Nghiên cứu và thiết kế máy bay không người lái nhiều chong chóng mang phục vụ khảo sát địa hình

Tổng quan máy bay không người lái UAV, máy bay không người lái dạng nhiều chong chóng mang, ứng dụng trong lĩnh vực khảo sát địa hình; tính toán, thiết kế máy bay nhiều chong chóng mang; mô phỏng kiểm bền và tối ưu chi tiết.Tổng quan máy bay không người lái UAV, máy bay không người lái dạng nhiều chong chóng mang, ứng dụng trong lĩnh vực khảo sát địa hình; tính toán, thiết kế máy bay nhiều chong chóng mang; mô phỏng kiểm bền và tối ưu chi tiết.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Hồ Anh Tuấn

Đề tài luận văn: Nghiên cứu và thiết kế máy bay không người lái nhiều chong

chóng mang phục vụ khảo sát địa hình

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

Mã số HV: CBC18008

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 12/09/2019 với các nội dung sau:

- Luận văn sửa lại theo phần đã ghi chú trực tiếp trên thuyết trình

- Điều chỉnh tên và nội dung cho phù hợp

- Chỉnh sửa sai sót chính tả, đánh máy

Giáo viên hướng dẫn

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Đình Quý – Viện Cơ khí Động lực – Đại học Bách khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Tác giả

Hồ Anh Tuấn

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Giảng viên hướng dẫn

TS Vũ Đình Quý

MỤC LỤC

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG x

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan về máy bay không người lái (UAV) 2

1.1.1 Khái niệm 2

1.1.2 Ứng dụng 3

1.1.3 Phân loại 4

1.2 Máy bay không người lái dạng nhiều chong chóng mang (Multicopter) 7

1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý ho ạt động 7

1.2.2 Ưu, nhược điểm của Multicopter 9

1.2.3 Các cách phối trí cánh quạt trên Multicopter 10

1.3 Ứng dụng trong lĩnh vực khảo sát địa hình 12

1.3.1 Công nghệ khảo sát địa hình LiDAR 12

1.3.2 So sánh với phương pháp khảo sát bằng ảnh hàng không 13

1.4 Nội dụng luận văn 14

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY BAY NHIỀU CHONG CHÓNG MANG 15

2.1 Quy trình thiết kế 15

2.2 Yêu c ầu bài toán 15

2.3 Phân tích, khảo sát tình hình nghiên cứu UAV phục vụ khảo sát địa hình 16 2.4 Mô hình phác thảo đề nghị 18

2.5 Tính toán thiết kế cấu hình 19

2.5.1 Khối lượng sơ bộ 19

2.5.2 Phân tích, lựa chọn thiết bị điện-điện tử 19

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG KIỂM BỀN VÀ TỐI ƯU CHI TIẾT 26

3.1 Cấu hình – kích thước đề nghị 26

3.2 Tính toán mô phỏng kiểm bền 28

3.2.1 Xây dựng mô hình 28

3.2.2 Thiết lập thông số 29

3.2.3 Kết quả mô phỏng 35

3.2.4 Kết luận 40

3.3 Thiết kế chi tiết 41

3.3.1 Cánh tay đòn 41

3.3.2 Thiết kế cơ cấu liên kết cánh tay đòn với đĩa trung tâm 42

3.3.3 Hệ thống chân đỡ 43

3.3.4 Hệ thống đĩa trung tâm 45

3.3.5 Tính toán thiết kế dù cứu hộ 46

3.4 Tính toán, so sánh với yêu cầu 50

3.4.1 Phân tích l ực đẩy động cơ 50

3.4.2 Tính toán thời gian bay 51

3.4.3 Tính toán vận tốc bay tối đa 54

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO .57

PHỤ LỤC 1 .58

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

A - Diện tích mô hình

Cd - Hệ số lực cản

Ct - Hệ số lực kéo

Dmax - Kích thước chéo lớn nhất

Dprop - Đường kính cánh quạt

Do - Đường kính danh nghĩa tán dù

Dp - Đường kính tán dù khi bung hoàn toàn

Dv - Đường kính lỗ thoát khí

F - Diện tích mặt phẳng quay, F = πR

GPS - Global positioning system

INS - Inertial Mavigation System

LiDAR - Light Detection and Ranging

Rprop - Bán kính cánh quạt

Sload - Khối lượng tải trọng

Spara - Khối lượng dù

(SAR) và cảm biến điện quang / hồng ngoại (EO / IR) tầm xa với thời gian do thám

các khu vực mục tiêu lâu hơn .4

Hình 4: Máy bay không người lái sử dụng trong cứu trợ người bị nạn trên biển 4

Hình 5: UAV s ử dụng trong dẫn đường cho tên lửa 5

Hình 6: UAV s ử dụng phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp 5

Hình 7: UAV cánh cố định XK-A600 5

Hình 8: UAV s ử dụng 6 chong chóng mang 5

Hình 9: Một số loại máy bay nhiều chong chóng mang: a) quad rotor ; b) Y4 copter; c) Y6 copter; d) X6 copter; e) Hexa rotor; f) X8 copter 6

