nghiên cứu cải thiện khả năng tạo lực nâng của phương tiện bay kích cỡ nano,loại cánh đập

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN KHẢ NĂNG TẠO LỰC
NÂNG CỦA PHƯƠNG TIỆN BAY KÍCH CỠ NANO,
LOẠI CÁNH ĐẬP
Mã số: T2019-06-116

Chủ nhiệm đề tài: TS. ĐOÀN LÊ ANH

Đà Nẵng, 08/2020


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN KHẢ NĂNG TẠO LỰC
NÂNG CỦA PHƯƠNG TIỆN BAY KÍCH CỠ NANO,
LOẠI CÁNH ĐẬP
Mã số: T2019-06-116

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài

(ký, họ tên, đóng dấu)

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ tên)


Danh sách các thành viên tham gia nghiên cứu đề tài
L.A. Doan received the B.S. degree in mechatronic engineering
from Danang University of Technology, Danang, Vietnam, in 2008
and the M.S. degree in mechanical engineering from National
Kaohsiung University of Applied Sciences, Kaohsiung, Taiwan, in
2012. He received the Ph.D. degree in micro and nanotechnologies,
acoustics and telecommunications at Polytechnic University of
Hauts-de-France, Valenciennes, France. From 2012 to 2014, he was
a lecturer at the University of Technology and Education - The
University of Danang, Danang, Vietnam. His research interest
includes the mobiles robots, micro and nano air vehicles.
S. Grondel (IEMN) received the M.S. and Ph.D. degrees in
electronical

and acoustical

Engineering

from Valenciennes

University, France, in 1997 and 2000, respectively. Between 2001
and 2010, he worked as a research Associate at the Electronic,
Microelectronic and Nanoelectronic department of Valenciennes
University, focusing on health monitoring of aeronautic structures

using

elastic

guided

waves

and

multi-array

piezoelectric

transducers. Since 2011, he is a Professor in the same department
and teacher at the engineering school ENSIAME. His current
research activities include modeling and control of macro- and
micro- mechatronic systems through the use of the Bond Graph
methodology. He contributes on the design and development of a
nano flying insect called ``OVMI'' as well as on new ionic
polymers actuators. He has authored more than 70 published
journal and conference papers related to smart material, ultrasonic
and mechatronic. He is an elected member of the national Research
evaluation in Electronics field (CNU 63) and belongs to the
Editorial Board of the Horizon Research Publishing Coorporation.
He is also a fellow member of the French Acoustical(SFA) and
Electronic Electrotechnic and Automatic (EEA) Societies.

1

E Cattan, 55 years (). In 1993, he obtained a
PhD in optics and photonics at the University of Paris Sud (Orsay),
and in 1994, he became a University lecturer in section 28 and was
assigned to the laboratory of Advanced Ceramic Materials (UPHF).
He has published one hundred and fifty papers in the field of
piezoelectric thin film, micro-transducers and NAV. After obtaining
an accreditation to supervise research in 2001, he was appointed
University Professor in 2002 at the University of Polytechnic Hauts
de France Since 2002, he has been conducting research at the
Institute of Electronics, Microelectronics and Nanotechnology, and
since September 2005, his research has focused on bio-inspired
microsystems. Before that, his research activities concerned the
growth and characterization of ferroelectric piezoelectric thin films,
as well as their integration in microsystems. In 2011, he took over
the management of a research group made up of thirteen professors
and university lecturers. He is leader of the OVMI project (Object
Volant Mimant l'Insecte), which was awarded with a golden micron
in Besanỗon in 2014.

2


Mục lục:
Danh sách các thành viên tham gia nghiên cứu đề tài...............................................II
Mục lục:.................................................................................................................... II
Danh mục hình vẽ:....................................................................................................II
Danh mục bảng biểu:................................................................................................II
Danh sách chữ viết tắt...............................................................................................II
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU.................................................................II

Phần mở đầu..............................................................................................................2
Chương 1 : Tổng quan tình hình nghiên cứu.............................................................2
1. Introduction.......................................................................................................2
2. Lựa chọn dạng cánh...........................................................................................2
2.1 Cánh cố định................................................................................................2
2.2 Cánh xoay....................................................................................................2
2.3 Cánh đập......................................................................................................2
3. Lựa chọn động học cánh và khí động học theo kèm..........................................2
4. Lựa chọn cơ chế truyền động cánh....................................................................2
5. Chế độ bay.........................................................................................................2
5.1 Bay lướt.......................................................................................................2
5.2 Đập cánh bay tới..........................................................................................2
5.3 Bay lượn......................................................................................................2
Chương 2 :Xem xét lựa chọn thành phần cho phương tiện bay.................................2
1. Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động vỗ cánh......................................................2
2. Đuôi, cánh buồm, và không đuôi.......................................................................2
3. Number of wings...............................................................................................2
4. Các phương án điều khiển thiết bị bay loại cánh đập.........................................2
5. Các phương pháp xoay cánh..............................................................................2

3


6. Xác định khối lượng – chiều dài sải cánh và tần số đập cánh............................2
Chương 3 : Mô phỏng và thực nghiệm......................................................................2
1. GIỚI THIỆU......................................................................................................2
2. Mơ hình Bond Graph của OVMI.......................................................................2
2.1 Giới thiệu về nguyên mẫu............................................................................2
2.2 Word Bond Graph của OVMI......................................................................2
2.3 Mơ hình Bond Graph của các hệ thống con.................................................2

