ứng dụng x plane trong mô phỏng máy bay không người lái loại nhỏ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG
CHƯƠNG TRÌNH KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT PHÁP
o0o




LUẬN VĂN ĐẠI HỌC

ỨNG DỤNG X-PLANE TRONG MÔ PHỎNG
BAY THỰC NGHIỆM CỦA MÁY BAY KHÔNG
NGƯỜI LÁI LOẠI NHỎ




SVTH: Nguyễn Khôi Nguyên
MSSV: G1002167
GVHD: Tiến Sĩ Ngô Khánh Hiếu



TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2015

iii
Lời cam kết
Tôi cam kết:
- Đây là luận văn tốt nghiệp do tôi thực hiện.
- 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.
- Các đoạn trích dẫn và số liệu kết quả sử dụng để so sánh trong luận văn này
đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của
tôi

iv

v
Lời cảm ơn
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến tất cã những cá nhân và tập thể đã giúp
đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn này, tuy nhiên, hơn hết, tôi xin cảm ơn thầy
Ngô Khánh Hiếu vì sự hỗ trợ tận tình, cùng với những kiến thức thầy đã dạy cho tôi
không những học thuật mà còn về kinh nghiệm cuộc sống. Tôi cũng xin cảm ơn
toàn thể các giảng viên của bộ môn hàng không vì những đóng góp không mệt mỏi
trong suốt quá trình tôi học tại đại học Bách Khoa.
Cuối cùng, tôi xin dành trọn lòng biết ơn đến bố, mẹ tôi vì đã hết lòng quan tâm,
động viên tôi trong suốt quá trình theo học đại học Bách Khoa và hơn hết là đã luôn
dõi theo tôi trong từng bước trưởng thành



vi

vii
Nội dung
Lời cam kết iii
Lời cảm ơn v
Nội dung vii
Tóm tắt luận văn x
Abstract xii
Chú giải xiv
Kí hiệu xiv
Chữ la mã xv
Danh mục hình ảnh - List of Figures xvi
Danh mục bảng biểu - List of Tables xx
Chương 1 X-Plane và các phần mềm hỗ trợ 1
1.1 Phần mềm xây dựng mô hình bay Plane Maker 10 1
1.1.1 Giới thiệu 1
1.1.2 Giao diện của Plane Maker 2
1.2 Xây dựng mô hình 3
1.2.1 Các quy ước cơ bản 3
1.2.2 Xây dựng thân 4
1.2.3 Xây dựng cánh, đuôi 8
1.2.4 xây dựng càng đáp và thiết lập các thông số liên quan. 12
1.3 Xây dựng các hệ thống trên máy bay 13
1.3.1 Thiết lập thông số của hệ thống lực đẩy 13
1.3.2 Thiết lập thông số đặc tính của máy bay. 17

Chương 2 Xây dựng tình huống bay thử nghiệm 19
viii
2.1 Tình huống một 19
2.1.1 Cơ sở lý thuyết về biểu đồ Drag Polar. 19
2.1.2 Kịch bản bay bằng 22
2.2 Tình huống hai 22
2.2.1 Cơ sở lý thuyết ổn định tĩnh dọc 22
2.2.2 Kịch bản bay 29
Chương 3 Áp dụng X-Plane cho mô hình Cessna 1300 EP 31
3.1 Xây dựng mô hình trên X-Plane 31
3.1.1 Giới thiệu mô hình Cessna 1300 EP 31
3.1.2 Quá trình xây dựng mô hình 32
3.2 Kết quả chạy mô phỏng 53
3.2.1 Thiết bị 53
3.2.2 Cài đặt phần cứng và phần mềm 54
3.2.3 Mô phỏng và xử lí số liệu 57
Chương 4 Triển khai bay thực nghiệm trên mô hình Cessna 1300 EP 63
4.1 Cài đặt mô hình 63
4.2 Bay thực nghiệm 64
4.3 Xử lí kết quả và so sánh với kết quả từ mô phỏng 65
4.4 Thử nghiệm mạch APM autopilot cho bay thực nghiệm 67
Chương 5 Kết luận và các hướng phát triển 69
REFERENCES 70
Phụ lục A: kết quả đường đặc tính giữa hệ số lực nâng và góc bánh lái độ cao tại
trọng tâm là 0.84ft 71
Phụ lục B: Mã matlab dùng để ngoại suy điểm trung hòa 72
Phụ lục C: kết quả bay thực nghiệm 73
ix
x
Tóm tắt luận văn

