20211-DACN-DangVanBacNgoQuangAnh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
Thiết kế và mơ phỏng kiểm tra
sơ bộ đặc tính khí động của mơ
hình ơtơ bay thu nhỏ
ĐẶNG VĂN BẮC


NGƠ QUANG ANH


Chuyên ngành Kỹ thuật hàng không

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Hồng Thị Kim Dung

Nhóm chun mơn:
Khoa:

Kỹ thuật hàng khơng và vũ trụ
Cơ khí động lực


HÀ NỘI, 2/2022


PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

1. Thông tin về sinh viên

Sinh viên 1
Họ và tên: Đặng Văn Bắc
Điện thoại: 0961456647
Email:
Lớp: Kỹ thuật hàng không K62
Hệ đào tạo: Chính quy
Sinh viên 2
Họ và tên: Ngơ Quang Anh
Điện thoại: 0389901325
Email:
Lớp: Kỹ thuật hàng khơng K62
Hệ đào tạo: Chính quy
Đồ án môn học được thực hiện tại: Nhà T-207
Thời gian làm ĐACN:
- Ngày giao nhiệm vụ
: 04/09/2021
- Ngày hoàn thành nhiệm vụ
: 20/02/2022
2. Mục đích nội dung của ĐACN
Đồ án môn học này nhằm giúp sinh viên tiếp cận, tiếp thu kiến thức, nghiên cứu,
thiết kế sơ bộ một mơ hình ơ tơ bay thu nhỏ, kiểm tra sơ bộ các đặc tính khí động
của một số bài tốn mơ phỏng kiểm tra sơ bộ về khí động học.
3. Các nhiệm vụ cụ thể của ĐACN
-

Tổng quan về ô tô bay;
Nghiên cứu, khảo sát thị trường, đưa ra quy trình thiết kế, tính tốn thiết kế sơ bộ
mơ hình ô tô bay;
Sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để mô phỏng kiểm tra sơ bộ đặc tính khí động
của mơ hình sơ bộ đã thiết kế. Các bài tốn mơ phỏng kiểm tra bao gồm:

 Bài tốn dịng chảy qua một cánh quay và nhiều cánh quay ở chế độ bay treo;
 Bài tốn dịng chảy qua ơ tơ ở chế độ đi;
 Bài toán kiểm bền cánh quay FSI 1 chiều.
4. Lời cam đoan của sinh viên:
Chúng tôi – Đặng Văn Bắc và Ngô Quang Anh – cam kết ĐACN là cơng trình
nghiên cứu của bản thân chúng tơi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Hoàng Thị
Kim Dung.


Các kết quả nêu trong ĐACN là trung thực, không phải là sao chép tồn văn của
bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày 22 tháng 02 năm 2022
Tác giả ĐACN

Đặng Văn Bắc
Anh

Ngô Quang


5. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của ĐACN và cho phép
bảo vệ:
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
Hà Nội, ngày….tháng….năm 2022
Giáo viên hướng dẫn


MỤC LỤC


DANH MỤC HÌNH ẢNH

7

DANH MỤC BẢNG

8


LỜI NÓI ĐẦU
Nhu cầu đi lại của nhân loại ngày càng tăng mạnh. Cùng với sự phát triển của
hạ tầng đơ thị là sự gia tăng chóng mặt của dân số thế giới và các phương tiện
giao thông. Giải quyết bài toàn tắc nghẽn, ý tưởng về những chiếc xe biết bay đã
ra đời.
Mong muốn cho ra đời một chiếc xe vừa chạy ngồi đường, vừa có thể cất
cánh, nhiều nhà khoa học đã dành tâm huyết đầu tư nghiên cứu để cho ra đời một
chiếc ơtơ bay. Khơng cịn chỉ xuất hiện trên truyện tranh hay phim khoa học viễn
tưởng, ô tô bay đã trở thành hiện thực và được kỳ vọng là phương tiện giao thông
quan trọng trong tương lai.
Với mong muốn tìm tịi học hỏi, tiếp thu tri thức liên quan đến thiết kế mơ
hình ơ tơ bay đó, chúng em đã bắt tay vào thiết kế sơ bộ mơ hình ơ tơ bay, để từ
đó phần nào làm tiền đề thiết kế cho các ý tưởng ô tô bay sau này.
Nội dung đồ án tập trung vào các bước thiết kế sơ bộ ban đầu trong quy trình
thiết kế mẫu ơ tơ bay và mơ phỏng kiểm tra sơ bộ mơ hình thiết kế. Trong đó,
bước mô phỏng, kiểm tra sơ bộ, chúng em tập trung nghiên cứu các đặc tính khí
động của các cánh quạt quay trong mơ hình ơ tơ bay; và một số bài tốn mơ
phỏng mơ hình ơ tơ bay ở một số chế độ hoạt động. Từ đó xác định xem mơ hình
thiết kế có thỏa mãn u cầu đặc tính khí động của ơ tơ bay hay khơng.
Việc nghiên cứu thiết kế ra một mơ hình ơ tơ bay là một bài tốn lâu dài và
khó khăn. Nên với nội dung của đồ án chuyên ngành này, chúng em chỉ đưa
ramột cái nhìn tổng quan nhất về thiết kế ơ tơ bay. Chính vì thế, đồ án sẽ khơng
tránh khỏi thiếu sót. Kính mong thầy cơ nhận xét và đưa ra những ý kiến góp ý
để chúng em có thể làm tốt hơn nữa.