3. Mơ phỏng...........................................................................................................2
3.1 Xác định thông số cánh................................................................................2
3.2 Mô phỏng động học cánh.............................................................................2
4. Kết quả thực nghiệm..........................................................................................2
5. Sơ đồ mạch và phương pháp chế tạo tiêu bản....................................................2
5.1 Sơ đồ mạch..................................................................................................2
5.2 Mạch in........................................................................................................2
5.3 Quy trình chế tạo.........................................................................................2
Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển...................................................................2

4


Danh mục hình v
Hình 1. 1 Cánh cố định loại cứng và mềm dẻo, (a) Black Widow trong suốt chế tạo
bởi AeroVironment [12], (b) cánh mềm dẻo phát triển bởi University of Florida
[13]............................................................................................................................ 2
Hình 1. 2: Các cấu hình của phương tiện bay loại cánh xoay: a) conventional, b)
ducted coaxial, c) conventional coaxial, d) side-by-side rotors, e) synchropter, f)
conventional tandem, g) quadrotor [20], [21]............................................................2
Hình 1. 3: Ví dụ MAV và NAV loại cánh xoay, (a) the Black Hornet, (b) Crazyflie,
(c) Mesicopter, (d) Picoflyer......................................................................................2
Hình 1. 4:Khoảng hệ số Reynolds cho các sinh vật cũng như phương tiện bay, hình
được tích hợp từ tài liệu tham khảo [26]....................................................................2
Hình 1. 5: Mối quan hệ giữa trọng lượng và thời gian bay của các MAV hiện có (số
liệu năm 2014). Tên của các phương tiện có cánh cố định, quay và cánh đập có màu
lần lượt là tím, xanh lam và đỏ. Chỉ các kích thước chính tương ứng với từng loại
cánh được hiển thị để chỉ ra kích phương tiện. Ví dụ: sải cánh mơ tả kích thước của
các MAV có cánh đập và cánh cố định, trong khi kích thước 3D của đường kính
quadrotor và rotor được sử dụng cho các phương tiện cánh quay khác.....................2

Hình 1. 6: Xếp chồng nhiều khung ảnh để hiển thị các thao tác hạ cánh linh hoạt của
ong mật [30]..............................................................................................................2
Hình 1. 7: Chuỗi video sử dụng lăng kính cho thấy cách ruồi nhảy thốt khỏi nguy
hiểm. Các chấm trắng trên hình ảnh đánh dấu các điểm trên đầu và bụng được dùng
để xác định khối tâm của ruồi (vòng tròn đen trắng) tại ba thời điểm: bắt đầu kích
thích (), ngay trước khi nhảy (), và thời điểm cất cánh (). Dấu chấm màu đỏ đánh
dấu điểm tiếp xúc của phần đoạn cuối cùng của chân cơn trùng với bề mặt tại [31].2
Hình 1. 8: Động học cánh vỗ cơ bản: Đường đi của cánh được mô tả bởi quỹ đạo
của dây cung cánh; b) Ảnh chụp nhanh của hợp dây cung cánh này trong hành trình
cánh lên và xuống thể hiện chuyển động tịnh tiến và đảo chiều hành trình của nó tại
cuối các hành trình; [34] [10]....................................................................................2
Hình 1. 9: a) bird flight apparatus [37], insects and their flight apparatus: b) direct
and c) indirect muscles [38] [40]...............................................................................2

5


Hình 1. 10: Thiết bị tăng lực nâng của máy bay lấy cảm hứng từ các sinh vật bay,
[44], [45].................................................................................................................... 2
Hình 1. 11: Cơ cấu tạo luồng xốy sử dụng trên máy bay (trái) lấy cảm hứng từ
thiên nhiên, a) Protruding digit on a bat wing, b) Serrated leading-edge feather of an
owl, c) Corrugated dragonfly wing, adapted from [44], [45].....................................2
Hình 1. 12: Hình chiếu cạnh của chuyển động đập cánh minh họa đường đi của đầu
cánh (vòng to) và cổ tay (vịng trịn mở) thích ứng với các tốc độ bay ổn định khác
nhau [46].................................................................................................................... 2
Hình 1. 13: Quỹ đạo đầu đầu cánh so với phần thân - được biểu diễn bằng mũi tên cho nhiều loại sinh vật bay khác nhau. a) chim hải âu, bay nhanh; b) chim bồ câu,
bay chậm; c) dơi móng ngựa, bay nhanh; d) dơi móng ngựa, bay chậm; e) đom đóm;
f) châu chấu; g) Bọ tháng sáu; h) ruồi giấm [47].......................................................2
Hình 1. 14: Cấu trúc dòng chảy cho a) bay tới đập cánh chậm và b) nhanh [46].......2
Hình 1. 15: Cấu trúc xốy ba chiều trong dịng chảy trong chu kỳ hành trình của

