Nghiên cứu tính toán thiết kế và chế tạo robot bay flying robot

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

Nghiên cứu tính toán thiết kế và chế tạo
robot bay- flying robot

ngành : cơ học kỹ thuật
m số: 004021c79
Nguyễn toàn thắng

Ngời hớng dẫn khoa học: gs.tskh. nguyễn thiện phúc

Hà Nội 2010
-1-


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Nghiên cứu tính toán thiết kế và chế tạo
robot bay – flying robot ” là kết quả nghiên cứu của tôi. Các kết quả nghiên cứu
được tính toán là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố ở bất kỳ công trình
nào khác trước đây. Tất cả các thông tin mà tôi tham khảo để hoàn thành luận văn
này sẽ được liệt kê chi tiết trong phần tài liệu tham khảo.
Học viên

Nguyễn Toàn Thắng

-2-

MỤC LỤC
Trang phụ bìa............................................................................................................1
Lời cam đoan.............................................................................................................2
Mục lục.......................................................................................................................3
Lời cảm ơn…………………………………………………………………………6
Lời nói đầu………………………………………………………………………...7
Chương I:Tổng quan phân tích về robot bay – flying robot……………………8
1.1. Lịch sử ra đời máy bay…………………………………………………..8
1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy bay trực thăng……………..11
1.3. Định nghĩa Robot bay……………………………………………………14
1.4. Giới thiệu các loại Robot bay………………………………………...…14
1.4.1. Robot bay siêu nhỏ: (mini flying robot)……………………………..14
1.4.2. Robot bay dạng trực thăng……………………………………………17
1.4.3. Robot bay dạng khác…………………………………………………24
1.5. Phân tích các mô hình Robot bay dạng trực thăng, đề xướng nghiên
cứu mô hình RB2.3 dạng tổng quát…………………………………………26
Chương II: Tính toán động lực học mô hình Robot bay RB2.3 dạng tổng
quát………………………………………………………………………………..28
2.1. Lực nâng Zhukovsky và Định luật Bernoulli…………………………..28
2.2. Giải thích của Newton……………………………………………...……31
2.3. Tính toán động lực học mô hình robot bay RB2.3 dạng tổng quát…..34
2.4. Các trường hợp đặc biệt………………………………………………..42
2.4.1 Trường hợp 1…………………………………………………………42
2.4.2 Trường hợp 2…………………………………………………………43
2.4.3 Trường hợp 3…………………………………………………………44
2.4.4 Trường hợp 4………………………………………………………….45
2.4.5 Trường hợp 5…………………………………………………………45
-3-

2.5. Xây dựng chương trình tính toán cho RB2.3 bằng phần mềm
Maple10……………………………………………………………………….47
2.6. Tính toán khí động học trong trường hợp không phải cánh phẳng….48
Chương III: Thiết kế RB2.3……………………………………………………..53
3.1. Gới thiệu chung………………………………………………………….53
3.2. Xây dựng mô hình RB2.3 tổng quát……………………………………54
3.3. Các phương án kết cấu…………………………………………………56
3.4. Các bản vẽ lắp…………………………………………………………...59
3.5. Các bản vẽ chi tiết quan trọng………………………………………….59
3.6. Hệ thống các thiết bị kèm theo…………………………………………59
3.7. Hệ thống điều khiển……………………………………………………...62
3.8. Mạch điều khiển của RB2.3……………………………………………..64
Chương IV Hệ thống giữ thăng bằng dùng con quay hồi chuyển Gyroscope...65
4.1. Khái niệm về Gyroscope……………………………………………..….65
4.2. Nguyên lý hoạt động của gyroscope…………………………..………..67
4.3. Con quay vi cơ, Vibrating gyroscope (MEMS gyroscope)………….....69
4.4. Laser gyroscope…………………………………………………………..75
4.5. Sử lý số liệu đo sử dụng bộ lọc Kalman………...………………………87
4.6. Tính động lực học của robot bay sử dụng bánh thăng bằng (gyro) dạng
tổng quát……………………………………………………………………...82
4.6.1 Tính toán động học của cơ hệ trong trường hợp sử dụng một bánh thăng
bằng. ( Single Gyro System )…………………………………………83
4.6.2 Tính toán động học của cơ hệ trong trường hợp sử dụng hai bánh thăng
bằng. ( Double Gyro System )………………………………………..86
4.6.3 Áp dụng phép phân tích tuyến tính hoá gần đúng…………………….87
4.7. Áp dụng cụ thể vào mô hình RB2.3.2…………………………………..91
Chương V: Chế tạo thử nghiệm Robot bay RB2.3……………………………..92
5.1. Mô tả robot bay chế tạo thử nghiệm…………………………………..92
-4-

