Luận văn phân tích các nguyên nhân, hiện tượng làm rơi thiết bị bay nhiều chong chóng mang

Phương án đảm bảo an toàn cho UAV Vì những sự cố của UAV thường khá nghiêm trọng như phá hủy, biến dạng các chi tiết, mất dữ liệu, hỏng các thiết bị gắn trên UAV…Đã có nhiều biện pháp đ

Trang 1

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Thông tin về sinh viên:

Họ và tên: Chu Minh Quốc SĐT: 0984469178

Email: Chumqochy@gmail.com

Lớp : Kỹ thuật hàng không –K54 Hệ đào tạo: Đại học

Đồ án tốt nghiệp thực hiện tại: Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ

P205 nhà C8 Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Thời gian làm đồ án tốt ngiệp:

Ngày giao nhiệm vụ: / /2014

Ngày hoàn thành nhiệm vụ: / /2015

1 Mục đích nội dung của đồ án tốt nghiệp

Khảo sát, phân tích, tính toán, thiết kế cơ cấu dù bung tự động đảm bảo độ an toàn và độ tin cậy cho thiết bị bay thông minh nhiều chong chóng mang Nhiệm vụ

cụ thể của đồ án tốt nghiệp: Phân tích các nguyên nhân, hiện tượng làm rơi thiết bị bay nhiều chong chóng mang Nghiên cứu phương pháp bung dù cứu hộ thiết bị bay nhiều chong chóng mang khi sảy ra sự cố Phân tích ưu nhược điểm của các loại dù cứu hộ Phân tích, tính toán hệ số lực cản của dù thực nghiệm

2 Lời cam đoan của sinh viên:

Tôi - Chu Minh Quốc - cam kết ĐATN là công trình nghiên cứu của tôi dưới

sự hướng dẫn của TS Đinh Tấn Hưng và TS Vũ Đình Quý

Các kết quả nêu trong đồ án tốt nghiệp là trung thực, không phải sao chép toàn văn của bất cứ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả ĐATN

Trang 2

3 Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của ĐATN và cho phép bảo vệ

………

…

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Giáo viên hướng dẫn

Trang 3

Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

Giáo viên hướng dẫn

Trang 4

Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

Giáo viên phản biện

Trang 5

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ UAV 10

1.1 Tổng quan chung. 10

1.2 Mục đích, ứng dụng UAV trong các lĩnh vực của đời sống 10

1.2.1 Làm bia ngắm bắn 10

1.2.2 Do thám, trinh sát, tuần tra 10

1.2.3 Tấn công 11

1.2.4 Nghiên cứu và phát triển 11

1.2.5 UAV dân dụng và thương mại 12

1.2.6 Cứu hộ 12

1.3 Các sự cố có thể xảy ra với UAV 13

1.4 Phương án đảm bảo an toàn cho UAV 14

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỨU HỘ BẰNG DÙ CHO UAV 16

2.1 Các yếu tố quan trọng của hệ thống dù an toàn 16

2.2 Loại dù 16

2.1.1 Tán chữ thập 16

2.1.2 Tán tấm phẳng 17

2.1.3 Tán dạng bảng 17

2.1.4 Tán elip 17

2.1.5 Tán hình khuyên hoặc kéo xuống ở đỉnh 18

2.3 Vật liệu dù 19

2.4 Phương pháp giảm sốc lực khi bung dù 20

2.5 Phương pháp bung dù 21

2.5.1 Hệ thống bung dù thụ động 22

2.5.2 Hệ thống bung dù có tác động 25

2.6 Hệ thống an toàn 31

2.7 Phương pháp may dù 31

2.8 Các sự cố có thể xảy ra khi bung dù 33

2.9 Nguyên tắc hoạt động hệ thống dù phụ 34

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN SƠ BỘ HỆ THỐNG CỨU HỘ BẰNG DÙ CHO UAV NHIỀU CHONG CHÓNG MANG 12KG 35