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ BAY
1.1 Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây, cơ sở hạ tầng giao thông trên mặt đất của chúng
ta đang bị lạm dụng quá mức, tắc nghẽn giao thông nghiêm trọng và đường xá
xuống cấp. Thay vì tn theo chính sách mở rộng cơ sở hạ tầng truyền thống,
nghiên cứu giao thông vận tải hiện nay tập trung vào việc phát triển các giải pháp
sáng tạo và mới lạ cho các vấn đề nói trên. Các con đường hiện tại để khắc phục
những vấn đề này bao gồm việc chuyển đổi dần dần sang một số công nghệ giao
thông vận tải mới nổi, chẳng hạn như phương tiện bay không người lái (UAV) và
kỹ thuật “drone” để phục vụ các công việc như giám sát, giao hàng …Tuy nhiên,
như một giải pháp lâu dài, các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu kỹ thuật
mang tính tương lai - Ơ tơ bay: Một phương tiện vận chuyển cả trên mặt đất và
trên khơng.
Ơ tơ bay là một loại của phương tiện bay cá nhân hoặc máy bay có thể đi trên
đường, cung cấp một phương tiện vận chuyển thuận tiện có thể đi được cả trên
mặt đất cũng như cũng có thể bay trên không trung.
Nhiều nguyên mẫu ô tô bay đã được chế tạo từ đầu thế kỷ 20, sử dụng nhiều
công nghệ bay khác nhau, chẳng hạn như ô tô bay dạng cánh bằng cất/hạ cánh
cần đường băng, một số cũng có khả năng cất/hạ cánh thẳng đứng.
Sự xuất hiện của ô tơ bay thường được dự đốn bởi các nhà tiên tri tương lai.
Ơ tơ bay cũng là một chủ đề phổ biến trong các câu truyện giả tưởng và khoa học
viễn tưởng.
Khơng khó để hiểu tại sao ý tưởng này lại được ưa chuộng. Chúng có thể di
chuyển trong khơng khí nhanh hơn nhiều so với những chiếc ơ tơ bình thường
trên đường. Có nghĩa là, trong khi ơ tơ trên mặt đất phải chạy qua hệ thống giao
thông đường bộ phức tạp, đặc biệt là trong khu vực đô thị, thì ơ tơ bay có thể đi

thẳng từ điểm xuất phát đến điểm đến. Sức hấp dẫn của ô tơ bay dường như là
hiển nhiên. Nếu bây giờ có thể chế tạo chúng, phải chăng có khả năng chúng ta
sẽ nhìn thấy nhiều phương tiện ơ tơ bay trên bầu trời khơng lâu nữa?
1.2 Phân loại
Ơ tơ bay gồm 2 dạng chủ yếu:
- Dạng cất/hạ cánh cần đường băng (Hình 1.1): Loại ơ tơ bay này thường có
cánh cố định khi bay,.Khi đi trên đường cánh có thể gắn cứng hoặc cũng có thể
gập gọn lại. Khi cất/hạ cánh buộc phải có đường băng mới thực hiện được;
- Dạng cất/hạ cánh thẳng đứng (Hình 1.2): Loại ơ tơ bay có cánh quạt quay
tạo lực nâng. Và có thể cất/hạ cánh theo phương thẳng đứng.
Ưu, nhược điểm của 2 dạng ô tô bay này được tổng hợp trong Bảng 1.1.
Ngoài hai dạng ơ tơ trên, cịn có dạng tích hợp giữa dạng cánh cứng cố định
và dạng cất/hạ cánh thẳng đứng thơng qua các cánh quạt. Loại này có thể tận

10


dụng các ưu điểm của cả hai dạng cất/hạ cánh thẳng đứng và cất/hạ cánh cần
đường băng (Hình 1.3).