5.2. Các ảnh chụp robot bay RB2.3.2……...………………………………94
Kết luận…………………………………………………………………………..98
Tài liệu tham khảo………………………………………………………………100
Phụ lục……………………………………………………………………………101

-5-


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS. TSKH. Nguyễn Thiện
Phúc – giáo viên hướng dẫn, thầy đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi rất nhiều trong
suốt quá trình làm luận văn. Qua thầy tôi đã học tập được rất nhiều những kiến thức
bổ ích, thầy đã truyền tôi lòng say mê cũng như phương pháp nghiên cứu khoa học
và những kinh nghiệm vô giá. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy và bạn
bè trong TT Tự động hoá, trường đại học Bách Khoa HN và các thành viên lớp Cơ
học kỹ thuật 2007-2009.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi rất
nhiều trong thời gian thực hiện đề tài này.

-6-


LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử và tin học trong vài thập kỷ
gần đây, các Robot ngày càng trở lên thông minh hơn, đáp ứng dần dần các nhu cầu
đa dạng của con người. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, tác giả xin đề cập đến
một loại robot mới đó là Robot bay (Flying Robot).

Trong những năm gần đây, Robot bay đã trở thành đề tài được rất nhiều nước
quan tâm và có ảnh hưởng rất lớn trong rất nhiều khía cạnh của cuộc sống. Đây
cũng là đề tài hấp dẫn đối với các nghiên cứu sinh, các viện nghiên cứu và mang
tính ứng dụng rất lớn trong các ngành giao thông, an ninh và quân sự…
Robot bay có thể lên xuống tại chỗ như máy bay trực thăng đồng thời cũng có
thể bay tại chỗ, di chuyển tự động hoặc điểu khiển từ xa đồng thời có thể truyền tải
các dữ liệu bằng hình ảnh hoặc các tính hiệu khác về trạm điều khiển. Robot bay
cũng có thể được kết hợp với một số các thiết bị sau: Camera không dây, sensor
hồng ngoại, con quay vi cơ, GPS…
Tác giả đã nghiên cứu , thiết kế và chế tạo thành công bước đầu mẫu robot bay
RB.2.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mẫu robot này sẽ được nói kỹ trong
nội dung luận văn.

-7-


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN PHÂN TÍCH VỀ ROBOT BAY
FLYING ROBOT
1.1. Lịch sử ra đời máy bay
Trong các ghi chép của Leonardo da Vinci ở thế kỷ 15 người ta tìm thấy các
bản vẽ về thiết bị bay có nguyên tắc giống như máy bay trực thăng ngày nay với cơ
cấu quay cánh quạt bằng dây chun xoắn lại và có cả bản vẽ người nhảy dù. Từ thời
gian đó một số người táo bạo không chỉ ước mơ mà đã tin tưởng là có thể bay được.
Một loạt các nhà tiên phong hàng không đã có các thực nghiệm để bay vào không
trung. Nhưng tất cả họ cho đến thế kỷ 19 đều thực hiện việc bay bằng cơ chế “vỗ
cánh” mô phỏng động tác bay của chim và tất cả đều thực hiện việc bay bằng “sức
mạnh cơ bắp” (dùng tay vẫy cánh hoặc dùng chân đạp cơ cấu truyền lực như khi
đạp xe đạp), khi đó con người chưa có động cơ để thực hiện bay… Chỉ với sức
mạnh cơ bắp, con người lại gần như tin rằng không thể bay được.

Hình1.1 Jean-Marie Le Bris trên lưng máy bay L’Albatros artificial 1868
Vào thế kỷ 19 với cách mạng khoa học kỹ thuật bùng nổ ở châu Âu và Mỹ
con người đã có các nền tảng để bay vào không khí: đó là lý thuyết về thuỷ khí động
-8-