3.1 Xác định các thông số hình học của dù 35

3.1.1 Lý thuyết 35

3.1.2 Xác định hệ số CD bằng thực nghiệm 36

3.1.3 Tính toán kích thước dù 38

Trang 6

3.2 Xác định số dây dù và chiều dài dây dù 39

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHI TIẾT 40

4.1 Thiết kế hộp dù 40

4.2 Thiết kế điện/điện tử 41

4.2.1 Phương pháp kích hoạt hệ thống bung dù 41

4.2.2 Các yêu cầu đối với cơ cấu bung dù 41

4.2.3 Lựa chọn cơ cấu chấp hành 42

4.2.4 Sơ đồ lắp đặt hệ thống bung dù cho UAV Multicopter x8(Quadrotor) 42

4.2.5 Đề xuất sơ đồ khối cho mạch điện tử kích hoạt bung dù 43

4.3 Phương án thiết kế cho UAV Multicopter x8 (quadrotor cánh kép đồng trục) khối lượng lớn nhất 12 Kg 45

CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM 47

5.1 Chế tạo dù và hộp dù 47

5.2 Kiểm nghiệm hệ thống bung dù 48

KẾT LUẬN 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

Trang 7

DANH MỤC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, BẢNG

Hình 1 1 UAV dạng bia ngắm bắn 10

Hình 1 2 UAV dạng do thám 11

Hình 1 3 UAV dạng tấn công 11

Hình 1 4 UAV dạng thí nghiệm 12

Hình 1 5 UAV dạng dân dụng 12

Hình 1 6 UAV cứu hộ 13

Hình 1 7 Vỡ UAV 13

Hình 1 8 Cháy UAV 14

Hình 1 9 Dù sử dụng trên UAV 14

Hình 1 10 Hộp đựng dù trên UAV 15

Hình 1 11 Dù lắp trên Multirotor 15

Hình 2 1 Tán dù chữ thập 16

Hình 2 2 Tán tấm phẳng 17

Hình 2 3 Tán dạng bảng 17

Hình 2 4 Tán elip 18

Hình 2 5 Tán hình khuyên hoặc kéo xuống ở đỉnh 18

Hình 2 6 Loại vải chuyên dụng cho dù - Ripstop Nylon Hình 20

Hình 2 7 Dây chống sốc 20

Hình 2 8 Bung dù thụ động 22

Hình 2 9 Bung dù có tác động 22

Hình 2 10 Trình tự bung dù – Bước 1 23

Hình 2 13 Bung dù bằng lò xo 25

Hình 2 14 Bung dù bằng thuốc nổ 26

Hình 2 15 Cơ chế bung dù bằng thuốc nổ 27

Hình 2 16 Bung dù bằng khí CO2 28

Hình 2 17 Sắp xếp và gấp dù 29

Hình 2 18 Lắp lớp lót, dù, nắp vào hộp dù 30

Hình 2 19 Gắn chốt pin mỏng và bơm CO2¬ vào ống phóng 30

Hình 2 20 Cơ cấu thiết bị bung dù bằng khí CO2 31

Hình 2 21 Cách may viền 32

Hình 2 22 May nối các tấm vải 32

Hình 2 23 May nối dây dù 33

Hình 2 24 Nối các dây dù 33

Hình 2 25 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống dù chính dù phụ 34

Hình 3 1 Minh họa dù cơ bản 35

Hình 3 2 Sơ đồ thí nghiệm hệ số CD 36

Hình 3 3 Thiết bị đo lực 37

Hình 3 4 Hình ảnh kiểm nghiệm hệ số CD 37

Trang 8

Hình 4 6 Thiết kế hộp dù 40

Hình 4 7 Thiết kế bên trong hộp dù 40

Hình 4 8 Hình ảnh sơ bộ Multicopter x8 (quadrotor cánh kép đồng trục) 46

Hình 5 1 Hình ảnh bên trong hộp dù 47

Hình 5 2 Hình ảnh bên ngoài hộp dù 47

Hình 5 3 Hình ảnh dù 48

Hình 5 4 Kiểm nghiệm tĩnh 48

Hình 5 5 Kiểm nghiệm thả rơi 49

Bảng 1 Đặc điểm của các loại dù 19

Bảng 2 Kết quả kiểm nghiệm hệ số Cd 38

Bảng 3 Kích thước dù với các khối lượng khác nhau 38

Bảng 4 Thông số hộp dù 41

Bảng 5 Phương án thiết kế cho UAV multirotor khối lượng lớn nhất 12 Kg 46

Sơ đồ 4 1 Sơ đồ khối thiết bị điện tử cho cơ cấu bung dù 41

Sơ đồ 4 2 Sơ đồ lắp đặt hệ thống bung dù cho UAV Multicopter x8 42

Sơ đồ 6 3 Sơ đồ khối mạch điện tử kích hoạt bung dù 44

Trang 9

MỞ ĐẦU

Ngày nay các thiết bị bay nhiều chong chóng mang có nhiều ứng dụng trong thực

tế đời sống và nghiên cứu khoa học Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động các thiết

bị trên vẫn có khả năng xảy ra sự cố gây mất an toàn cũng như làm hỏng hóc các thiết bị