Luận văn được thực hiện với mục đích ứng dụng chương trình bay mô phỏng X-
Plane vào trong công tác bay thử nghiệm mô hình, Vấn đề đặc ra trong quá trình
làm luận văn đó là xây dựng mô hình như thế nào, kế đến đó là việc xác minh lại
liệu kết quả của chương trình X-Plane có đang tin cậy hay không. Ưu điểm của
chương trình bay mô phỏng X-Plane là cho phép người sử dụng có thể tự mình xây
dựng nên mô hình, và có thể tạo ra các tình huống giả lập giống với thực tế, nhờ sự
đa năng này mà X-Plane, hiện nay, đang được nước ngoài ứng dụng trong công tác
bay giả lập, cũng như tạo ra các tình huống bay thử nghiệm và kiểm chứng trước
khi tiến hành bay thử nghiệm thực tế. Luận văn này sẽ đi chi tiết vào quy trình dựng
lại một mô hình, kế đến là quy trình bay thử nghiệm các tình huốn giả lập định
trước.
Từ khóa: X-Plane, Plane-Maker, Cessna 182, APM, Mô Phỏng

xi

xii
Abstract
The subjet of this thesis is to create a set of procedure for modeling an airplane in
X-Plane, a flight simulation software, after modeling a test flight of real model will
be conducted to roughtly validate the result form simulation to real model. The
result will be discussed and suggestion will be made.
In this work, all of the procedures are cover in detail, both in modeling and creating
a test case for simulating the model that have just create. The procedure of acquiring
data from real test-flight and result will be given, include comparison to
simulation’s result and suggestion.
Keywords: X-Plane, Plane-Maker, Cessna 182, APM, Simulation

xiii

xiv

Chú giải
Kí hiệu
w
AR

Tỉ lệ hình dạng của cánh đuôi
-
t
L
C


Hệ số lực nâng cho đuôi ngang
-



Hệ số lực cản
-



Hệ số lực nâng




Hệ số lực kéo
-
b

D
C

Hệ số lực cản do thân gây ra
-




Hệ số moment tại trọng tâm
-




Hệ số moment gây ra bởi góc tới
-
c

Dây cung cánh trung bình

f
m
C


Hệ số momen do thân gây ra
-
B
f

C

Hệ số nhớt thân
-




Hệ số moment gây ra bởi bái lái hướng
-
0
w
m
C

Hệ số moment tại không góc tới bằng không
cho cánh
-
0
f
m
C

Hệ số moment tại không góc tới bằng không
cho thân
-
D
Lực cản

b

d

Đường kính gốc thân
m


Đường kính cánh quạt
m


Tỉ số tiến
-
L
Lực nâng do cánh tạo ra
N

Số vòng quay của động cơ
Vòng/s
WB
R

Hệ số hiệu chỉnh giao thoa thân cánh
-
S
Diện tích cánh
2
m

 
S

e
S

Diện tích ướt của thân
2
m

REF
S

Diện tích tham chiếu của cánh
2
m

B
S

Diện tích phần mặt cắt thân có đường kính
lớn nhất
2
m




xv



Lực kéo của động cơ


H
V

Tỉ số thể tích của đuôi ngang
-
V
Vận tốc
m/s


Trọng lượng máy bay
N
ac
x

Vị trí tâm khí động
m
cg
x

Vị trí trọng tâm
m
Chữ la mã

Góc tới của cánh
do


Hiệu suất đuôi

-


Góc downwash
do


Hiệu suất của cánh tà
-
e


Góc của bánh lái độ cao
do
B

Chiều dài thực tế thân
m


xvi
Danh mục hình ảnh - List of Figures
Hình 1-1 Giao diện của phần mềm Plane-Maker 2
Hình 1-2 Các thông số tọa độ 3
Hình 1-3 Quy định trục, chiều dương trên trục 4
Hình 1-4 Các bảng trong mục "Fuselage" 4
Hình 1-5 Chèn hình mẫu vào bảng Top/Bottom 5
Hình 1-6 Thông số ở bảng "Section" 5
Hình 1-7 Các thông số vị trí của thân 6
Hình 1-8 Thao tác với các mặt cắt 6