học với các nhà khoa học đi đầu như Daniel Bernoulli, George Cayley, Nikolai
Yegorovich…trong đó liên quan trực tiếp để bay được là các lý thuyết và tính toán
về lực nâng khí động học hay còn gọi là lực nâng Zhukovski đã được Zhukovski
trình bày rất rõ ràng khi sáng lập ngành khoa học thuỷ khí động học. Và sự phát
minh ra động cơ nhiệt có thể sản sinh ra công suất lớn gấp hàng chục, hàng trăm,
hàng nghìn… lần sức người mở ra triển vọng thắng trọng lực để bay thực sự vào
không khí
Từ đầu đến cuối thế kỷ 19 một loạt các nhà tiên phong hàng không đã tiến
hành các thí nghiệm bay thành công với lực nâng khí động học bằng tàu lượn như
Otto Liliental người Đức đã bay được bằng thiết bị với các cơ cấu bay và lái giống
như diều Delta (Deltaplane) mà ngày nay là một ngành thể thao rất phát triển. Huân
tước George Cayley người Anh đã dùng thiết bị có động cơ bay được nhưng vẫn
không thể tự cất cánh mà vẫn phải dùng ngựa kéo. Một người Pháp là Jean-Marie
Le Bris với máy bay L’Albatros artificial có động cơ với trợ lực sức ngựa kéo đã cất
cánh và bay lên được độ cao 100 m và xa 200 m… Tất cả các nguyên nhân chính
ngăn cản phát triển của hàng không trong thời kỳ này là chưa có một động cơ tốt
vừa nhỏ nhẹ lại vừa phát huy được công suất lớn vì thời kỳ đó con người vẫn chỉ
dùng động cơ hơi nước rất nặng nề, có chỉ số công suất riêng (mã lực/kg) thấp và
chưa có nghiên cứu chuyên ngành về khí động học nên các nhà tiền phong của Hàng
không chỉ làm theo kinh nghiệm mò mẫm, hiệu suất lực nâng không cao đòi hỏi
diện tích cánh phải rất lớn, nặng nề và chưa có hình dạng thích hợp để bảo đảm vừa
có lực nâng tốt vừa có độ vững chắc của kết cấu cánh.
Đầu thế kỷ 20 với sự xuất hiện của ô tô với động cơ đốt trong chạy xăng

mạnh, lại gọn nhẹ thì việc bay được đã trở thành hiện thực trước mắt. Năm 1903
đánh dấu cho lịch sử Hàng không bằng chuyến bay của anh em nhà Wright người
Mỹ, máy bay của họ có động cơ khả dĩ duy trì bay trong một khoảng cách vài trăm
mét, tuy rằng chưa thể tự cất cánh mà vẫn phải bằng thiết bị phóng bằng vật nặng
cho thả rơi và khi cất cánh, hạ cánh phải lựa theo chiều gió, nhưng thành công của
-9-


họ cho thấy máy bay là hoàn toàn hiện thực và đã gây tiếng vang lớn trong dư luận,
tạo động lực cho việc nghiên cứu phát triển ngành Hàng không.

Hình 1.2 Máy bay và động cơ máy bay của anh em nhà Wright 1908
Ngày 13 tháng 9 năm 1906 Alberto Santos-Dumont tại Paris đã thực hiện
chuyến bay trình diễn của máy bay 14 Bis, máy bay này đã tự cất cánh, tự bay và tự
hạ cánh không cần thiết bị phóng, chiều gió hoặc các phương tiện phụ trợ từ bên
ngoài, nhiều người coi đây thật sự là chuyến bay đầu tiên của máy bay theo đúng
nghĩa. Sau đó các cá nhân tiên phong đua nhau sản xuất máy bay, tăng kích thước,
tăng công suất, hoàn thiện kết cấu: thời kỳ này máy bay chưa có thân vỏ chỉ có
khung xương bằng gỗ, cánh là khung gỗ căng vải, cánh quạt đẩy đặt sau cánh và
người lái, thổi gió về phía sau.
Ngày 13 tháng 11 năm 1907 nhà sáng chế người Pháp Paul Cornu tự chế máy
bay trực thăng bay lên được độ cao nửa mét và giữ được trong không khí 20 giây.
Trong khi máy bay thông thường từ đây phát triển rất nhanh mạnh thì máy bay trực
thăng tiến bộ chậm chạp hơn rất nhiều vì sự phức tạp kỹ thuật của nó. Chỉ đến sau
thế chiến II các khó khăn này mới được giải quyết và trực thăng mới có cơ hội phát
triển mạnh.