Hình 10: Mô hình c ấu tạo cơ bản của Quadcoper 7

Hình 11: Mô hình momen quay của Quadcoper 8

Hình 12: Nguyên lý di chuyển của Quadrotor 9

Hình 13: Hexacopter, máy bay 6 chong chóng mang 10

Hình 14: Octocopter, máy bay 8 chong chóng mang 10

Hình 15: Octocopter với phối trí cánh đơn 11

Hình 16: Octocopter với phối trí cánh kép đồng trục 11

Hình 17: Quy trình thiết kế 15

Hình 18: Phác thảo sơ bộ thiết bị bay 8 cánh dạng chữ thập 19

Hình 19: Sự phụ thuộc của hệ số lực kéo vào bước của CCM [3] 20

Hình 20: Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc Dmax và Dprop 21

Hình 21: Kích thước của Multicopter X8 21

Hình 22: Pin Fox 6s 22000mAh 50C [4] 22

Hình 23: Thông số động cơ 22

Hình 24: Cánh quạt Fox CF Prop [5] 23

Hình 25: ESC Fox 80A FOC V3 [4] 23

Hình 26: DJI A3 pro [4] 24

Hình 27: Bộ điều khiển thu – thả càng [4] 25

Hình 28: Thiết kế sơ bộ khung UAV trên Solidworks 26

Hình 29: Các dạng ống carbon trên thị trường 27

Hình 30: Thông số vật liệu composite sợi carbon 30

Hình 31: Thông số vật liệu nhôm 31

Hình 32: Lực tác dụng lên UAV khi bay thẳng đứng 32

Hình 33: Lực tác dụng lên UAV khi bay nghiêng 30o 33

Hình 34: Mô hình UAV sau khi chia lưới 34

Hình 35: Kết quả chi lưới cánh chân đỡ 34

Hình 36: Kết quả chia lưới cánh tay đòn 35

Hình 37: Kết quả mô phỏng chuyển vị TH1 36

Hình 38: Kết quả mô phỏng ứng suất TH1 36

Hình 39: Kết quả mô phỏng chuyển vị TH2 37

Hình 40: Kết quả mô phỏng ứng suất TH2 38

Hình 41: Kết quả mô phỏng ứng suất TH2 – nhìn từ dưới lên 38

Hình 42: Kết quả mô phỏng chuyển vị TH3 39

Hình 43: : Kết quả mô phỏng ứng suất TH3 40

Hình 44: Kích thước các lỗ vít trên động cơ theo nhà sản xuất 41

Hình 45: Đế gắn động cơ thiết kế 41

Hình 46: Nẹp gắn đế động cơ lên cánh tay đòn 42

Hình 47: Hình ảnh lắp ráp hoàn chỉnh cụm động cơ lên cánh tay đòn 42

Hình 48: Cơ cấu bản lề, chốt quay gắn lên đĩa trung tâm 43

Hình 49: Chốt cố định vị trí cánh tay đòn khi mở - gập 43

Hình 50: Đế gắn càng đáp 44

Hình 51: Đế gắn liên kết càng đỡ và đĩa trung tâm 44

Hình 52: Cơ cấu gắn chân đỡ lên đĩa trung tâm 44

Hình 53: Càng đáp lắp ráp hoàn chỉnh 45

Hình 54: Thiết kế chi tiết phần trung tâm 45

Hình 55: Phối trí các thiết bị trên đĩa trung tâm 46

Hình 56: Cấu tạo tán dù 46

Hình 57: Các kích thước cơ bản của tán dù 48

Hình 58: Đồ thị thể hiện mỗi qua hệ giữa số múi dù và đường kính dù 48

Hình 59: Ý tưởng thiết kế hộp dù 49

Hình 60: Hộp dù được gắn lên UAV 49

Hình 61: Hình ảnh máy bay thiết kế trên Solidwork 50

Hình 62: Bảng khảo sát lực nâng động cơ Fox 8120 100KV [4] 50

Hình 63: Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc thời gian bay treo ở độ cao 50m theo tải trọng có ích 53

Hình 64: Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của thời gian bay hành trình với vận tốc 5m/s theo tải có ích 53

Hình 65: Lực tác dụng lên mô hình khi bay tiến 54

Hình 74: Đồ thị khảo sát lực nâng động cơ 8120 100KV 58

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Thành phần cấu tạo của Multicopter 7

Bảng 2: Khảo sát thống kê và phân tích mẫu tham khảo UAV có trên thị trường của các trường đại học 16