chim ruồi ruby, trong đó dấu thời gian từ (a) đến (d) là 0,37, 0,51, 0,58 và 0,78T (T
là chu kỳ hành trình). Các đường đứt nét đánh dấu vịng xoáy từ kỳ hạ cánh xuống.
Mũi tên dày trong (d) cho biết vị trí mà LEV bị chụm lại [50]..................................2
Y
Hình 2. 1: Các thiết kế đuôi khác nhau: a) đuôi máy bay cơ bản [70], b) DelFly I
đuôi chữ V, và c) DelFly II đi chữ V ngược [28]...................................................2
Hình 2. 2: MAV buồm: a) Mentor [2007]; b) Richter and Lipson [2011]; c) Robot
sứa [2014]..................................................................................................................2
Hình 2. 3: Các cấu hình cánh khác nhau: (I) cánh cơ bản, Robo Raven; (II)
BionicOpter Dragonfly; cánh không tiêu chuẩn DelFly II với cơ cấu tạo hiệu ứng
“clap and fling” (IIIa), Delfly Micro với cơ cấu tạo hai hiệu ứng “clap-and-fling”
(IIIb), và Mentor nhiều cơ cấu tạo hiệu ứng như vậy [28].........................................2
Hình 2. 4: Các thơng số chuyển động của cánh theo chu kỳ: a) biên độ hành trình,
tần số nhịp đập của cánh đối xứng hoặc khơng đối xứng và góc lệch hành trình của
cánh, b) góc nghiêng mặt phẳng hành trình, c) và d) góc tấn giữa hành trình xuống
và hành trình lên........................................................................................................2
Hình 2. 5: Điều chế tần số chu kỳ không đổi theo chu kỳ, các chiến lược điều khiển
khi vỗ MAV: a) Dịch dọc, b) Dịch ngang, c) Chuyển động yaw và d) Chuyển động
roll từ Doman và Oppenheimer [2014]......................................................................2
6


Hình 2. 6: Mối quan hệ giữa a) chiều dài cánh và tổng khối lượng, b) chiều dài cánh
và tốc độ vỗ cánh, chỉnh sửa từ [81]..........................................................................2
Hình 3. 1: Nguyên mẫu OVMI với khối lượng 22 mg và sải cánh 22 mm................2
Hình 3. 2: a) sơ đồ của một cánh mềm dẻo với hai bậc tự do, b) chế độ uốn mơ
phỏng, c) chế độ xoắn mơ phỏng...............................................................................2
Hình 3. 3: Word Bond Graph của OVMI...................................................................2
Hình 3. 4: Mơ hình Bond Graph của bộ tạo sóng......................................................2
Hình 3. 5: Biểu diễn cơ cấu chấp hành điện từ, a) thông qua sơ đồ mạch điện tương

đương b) thơng qua ngơn ngữ Bond Graph...............................................................2
Hình 3. 6: Biểu diễn Bond Graph cho giá trị trung bình của từ trường......................2
Hình 3. 7: Sơ đồ của “Cánh”, màu sắc được dùng để phân biệt các thanh liền kề.....2
Hình 3. 8: Biểu diễn Bond Graph cho cánh...............................................................2
Hình 3. 9: Ảnh chụp một mẫu thử nghiệm được đặt trong một buồng chân không
được sử dụng để xác định ảnh hưởng của áp suất xung quanh lên hành vi động của
nguyên mẫu...............................................................................................................2
Hình 3. 10: Sự thay đổi của hệ số chất lượng theo áp suất.........................................2
Hình 3. 11: Mơ phỏng Bond Graph biên độ và đáp ứng tần số của nguyên mẫu. a)
biên độ của đầu tự do của tia 2 (1) và các thành phần tương ứng của nó bao gồm
chuyển động uốn (2) và xoắn (3); b) giai đoạn uốn (2) và xoắn (3) và sự khác biệt
của chúng (4).............................................................................................................2
Hình 3. 12: Chế độ uốn (f = 132.5 Hz), chế độ xoắn (f = 151.4 Hz)..........................2
Hình 3. 13: Chế độ quadrature 1 (f = 135.5 Hz), chế độ quadrature 2 (f = 148.0 Hz).
................................................................................................................................... 2
Hình 3. 14: Thí nghiệm độ biến dạng tại tần số cộng hưởng: (a) chế độ uốn; (b) chế
độ xoắn. (c) FRF của nguyên mẫu được lấy tại nam châm và đầu mút của cạnh dẫn
cánh bên trái, tại khoảng tần số khảo sát. (d) Đường cong đa thức xấp xỉ [10]..........2
Hình 3. 15: Một số khung hình được chụp bằng camera tốc độ cao ở tần số chế độ
quadrature thứ hai (190,8 Hz). Đường đứt nét màu xanh lam: vị trí dây cung cánh
ban đầu; Đường đứt nét màu cam: vị trí dây cung cánh hiện tại. Đảo cánh xảy ra
xung quanh khung 4 [10]...........................................................................................2
Hình 3. 16 Sơ đồ mạch phát triển cho phương tiện bay MAV...................................2
Hình 3. 17: Layout phát triển cho phương tiện bay MAV..........................................2
7


Hình 3. 18: Sơ đồ quy trình quang khắc được sử dụng để sản xuất cấu trúc OVMI
(liên kết, khung của cánh và lồng ngực) [93].............................................................2

8


Danh mục bảng biể
Bảng 2. 1: Phân loại các loại cơ cấu chấp hành [57] [59]..........................................2

Y
Bảng 3. 1: Thông số của cánh....................................................................................2

9


Danh sách chữ viết tắt
MAV: phương tiện bay theo tiêu chuẩn kích cỡ micro
NAV: phương tiện bay theo tiêu chuẩn kích cỡ nano
UAVs: phương tiện bay khơng người lái