- 10 -

1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy bay trực thăng.
Máy bay trực thăng hay còn gọi là máy bay lên thẳng là một loại phương tiện
bay có động cơ, hoạt động bay bằng cánh quạt, có thể cất cánh, hạ cánh thẳng đứng,
có thể bay đứng trong không khí và thậm chí bay lùi. Trực thăng có rất nhiều công
năng cả trong đời sống thường nhật, trong kinh tế quốc dân và trong quân sự. Nếu
so sánh với máy bay cánh cố định thì máy bay trực thăng có kết cấu, cấu tạo phức
tạp hơn rất nhiều, khó điều khiển, đắt hơn, hiệu suất khí động học thấp, dẫn đến chi
phí bay cao hơn, tốn nhiều nhiên liệu, tốc độ và tầm bay xa kém hơn rất nhiều.
Nhưng bù lại những nhược điểm đó, khả năng cơ động linh hoạt, khả năng cất cánh
– hạ cánh thẳng đứng không cần sân bay và tính năng bay đứng của nó làm cho loại
máy bay này là không thể thay thế được. Thực tế là máy bay trực thăng có thể đến
bất cứ nơi nào chỉ cần bãi đáp có kích thước lớn gấp rưỡi đường kính cánh quạt là
nó đều có thể hạ cánh và cất cánh được. Đó chính là các ưu điểm mà các loại máy
bay cánh cố định không thể có được.

Hình1.3 Máy bay trực thăng chống tàu ngầm Kamov Ka-25 của Hải quân Nga loại
2 cánh quạt nâng đồng trục đang hạ cánh trên chiến hạm.
- 11 -


Về mặt phân loại máy bay trực thăng là khí cụ bay nặng hơn không khí, bay
được nhờ lực nâng khí động học (lực nâng Zhukovsky) được tạo bởi cánh quạt nâng
nằm ngang. Cũng như đối với máy bay thông thường, lực nâng khí động học được
tạo thành khi có chuyển động tương đối của cánh nâng đối với không khí, nhưng
khác với máy bay thông thường là cánh nâng gắn cố định với thân máy bay, trực
thăng có cánh nâng là loại cánh quạt quay ngang (thường có từ 2 đến 6 cánh quay
trong mặt phẳng nằm ngang, cánh quạt này còn đọi là cánh quạt nâng). Với đặc
điểm của cánh nâng như vậy, khi cánh quạt nâng quay vẫn bảo đảm được sự chuyển
động tương đối của không khí đối với cánh nâng và tạo lực nâng khí động học trong
khi bản thân máy bay không cần chuyển động.

Vì vậy máy bay trực thăng có thể bay đứng treo một chỗ và thậm chí bay lùi.

A: Lực nâng (Lift)
C: Trọng lực (Weight)

B: Lực đẩy (Thrust)
D: Lực cản (Drag)

Hình 1.4 Mô hình lực nâng khí động học
Máy bay trực thăng cũng như máy bay thông thường thắng được trọng lực và
bay lên được là nhờ lực nâng khí động học hay còn gọi là lực nâng Zhukovski. Đó
là kết quả của sự chênh lệch áp suất không khí tại mặt trên và mặt dưới của vật thể
(cánh nâng) khi dòng khí chuyển động tương đối chảy bao bọc qua vật thể. Để có
lực nâng khí động học thì thiết diện vật thể (cánh nâng) phải không đối xứng qua
trục chính và đường biên của mặt trên phải lớn hơn của mặt dưới, những vật thể có
hình dạng thiết diện như vậy được gọi là có hình dạng cánh khí động học. Khi
- 12 -


không khí chảy bao quanh hình cánh khí động sẽ có lực nâng khí động học và đồng
thời xuất hiện lực cản. Hình khí động học nào cho hiệu ứng lực nâng càng cao mà
lực cản càng ít thì được coi là có hiệu suất khí động học càng tốt.
Khi không khí chảy qua hình khí động là cánh nâng, tại mặt dưới sẽ có áp suất cao
hơn so với mặt trên và hệ quả là sẽ xuất hiện một lực tác động từ dưới lên vuông
góc với cánh. Lực nâng đó có độ lớn bằng tổng diện tích các cánh nhân với chênh
lệch áp suất hai mặt. Độ chênh lệch áp suất phụ thuộc vào hình dạng thiết diện cánh
tức là phụ thuộc vào hiệu suất khí động học của cánh, góc tấn “angle of attack” –
góc chảy của không khí tương đối với vật khí động, và vận tốc dòng chảy (đồng
nghĩa với vận tốc quay của cánh quạt nâng). Như vậy khi cánh quạt nâng đạt đến
vận tốc quay nào đó thì chênh lệch áp suất (đồng nghĩa với lực nâng) sẽ đủ để thắng