Hình 1-9 Thao tác với các điểm trên mặt cắt 7
Hình 1-10 Tạo hình thân phụ 7
Hình 1-11 Mục Wings trong phần mềm Plane-Maker 8
Hình 1-12 Thông số cơ bản của cánh 9
Hình 1-13 Gán bề mặt điều khiển cho phần cánh 10
Hình 1-14 Tùy chỉnh các phần cánh 10
Hình 1-15 Thiết lập cánh phụ 11
Hình 1-16 Thiết lập bề mặt điều khiển 11
Hình 1-17 Thiết lập càng đáp 12
Hình 1-18 Thông số cơ bản của động cơ 13
Hình 1-19 Thông số cần ga 14
Hình 1-20 Thông số hình học của cánh quạt 15
Hình 1-21 Thông số động cơ 16
Hình 1-22 Thiết lập cánh quạt 17
xvii
Hình 1-23 Thiết lập viewpoint 17
Hình 1-24 Thiết lập trọng tâm 18
Hình 2-1 Mô hình lực tác dụng lên máy bay 19
Hình 2-2 Thay đổi của C
T
theo J 21
Hình 2-3 Sơ đồ đường bay 22
Hình 2-4 Đồ thị vị trí điểm trung hòa 24
Hình 2-5 Quy ước về dấu của góc bánh lái độ cao 25
Hình 2-6 Biểu đồ hiệu suất của bánh lái độ cao 25
Hình 2-7 Độ dốc của đường hệ số Moment theo C
L
hay α 26
Hình 2-8 Phương trình (2.15) tại 3 vị trí trọng tâm khác nhau 26
Hình 2-9 Phương pháp ngoại suy tìm điểm trung hòa 27

Hình 2-10 Biểu đồ phụ thuộc của vận tốc vào góc bánh lái 28
Hình 2-11 Biểu đồ phụ thuộc của lực nâng vào góc bánh lái 28
Hình 2-12 Biểu đồ hệ số góc của đường lực nâng 29
Hình 2-13 Biểu đồ mối lien hệ giữa vị trí điểm trung hòa và hệ số lực nâng cân bằng
29
Hình 2-14 Sơ đồ đường bay 30
Hình 3-1 Mô hình Cessna 1300 EP 31
Hình 3-2 Quy ước kích thước thân 33
Hình 3-3 Hệ số hiệu chỉnh giao thoa thân và cánh 33
Hình 3-4 Hệ số ma sát nhớt bề mặt 34
Hình 3-5 Bảng tra giới hạn số Reynold 35
Hình 3-6 Thông số mặt cắt thân trong phần mềm Plane-Maker 37
Hình 3-7 Mục Raster Image Reference trong phần mềm Autocad 37
xviii
Hình 3-8 Mục chọn đường dẫn và gốc đặt ảnh trong phần mềm Autocad 37
Hình 3-9 Mục Measurement scale trong hộp thoại Format 38
Hình 3-10 Ví dụ về việc nhân tỉ lệ kích thước 39
Hình 3-11 Vị trí điểm mốc 39
Hình 3-12 Vị trí các mặt cắt trong phần mềm Plane-Maker 39
Hình 3-13 Lệnh Polyline trong phần mềm Autocad 40
Hình 3-14 Đường Polyline vẽ theo biên dạng cánh 40
Hình 3-15 Mục 3 Point trong phần mềm Autocad 41
Hình 3-16 Hộp thoại APPLOAD 42
Hình 3-17 Tọa độ mặt cắt nhập vào phần mềm Plane-Maker 43
Hình 3-18 Kết quả thu được 44
Hình 3-19 Chiều dài cung cánh ở gốc 44
Hình 3-20 Góc vểnh 45
Hình 3-21 Cách nối 2 phần cánh với nhau 45
Hình 3-22 Kết quả thu được 46
Hình 3-23 Kiểm tra chiều dài dây cung cánh 46