Hình 1.1 Dạng ơ tơ bay cất/hạ cánh cần đường băng

Hình 1.2 Dạng ô tô bay cất/hạ cánh thẳng đứng
Bảng 1.1 So sánh ưu nhược điểm 2 dạng ô tô bay
STOL
Ưu điểm

VTOL

- Khả năng bay nhanh hơn;

- Thời gian bay được lâu hơn;

- Khả năng cơ động cao: Có khả
năng tiếp cận các khu vực hẹp.

- Tiêu thụ nhiên liệu tiết kiệm hơn;
- Tầm bay xa;
- An toàn, dễ điều khiển;
- Chi phí chế tạo tiết kiệm hơn.
Nhược
điểm

- Khơng cơ động do cần đường băng - Khơng có khả năng bay nhanh,
để cất hạ cánh, không thể bay nếu bay xa;
đường băng gồ ghề, ngắn, hẹp;
- Tiêu thụ nhiên liệu nhiều hơn;
- Khơng có khả năng cất, hạ cánh - Kém an tồn hơn;
thẳng đứng ở khu vực hẹp;
- Chi phí chế tạo tốn kém.
- Không thể bay chậm, bay lơ lửng.

11


Hình 1.3 Ơ tơ bay dạng tích hợp
1.3 Lịch sử phát triển
Những phát triển ban đầu:
- Năm 1936: Henry Ford trưng bày một chiếc máy bay một chỗ ngồi thử
nghiệm mà ông gọi là “Sky Flivver”. Dự án bị bỏ dở 2 năm sau đó khi một
chuyến bay bị rơi, khiến phi cơng thiệt mạng. Flivver hồn tồn khơng phải là

một chiếc ơ tơ bay, nhưng nó đã thu hút sự chú ý của báo chí vào thời điểm đó,
khiến cơng chúng phấn khích rằng họ sẽ có một sản phẩm máy bay giá cả phải
chăng được sản xuất hàng loạt sẽ được sản xuất, tiếp thị, bán và bảo trì giống như
một chiếc xe hơi.
- Năm 1942: Các lực lượng vũ trang Liên Xô đã thử nghiệm một loại xe tăng
có khả năng bay, Antonov A-40, nhưng nó khơng có khả năng tự bay.
- Năm 1946: Fulton FA-2 “Airphibian” là một chiếc máy bay có thể đi
đường được của Mỹ do Robert Edison Fulton Jr thiết kế. Nó là một chiếc ô tô
thân bằng nhôm, được chế tạo với hệ thống treo độc lập, bánh xe cỡ máy bay và
động cơ sáu xi-lanh 165 mã lực. Các cánh vải dễ dàng gắn vào thân máy bay,
biến chiếc xe thành một chiếc máy bay. Bốn nguyên mẫu đã được chế
tạo. Charles Lindbergh đã bay nó vào năm 1950 và nó không phải là một thành
công về mặt thương mại.
- Năm 1949: Chiếc Aerocar, được thiết kế và chế tạo bởi Molt Taylor, đã
thực hiện một chuyến bay thành công vào tháng 12 năm 1949, và trong những
năm sau đó, các phiên bản đã trải qua một loạt các cuộc thử nghiệm trên đường
và bay. Tháng 12 năm 1956, Cơ quan Hàng không Dân dụng Hoa Kỳ đã phê
duyệt thiết kế để sản xuất hàng loạt. Nhưng, mặc dù được quảng bá rộng rãi và
có một phiên bản cải tiến được sản xuất vào năm 1989, Taylor đã không thành
công trong việc đưa ô tô bay vào sản xuất. Tổng cộng, sáu chiếc Aerocars đã
được chế tạo.