trọng lực và trực thăng có thể bay lên được.
Cánh nâng của máy bay trực thăng là một hoặc vài bộ cánh quạt quay ngang
(cánh quạt nâng): khi cánh quạt nâng quay nó tạo sự chuyển động tương đối của
cánh nâng và không khí và tạo lực nâng. Như vậy đối với máy bay có cánh cố định
thì chuyển động tương đối của cánh nâng đối với không khí là chuyển động của
chính máy bay, nên lực nâng chỉ có khi máy bay có đủ vận tốc, mất vận tốc sẽ mất
lực nâng (thất tốc) nên máy bay cánh cố định không thể bay đứng một chỗ. Trực
thăng cũng theo nguyên tắc lực nâng khí động học nhưng các cánh nâng là cánh
quạt ngang quay xung quanh trục nên vẫn đảm bảo chuyển động tương đối với
không khí và có lực nâng khi trực thăng vẫn đứng yên, nên trực thăng có thể bay
đứng một chỗ thậm chí bay lùi.
Chính vì sự khác nhau khi tạo lực nâng như vậy dẫn đến sự khác nhau về sử
dụng công suất của trực thăng và máy bay cánh cố định: Đối với trực thăng gần như
toàn bộ công suất động cơ máy bay là để tạo lực nâng chỉ một phần rất nhỏ để tạo
lực đẩy ngang. Trong khi đó phần lớn công suất của máy bay cánh cố định là để tạo
lực đẩy ngang chỉ có một phần nhỏ để tạo lực nâng một cách gián tiếp.

- 13 -


Chính vì vậy nếu có cùng công suất máy thì máy bay trực thăng chở được
nặng hơn nhiều máy bay có cánh cố định, nhưng vận tốc thì kém xa. Đây là điểm
khác nhau rất lớn của hai loại máy bay này.
1.3. Định nghĩa Robot bay (Flying robot)
Robot bay là thiết bị bay thông minh có khả năng bay tự động hoặc được
điều khiển từ xa. Robot bay thường có kích thước nhỏ và tính linh hoạt rất cao.
Ngày nay việc nghiên cứu và ứng dụng Robot bay đang trở nên hết sức hấp
dẫn. Đặc biệt là trong các lĩnh vực quân sự, giao thông và an ninh. Nhờ vào khả
năng linh hoạt và các thiết bị thông minh mà robot bay có thẻ phát hiện ra các mục
tiêu quân sự trong phạm vi gần mà không bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng nhiễu, điều

này các vệ tinh nhân tạo tiên tiến cũng khó mà làm được. Cũng như có thể phát hiện
và theo dõi các đối tượng khả nghi trong các cuộc bạo động hoặc biểu tình bằng
cách ghi hình, chụp ảnh từ trên không rồi gủi về trung tâm điều khiển.
Các thiết bị đi kèm thông dụng của robot bay là: Camera không dây, sensor
hồng ngoại, con quay vi cơ (MEMS Gyroscope), GPS…
1.4. Giới thiệu các loại robot bay .
Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều loại robot bay được nghiên cứu và ứng
dụng rộng rãi, đặc biệt là ở các nước tiên tiến như Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Nga …
Có thể thống kê một số loại robot bay như sau:
1.4.1. Robot bay siêu nhỏ: (mini flying robot):
Hãng điện từ Seiko Epson của Nhật vừa tuyên bố đã phát triển một loại robot
bay mini có trọng lượng nhẹ nhất so với các thiết bị cùng loại từ trước tới nay. Nó
có thể được sử dụng trong việc giám sát, theo dõi an ninh và cứu trợ.
- 14 -