10


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ
THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài: nghiên cứu cải thiện khả năng tạo lực nâng của phương tiện bay
kích cỡ nano, loại cánh đập
- Mã số: T2019-06-116
- Chủ nhiệm: TS. Đoàn Lê Anh
- Thành viên tham gia:
- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng
- Thời gian thực hiện: 12 tháng
2. Mục tiêu:
Trong những thập kỉ gần đây, viễn cảnh có được những khả năng bay đặc biệt của
các loại chim nhỏ hay côn trùng đã thúc đẩy rất nhiều những nghiên cứu về vật thể
bay loại cánh đập (flapping wings). Tuy nhiên, khi thiết kế một nguyên mẫu như
vậy, các nhà thiết kế phải trải qua một loạt các giải pháp thiết kế phản ánh sự đa
dạng của côn trùng để xác định sự kết hợp chính xác của các tham số mà có thể đáp
ứng yêu cầu của họ. Để giảm bớt gánh nặng này, mục đích của bài báo là xây dựng
một cơng cụ phù hợp để phân tích động học của phương tiện qua đó có thể tối ưu
hóa lực nâng (lift) trên cánh. Nghiên cứu này được thực hiện trên một vật thể bay
loại cánh đập có bộ khung mềm dẻo (flexible skeleton) và có kích thước theo tiêu
chuẩn nano (Flapping wing Nano aerial vehicles-FWNAV). Dựa trên tính chất mềm
dẻo của phương tiện, nguyên mẫu được nghiên cứu để kết hợp hai chế độ rung cộng
hưởng - uốn và xoắn - để tái tạo quỹ đạo cánh cơn trùng. Mơ hình đề xuất sử dụng
Bond Graph, một ngôn ngữ giao diện người dùng đồ họa vì nó rất phù hợp để mơ
phỏng một hệ đa vật lý như trong trường hợp này.
3. Tính mới và sáng tạo:
Bản thân mơ hình là điểm sáng tạo vì nó là một mơ hình tham số phân tán và dựa
trên một cấu trúc micro mềm dẻo.
4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu:
Trong nghiên cứu này này, chúng ta đã xây dựng thành cơng một mơ hình Bond
Graph dành cho một FWNAV. Mơ hình được trình bày mang tính mới bởi vì được
xây dựng cho một vật thể bay kích cỡ rất nhỏ lại cịn là loại có khung xương mềm

dẻo. Từ mơ hình này bốn chế độ hoạt động đã được tìm thấy. Thơng qua phân tích,
hai trong số chúng kh thích hợp cho việc tạo lực nâng, hai chế độ cịn lại thì thành

11


công trong việc tái tạo quỹ đạo cánh côn trùng qua đó có thể thấy được khả năng cải
tạo lực nâng của chúng.
5. Tên sản phẩm:
Hai bài báo khoa học đăng trên tạp chí uy tín và một phần mềm mơ phỏng trên máy
tính.
Stt

Tên sản phẩm

1

Kinematic analysis of a
resonant flexible-wing nano
air vehicle using a Bond
Graph approach

2

Tối ưu hóa lực nâng của vật
thể bay khung mềm dẻo có
kích thước theo tiêu chuẩn
nano dựa trên phân tích cộng
hưởng uốn và xoắn

3

Phần mềm mơ phỏng máy
tính

Thơng tin sản phẩm

Tuyển tập hội nghị
quốc tế ICERA
2019 thuộc nhóm
Scopus – Lecture
Notes in Networks
and Systems
(Tr.455-461), ISSN:
2367-3370, Volume
104, Năm 2019.
Kỷ yếu hội nghị
tồn quốc về Cơ khí
và Chế tạo năm
2019 (Tr.88-93),
ISBN: 978-604-737275-1 năm 2020.
Phần mềm cho phép
dự đoán quỹ đạo
chuyển động cánh
và lực nâng được
tạo ra

Năm
cơng
bố

Chú thích

2019

Scopus

2019

Hội nghị Quốc
gia

2019

Sử dụng trên
nền phần mềm
20SIM

6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp
dụng: Làm nền tảng cho những nghiên cứu tiếp sau.
7. Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính
Thơng tin cụ thể có thể được tìm thấy trong tài liệu đính kèm
Hội đồng KH&ĐT đơn vị
(ký, họ và tên)

Ngày
tháng
Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)

năm

XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

12


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Optimize lift of a flexible nano air vehicle based on analysing of
bending and twisting resonances
Code number: T2019-06-116
Coordinator: Dr. Đoàn Lê Anh
Implementing institution: University of Technology and Education –
University of Danang
Duration: from 08/2019 to 08/2020
2. Objective(s):
In recent decades, the prospect of exploiting the exceptional flying capacities of
insects has prompted much research on the elaboration of flapping-wing nano air
vehicles (FWNAV). However, when designing such a prototype, designers have to
wade through a vast array of design solutions that reflects the wide variety of flying
insects to identify the correct combination of parameters to meet their requirements.
To alleviate this burden, the purpose of this paper is to develop a suitable tool to
analyze the kinematic of a resonant flexible-wing nano air vehicle. The proposed
tool uses a Bond Graph formalism because it is well suited to simulating multiphysical systems. Moreover, the prototype studied combines two resonant vibration
modes – bending and twisting – to reproduce insect wing kinematics. This could be
considered as the key to optimize the generated lift.
1. Creativeness and innovativeness:
The model itself is original as it is a distributed-parameter model and is based on a
flexible micro-structure.