12


Hình 1.4 Aerocar có cánh gấp lại
- Trong giai đoạn từ năm 1956 đến năm 1958, xưởng Thiết kế Tiên tiến
của Ford đã chế tạo Volante Tri-Athodyne, một mẫu xe ý tưởng tỷ lệ 3/8. Nó
được thiết kế để có ba quạt ống dẫn, mỗi quạt có động cơ riêng, sẽ nâng nó lên
khỏi mặt đất và di chuyển trong khơng khí.

- Năm 1956: Bộ Tư lệnh Nghiên cứu Giao thông vận tải của Quân đội Hoa
Kỳ bắt đầu phát triển về “xe jeep bay”, loại máy bay có cánh quạt được thiết kế
nhỏ hơn và dễ bay hơn trực thăng.
- Năm 1957: Chrysler , Curtiss -Wright và Piasecki được giao các hợp đồng
chế tạo và giao hàng nguyên mẫu. Tuy nhiên, Piasecki's VZ-8 là thành cơng nhất,
mặc dù nó hoạt động gần mặt đất, nhưng nó có khả năng bay đến vài nghìn feet
và bay ổn định. Tuy nhiên, Lục quân quyết định rằng “khái niệm Flying Jeep
không phù hợp với chiến trường hiện đại”, và tập trung vào sự phát triển của máy
bay trực thăng thông thường.
1.4 Các mẫu ơ tơ bay hiện nay
Tính đến năm 2017, một số công ty đã phát triển ô tô bay điện, hoặc eVTOls
để sản suất vào năm 2020, bao gồm:
- Sky Drive của Cartivator - công ty đã công bố mục tiêu của mình về một
chuyến bay đốt cháy ngọn đuốc Thế vận hội mùa hè 2020 bằng eVTOL của mình
(Hình 1.5). Tuy nhiên, đã bị hoãn lại do đại dịch COVID-19.

Hình 1.5 Sky Driver Flying Car
- Kitty Hawk Flyer của Kitty Hawk Corporation và Larry Page của
Zee.Aero đang phát triển xe bay. Vào tháng 4 năm 2017, Kitty Hawk đã cho ra
mắt chiếc máy bay VTOL "Flyer", chỉ bay trên mặt nước.
13


- Volocopter 2X của E-Volo, nay là Volocopter - vào tháng 8 năm 2019:
Volocopter 2X đã được thử nghiệm thành cơng tại sân bay Helsinki để tích hợp
với các dịch vụ quản lý không lưu cho máy bay không người lái AirMap.
- Vahana của Airbus - nguyên mẫu eVTOL của Airbus thực hiện chuyến bay
đầu tiên vào ngày 3 tháng 5 năm 2019, tại Donauworth, Đức (Hình 1.6).
- Uber - công ty vận chuyển quốc tế đang làm việc với Karem Aircaft để phát
triển eCRM-003 eVTOL chạy điện, với các thử nghiệm đầu tiên dự kiến vào

năm 2020 và các thử nghiệm dịch vụ UberAir rất hạn chế vào năm 2023 (Los
Angeles, Dallas-Fort Worth, và Melbourne).

Hình 1.6 Vahana Flying Car của Airbus
- Vào năm 2016, AeroMobil đã bay thử một nguyên mẫu đạt chứng
nhận siêu nhẹ của Slovakia. Khi nào sản phẩm cuối cùng sẽ có sẵn hoặc giá bao
nhiêu vẫn chưa được xác định. Vào năm 2018, nó đã tiết lộ một khái niệm giống
như một chiếc xe thể thao bay với khả năng VTOL

Hình 1.7 Aeromobil Flying Car
- Terrafugia có một phương tiện bay có thể đi trên đường - Terrafugia
Transition. Vào ngày 7 tháng 5 năm 2013, Terrafugia đã công bố TF-X, một
phương tiện động cơ đặt nghiêng hybrid, sẽ là chiếc ơ tơ bay hồn tồn tự động
đầu tiên. Nó sẽ có phạm vi 500 dặm (800 km) mỗi chuyến bay và pin sạc bằng
động cơ. Quá trình phát triển TF-X dự kiến sẽ kéo dài 8-12 năm, có nghĩa là nó
sẽ khơng được tung ra thị trường trước năm 2019.

14


Hình 1.8 Terrafugia TF-X Flying Car
- Moller SkyCar M400 là một nguyên mẫu cá nhân VTOL (cất cánh và hạ
cánh thẳng đứng) máy bay được trang bị bốn cặp động cơ quay Wankel song
song, và được tiếp cận các vấn đề về định vị vệ tinh, được thành lập tại Đề
xuất Hệ thống máy bay vận chuyển nhỏ.