Hình 1.5 Robot bay siêu nhỏ II “iFR-II”
Đây là chiếc máy bay trực thăng nhẹ nhất thế giới mang tên Robot bay siêu
nhỏ II “iFR-II” cao 85 mm, đường kính 136 mm, nặng chỉ 8,6 g do hãng điện tử
khổng lồ Seiko Epson sản xuất. Người phát ngôn của hãng điện tử Seiko Epson cho
biết, chiếc robot bay này được trang bị một máy chụp ảnh và có thể truyền về các
hình ảnh tĩnh. “iFR-II” có trọng lượng chỉ 12gram kèm một viên pin. Robot này
giống như một chiếc trực thăng nhỏ xíu rộng 136mm, cao 85mm được điều khiển từ
xa và được cải tiến từ mô hình robot iFR đã được chế tạo năm ngoái.
Robot trực thăng ”iFR-II” này được trang bị những động cơ siêu nhỏ để quay
cánh quạt, thiết bị quay cảm biến để ổn định độ thăng bằng máy bay và một máy ghi
hình CMOS để truyền phát những hình ảnh về quang cảnh xung quanh.
Robot trực thăng ”iFR-II” to hơn kẻ tiền nhiệm là iFR, nhưng lại nặng không
quá 8,6gram chưa kể pin polymer-lithium, so với iFR là 10gram. Theo Seiko Epson,
chiếc robot bay này có trọng lượng nhẹ như vậy là do họ đã phát triển một cảm biến

hồi chuyển mới có trọng lượng chỉ bằng 1/5 trọng lượng của bộ cảm biến được lắp
đặt trên mẫu đầu tiên. Các bộ cảm biến hồi chuyển được sử dụng để điều chỉnh và
ổn định hoạt động của thiết bị. Bộ cảm ứng này sẽ giúp thiết bị hoạt động chính xác
- 15 -


và lâu bền hơn. Seiko Epson khẳng định rằng đây là robot bay lên thẳng nhẹ nhất
thế giới hiện nay.
Hãng này cũng cho biết mẫu robot iFR-II mới nhất này hoạt động không cần
có dây nối và vì thế nó có phạm vị bay và tầm hoạt động rộng hơn so với mẫu máy
bay của hãng giới thiệu tháng 11-2003, được điều khiển từ xa và kết nối với bộ
nguồn bằng một sợi cáp dài 1,5m. “Chúng tôi đã phát triển mẫu robot trực thăng
“iFR-II” có nhiều tính năng ưu việt hơn mẫu robot trực thăng trước đó. Mẩu mới
này sẽ giúp hỗ trợ con người trong công tác nghiên cứu khoa học đạt hiệu quả cao
hơn”- người phát ngôn của hãng Seiko Epson tự tin cho biết.
Các nhà chế tạo cho biết loại robot nhỏ xíu này có thể được dùng trong nhiều
lãnh vực, như kiểm soát và tìm kiếm trong những nơi nguy hiểm và chật hẹp. Hãng
Seiko Epson trước đây đã chế tạo robot nhỏ nhất thế giới trong thập niên 1990 và
sản phẩm của họ đã được ghi vào Sách Kỷ lục thế giới Guinness.

Hình 1.6 The DelFly II
DelFly II đã được đại học công nghệ Delft nghiên cứu và chế tạo thành công.
Robot bay này nặng 16g, bay được liên tục 15 phút (với vận tốc lớn nhất 30mph).
Nó có thể bay lên, xuống, bay tại chỗ và bay lùi. Đồng thời thiết bị có thể truyền
hình ảnh trực tiếp từ camera về trung tâm điều khiển. Tuy nhiên hạn chế của DelFly
II là chỉ sử dụng được trong điều kiện thời tiết có gió nhẹ.

- 16 -

1.4.2. Robot bay dạng trực thăng
Đây là dạng robot bay được khá nhiều nước nghiên cứu và ứng dụng nhờ vào
khả năng bay linh hoạt giống như máy bay trực thăng.
Robot bay an ninh mới nhất của Anh mang tên “Police Drone” đang được
nước này sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực an ninh dân dụng cũng như quân sự.

Hình 1.7 Police Drone, Robot bay của cảnh sát Anh.
Police Drone có khối lượng 900g và đường kính bao là 1m. Có khả năng bay
lên xuống thẳng đứng cũng như có thể bay cố định trẻn không. Đồng thời Police
Drone còn có thể bay linh hoạt theo bất kỳ hướng nào ngay lập tức khi có tín hiệu
điều khiển.
Police Drone gắn camera không dây có khả năng truyền hình ảnh về người
điều khiển từ độ cao 500m. Hình ảnh được truyền về trạm điều khiển và chiếc kính
chuyên dụng của người điều khiển.

