Nghiên cứu phương pháp bung dù cứu hộ thiết bị bay nhiều chong chóng mang khi sảy ra sự cố

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thông tin về sinh viên:
Họ và tên: Chu Minh Quốc
SĐT: 0984469178
Email:
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


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


Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
……………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………
Hà Nội, ngày tháng năm 2015
Giáo viên hướng dẫn


Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

……………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………
Hà Nội, ngày tháng năm 2015
Giáo viên phản biện


MỤC LỤC


DANH MỤC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, BẢNG


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.


Chương 1 Tổng quan chung về uav

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ UAV
1.1. Tổng quan chung.
Máy bay không người lái (UAV) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu nổi bật
của các quốc gia trong những năm gần đây. UAV có nhiều ưu điểm quan trọng như
thực hiện được những mục tiêu nhiệm vụ mà con người hay thiết bị khác không làm
được, tính cơ động cao, giá thành vừa phải… nên các quốc gia đang đẩy mạnh phát
triển lĩnh vực này. Việc nghiên cứu chế tạo UAV của nước ta ban đầu phần lớn dựa
trên các loại máy bay mô hình trong các câu lạc bộ hàng không, đa số được đưa về
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 8


Chương 1 Tổng quan chung về uav

Hình 1. 2 UAV dạng do thám
1.2.3 Tấn công
Đảm nhiệm vai trò tấn công trong các nhiệm vụ mang tính rủi ro cao.

Hình 1. 3 UAV dạng tấn công
1.2.4 Nghiên cứu và phát triển
Đảm nhiệm vai trò vật thí nghiệm với các công nghệ mới.

Trang 9


Chương 1 Tổng quan chung về uav

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
Thực hiện các nhiệm vụ cứu hộ tầm cao, trên biển hoặc nguy hiểm đến tính mạng
đội cứu hộ.
Trang 10


Chương 1 Tổng quan chung về uav

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 11


Chương 1 Tổng quan chung về uav

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 12


Chương 1 Tổng quan chung về uav

Hình 1. 10 Hộp đựng dù trên UAV

Hình 1. 11 Dù lắp trên Multirotor

Trang 13


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

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.
Nhiệm vụ của chiếc dù là cung cấp lực cản khí động học để làm chậm tốc độ rơi
UAV. Và chiếc dù cần phải làm được nhiệm vụ đó, mà có các tác động phải ảnh
hưởng tối thiểu đến kết cấu của UAV và có 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 14


Chương 2 Tổng quan về hệ thống cứu hộ bằng dù cho uav
2.1.2 Tán tấm phẳng: Flat Sheet Chutes – tán dù từ một tấm nylon phẳng duy
nhất.

Hình 2. 2 Tán tấm phẳng
2.1.3 Tán dạng bảng: Panel Chute – tán dù từ nhiều ô vải dù tạo thành.

Hình 2. 3 Tán dạng bảng
2.1.4 Tán elip: Elliptical.

Trang 15


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

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:
Bảng 1 Đặc điểm của các loại dù

Loại
dù

Phương pháp
đo lường

Tính ổn định

CD

Đánh

giá
hiệu
năng(1)

Mục đích sử
dụng

Trang 16


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

Đường chéo
dù

Tốt ở mọi tốc độ

0.4

Thấp

Giảm bớt tốc độ
hoặc kéo dù
chính ra khỏi
bọc

Dạng

tấm
phẳng

Đường chéo
dù

Tốt ở tốc độ thấp
nhưng kém ở tốc độ
cao.

0.7

8:1

Dù chính hoặc
dù phụ

Kiểu
bảng

Đường chéo
đỉnh tấm,
thường trên
đường chéo.

Độ ổn định tốt khi
thẳng đứng, có thể
xoay quanh trục hay
xoay tròn.

1.1

10:1

Sử dụng hầu hết
như một dù
chính

Dạng
elip

Độ dài
Đường kính
mở

Trung bình ở tốc độ
cao, tốt ở tốc độ
thấp.