Hình 1.9 Moller SkyCar M400
- PAL-V Liberty tự bay lên thẳng có thể đi trên đường, hoặc gyrocopter, ra
mắt tại Geneva Motor Show tháng 3 năm 2018, sau đó trở thành chiếc xe bay đầu
tiên trong sản xuất, và được thiết lập để ra mắt vào năm 2020, với đầy đủ sản

phẩm dự kiến vào năm 2021 tại Gujarat, Ấn Độ.

Hình 1.10 PAL-V Liberty Flying Car
15


Các mẫu ô tô bay hiện tại trên thị trường rất đa dạng. Ngồi các mẫu nói trên,
cịn có nhiều các mẫu khác đang được phát triển, thử nghiệm, sản xuất.

16


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ SƠ BỘ
2.1 Quy trình thiết kế
Các bước quy trình thiết kế: Các bước trong quy trình thiết kế được tổng hợp
trong Hình 2.1.

Hình 2.11 Quy trình thiết kế
Trong từng bước sẽ giải quyết các vấn đề:
o Nghiên cứu, phân tích thị trường: Khảo sát, phân tích thị trường, đưa ra các
yêu cầu thông số thiết kế đầu vào phù hợp để có tính khả thi cho mơ hình;
Nghiên cứu, khảo sát các mẫu ơ tơ bay, các prototype ơ tơ bay trên thị trường
để có thể thiết kế mơ hình sơ bộ dựa trên khảo sát.
o Yêu cầu sản phẩm: Xác định rõ các yêu cầu bài toán cần giải quyết: Tải trọng,
vận tốc đi trên đường, vận tốc bay, trần bay, thời gian hoạt động … Các thông
số trên phù hợp với bước khảo sát trên.
o Hình thành ý tưởng mơ hình, thiết kế sơ bộ: Phân tích cơ sở lý thuyết, lựa
chọn phương án thiết kế. Đưa ra hình dáng sơ bộ mơ hình, hình dạng, kích
thước sơ bộ ban đầu. Có thể thiết kế mơ hình sơ bộ dựa theo các mẫu đã có
trên thị trường.

o Kiểm tra sơ bộ: Tính tốn đặc tính khí động học. Kiểm tra, mơ phỏng các
trường hợp bay treo, bay bằng, đi dưới đất với mơ hình sơ bộ đã có. Kiểm tra
yêu cầu lực nâng, lực cản trong các trường hợp.
o Thiết kế chi tiết: Đưa ra phương án thiết kế, bản vẽ thiết kế chi tiết từng bộ
phận; Lên phương án lắp đặt các bộ phận; phương án chế tạo từng chi tiết …

17


o Kiểm tra chi tiết thiết kế: Khảo sát đặc tính khí động, kiểm bền kết cấu với
mơ hình thiết kế chi tiết trên; đảm bảo được độ an toàn, độ chịu tải của mơ
hình.
o Xây dựng mơ hình và thử nghiệm: Lắp ráp, chế tạo, xây dựng mơ hình, thực
nghiệm đo lực nâng; cho mơ hình đi, bay thử nghiệm …
Mục đích thiết kế mơ hình ơ tơ bay thu nhỏ:
 Kiểm tra, tiếp thu tri thức, hiểu biết về cơ chế hoạt động của phương tiện ô tô
bay;
 Khẳng định các thơng số của một mơ hình ơ tơ bay: Các thơng số khí động,
các thơng số lực nâng, lực cản …
 Từ việc xây dựng các thông số này, sau đó sẽ đưa các thơng số đó về dạng
khơng thứ ngun, để từ đó có thể dễ dàng phát triển, làm tiền đề để thiết kế
mơ hình ô tô bay kích thước thực tế.
2.2 Khảo sát thị trường, chọn mẫu thiết kế
Từ nhiều năm nay, tình trạng tắc đường, ùn tắc giao thông ở các đô thị dần trở
nên nghiêm trọng.
Trải nghiệm bay trên bầu trời bằng chiếc ô tô bay cá nhân sẽ là trải nghiệm tuyệt
vời, thích thú. Chính vì vậy, sự ra đời của ô tô bay sẽ là một bước tiến vượt bậc của
khoa học cơng nghệ hiện đại.
Địa hình đường xá tại các đô thị hiện nay rất đông đúc và thường xun tắc
nghẽn. Ơ tơ bay đang đi trên đường, với tình trạng tắc nghẽn ngay trước mắt, muốn