- 17 -


Hình 1.8 Các thiết bị chủ yếu của Police Drone.
Robot bay này được sủ dụng rất hiệu quả trong lĩnh vực điều phối giao thông
cũng như trong việc thu thập chứng cứ, phát hiện các cuộc bạo động, biểu tình.
Các thông số kỹ thuật của Police Drone như sau:
¾ Hệ thống cánh quạt: Đường kính 37cm cánh làm bằng carbon
¾ Ăng ten: truyền tín hiệu từ thiết bị điều khiển bằng tay tới robot và dữ liệu
hình ảnh thu được về trạm điều khiển.
¾ Camera: Có thể truyền tín hiệu hình ảnh từ độ cao 500m.
¾ Cảm biến cân bằng gyroscope.
¾ Thiết bị trung tâm: Hệ thống định vị GPS và các trạm sạc nhiên liệu.
¾ Điều khiển bằng tay: Sử dụng để điều khiển Robot
¾ Kính chuyên dụng: Thu hình ảnh trực tiếp từ Police Drone.

¾ Cân nặng: 900g (2lbs)
¾ Kích thước: 70cm (28ins)
¾ Thời gian bay: Khoảng 20 phút

- 18 -


Hình 1.9 STARMAC quadrotors
STARMAC là sản phẩm của đại học Stanford, Hoa kỳ. Nó bao gồm một hệ
các module dạng máy bay trực thăng cánh quạt có thể bay trong không trung sử
dụng cảm ứng GPS và IMU.
Các module này được bố trí đối xứng với nhau tạo thành một hình vuông
“quadrotors” hay còn có tên gọi tắt là X4. Bốn cánh quạt được lắp cố định tại 4 góc
của một khung hình vuông. Nhờ tính đối xứng, phương tiện này khá tao nhã, rẻ tiền,
có thể thiết kế và chế tạo một cách đơn giản. Robot bay này là một phương tiện định
hướng toàn diện, và gần như không có trở ngại trong di chuyển. Nó có thể bay trong
một không gian chật hẹp và không yêu cầu phải có một khoảng cách rộng an toàn để
hoạt động. Nhờ vậy nó rất linh hoạt và dễ sử dụng. Hai bộ vi xử lý Microchip
PIC18F6520 tích hợp các hoạt động liên lạc, cảm ứng, đánh giá và điều khiển bên
trong robot bay.
Dữ liệu bay được truyền từ trung tâm điều khiển tới máy bay thông qua các
kênh Bluetooth II có giới hạn truyền lên tới 300ft, mặc dù trong thực tế, tình trạng
mất dữ liệu có thể xảy ra trong khoảng vượt quá giới hạn 150ft. Thiết bị này hoạt
động trong giới hạn tần số là 2.4GHz có thể tự sửa lỗi và truyền lại dữ liệu.

- 19 -


Hình 1.10 Miêu tả hệ thống STARMAC
Thiết bị cảm ứng bao gồm Trimble Lassen LP - một dạng thiết bị GPS,

Devantech SRF08, một thiết bị đo độ cao bằng tần số siêu âm (Sodar), và
MicroStrain 3DM-G, một IMU 3 trục hoàn chỉnh để dò sóng. GPS cập nhật tại 1Hz,
và phạm vi sai sót tiêu chuẩn là 1-2m trên mặt phẳng ngang. Một Sodar có một tỷ lệ
lấy mẫu 12Hz và phạm vi 2m và độ chính xác trong khoảng 5-10cm.
Thiết bị điều khiển là một máy tính Laptop tiêu chuẩn chạy chương trình
Microsoft Window XP và National Instruments Labview 7, sẽ xử lý tất cả các liên
kết dạng chuỗi tới robot bay và thiết bị GPS.

- 20 -


Hình 1.11 Sơ đồ hoạt động của STARMAC.
Lý do thiết kế 4 rotor là để triệt tiêu các lực quán tính của từng cánh quạt.
Các Rotor có thể được nhóm lại trong một cặp trước-sau, và cặp trái-phải. Các cặp
này quay theo chiều ngược nhau, có 2 rotor quay theo chiều kim đồng hồ và 2 rotor
quay ngược chiều kim đồng hồ. Các mômen được tạo ra bởi những rotor này sẽ triệt
tiêu bằng 0.