Bảng 3: Thông số khối lượng các thành phần của UAV 28

Bảng 4: Thông số lưới mô hình 33

Bảng 5: Kết quả mô phỏ ng kết cấu 40

Bảng 6: Bảng khảo sát lực nâng động cơ 58

Bảng 7: Thông số khối lượng khung của một số mẫu UAV 58

Bảng 8: Thông số kích thước cơ bản một số mẫu UAV hiện hành 59

Bảng 9: Các thông số hình học của dù, múi dù 60

Bảng 10: Kích thước sơ bộ hộp dù 61

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo máy bay không người lái (UAV) đang rất phát triển và ngày càng trở nên quan trọng Vì thế, các ứng dụng của UAV cũng trở nên rộng rãi hơn, từ việc trinh sát, thăm dò cho đến khảo sát địa hình, vẽ bản đồ hay quay phim, chụp ảnh… Hứa hẹn trong tương lai gần, việc nghiên cứu chế tạo UAV sẽ

là một lĩnh vực có những bước phát triển vượt bậc và mang nhiều tính đột phá

Trong lĩnh vực xây dựng, việc khảo sát địa hình và thành lập bản đồ có vai trò hết sức quan trọng Nó cung cấp các thông tin định tính, định lượng, định hình và trạng thái của các yếu tố địa lý Từ đó các nhà xây dựng đưa ra các phương án xây dựng, quy hoạch một cách hợp lý, có khoa học và tiết kiệm Tuy nhiên công việc khảo sát địa hình

ở nước ta hiện nay đa số đều dùng phương pháp đo đạc truyền thống và sử dụng máy thủy bình để phác họa địa hình Phương pháp kể trên có nhiều nhược điểm như: tốn nhiều thời gian và công sức, năng suất thấp, phụ thuộc vào thời tiết, gặp khó khăn với địa hình phức tạp Để giải quyết những vấn đề này, một phương án hiệu quả đã được đề

ra đó là sử dụng máy bay không người lái

Từ những nhận định trên, tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế máy bay không người lái nhiều chong chóng mang phục vụ khảo sát địa hình” Mục đích

chính của luận văn này là tìm hiểu nghiên cứu các loại UAV hiện hành, từ đó đưa ra các bước tính toán và thiết kế một mẫu UAV phù hợp với yêu cầu của đề tài

Trong khuôn khổ đồ án, các nội dung bao gồm:

- Tìm hiểu tổng quan về UAV, công nghệ LiDAR

- Thiết kế UAV đáp ứng yêu cầu

- Mô phỏng, tính toán kiểm bền UAV

Để hoàn thành được luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Vũ Đình Quý, các thầy cô, các bạn sinh viên tại Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ - Viện Cơ khí Động lực đã giúp tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện

2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về máy bay không người lái (UAV)

1.1.1 Khái niệm

Máy bay không người lái (Unmenned Aerial Vehicle, viết tắt là UAV), là tên gọi

chỉ chung cho các loại phương tiện bay không người lái, không có phi công ở buồng lái

và được điều khiển từ xa từ trung tâm bằng các thiết bị thu phát hoặc bay tự động theo một chương trình (quỹ đạo bay) đã định sẵn

Trong hàng không hiện đại, UAV xuất hiện và thành công trước máy bay có phi công Chiếc UAV gắn động cơ đầu tiên thành công là chiếc Aerodrome No.5, cất cánh ngày 6/5/1896 tại Virginia UAV này do Samuel Pierpont Langley (USA) chế tạo

Hình 1: Máy bay Aerodrome No.5

Mẫu UAV phản lực ký hiệu XQ-2, có thể coi là tiền thân của UAV hiện đại, ra đời vào năm 1951 do Cty Teledyne Ryan Aeronautical ở San Diego chế tạo theo đặt hàng của Bộ Quốc phòng Mỹ

Hiện tại, UAV đang phát triển với tốc độ chưa từng có, đặc biệt máy bay dạng nhiều chong chóng mang đối xứng (Multicopter) là một trong những dạng máy bay phổ biến nhất

3

Hình 2: Máy bay quadrotor, một dạng máy bay nhiều chong chóng mang

Ở nước ta, việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng UAV tuy mới bắt đầu trong những năm gần đây, nhưng đã thu được nhiều kết quả đáng mừng Các sản phẩm như M-400 UAV, KATA, Titan đã cho thấy tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai Các nhà chế tạo UAV ở Việt Nam đã bước đầu ứng dụng các công nghệ hiện đại trong quá trình nghiên cứu như công nghệ về vật liệu, công nghệ về điện tử,… để tạo ra được các sản phẩm ngày càng hoàn thiện, đáp ứng được nhiều nhu cầu trong sử dụng cũng như trong mục đích phát triển Tuy nhiên, những kết quả đó mới chỉ là cơ sở, những bước đi ban đầu của cả một chặng đường nghiên cứu, và phát triển đầy khó khăn tiếp theo Do vậy, cần thiết phải có những đầu tư nghiên cứu mang tính cơ bản, từng bước xây dựng các định hướng nghiên cứu chuyên sâu, nhằm tạo ra tiền đề phát triển bền vững cho nền công nghiệp UAV ở nước ta