5. Research results:
In this study, we have successfully built a Bond Graph model for a FWNAV. The
model presented is novel because it is built for a very small flying object but also
has a flexible skeleton. From this model four operating modes were found. Through
analysis, two of them are not suitable for lift generation, the other two are successful

13


in reproducing the insect wing trajectories through which their ability to lift can be
seen.
6. Products:
Two paper published on prestigious proceeding. One is with Scopus index.
A simulation program works with 20SIM software.
7. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: As the
foundation for further research.

14


Phần mở đầu
Con người luôn bị thu hút bởi thiên nhiên được định nghĩa chung là thực vật, động vật,
cảnh quan, và các đặc điểm và sản phẩm khác của trái đất [1]. Đặc biệt, các kỹ năng
đặc biệt được sử dụng bởi các lồi để thích nghi hồn hảo với môi trường đã thu hút
được rất nhiều sự chú ý. Khơng có gì đáng ngạc nhiên khi rất nhiều sáng kiến và đổi
mới của con người được lấy cảm hứng từ sự đa dạng và hiệu quả đáng kinh ngạc của
thiên nhiên. Cơng việc được trình bày ở đây góp phần vào xu hướng này và đề cập đến
máy bay không người lái.
Ngành máy bay không người lái ngày càng thu hút được nhiều sự chú ý [2], tên tiếng
anh là (UAV), được làm phong phú hơn bởi các ý tưởng lấy cảm hứng từ thiên nhiên

để giúp nâng cao hiệu quả. Đối mặt với nhu cầu về các phương tiện bay có khả năng
hoạt động trong mơi trường kín và hạn chế, các UAV đã trở nên ngày càng nhỏ nhỏ.
Hơn nữa, các cơ chế bay đã phát triển từ cánh cố định hoặc cánh quay sang cánh đập
và cánh rung tương ứng bắt chước các loài chim và cơn trùng nhỏ. Tùy thuộc vào kích
thước và trọng lượng của chúng, các UAV thu nhỏ này thường được phân thành hai
loại: MAV1 và NAV2.
Mặc dù đã đạt được nhiều tiến bộ [3], [4], vẫn có sự chênh lệch đáng kể về hiệu suất
giữa MAV và NAV hiện có và các sinh vật trong tự nhiên về khả năng tải trọng, khả
năng cơ động và quan trọng nhất là thời gian bay. Có ba lý do chính cho những hạn
chế này. Đầu tiên, sao chép chuyển động cánh của những sinh vật bay trong tự nhiên
không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Trên thực tế, động học cánh của côn trùng và
chim nhỏ rất phức tạp. Bằng cách định thời gian đảo chiều hành trình của cánh một
cách độc lập hoặc đồng thời, những sinh vật này có thể kiểm soát hướng của chúng
cũng như cải thiện lực nâng và lực đẩy [5].
Thứ hai, được coi là thử thách khó khăn nhất, hệ số Reynolds (Re) thấp dẫn đến khí
động học khơng ổn định ảnh hưởng đến q trình bay của các phương tiện bay cỡ nhỏ
[6], [7]. Cuối cùng, do kích thước nhỏ hơn, cần phải đập cánh nhanh hơn và nhiều
năng lượng hơn để duy trì chuyến bay, điều này cũng đòi hỏi mật độ năng lượng cao
hơn. Rõ ràng là vẫn còn nhiều chỗ để cải thiện và vì vậy, đối với đề tài này, người ta
quyết định phát triển một MAV có kích thước bằng một con chim nhỏ và một NAV có
kích thước bằng một con côn trùng. Hai nguyên mẫu được phát triển chủ yếu tại Viện
1


Điện tử, Vi điện tử và Công nghệ nano (IEMN) [8] nơi các hệ thống vi cơ điện tử
(MEMS) và mạch điện tử có thể được chế tạo bằng các phương tiện có sẵn.
MAV bắt chước con chim ruồi [9], đây là lồi chim duy nhất có thể bay lượn. Cánh
của nó được điều khiển bởi một động cơ dịng điện một chiều (DC) được cung cấp bởi
điện áp đối ứng để tạo ra một chuyển động đập. NAV bao gồm một cấu trúc linh hoạt
ba chiều được chế tạo bằng công nghệ MEMS kết hợp với bộ truyền động điện từ cho