Hình 1.12 Draganflyer X6. robot bay của cảnh sát Mỹ.
- 21 -


Draganflyer X6 là mẫu robot bay mới nhất ở Mỹ sử dụng 6 cánh quạt chia
làm 3 module, mỗi module gồm 2 cánh quạt được lắp đồng trục và quay ngược
chiều nhau để khử moment quay. Các module này được lắp ở cuối 3 cánh tay tạo
thành với nhau một góc 1200. Ưu điểm của Draganflyer là khả năng bay rất ổn định
và linh hoạt, đặc biệt là nó còn cỏ thể sử dụng được trong điều kiện thời tiết khắc
nghiệt và trong điều kiện có gió mạnh mà ở các loại robot bay khác còn hạn chế.
Draganflyer X6 còn có thể thu gọn kích thước để cất và mang đi một cách dễ
dàng. Kích thước thu gọn tối thiểu của Draganflyer X6 là 30x68 cm. Trọng lượng

1kg. Toàn bộ khung của Draganflyer đều được làm bằng nguyên liệu cacbon siêu
nhẹ và có độ bền cao.

Hình 1.13 Mô hình thu gọn của Draganflyer X6
Các động cơ của robot này được nối thẳng đến hệ cánh quạt mà không thông
qua hệ bắnh răng truyền. Draganflyer X6 sử dụng 11 sensor và hàng ngàn mã
chương trình trong quá trình bay giúp cho nó có thể bay ổn định và an toàn. Có thể
nói Draganflyer X6 là robot bay có khả năng điều khiển dễ dàng hơn rất nhiều so
với các loại robot bay khác. Các chương trình điều khiển của nó đã được nghiên cứu
và phát triển từ năm 2006 cho đến nay. Ngoài ra còn có các hệ thống đèn LED gắn
trên thân robot này giúp cho người điều khiển có thể phân biệt được nó trong thời
tiết khó quan sát hoặc vào ban đêm.

- 22 -


Hình 1.14 Hệ thống đèn LED
Các thiết bị đi kèm có thể dễ dàng tháo lắp và thay thế dễ dàng. Draganflyer
X6 có thể chụp ảnh hoặc ghi hình từ trên không rồi gửi về trung tâm điều khiển nhờ
hệ thống camera không dây hoặc máy ảnh kỹ thuật số.
Ngoài ra Draganflyer còn được trang bị rất nhiều các thiết bị công nghệ cao
khác như thiết bị định vị GPS, hệ thống tự cân bằng MEMS gyroscope, các thiết bị
điều khiển bằng tay và các loại camera không dây …

Hình 1.15 Draganflyer X6 khi bay.
Trung quốc cũng đang nghiên cứu chế tạo robot bay phục vụ cho lĩnh vực
quân sự, an ninh dân dụng và cả trong lĩnh vực đồ chơi. Các mẫu robot bay sau đây
có suất xư từ trung quốc được bán rộng rãi dưới dạng đồ chơi.
- 23 -

Hình 1.16 Đồ chơi dạng robot bay của Trung Quốc.
Tưởng như một món đồ chơi, các robot ngộ nghĩnh này thực ra chứa các
webcam để thu hình ảnh và truyền về thiết bị điều khiển từ xa (như máy tính,
ĐTDĐ...) qua mạng Wi-Fi. Chúng có thể bay quanh nhà để theo dõi mọi hoạt động.
Nhờ thiết bị định vị GPS gắn trong, robot có thể biết mình đang ở đâu. Ngoài ra nó
còn có gắn cảm ứng hồng ngoại để phát hiện vật thể đằng sau chướng ngại vật. Giá
từ 50 đến vài trăm USD.
1.4.3 Robot bay dạng khác

Hình 1.17 Robot bay Spy Drones
- 24 -


Cảnh sat bang Miami của Mỹ cũng chuẩn bị đưa vào sử dụng loại robot bay
Spy Drones. Robot này sử dụng động cơ phản lực có thể bay trên không ghi hình và
gủi các thông tin về trạm điều khiển. Nó có thể được lập trình bay theo 100 lộ trình
cho trước với vận tốc 57MPH và độc cao 10 đến 500 foot.

Hình 1.18 Robot bay Cyclogyro của Nhật
Tập thể nghiên cứu gồm Naohiro Hara, Kazuo Tanaka, and Hiroshi Ohtake
thuộc đại học Electro-Communications ở Nhật Bản, và Hua O. Wang đại học
Boston hoa kỳ, đã nghiên cứu chế tạo robot bay cyclogyro với hệ thống cánh kiểu
mới. Robot này sử dụng các hệ thống hình bình hành “pantograph”, hệ thống này đã
được nghiên cứu phát triển từ thế kỷ 17 và đã được thay đổi, cải tiến thêm.

Hình 1.19 Cyclogyro trong quá trình bay

- 25 -