Trong các ứng dụng phục vụ mục đích quân sự, UAV thực sự đã trở thành một phương tiện quan trọng, không những trong tác chiến đường không mà còn trong toàn

bộ các hoạt động trên chiến trường Chúng đảm đương rất nhiều nhiệm vụ như: do thám, trinh sát đối phương, giám sát chiến trường, chuyển tiếp thông tin, trinh sát điện tử, thậm chí là phương tiện tấn công trực tiếp

4

Hình 3: The Northrop Grumman RQ-4 Global Hawk có khả năng trinh thám và giám sát một cách hệ thống bằng cách sử dụng radar khẩu độ tổng hợp có độ phân giải cao (SAR)

và cảm biến điện quang / hồng ngoại (EO / IR) tầm xa với thời gian do thám các khu vực mục

tiêu lâu hơn

Trong các ứng dụng phục vụ mục đích dân sự, UAV được sử dụng để giám sát bờ biển, biên giới, chống buôn lậu và xâm nhập trái phép, phát hiện cháy rừng, chống khai thác rừng, nghiên cứu môi trường, sử dụng trong công tác cứu hộ cứu nạn Những ứng dụng của UAV trong dân sự ngày càng mở rộng và thu được những kết quả tích cực

Hình 4: Máy bay không người lái sử dụng trong cứu trợ người bị nạn trên biển

5

Hình 5: UAV sử dụng trong dẫn

đường cho tên lửa

Hình 6: UAV sử dụng phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp

Theo phạm vi khối lượng, chúng được chia thành UAV vi hình (MAV) – dưới 5kg, UAV tiểu hình – dưới 200kg, UAV lớn – trên 1000kg và siêu lớn – trên 20000kg Theo thời gian bay, UAV chia thành các mức 1,6,12, 24 hoặc trên 24h Theo độ cao hoạt động, UAV được chia thành UAV có độ cao cực nhỏ có tầm hoạt động dưới 1km, độ cao nhỏ - dưới 3km, độ cao trung bình – dưới 12km, độ cao lớn – trên 12km và cực lớn – trên 20km

Theo phương thức điều khiển, UAV được chia thành phương tiện bay tự hoạt ( drones hay UAV) và phương tiện bay điều khiển từ xa (RPV) UAV tự hoạt được điều khiển từ máy tính trên phương tiện bay với chương trình lập trước Còn RPV được điều khiển qua đường truyền dữ liệu vô tuyến

Theo nguyên lý bay, UAV được chia thành hai dạng chính đó là máy bay cánh cố định (fixed-wing) và máy bay chong chóng mang (rotary-wing)

6

 Y4- Copter: Sử dụng 4 động cơ, 2 động cơ được lắp độc lập trên 2 cánh tay đò n,

2 động cơ còn lại lắp trên cánh tay đòn còn lại

 H-Quad: Phần thân được làm kéo dài về 2 phía, và cánh tay đòn được lắp song song ở phần cuối của thân, động cơ được đặt về 2 phía cánh tay đòn

 V-Tail Quad: Giống H-Quad nhưng cánh tay đòn phía trước được làm dài ra và phía sau ngắn lại nghiêng 1 góc so với phương dọc trục

 Y6- Copter: Sử dụng 6 động cơ giống Hexacopter nhưng cấu hình lại giống Tricopter vì sắp xếp các cặp động cơ lắp đồng trục và theo hướng lênxuống

 X8- Copter: Sử dụng 4 cánh tay đòn với 2 động cơ lắp đồng trục lên- xuống

 H8- Copter: Cấu hình như 2 đường ray lắp song song và 4 động cơ được lắp trên

1 đường ray

Hình 9: Một số loại máy bay nhiều chong chóng mang: a) quad rotor ; b) Y4 copter; c)

Y6 copter; d) X6 copter; e) Hexa rotor; f) X8 copter

Dựa trên các chương trình phát triển có thể dự báo rằng tới năm 2018 UAV sẽ được sử dụng trong trên 60 quốc gia, chiếm tới 90% số máy bay trinh sát, và ít nhất 30% máy bay cường kích

Hình 10: Mô hình cấu tạo cơ bản của Quadcoper

Bảng 1: Thành phần cấu tạo của Multicopter

Cánh chính nằm phía trước của Multicopers, được làm bằng nhựa hoặc sợi cacbon

Động cơ đóng một vai trò quan trọng trong quá trình vận hành, tạo nên tốc độ và sự hiệu quả của multicopers Động cơ phải linh hoạt, đáng tin cậy và dễ kiểm soát

Càng đáp làm nhiệm vụ cất hạ cánh Một số loại càng đáp hiện nay có cơ cấu thu/thả càng

Bộ điều khiển bay bao gồm 2 phần: 1 phần đặt trên máy bay và 1 phần nằm ở dưới đất Bộ thu phát để truyền tải và nhận dữ liệu, cảm biến được sử dụng để nhận biết các

8

tín hiệu radio, tín hiệu GPS và giúp thu thập thông tin về vị trí và các cập nhật thời tiết khác