phép toàn bộ phương tiện rung với tần số cao hơn MAV.
Mục tiêu của công việc này là phát triển một phương tiện bay Nano-Air-Cánh đập
cánh tự động, lấy cảm hứng từ sinh học. Tuy nhiên, mục tiêu cuối cùng của việc giảm
kích thước phương tiện và sản xuất NAV là vơ cùng khó khăn vì đây là NAV hồn tồn
linh hoạt đầu tiên [10]. Do đó, chúng tôi đã quyết định làm việc với MAV trước để
hiểu về chuyến bay, phát triển bảng điện tử và đảm bảo chuyến bay ổn định. Một số
kiến thức và kinh nghiệm thu được sau đó có thể được chuyển sang việc phát triển
NAV.
Báo cáo này được tổ chức như sau:
Chương 1 giới thiệu các nghiên cứu trong quá khứ và hiện tại về UAV nhưng tập trung
nhiều hơn vào MAV và NAV. Thông qua việc so sánh các khái niệm thiết kế khác
nhau, chúng tôi cho thấy rằng thiết kế cánh đập là phù hợp nhất với ứng dụng của
chúng tơi. Sau đó, chúng tơi trình bày các ngun tắc cơ bản của chuyến bay đập cánh,
bao gồm động học của cánh và cơ chế khí động học khơng ổn định. Chúng tôi đề xuất
động học cánh cho các phương tiện của chúng tôi gần với chim ruồi và côn trùng và
tìm thấy một số cơ chế nâng cao khí động học như hiệu ứng Wagner và hiệu ứng khối
lượng được thêm vào. Cuối cùng, việc xem xét các MAV và NAV đập hiện có theo cơ
cấu truyền động và cấu trúc của chúng giúp chúng tôi lựa chọn thiết kế của MAV và
NAV của mình.
Chương 2 quay trở lại NAV loại cánh đập. Đầu tiên, khái niệm nâng cao lực nâng mới
do D. Faux và các đồng nghiệp của ông phát triển được giới thiệu [10]. Tiếp theo, cách
tiếp cận Bond Graph được điều chỉnh cho phù hợp với khái niệm này và được sử dụng
để mô phỏng động lực học của phương tiện NAV, sau đó trong bước tối ưu hóa ta tìm
được tần số hoạt động mà tại đó lực nâng đạt được là lớn nhất.

2


Cuối cùng, phần kết luận của báo cáo này đã chỉ ra những đóng góp chính của cơng
trình này và đưa ra một số khuyến nghị cho các hướng nghiên cứu trong tương lai.

1. MAV: Phương tiện bay kích cỡ Micro, do Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến
Quốc phòng (DARPA) khởi xướng vào những năm 1990, là một loại UAV thu nhỏ với
kích thước tối đa là 15 cm và nặng tới 100 g, cũng như phạm vi hoạt động 10 km và tự
trị trong khoảng từ 20 đến 60 phút.
2. NAV: Các phương tiện bay kích cỡ Nano (NAV), chương trình do Cơ quan Dự án
Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) khởi xướng vào năm 2005, là một loại
UAV thu nhỏ với kích thước tối đa 7,5 cm và tổng trọng lượng cất cánh dưới 10 g.

Chương 1 : Tổng quan tình hình nghiên cứu
1. Giới thiệu
Máy bay không người lái, tên tiếng anh là unmanned aerial vehicles (UAVs), là một
phương tiện bay mà khơng có người ngồi trên máy bay. So với máy bay có người lái,
UAV ban đầu được triển khai cho các nhiệm vụ quá "buồn tẻ, bẩn thỉu hoặc nguy
hiểm" [11] đối với con người. Phương tiện hàng khơng kích cỡ Micro (MAV), do Cơ
quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) bắt đầu vào năm 1990, là một
loại UAV được thu nhỏ bị giới hạn về kích thước, có kích thước tối đa là 15 cm và
trọng lượng lên đến 100 gram. Trước đây chỉ giới hạn cho những người u thích mơ
hình và đồ chơi trong tay trẻ em, MAV đã sớm nhận được sự quan tâm của cả quân đội
và dân sự vì chúng dễ dàng di chuyển, kín đáo hơn và ít nguy hiểm hơn trong trường
hợp va chạm. Kết quả là, một lượng lớn MAV bay dựa trên các khái niệm cánh cố
định, quay và đập đã có mặt ở nhiều lĩnh vực.
Với sự hạn chế về kích thước này, nghiên cứu phải đối mặt với nhiều vấn đề. Được coi
là thử thách khó khăn nhất, hệ số Reynolds thấp (Re) dẫn đến khí động học khơng ổn
định ảnh hưởng đến q trình bay của các phương tiện bay cỡ nhỏ [6]. Ngồi ra, do
kích thước nhỏ hơn, mật độ năng lượng cao hơn được yêu cầu. Do đó, mặc dù đã đạt
được nhiều tiến bộ [3], [4], vẫn còn rất nhiều dư địa để cải thiện về khả năng tải trọng,
khả năng cơ động và quan trọng nhất là độ bền của chuyến bay.

3

Đối với công việc này, chúng tôi sẽ nghiên cứu trước đây và hiện tại về UAV để có thể
xác định được thiết kế của MAV cỡ chim nhỏ có thể hoạt động trong mơi trường kín,
hạn chế.
2. Lựa chọn dạng cánh
Các MAV hiện tại có thể được chia thành ba loại chính dựa trên cách chúng tạo ra lực
nâng: cánh cố định, cánh quay và cánh đập và được mô tả trong các đoạn sau.
2.1 Cánh cố định
UAV cánh cố định tương tự như máy bay. Do tỷ lệ giữa lực đẩy và lực nâng không đổi,
việc điều khiển bay tương đối đơn giản và khung toán học đã được phát triển hồn
thiện, UAV cánh cố định được trình bày đầu tiên. MAV cánh cố định thích hợp cho các
ứng dụng ngoài trời, nơi ưu tiên thời gian bay tối đa. Một hoặc một số cánh quạt
thường tạo ra lực đẩy về phía trước. MAV thường yêu cầu một bộ vi điều khiển tích
hợp để tăng độ ổn định.