Nội dung của đồ án tốt nghiệp cũng nhằm tìm hiểu, nghiên cứu để khắc phục, giảm thiểu thiệt hại bằng phương pháp bung dù khi sảy ra các sự cố trên cũng như đảm bảo cho an toàn cho các thiết bị bay thông minh nhiều chong chóng mang

Do đây là một lĩnh vực khá mới mẻ và cũng chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này cũng như hiểu biết của em còn hạn chế nên vẫn còn nhiều thiếu xót

Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, được sự chỉ bảo tận tình và giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn cũng như các thầy trong bộ môn đã giúp em có thêm nhiều hiểu biết mới cũng như cách tư duy để giải quyết vấn đề khó của bài toán đặt ra Em xin chân thành cảm ơn

Trang 10

Chương 1 Tổng quan chung về uav

từ nước ngoài và là những máy bay thể thao cỡ nhỏ, điều khiển bằng vô tuyến Do yêu cầu thực tiễn đặt ra với các đơn vị quân đội, Quân chủng Phòng Không (QCPKKQ) đã và đang nghiên cứu, phát triển cải tiến, dần đi tới sản xuất các máy bay mô hình, làm mục tiêu phục vụ huấn luyện và bắn đạn thật cho các loại pháo và tên lửa phòng không

1.2 Mục đích, ứng dụng UAV trong các lĩnh vực của đời sống

1.2.1 Làm bia ngắm bắn

Đóng vai trò bia ngắm bắn cho các hệ thống vũ khí trên mặt đất và trên không

Hình 1 1 UAV dạng bia ngắm bắn

1.2.2 Do thám, trinh sát, tuần tra

Tìm kiếm, thu thập thông tin, tình hình các vùng quân sự, dân sự của kẻ địch và của ta

Trang 11

1.2.4 Nghiên cứu và phát triển

Đảm nhiệm vai trò vật thí nghiệm với các công nghệ mới

Trang 12

Hình 1 4 UAV dạng thí nghiệm

1.2.5 UAV dân dụng và thương mại

Các mẫu UAV được thiết kế nhằm áp dụng vào các mục đích dân dụng và thương mại

Hình 1 5 UAV dạng dân dụng

1.2.6 Cứu hộ

Trang 13

Thực hiện các nhiệm vụ cứu hộ tầm cao, trên biển hoặc nguy hiểm đến tính mạng đội cứu hộ

Hình 1 6 UAV cứu hộ

1.3 Các sự cố có thể xảy ra với UAV

Trong quá trình vận hành, UAV thường xảy ra những sự cố ngoài ý muốn Những sự cố tùy mức độ khác nhau có thể làm UAV bị mất liên lạc, mất cơ sở dữ liệu, mất điều khiển, thậm chí có thể bị rơi, cháy gây hư hỏng các bộ phận và thiết

bị gắn trên UAV

Có nhiều nguyên nhân khác nhau làm UAV rơi trong quá trình hoạt động Các nguyên nhân chính làm UAV bị rơi gồm 3 nhóm nguyên nhân chính:

- Do sự cố kỹ thuật của UAV;

- Do các nguyên nhân khách quan bên ngoài tác động;

- Do nguyên nhân chủ quan tác động tới UAV

Hình 1 7 Vỡ UAV

Trang 14

Hình 1 8 Cháy UAV

1.4 Phương án đảm bảo an toàn cho UAV

Vì những sự cố của UAV thường khá nghiêm trọng như phá hủy, biến dạng các chi tiết, mất dữ liệu, hỏng các thiết bị gắn trên UAV…Đã có nhiều biện pháp được

áp dụng để giảm thiểu các tổn hại khi xảy ra sự cố như chế tạo hình dạng chống chịu va đập, dùng vật liệu có độ bền cao hay tăng độ tin cậy các thiết bị bay thông minh…

Tuy nhiên phương án hợp lý hơn cả là thiết kế một hệ thống dù cứu hộ cho UAV (đơn giản, tiết kiệm)