Module GPS: GPS là một trong những công nghệ định

vị mạnh mẽ trong hiện tại, đặc biệt trong máy bay không người lái, trợ giúp việc cung cấp các thông tin về vĩ độ, kinh

Hình 11: Mô hình momen quay của Quadcoper

9

Hình 12: Nguyên lý di chuyển của Quadrotor

 Trước- sau: để đi về phía trước, motor phía trước giảm tốc độ so với motor sau

và ngược lại để đi về phía sau, motor phía sau giảm tốc độ so với motor phía trước

 Trái – phải: để đi về phía trái, motor phía trái giảm tốc độ so với motor phỉa phải

và ngược lại để đi về phía phải, motor phía phải giảm tốc độ so với motor phía trái

 Lên – xuống: tăng tốc hay giảm tốc đồng thời 4 motor đồng thời sẽ tương ứng làm tăng lực nâng và giảm lực nâng để bay lên hoặc xuống

 Xoay: muốn xoay cùng chiều kim đồng hồ thì cặp motor quay cùng chiều kim đồng hồ (ví dụ trước - sau) sẽ quay chậm hơn cặp motor quay ngược chiều (ví dụ trái-phải) và ngược lại trong trường hợp quay ngược chiều kim đồng hồ

1.2.2 Ưu, nhược điểm của Multicopter

Ưu điểm của Multicoper là: Chi phí chế tạo thấp, dễ dàng sửa chữa, tính cơ động, nhỏ gọn, khả năng cất hạ cánh thẳng đứng và khả năng tùy chỉnh thêm phụ kiện tùy thích Độ ổn định và an toàn cao do sử dụng nhiều động cơ, nếu có một động cơ hỏng vẫn có thể hạ cánh an toàn

10

Hình 13: Hexacopter, máy bay 6 chong chóng mang

Hình 14: Octocopter, máy bay 8 chong chóng mang

Tuy nhiên, nhược điểm của Multicopter là vận tốc bay thấp, thời gian bay hạn chế, tải mang thấp khi so sánh với loại máy bay cánh bằng Độ cồng kềnh của Multicopter

sẽ tăng theo số lượng cánh quạt sử dụng

1.2.3 Các cách phối trí cánh quạt trên Multicopter

Đối với Multicoper có số lượng cánh quạt nhiều, có 2 cách phối trí cánh quạt:

- Cánh đơn

- Cánh kép đồng trục

11

1.2.3.1 Phối trí cánh đơn

Hình 15: Octocopter với phối trí cánh đơn

Multicoper với số lượng cánh lớn có rất nhiều lợi ích đáng kể đến là hiệu quả và

độ ổn định cực cao Tuy nhiên do số lượng cánh lớn phân bố đều trên 1 mặt phẳng nên kích thước của các loại multicoper này thường rất cồng kềnh

1.2.3.2 Phối trí cánh kép đồng trục

Hình 16: Octocopter với phối trí cánh kép đồng trục

Cách phối trí này tạo bố cục gọn nhẹ và chiếm ít không gian hơn Về hiệu suất và

độ tin cậy của chuyến bay, cách phối trí này có ưu thế hơn phối trí cánh đơn nhưng có thời gian bay ngắn hơn

Ưu điểm:

- Hiệu suất bay và ổn định tốt nhất trong các loại Multicopers

- Động cơ dự phòng tốt hơn (kể cả khi 1 động cơ gặp sự cố cũng không có bất

kỳ dao động đáng chú ý nào)

- Nhẹ hơn và nhỏ hơn

1.3 Ứng dụng trong lĩnh vực khảo sát địa hình

Trước đây, việc thành lập mô hình số đo đạc địa hình, đặc biệt là mô hình số bề mặt thực địa có độ chính xác cao bằng công nghệ ảnh hàng không hoặc các phương pháp

đo đạc trực tiếp gặp rất nhiều khó khăn, chi phí cao, tốn nhiều thời gian để hoàn thành Hiện nay, với công nghệ UAV - LiDAR giúp xây dựng mô hình số địa hình cũng như

mô hình số bề mặt với dộ chính xác cao, mật độ dữ liệu lớn, thậm chí rất lớn đảm bảo được tính chi tiết của địa hình thực tế Dữ liệu LiDAR thu nhận được là tập hợp các điểm có giá trị mặt bằng và độ cao (đám mây điểm) trong hệ tọa độ xác định Từ dữ liệu đám mây điểm, cho phép tiến hành lọc điểm, biên tập xây dựng nên mô hình số địa hình

và mô hình số bề mặt, xây dựng mô hình 3D, từ đó có thể xây dựng bản đồ không gian

ba chiều một cách nhanh chóng và chính xác, giảm chi phí và tốn ít thời gian

1.3.1 Công nghệ khảo sát địa hình LiDAR

LiDAR là viết tắt của Light Detection and Ranging – một thuật ngữ chỉ công nghệ viễn thám mới, chủ động, sử dụng các loại tia laser để khảo sát đối tượng từ xa