Hình 1. 1 Cánh cố định loại cứng và mềm dẻo, (a) Black Widow trong suốt chế tạo bởi
AeroVironment [12], (b) cánh mềm dẻo phát triển bởi University of Florida [13].
Một số ngun mẫu tồn tại nhưng khơng có ngun mẫu nào thuộc phạm vi NAV. Các
phương tiện hiện có có sải cánh lớn hơn 7,5 cm và do đó được coi là MAV. Một ví dụ
nổi tiếng là AeroVironment Black Widow với sải cánh 15,2 cm [12], được phát triển
như một phần của chương trình DARPA’s MAV (xem Hình Hình 1. 1.a). Nó nặng
khoảng 80 g tổng cộng, một nửa trong trọng lượng đó là pin. Được phát triển trong 4
năm, Black Widow có thời gian hoạt động trong 30 phút và có thể bay khơng ngừng
trong 17 km với tốc độ từ 38 đến 53 km / h. Cuối cùng, nó cũng có một camera màu
4


trên bo mạch và một bộ truyền video để truyền tải các video trực tiếp đến phi công.
Một vấn đề quan trọng cánh cố định xảy ra khi tăng góc tấn tới hạn. Ở góc này, lực
nâng cực đại đạt được và khơng khí chạy trên cánh quạt bắt đầu tách khỏi bề mặt phía

trên. Tuy nhiên, nếu góc tấn tiếp tục tăng hơn nữa, dòng chảy trở nên tách biệt hồn
tồn khỏi bề mặt phía trên và do đó, cánh tạo ra sự sụt giảm về lực nâng. Người ta
cũng đã chứng minh rằng các cánh mềm dẻo phù hợp với MAV [14] vì chúng có thể
biến đổi hình dạng để phản ứng với mơi trường, và góc tới hạn có thể tăng lên nhờ khả
năng điều khiển thụ động này [15]. Tài liệu tham khảo [13], [16]–[19] giới thiệu một
số UAVs với cánh linh hoạt có thể thích ứng trong quá trình bay để nâng cao hệ số lực
kéo bằng cách đẩy điểm dừng lên góc tấn cao hơn.
Các nghiên cứu cũng cung cấp các mô phỏng số Động lực học chất lỏng tính tốn
(CFD) bằng cách sử dụng các bộ giải dòng chảy như Navier Stokes để cung cấp cái
nhìn sâu sắc về các tương tác cấu trúc chất lỏng. Để xác thực mơ hình, chất lỏng bao
quanh các cánh máy bay, cánh và thân máy bay đã được nghiên cứu về các góc tấn
cơng đến điểm dừng (góc tới hạn). Đại học Florida đã phát triển một MAV cánh linh
hoạt với sải cánh 12,7 cm và thời gian chạy là 15 phút ở tốc độ 24 đến 40 km / h, như
trong Hình Hình 1. 1 b [13].
Theo DARPA, các phương tiện có cánh cố định là tốt nhất khi tính về kích thước và
trọng lượng [47]. Tuy nhiên, để bay được chúng cần liên tục di chuyển về phía trước
để tạo ra lực nâng và các phương tiện không thể lượn và cơ động trong khơng gian
chật hẹp. Do đó, chúng khơng phù hợp với mục tiêu của chúng tôi được xác định trong
Phần giới thiệu chung. Kiểu cánh được trình bày trong phần tiếp theo có thể là giải
pháp cho một MAV cơ động hơn.
2.2 Cánh xoay

5


Hình 1. 2: Các cấu hình của phương tiện bay loại cánh xoay: a) conventional, b)
ducted coaxial, c) conventional coaxial, d) side-by-side rotors, e) synchropter, f)
conventional tandem, g) quadrotor [20], [21].

Khả năng cất cánh thẳng đứng, bay lơ lửng và bay chậm theo bất kỳ hướng nào khiến

các phương tiện cánh quay trở nên rất hấp dẫn, đặc biệt là để sử dụng trong môi trường
đô thị hạn chế hoặc trong nhà. Phạm vi ứng dụng rộng rãi: điều hướng trong nhà, trinh
sát dân sự, an ninh dân sự, lập bản đồ, khảo sát và giám sát, mơ hình độ cao kỹ thuật
số, chụp ảnh nói chung, v.v. Dựa trên số lượng và vị trí của cánh quạt, các phương tiện
cánh quay có thể được chia thành các danh mục khác nhau, như minh họa trong Hình
Hình 1. 2.
Mỗi loại có những đặc điểm cụ thể phù hợp với các nhiệm vụ cụ thể, do đó danh mục
được lựa chọn phụ thuộc vào nhiệm vụ. Ví dụ, nếu cần một MAV cánh quay có thể
điều khiển được thì động cơ bốn bánh sẽ phù hợp hơn, nhưng nếu yêu cầu phương tiện
bay có cấu hình phức tạp thấp thì động cơ bốn bánh khơng cịn là lựa chọn tốt nhất.
Trong số các MAV cánh xoay có liên quan, trước tiên chúng ta có thể trích dẫn Black
Hornet (Hình Hình 1. 3a), một MAV quân sự được phát triển bởi Prox Dynamics AS
của Na Uy [22]. Thiết bị này có kích thước khoảng 10 cm x 2,5 cm - đủ nhỏ để vừa
trong tay bạn - và chỉ nặng hơn 16 g bao gồm cả pin. Phương tiện bay này sở hữu ba
6


camera, một hướng về phía trước, một hướng thẳng xuống và một hướng xuống 45 °,
và hiện đang được sử dụng trong các khu vực chiến đấu.