Hình 1 9 Dù sử dụng trên UAV

Trang 15

Hình 1 10 Hộp đựng dù trên UAV

Hình 1 11 Dù lắp trên Multirotor

Trang 16

Chương 2 Tổng quan về hệ thống cứu hộ bằng dù cho uav

Trang 16

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỨU HỘ BẰNG DÙ

CHO UAV

2.1 Các yếu tố quan trọng của hệ thống dù an toàn

 Loại dù: Bao gồm các yếu tố như hình dạng tán, loại vật liệu tán sử dụng, sức bền và khối lượng Mặc dù vậy thiết kế dù khác nhau có thể được tóm lại một số duy nhất gọi là "Performance Rating" là tỷ lệ giữa khả năng tải của dù trên trọng lượng tĩnh của dù Dù kém hiệu quả có “Performance Rating” thấp hơn

 Kích cỡ dù: Chọn các kích thước tối ưu với trọng lượng UAV Quá nhỏ có thể dẫn đến hỏng hóc thiệt hại khi hạ cánh Quá lớn UAV có thể bị kéo bởi gió và tăng thời gian bung dù

 Hệ thống bung dù: Cách mà dù thoát ra từ UAV vào không khí Điều này

có thể rất khác nhau tùy thuộc vào loại UAV

 Hệ thống an toàn: Độ nhậy, độ tin cậy của hệ thống thứ cấp giám sát các đặc điểm bay của UAV và triển khai hệ thống dù nếu có một sự cố được phát hiện

Công việc của chiếc dù là cung cấp lực kéo khí động học để làm chậm tốc độ rơi UAV Và nó cần phải làm như vậy bằng cách càng nhẹ càng tốt và độ tin cậy cao

Có một số loại dù khác nhau đang được sử dụng và từng loại có ưu và nhược điểm riêng

2.2 Loại dù

Yếu tố quan trọng nhất quyết định hiệu quả (có nghĩa là lưc kéo tối đa mỗi cho trọng tán) là hình dạng tán và thiết kế Dưới đây là một số các loại thiết kế dù phổ biến:

2.1.1 Tán chữ thập: Cruciform – Hình dạng tương tự cây thánh giá

Hình 2 1 Tán dù chữ thập

Trang 17

Trang 18

Hình 2 4 Tán elip

2.1.5 Tán hình khuyên hoặc kéo xuống ở đỉnh: Annular or Pull down Apex

Hình 2 5 Tán hình khuyên hoặc kéo xuống ở đỉnh

Với mỗi loại dù có một ưu nhược điểm riêng, ta có bảng đánh giá:

Trang 19

Mục đích sử dụng

1.1 10:1

Sử dụng hầu hết như một dù chính

2.3 Vật liệu dù

Hầu hết trọng lượng dù là ở tán dù 60% - 80% Loại vải sử dụng cho dù hiện nay

là ripstop nylon (loại vải có các đường chỉ chống rách tăng độ bền và các tình huống vướng khi rơi) Hầu hết thông dụng là loại nặng 0,045 kg/m2, có thể được phủ thêm một lớp urethane làm tăng khoảng 10% trọng lượng vật liệu nhưng có thể làm giảm độ xốp của vật liệu, giúp chất liệu vải dù có thể lưu giữ trong thời gian dài

Trang 20

Hình 2 6 Loại vải chuyên dụng cho dù - Ripstop Nylon Hình

2.4 Phương pháp giảm sốc lực khi bung dù

Khi nối dù trực tiếp đến UAV, nó sẽ không được ổn định và có thể dao động qua lại Thay vào đó, dù cần phải được kết nối với các UAV thông qua một dây sốc Điều này làm cho ổn định hơn khi bung dù và để gốc nối với UAV không chịu lực quá lớn Dây sốc có thể được thực hiện với loại dây Nylon hoặc Kevlar Nylon sẽ hấp thụ nhiều lực hơn trong những cú sốc lực ban đầu khi bung dù Kevlar cũng có thể được sử dụng nhưng cần phải xem xét cẩn thận hơn do Kevlar

có rất ít độ căng nên sốc lực sẽ mạnh hơn rất nhiều

Hình 2 7 Dây chống sốc

Đối với một hệ thống dù, sự giảm tốc và sốc lực lớn nhất được tạo ra trong quá trình triển khai tại thời điểm bung tán dù Để duy trì tính toàn vẹn cấu trúc của các