Hệ thống LiDAR cơ bản gồm sự tích hợp của ba công nghệ là:

 Inertial Mavigation System (INS) - là hệ thống điều khiển hướng thực hiện nhiệm vụ xác định phương vị

 Laser light amplification by stimulated emission of radiation (LASER) - là thiết bị áp dụng một dòng điện mạnh với một vật liệu lasabel thường là tinh thể hoặc chất khí như hồng ngọc, CO2, helium-neon, argon và các vật liệu hiếm khác

 Global positioning system (GPS) là hệ định vị toàn cầu vệ tinh

Dựa theo mục đích sử dụng, hệ thống Lidar được phân làm hai loại:

 Topographic: sử dụng các laser có màu cận với hồng ngoại để vẽ bản đồ mặt đất

 Bathymetric: sử dụng laser xanh lá có khả năng xuyên qua nước để đo tầng đáy

Công nghệ này được phát triển từ những năm 60, 70 của thế kỷ trước Khởi đầu là

hệ thống NASA – LiDAR và tiếp sau đó là một số thử nghiệm khác ở Mỹ và Canada

13

Đầu những năm 1980, hệ thống LiDAR thế hệ thứ hai được sử dụng khắp thế giới nhưng giá thành cao và nhiều hạn chế Với sự phát triển vượt bậc của hệ thống máy tính và hệ thống định vị toàn cầu thế hệ mới, hệ thống LiDAR hứa hẹn sẽ là một lựa chọn có tính thương mại cho việc khảo sát, thành lập bản đồ số địa hình

Hình 17: Bản đồ số được lập bằng công nghệ LiDAR

1.3.2 So sánh với phương pháp khảo sát bằng ảnh hàng không

- LiDAR có thể thu thập dữ liệu địa hình rất chính xác trong khi bay quét ở độ cao lớn hơn độ cao bay chụp không ảnh Độ chính xác của dữ liệu bay chụp không ảnh tỷ lệ với độ cao bay chụp trong khi độ chính xác của dữ liệu LiDAR giảm đi không đáng kể khi độ cao bay tăng lên

LiDAR thu nhận trực tiếp dữ liệu 3 chiều mà chỉ cần duy nhất 1 tia laser “gần vuông góc” với mặt đất để khảo sát địa hình Tia laser có khả năng xuyên qua tán cây chạm tới bề mặt và phản hồi tới cảm biến trong khi chụp không ảnh lại yêu cầu hiệu ứng lập thể (cùng nhìn thấy 1 điểm trên mặt đất từ hai phía) Như vậy, LiDAR sẽ thu thập được dữ liệu bề mặt địa hình nhiều hơn, đặc biệt khi quét qua các khu vực có thực vật che phủ

LiDAR có thể thu nhận tín hiệu phản hồi đầu tiên và cuối cùng với tần suất trung bình 5 ngàn tới 33 ngàn tia/giây, do đó dữ liệu thu được cho phép lập bản đồ bề mặt địa hình và bề mặt tán cây với mật độ dữ liệu dày và độ chính xác cao Một số hệ thống LiDAR còn cho phép thu nhận các tín hiệu phản hồi trung gian (giữa tín hiệu đầu và

14

cuối) cho phép phân tích cấu trúc đối tượng (cấu trúc tán) Phương pháp không ảnh cũng tạo được các điểm độ cao dày nhưng phải bằng cách tăng dày thủ công (tốn kém và mất thời gian), hoặc bằng phương pháp tương quan ảnh tự động, tuy nhiên phương pháp này chỉ trích xuất được các điểm ngọn cây và nóc nhà mà không tạo ra được các điểm mặt đất

- LiDAR cho phép thu thập dữ liệu cả ngày và đêm trong khi phương pháp không ảnh chỉ thực hiện được trong một khoảng thời gian hạn chế ban ngày khi ánh sáng tối

ưu

1.4 Nội dụng luận văn

Sự phát triển chóng mặt của công nghệ giúp máy bay không người lái (UAV) đảm nhiệm được nhiều nhiệm vụ hơn và chứng tỏ được sự ưu việt của mình trong hoạt động thực tế Bên cạnh sự hỗ trợ đắc lực của chúng trong lĩnh vực quân sự, UAV còn phổ biến hơn trong các hoạt động dân sự và nghiên cứu khoa học học như phát hiện cháy rừng, bảo trì đường bộ, chăm sóc mùa màng, tìm kiếm nạn nhân trong các thiên tai, vận chuyển thuốc men, đồ cứu trợ, giám sát các mỏ và đường ống dẫn dầu, theo dõi sự cố hạt nhân, sự di cư của động vật, giúp giải cứu tàu thuyền Với những ứng dụng to lớn

đó của UAV, luận văn này đóng góp một phần nhỏ vào việc nghiên cứu và phát triển máy bay không người lái