chuyển sang chế độ bay thì khoảng cách khơng đủ để cất cánh đối với dạng cất/hạ
cánh cần đường băng.
Độ rộng trung bình của loại đường cấp III: Là đường trục chính nối các trung
tâm kinh tế, chính trị, văn hố lớn của đất nước, của địa phương. Là quốc lộ hay
đường tỉnh có độ rộng trung bình là 12 m. Vì vậy, nếu chúng ta sử dụng mơ hình ơ
tơ bay dạng cánh bằng cố định với sải cánh rộng sẽ lấn chiếm làn đường, không thể
thực hiện cất cánh, hạ cánh.
Với các phân tích nêu trên, phương án thiết kế ơ tơ bay dạng cất/hạ cánh thẳng
đứng sẽ có thể khả thi với môi trường giao thông hiện tại.
Kết luận: Chọn mẫu thiết kế ô tô bay dạng cất cánh thẳng đứng (VTOL)
Trên thị trường hiện nay, các dạng mơ hình bay cất/hạ cánh thẳng đứng phổ biến
và có sự đa dạng các mẫu trên thị trường là các mẫu dạng 4 cánh quay cất cánh
thẳng đứng (Quadcopter) (Hình 2.2). Ưu điểm dạng này là có khả năng cất/hạ cánh
thẳng đứng, dễ chế tạo, đa dạng các mẫu trên thị trường; có khả năng cơ động: Bay
treo, bay liệng, bay chậm … có khả năng tiếp cận các khu vực khơng đủ diện tích
quãng đường để cất/hạ cánh đối với dạng cần đường băng.
18


Hình 2.12 Quadcopter UAV
2.3 Yêu cầu sản phẩm
2.3.1 Tải trọng u cầu
Để có được tải trọng u cầu cho mơ hình ơ tơ bay, ta khảo sát các bộ phận có
trên một mơ hình ơ tơ điện để đưa ra thông số các tải trọng thành phần cơ bản; khảo
sát các thành phần cơ bản trên quadcopter để đưa ra tải trọng các thành phần trên
quadcopter. Từ đó, ta có được sơ bộ tải trọng đầu vào thiết kế.
A. Ước lượng tải trọng các thành phần cơ bản trên một mơ hình
quadcopter:

Hình 2.13 Các thành phần cơ bản trên quadcopter

Mơ hình thiết kế ở dạng quad này sẽ có kích thước đường chéo giữa tâm 2 cánh
quạt được nhóm thiết kế sẽ chọn nằm trong khoảng 40-50 mm. Nhìn chung, một
UAV nhiều cánh quay (Multirotor) thường bao gồm các thành phần cấu tạo:
• Động cơ:
19


Động cơ DC khơng chổi than cịn được gọi là động cơ BLDC, được sử dụng
trong các loại Multicopter. Các động cơ này bao gồm một nam châm vĩnh cửu quay
quanh một phần ứng cố định. Chúng cung cấp một số lợi thế so với động cơ DC có
chổi than, bao gồm tạo ra mô-men xoắn lớn hơn trên mỗi trọng lượng, giảm tiếng
ồn, tăng độ tin cậy, thời gian sử dụng lâu hơn và tăng hiệu suất

Hình 2.14 Ausle BLDC Brushless Motor for Quadcopter
Khối lượng tải trung bình của động cơ loại này được khảo sát trên hãng động cơ
T-Motor dành cho các mẫu UAV, với kích thước thiết kế sơ bộ ban đầu, ta được khối
lượng ước tính một động cơ là: 50-200g/1 động cơ.
• Cánh quạt (propeller):
Cánh quạt là loại quạt có chức năng biến chuyển động quay thành lực đẩy. Nói
chung, cánh quạt được phân loại dựa trên đường kính và bước (pitch) của chúng và
được thể hiện theo tích số của đường kính và bước. Ví dụ: 10x4,7, 10x4,5 … Đường
kính của cánh quạt cho biết vòng tròn ảo mà cánh quạt tạo ra trong khi bước (pitch)
chỉ cho biết lượng hành trình trên mỗi vịng quay của cánh quạt. Để chống lại mơmen xoắn của động cơ, Multicopter yêu cầu số cánh quạt quay theo chiều kim đồng
hồ và số cánh quạt quay ngược chiều kim đồng hồ được sắp xếp và phân bố thích
hợp tùy thuộc từng loại multicopter.
Tất cả các cánh quạt được sử dụng trong cùng Multicopter phải có cùng đường
kính và bước (pitch). Có nhiều động cơ đi kèm với các thơng số kỹ thuật của cánh
quạt để có mức tiêu thụ điện tối ưu và tạo lực đẩy với hiệu suất cao. Nếu thông số kỹ
thuật của cánh quạt khơng được đề cập trên động cơ thì chúng ta phải sử dụng
phương pháp thử nghiệm và kiểm tra hiệu suất sao cho hiệu quả nhất.