Trang 21

UAV và bảo vệ tải trọng của nó và các thiết bị nội bộ, đó là mong muốn giảm sốc lực mở các UAV phải chịu trong quá trình triển khai bung dù

→ Sốc lực khi bung dù được làm giảm qua bên cạnh việc tăng thời gian bung dù

Vì vậy, các nhà thiết kế phải xem xét sự cân bằng tối ưu giữa sốc lực và thời gian triển khai dù trong giai đoạn thiết kế

 Phương pháp giảm sốc khi bung dù bao gồm:

o Dây bảo vệ và dây cáp thẳng có thể đứt;

o Hệ thống cuốn dù;

o Tăng độ rỗng của tán chính;

o Thêm bộ giảm chấn bằng vải, chẳng hạn như đoạn đường đàn hồi;

o Thêm phân đoạn lò xo;

o Thêm bước triển khai dù chính;

o Hạn chế luồng không khí vào phía dưới của tán;

 Ta chọn phương án dùng hệ thống dù phụ và dây giảm sốc lực tại gốc dây

2.5 Phương pháp bung dù

Phương pháp đẩy dù ra ngoài thông thường có hai loại phương pháp:

 Bung dù thụ động: Tán dù được gấp lại trong một túi bung dù và để dưới ở mặt dưới UAV (bung dù nhở trọng lực) Trong các hệ thống rất nhỏ dù có thể được gấp lại và bọc trực tiếp (không phải trong một túi) Để bung dù khóa được bật mở và gió, trọng lực giúp kéo và bung dù

Trang 22

Hình 2 8 Bung dù thụ động

 Bung dù có tác động: Dù được gấp lại và đóng gói vào hộp chứa, sau đó sử

dụng các phương pháp khác nhau để đẩy mạnh đưa dù ra ngoài không khí

Hình 2 9 Bung dù có tác động

2.5.1 Hệ thống bung dù thụ động

Có thể sử dụng với UAV cánh bằng Hệ thống dù sẽ được gấp và đóng gói trong một túi bung dù Hệ thống bung dù được thiết kế có dù phụ ở vị trí dễ dàng bắt gió

Trang 23

và kéo dù chính ra khỏi túi chứa dù Các hình dưới cho thấy các trình tự bung dù:

Hình 2 10 Trình tự bung dù – Bước 1

Trang 24

Trang 25

× Không dù được với diện tích dù lớn;

× Không thể sử dụng với UAV multi-copters

Có một vài hệ thống sử dụng phương pháp bung dù bằng thuốc nổ, pháo Có thể

sử dụng cho UAV có khối lượng đến 50 Kg

Định dạng
Số trang	51
Dung lượng	3,3 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
2. Richard Nakka's Experimental Rocketry Web Site, Website:https://fruitychutes.com/uav_rpv_drone_recovery_parachutes.htm,last visited December 2014	Link
3. Website:https://www.nakka-rocketr.net /, last visited December 2014	Link
9. Website: http://diydrones.com/, last visited December 2014. 10. BRS History, Ballistic Recovery Systems,Ưebsite:http://www.brsparachutes.com/About+BRS/BRS+History/default.aspx Retrieved 27 January, 2009	Link
11. Parachute de secours mini pour Multirotor jusqu'à 1,8Kg, Website: http://mikrokopter.altigator.com/mini-rescue-parachute-for-multirotor-up-to-18kg-p-41230.html, last visited December 2014	Link
1. Officer Cadet Tristan Foon, RDTE of Parachute Recovery System for ADFA UAV, Final Thesis Report, University of New South Wales, Australia, 2009	Khác
4. T. W. Knacke, Parachute Recovery Systems: Design Manual, Santa Barbara: Para Publishing, 1992	Khác
5. K. Cartwright, Feasibility of Parachute Recovery Systems for Small UAVs, 2008	Khác
6. R. Faulconbridge, M. Ryan, Engineering a System: Managing Complex Technical Projects, Argos Press, Canberra, Australia, 2005	Khác
7. Brian J. Weis, Brian E. Mccollough, Marvin S. Stone, Edward W. Maby, Static line parachute automatic activation device, United States Patent 6880786, US, 2005	Khác
8. Van Den, Broek Eric, Parachute release device, United States Patent 5825667, US, 1998	Khác