1.6

13.4:1

Dù chính hoặc
dù phụ

Hình
khuyên

Độ dài đường

kính mở

32:1

Hiệu suất cao
với dù. Lí tưởng
với UAV

Tốt ở tốc độ thấp

2.2

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/m 2, 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 17


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

Hình 2. 6 Loại vải chuyên dụng cho dù - Ripstop Nylon
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
chống sốc. Điều này làm cho ổn định hơn khi bung dù và để gốc nối với UAV

không chịu lực quá lớn. Dây chống sốc có thể là loại dây Nylon hoặc Kevlar.
Dây Nylon sẽ hấp thụ nhiều lực hơn trong những cú sốc lực ban đầu khi bung dù.
Dây 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
UAV và bảo vệ tải trọng của nó và các thiết bị nội bộ, đó là giảm sốc lực mà UAV
phải chịu trong quá trình triển khai bung dù.
Trang 18


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

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.
Trang 19


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

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

Trang 20


Chương 2 Tổng quan về hệ thống cứu hộ bằng dù cho uav
Hình 2. 10 Trình tự bung dù – Bước 1

Hình 2. 11 Trình tự bung dù – Bước 2

Trang 21


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

Hình 2. 12 Trình tự bung dù – Bước 3
• Ưu điểm:
 Đơn giản;
Trang 22


Chương 2 Tổng quan về hệ thống cứu hộ bằng dù cho uav
 Chi phí thấp.
• Nhược điểm:
× Thể tích gấp dù phải đủ lớn;
× Không dù được với diện tích dù lớn;
× Không thể sử dụng với UAV multi-copters.
2.5.2 Hệ thống bung dù có tác động
Trong trường hợp dù được gấp vào một hộp nhỏ thì hầu hết hộp hình trụ. Sau đó,
hoặc là một lực cơ khí được sử dụng như lực lò xo, hoặc một loại khí được sử dụng
để đẩy chiếc dù.
2.5.2.1 Hệ thống bung dù sử dụng lò xo
Lò xo bị nén lại và dù nằm bên trong 1 hộp chứa nhờ servo giữ. Khi có tín hiệu
thì servo sẽ mở và dù được bung ra nhờ lò xo.
•
•

Ưu điểm:
 Đơn giản;
 Trọng lượng nhẹ.
Nhược điểm:
× Giới hạn với kích thước dù nhất định do năng lượng giải phóng từ
lực nén lò xo không lớn.

Hình 2. 13 Bung dù bằng lò xo

2.5.2.2 Bung dù bằng thuốc nổ
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.

Trang 23


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

Hình 2. 14 Bung dù bằng thuốc nổ
Khi dù bị đẩy ra từ hộp chứa, dù có xu hướng giữ lại hình dạng bị gấp lại trong
một khoảng thời gian trước khi không khí có thể lọt vào tán dù và khiến dù hoàn
toàn bung ra, không có nhiều khác biệt giữa các loại vải sử dụng để làm tán dù và
thậm chí cả khi vải được bôi trơn. Do đó, dù bị đẩy ra và sau đó UAV rơi nhanh
chóng và nếu UAV bị lộn có thể đốt chính tán dù hoặc mắc vào dù. Do đó, phải có
cơ chế phóng dù khi sử dụng phương pháp bung dù bằng thuốc nổ như hình dưới:
1. Hộp chứa hình ống;
2. Tán dù;
3. Ống tách đôi;
4. Khoang chứa thuốc nổ;
5. Dây chằng;
6. Nút chặn;
7. Vùng chứa dù;
8. Chỗ lõm;
9. Kíp điều khiển;
10. Dây dù;
11. Lỗ.

Trang 24

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

Hình 2. 15 Cơ chế bung dù bằng thuốc nổ
2.5.2.3 Bung dù bằng khí CO2
Trang 25