20


Hình 2.15 Propeller
Khối lượng trung bình cánh quạt được ước tính trên mẫu cánh quạt T-motor
trong thị trường, có khối lượng nằm trong: 13-50g trên 1 lá cánh quạt
• Bộ điều khiển tốc độ điện tử (Electronic Speed Controlers – ESC)
Điện áp và dòng điện thấp được cung cấp bởi bộ vi điều khiển và điều này không
đủ để điều khiển động cơ. Để điều khiển động cơ ở tốc độ cụ thể, Multirotor yêu cầu
trình điều khiển động cơ cung cấp lượng điện áp và dòng điện cụ thể theo yêu cầu
của chúng và công việc này được thực hiện bởi bộ điều khiển tốc độ điện tử ESC

Hình 2.16 Electronic Speed Controler
Tải trọng trung bình các loại ESC được khảo sát trên thị trường dao động từ 1050g/cái. Mẫu ESC 40A 6S của hãng T-motor có khối lượng 26g.
• Pin (Battery)
Pin Lithium Polymer (Li-Po) được sử dụng trong các Multicopter. Loại pin này
có thể sạc lại và cũng có trọng lượng thấp và dung lượng điện áp cao so với các loại
pin khác. Cần có bộ sạc pin để sạc pin.

21


Hình 2.17 Battery
Để có thời gian bay lâu, thì u cầu về Pin càng cao, khối lượng pin càng tăng.
Khối lượng pin của loại Pin Lipo 6S 5000mAh có tải trọng khoảng 500g.
• Bộ điều khiển bay (Flight Controler)
Để duy trì sự cân bằng, Quadcopter phải liên tục lấy các phép đo từ các cảm biến
và thực hiện điều chỉnh cho phù hợp với tốc độ của các cánh quạt để có thể điều
khiển được. Khả năng bay và giá là hai yếu tố chính cần được xem xét khi lựa chọn

bộ điều khiển bay cho quadcopter. Khả năng bay bao gồm các yếu tố cơ bản sau:
o Gyro stabilization (Ổn định con quay hồi chuyển): Đó là khả năng giữ cho
quadcopter ổn định và nằm trong tầm kiểm soát
o Self-leveling (Tự cân bằng): Là khả năng tự động điều chỉnh bản thân trong bất kỳ
hướng nào để máy bay luôn ở mức ổn định
o Altitude hold (Giữ độ cao): Là khả năng bay treo ở một khoảng cách nhất định so
với mặt đất mà không cần phải điều chỉnh tay ga

Hình 2.18 HolyBro Pixhawk 4 Autopilot Flight Controller & M8N GPS Module
Combo for RC Multi-Rotor
Khối lượng trung bình của thành phần này trên quadcopter được khảo sát trên
mẫu Pixhawk 4 Autopilot Flight Controller có khối lượng ước tính: 180g
• Khung
Khung của các Quadcopter có thể được làm từ nhơm, sợi carbon hoặc gỗ balsa
cho khả năng nhẹ và có thể chịu được lực tác động và có khả năng giữ cho
quadcopter ổn định
22


Hình 2.19 Quadcopter Frame
Ước lượng khối lượng tải trung bình cho khung quacopter được thực hiện bằng
việc khảo sát các mẫu khung quadcopter trên thị trường, rồi dựa vào yêu cầu về kích
thước đường chéo mơ hình hiện tại là 500mm, ta đưa ra khối lượng khung phù hợp.
Dưới đây là bảng khảo sát khối lượng các mẫu khung dùng cho quadcopter trên
thị trường:
Bảng 2.2 Khối lượng các mẫu khung quadcopter trên thị trường
Mẫu khung quadcopter
Readytosky S500 Quadcopter Frame
JMT Carbon Fiber Quadcopter DIY
FPV Drone Frame Kit