Hình 3-24 Kết quả xây dựng cánh 47
Hình 3-25 Hình dạng cánh đuôi ngang 48
Hình 3-26 Kết quả sau khi nhập thông số 49
Hình 3-27 Kết quả xây dựng đuôi đứng và đuôi ngang 49
Hình 3-28 Hình dạng đuôi đứng 49
Hình 3-29 Hiệu chỉnh dây cung cánh đuôi đứng 51
Hình 3-30 Hiệu chỉnh dây cung cánh đuôi đứng 51
Hình 3-31Vận tốc vòng quay tối đa của động cơ 52
xix
Hình 3-32 Mạch điều khiển APM 53
Hình 3-33 Thiết lập X-Plane 54
Hình 3-34 Thiết lập cổng kết nối phần mềm và phần cứng 55
Hình 3-35 Giao diện Mission Planner 56
Hình 3-36 Giao diện chức năng mô phỏng 56
Hình 3-37 Thiết lập phần cứng 57
Hình 3-38 Giao diện nạp firmware 57
Hình 3-39 Thực hiện mô phỏng 58
Hình 3-40 Sơ đồ đường bay tự động 58
Hình 3-41 Kết quả thu được 59
Hình 3-42 Đường đặc tính Drag-Polar 59
Hình 3-43 Kết quả đường nội suy 61
Hình 3-44 Kết quả biểu đồ vị trí trung hòa với hệ số lực nâng 62
Hình 4-1 63
Hình 4-2 64
Hình 4-3 Vệt bay thể hiện trên phần mềm Google Earth 64
Hình 4-4 minh họa cho việc chọn vệt bay có trạng thái bay bằng. 65
Hình 4-5 đồ thị so sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng. 67

xx
Danh mục bảng biểu - List of Tables

Bảng 3.1 Thông số của mô hình máy bay Cessna 1300 EP 31
Bảng 3.2 Độ nhám bề mặt của các loại vật liệu 34
Bảng 3.3 Các thông số của mô hình đo được trên Autocad 35
Bảng 3.4 Vận tốc hoạt động 36
Bảng 3.5 Tổng hợp các thông số 36
Bảng 3.6 Các hệ số lực cản 36
Bảng 3.7 Các vị trí mặt cắt thân 38
Bảng 3.8 Tọa độ các điểm trên mặt cắt 42
Bảng 3.9 Thông số cánh 45
Bảng 3.10 Thông số đuôi ngang 48
Bảng 3.11 Thông số đuôi đứng 50
Bảng 3.12 Vị trí đặt động cơ 52
Bảng 3.13 Chiều dài dây cung cánh trung bình 60
Bảng 3.14 Bảng vị trí trọng tâm 60
Bảng 3.15 Hệ số đường nội suy 61


21



X-Plane và các phần mềm hỗ trợ
Nguyễn Khôi Nguyên 1
Chương 1
X-Plane và các phần mềm hỗ trợ
Phần mềm X-Plane sử dụng lý thuyết phần tử cánh để mô phỏng lại đặc tính bay
của mô hình, nhờ sử dụng lý thuyết này mà X-Plane có thể mô phỏng gần như chính
xác thực tế bằng cách chia mỗi bộ phận của máy bay thành nhiều phần nhỏ để tính
toán lực và sau đó tổng hợp lại trên cả mô hình để có kết quả mô phỏng hoàn chỉnh.
Hơn nữa, cho phép người sử dụng tự xây dựng mô hình giả lập của mình, kể cả máy

bay trực thăng, tên lửa, máy bay có trục cánh quạt xoay ( tilt-rotor).
Để mô phỏng bay trong X-Plane thì bước đầu tiên là xây dựng mô hình, Việc sử
dụng và lấy dữ liệu từ X-Plane sẽ được trình bày trong chương III.
1.1 Phần mềm xây dựng mô hình bay Plane Maker 10
1.1.1 Giới thiệu
1.1.1.1 Tổng quan
Phần mềm Plane Maker cho phép người dùng có thể thiết kế và mô phỏng hầu hết
những mô hình máy bay có thể tưởng tượng được từ những thông số vật lí như khối
lượng, chiều dài sải cánh, v.v. Sau đó phần mềm X-Plane sẽ mô phỏng lại cách mà
mô hình này bay trong thực tế.
Một cách tổng quát quy trình xây dựng một mô hình trong Plane Maker sẽ có các
bước như sau:
1. Lựa chọn thiết kế.
2. Dựng thân, cánh, đuôi của máy bay.
3. Dựng các chi tiết phụ như càng đáp, giá treo động cơ.
4. Cài đặt các thông số của hệ thống và tính chất bên trong bao gồm: động cơ,
hệ thống điện, khối lượng, cân bằng, góc nhìn khi mô phỏng.