng đỉnh-đầu tiên