Trong phạm vi luận văn này, tôi sẽ trình bày một cách ngắn gọn các bước tính toán, thiết kế một mẫu UAV dựa trên yêu cầu đầu vào và kết quả đạt được cuối cùng

15

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY BAY NHIỀU CHONG

CHÓNG MANG 2.1 Quy trình thi ết kế

Quy trình thiết kế tổng kể gồm 5 giai đoạn: thiết kế khái niệm, thiết kế sơ bộ, thiết

kế chi tiết, tích hợp hệ thống, kiểm thử thực tiễn Tại mỗi giai đoạn thiết kế, người thực hiện sẽ lại chia nhỏ ra thành các pha thiết kế nhỏ hơn, với các nhiệm vụ rõ ràng, cụ thể hơn như sau:

Hình 18: Quy trình thiết kế

2.2 Yêu cầu bài toán

Mục tiêu đề ra của luận văn này là thiết kế thiết bị bay không người lái (UAV) thông minh tích hợp công nghệ chụp ảnh quét laser trên không nhằm mục đích xây dựng

hệ thống khảo sát địa hình trong xây dựng Trong đó phân hệ UAV gắn các thiết bị chụp ảnh, Lidar, định vị, truyền thông, điều khiển đảm bảo các yêu cầu:

- Các cánh tay đòn của máy bay có thể gập lại, dễ dàng vận chuyển;

- Bay tự động theo quỹ đạo, cất hạ cánh thẳng đứng;

- Tải có ích tối thiểu: 7 kg (bao hồm hệ thống phục vụ chụp quét địa hình);

- Thời gian bay tối thiểu: 20 phút;

16

2.3 Phân tích, khảo sát tình hình nghiên cứu UAV phục vụ khảo sát địa hình

Bảng 2: Khảo sát thống kê và phân tích mẫu tham khảo UAV có trên thị trường của

- Động cơ Axi 2208 brushless motor sử dụng

24 W

- Cánh quạt 10×4.5 Park Flyer PROP sinh ra lực đẩy 8N, có thể nâng 2,5kg

- Kích thước: 40x40cm

- Vật liệu: Carbon-fiber, nhôm, thép

- Payload: 600g

Trên cơ sở yêu cầu thiết kế của UAV và tham khảo các sản phẩm trên thị trường cung cấp hoặc các sản phẩm nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu trên thế giới, một tuyến hình cơ bản của UAV được đề xuất cụ thể:

- Khối lượng cất cánh lớn nhất >= 3 x tải trọng có ích

- Các chi tiết kết cấu phần khung vỏ của UAV phải đảm bảo đủ cứng vững nhưng khối lượng nhẹ Sử dụng các dạng vật liệu mới như Composite hay vật liệu Carbon

- Phần thân chính của UAV có thể tích chứa lớn để dễ dàng tùy chỉnh và lắp đặt thêm các thiết bị phụ trợ cho hệ thống điều khiển- tự động hóa và tác vụ chức năng khác đặc biệt

- Càng của UAV phải đủ cứng vững, dễ tháo lắp và điều chỉnh kích thước cũng như vị trí

- Để đảm báo tính linh hoạt, cũng như không gian rộng rãi cho máy quét laser, càng đáp sẽ được thiết kế gập gọn lại khi bay và hạ xuống khi hạ cánh

- Các tay đòn có thể gập lại, tháo rời, dễ dàng vận chuyện

- Cất – hạ cánh thẳng đứng

𝐹 = 𝜋𝑅2: Diện tích cánh quạt (R: bán kính);

v = ωR: Vận tốc dài cánh quạt tại đầu mút cánh;

ω: Số vòng quay của động cơ;

Xét trong điều kiện lý tưởng không gió, lực cản không ảnh hưởng, các cánh quạt không ảnh hưởng lẫn nhau

Lực nâng của toàn bộ máy bay sẽ là: T tong n T (n: Số lượng động cơ)

Như vậy để tăng lực nâng của máy bay ta có tăng số lượng động cơ hoặc thay đổi

số vòng quay và cánh quạt Tuy nhiên việc lựa chọn thêm động cơ sẽ làm tăng khối lượng của máy bay, điều này là không có lợi Vì vậy tùy thuộc vào bài toán mà ta sẽ có tính toán lựa chọn số động cơ phù hợp

Qua tham khảo một số loại Multicopter đã được chế tạo ta thấy rằng việc máy bay yêu cầu phải sử dụng từ 8 động cơ trở lên mới mang nổi tải trọng đó Như đã nêu ở trên, người thực hiện sẽ lựa chọn dạng Multicopter dạng chữ thập, sử dụng 8 động cơ Để tối

ưu khối lượng, máy bay thiết kế sẽ mang những đặc điểm sẵn có của Quadcopter và đồng thời khắc phục yếu điểm về khối lượng mang theo bằng cách sử dụng cánh kép

Vì vậy đề tài lựa chọn loại thiết bị 8 chong chóng mang dạng cặp cánh kép hay còn gọi

là Quad-rotor X8 là đối tượng nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm

19

Hình 19: Phác thảo sơ bộ thiết bị bay 8 cánh dạng chữ thập

2.5 Tính toán thiết kế cấu hình

2.5.1 Khối lượng sơ bộ

Khảo sát một số mẫu UAV hiện nay (bảng 4-phụ lục 1), với tải có ích 7kg, ta ước

lượng khối lượng các thiết bị trên UAV:

- Khung kết cấu (main plate + arms + landing gear): 5,000 kg

- 8 bộ động cơ + cánh quạt + ESC: 7,280 kg

- 2 pin 6S 22000mah, 2486g/ 1 pin: 3,492 kg

- Mô đun điều khiển bay DJI: 0,400 kg

- Mô đun điều khiển càng hạ cánh: 0,100 kg

- Các chi tiết ghép nối: 0,200 kg

- Tải có ích tối thiểu: 7,000 kg

Tổng tải trọng: 24,952 kg

Lực nâng yêu cầu trên mỗi ống tay động cơ: 24,952/4 = 5,988 kg

Theo nghiên cứu [2] của Vux et Al thì trong máy bay nhiều chong chóng mang cấu hình dạng hai tầng cánh đồng trục, lực nâng tại tầng cánh phía dưới chỉ đạt hiệu suất 75% so với cánh phía trên và hiệu suất cánh phía trên tương đương trường hợp 1 tầng cánh

Lực nâng tối thiểu yêu cầu trên mỗi động cơ: 𝑻𝒊= 𝟓,𝟗𝟖𝟖

2.5.2 Phân tích, lựa chọn thiết bị điện-điện tử

Đối với các loại máy bay cánh xoay, hệ số phụ tải riêng 𝑝 = 0 ÷ 10 𝑘𝑔/𝑚2 Ta chọn hệ số phụ tải cho mẫu thiết kế này 𝑝 = 8𝑘𝑔/𝑚2

𝑇 = 𝐶𝑡 𝐹.𝜌

2 (𝜔𝑅𝑝𝑟𝑜𝑝)2 (2.3) Trong đó:

 Ct – hệ số lực kéo

 F – diện tích mặt phẳng quay, 𝐹 = 𝜋𝑅2

 𝜌 – mật độ không khí

 Rprop – bán kính cánh quạt

Hình 20: Sự phụ thuộc của hệ số lực kéo vào bước của CCM [3]

Với giả thiết thông số đầu vào:

Ta tính được tốc độ vòng quay cánh quạt tương ứng là: 𝝎 ≈ 𝟏𝟗𝟖𝟎 vòng/phút

Để đảm bảo động cơ hoạt động tốt (dựa theo Helicopter Dynamic Theory):

𝜔đ𝑐 ≥ 2 𝜔= 3600 vòng/phút Dựa trên các mẫu mô hình đã thương mại hóa trên thế giới, người thực hiện đưa

ra được đồ thị thể hiện sự tương quan giữa kích thước cánh quạt và kích thước khung

máy bay (xem thêm bảng 10 - phụ lục)

21

Dựa vào các thông số tính toán trên và đồ thị khảo sát, kích thước của khung máy bay sẽ là 1,2x1,2 m

Hình 22: Kích thước của Multicopter X8

2.5.2.1 Năng lượng

Ta chọn sử dụng pin 2 Lipo 6s 22000 mAh với thông số như sau:

Hình 25: Cánh quạt Fox CF Prop [5]

Động cơ Fox 8120 100 KV FOC với sức nâng tối thiểu 3 kg và sức nâng tối đa lến đến 12 kg, 100 KV, có momen xoắn lớn phù hợp với phân tích ở trên Ưu điểm của động

cơ này là momen xoắn cao, dẫn đến thời gian phản ứng nhanh, tốc độ RPM thay đổi linh hoạt, tạo đủ lực nâng cho mô hình

2.5.2.3 Mạch điều tốc

Mạch điều tốc – ESC (Electronic Speed Control) được dùng để điều khiển tốc độ của động cơ Tầng công suất của mạch điều tốc gồm các transitor công suất được sử dụng như bộ nghịch lưu dùng để tạo điện áp 3 pha cho động cơ Tốc độ của động cơ được thay đổi bằng cách thay đổi độ rộng xung cấp cho các transitor công suất

Ở đây, ta sẽ lựa chọn sử dụng ESC 80A của Fox, với thông số kỹ thuật như sau:

Hình 26: ESC Fox 80A FOC V3 [4]

Thông số cơ bản :

 Max.Input Voltage: 60.9 V

 Max.Input Current: 80A

Do yêu cầu về độ chính xác vị trí cao cũng như độ tin cậy trong khi bay, ta chọn

bộ điều khiển bay DJI A3 pro Dòng Flight controller DJI A3 Pro là hệ thống kiểm soát bay đáng tin cậy và mạnh mẽ, được sử dụng cho nhiều loại multicopter DJI A3 pro bao gồm 3 GPS, 2 IMU, 1 PMU và 1 DJI Led