Tarot Iron Man Quadcopter Frame
YoungRC Drone Frame Kit
Readytosky ZD550 Drone Frame
FPVKing Quadcopter Frame Kit
FPVDrone FPV Racing Drone Frame
YoungRC XL8 Frame
Crazepony F450-V2 Drone Frame Kit
ShareGoo S500 Quadcopter Fuselage
Frame Kit
Share Goo F450 Frame
iFlight XL10 V5 True X Frame Kit

Kích thước
đường chéo
(mm)
500

Sợi Cacbon

Khối
lượng
khung (g)
454

450

Sợi Cacbon

520

650
450
550
500
295
360
450

Sợi Cacbon
Sợi Cacbon
Sợi Cacbon
Sợi Cacbon
Sợi Cacbon
Sợi Cacbon
Sợi Cacbon

551
395
630
475
121
150
280

500

Sợi Cacbon

454

450
420

Brass
TPU

270
571

Vật liệu

Từ bảng trên, ta có được đồ thị khối lượng khung quadcopter theo kích thước
đường chéo:

23


Hình 2.20 Khối lượng khung quadcopter theo đường chéo
Từ đồ thị trên và dùng hàm nội suy, ta được, với kích thước đường chéo của mơ
hình hiện tại là 500mm, ta được khối lượng khung quadcopter yêu cầu là: 445g
 Từ các thông số tải trọng các thành phần ở trên, ta đưa ra tải trọng sơ bộ cho
phần quadcopter trong mơ hình ơ tơ bay là sấp sỉ 1800 g = 1,8 kg.
B. Ước lượng sơ bộ tải trọng các thành phần ô tô điện:
Sau khi khảo sát các thành phần trên một ơ tơ điện, ta có thể ước lượng tải trọng
yêu cầu của phần ô tô trong mơ hình ơ tơ bay như sau:

Hình 2.21 Các thành phần ơ tơ điện
• Khung xe
Đây là phần cơ bản nhất của xe, là nơi để lắp đặt các bộ phận, thiết bị,… để tạo
nên một chiếc xe ô tô hồn chỉnh. Dựa vào từng giá tiền thì xe có các chất liệu khác

nhau như nhựa, nhôm cnc hay carbon graphite.
Với sự tham khảo các khung trên thị trường và dựa vào u cầu mơ hình thiết kế,
ta ước lượng ban đầu tải thành phần khung là: 500g.
• Động cơ:
Là bộ phận không thể thiếu của xe để tạo ra chuyển động và làm cho xe di
chuyển. Động cơ được phân làm hai loại là động cơ brush có chổi than (giá thành rẻ
nhưng phải thay đổi thân khi có sự hư hỏng và hao nhiên liệu) và brushless không có
chổi than (giá thành, tuổi thọ cao và ít hao nhiên liệu). Ngồi ra, dịng động cơ
brushless cịn chia thành loại có sensor và loại khơng có sensor.

24


Hình 2.22 Động cơ thành phần ơ tơ
Dựa trên thị trường và ứng với công suất yêu cầu của mô hình nằm ở mức trung
bình, ta được khối lượng tải sơ bộ của loại động cơ này: 90-300g (Tham chiếu động
cơ BL Motor 2445 4Poles có khối lượng 0.11 kg).
• Điều tốc
Bộ phận này có tác dụng cung cấp điện năng cho động cơ hoạt động. Cũng được
chia làm 2 loại, mỗi loại sử dụng cho mỗi loại động cơ riêng.

Hình 2.23 Điều tốc trên ơ tơ điện
Dựa trên các mẫu ESC dùng cho ô tô điện trên thị trường, tải trọng trung bình
các loại ESC này dao động từ 10-100g /1 cái (Tham khảo mẫu Waterproof ESC).
• Mạch điều khiển
Là cầu nối giữa người điều khiển và xe của mình. Thường thì bộ điều khiển có 3
kênh, trong đó có một kênh ga và một kênh lái. Các loại sóng giúp bộ điều khiển
phát tín hiệu là: sóng AM băng tần 27 mhz, sóng FM 75 hay 35 mhz, sóng 2.4ghz.
Trong đó, sóng 1.4ghz khơng trùng sóng, có tầm điều khiển xa và nhỏ gọn.

25