Hình 1. 3: Ví dụ MAV và NAV loại cánh xoay, (a) the Black Hornet, (b) Crazyflie, (c)
Mesicopter, (d) Picoflyer.
Một ví dụ khác là quadrotor Crazyflie 2.0 (Hình Hình 1. 3b), một nền tảng phát triển
máy bay cơ động mã nguồn mở, lý tưởng cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu. Có thể sửa
đổi bất kỳ phần nào của hệ thống để kiểm sốt hồn toàn và hoàn toàn linh hoạt. Phần
cứng mong muốn hoặc thậm chí các cảm biến mới nhất có thể được thêm vào thông
qua các cổng mở rộng. Quadrotor này chỉ nặng 27 g và có kích thước 92 mm x 92 mm
x 29 mm, đủ nhỏ để nằm gọn trong tay bạn. Thời gian bay của nó là khoảng 7 phút và
trọng tải khuyến nghị tối đa của nó là 15 g [23].
Hệ thống cánh quay có thể được sử dụng trong MAV và NAV. Tuy nhiên, MAV hiện

được ưa chuộng hơn do khả năng chịu tải cao hơn. Hai NAV quay được giới thiệu ở
đây: Mesicopter [24] và Picoflyer [25]. Mesicopter, một NAV quadrotor 3 g, là một
phần của nghiên cứu khả thi cho rôto quy mô rất nhỏ (Hình Hình 1. 3c). Sử dụng rơto
có đường kính 1,5 cm và nguồn điện bên ngồi, ngun mẫu có thể bay lơ lửng khi bị
hạn chế vào bàn thử nghiệm. Tuy nhiên, thiết bị khơng thể duy trì chuyến bay thực vì
pin q nặng và khơng có thiết bị điện tử điều khiển. Picoflyer cánh quạt đồng trục
quay ngược chiều 60 mm (Hình 1.4d) là máy bay trực thăng điều khiển bằng sóng vơ

7


tuyến nhỏ nhất từng được giới thiệu, chỉ nặng 3,3 g và bay liên tục trong 30 s. Mặc dù
nó ổn định một cách thụ động nhưng nó địi hỏi một người điều khiển có kinh nghiệm
và nó khơng có cảm biến.
Phân tích số liệu cơng suất (FM) trong tài liệu [54] cho thấy kết quả kém đối với rôto
sử dụng cho MAV dẫn đến thời gian bay ngắn. Ngoài ra, rất ít hệ phương tiện có trang
bị các cảm biến bổ sung. FM giảm từ 0,8 đối với phương tiện bay cánh xoay có người
lái thơng thường xuống từ 0,45 đến 0,55 đối với các MAV hiện có. Hiệu suất khí động
học kém này là hậu quả của số Re hoạt động thấp và hiệu ứng nhớt tương đối cao hơn.
Để tăng thời gian bay, các nhà thiết kế hệ thống cánh quay đã tập trung nhiều hơn vào
việc tối ưu hóa hình dạng cánh gió, nền tảng cánh quạt và sự phân bố xoắn [55]. Cuối
cùng nhưng không kém phần quan trọng, không thể bỏ qua tiếng ồn do tần số kích
hoạt đơn lẻ của các cánh quạt hoặc rôto.
Kết luận, cả cánh cố định và cánh quay đã được nghiên cứu trong nhiều năm. Tuy
nhiên, tất cả đều có vấn đề khi ta cố gắng giảm kích phương tiện và hệ số Re. Điều này
đã thúc đẩy các nghiên cứu với loại cánh thứ ba: cánh đập.

2.3 Cánh đập
Ý tưởng về phương tiện bay loại cánh đập được lấy cảm hứng từ các sinh vật bay bao
gồm chim và côn trùng, đập cánh để tạo lực nâng và lực đẩy. MAV nằm trong cùng

phạm vi với các lồi chim nhỏ nhất và cơn trùng lớn nhất. Ở kích thước nhỏ này,
những phương tiện bay phải chịu hiệu ứng nhớt tương đối cao do sự giảm số hệ số Re.
Như trong Hình 1. 4, các phương tiện hoặc động vật bay càng nhỏ thì số Re càng thấp.
Hơn nữa, cánh liên tục tăng và giảm tốc trong quá trình đảo chiều hành trình dẫn đến
khí động học khơng ổn định cao. May mắn thay, thiên nhiên đã có câu trả lời, đó là lý
do tại sao các nhà nghiên cứu đang cố gắng tái tạo trong phịng thí nghiệm kỹ thuật
bay tương tự như các loài chim và côn trùng được gọi là cánh đập.

8


Hình 1. 4:Khoảng hệ số Reynolds cho các sinh vật cũng như phương tiện bay, hình
được tích hợp từ tài liệu tham khảo [26].
Cần phải phân biệt kỹ thuật bay giống chim và giống cơn trùng vì chúng dựa trên
những ngun tắc hồn tồn khác nhau. Nhóm thứ nhất vỗ cánh lên xuống với một sự
thay đổi nhỏ về góc tấn trong khi bay. Chuyển động của cánh này tạo ra lực nâng và
lực đẩy cùng một lúc. Tuy nhiên, lực đẩy được tạo ra nhỏ và cần tốc độ bay về phía
trước, đó là lý do tại sao các lồi chim khơng thể bay lượn, ngoại trừ chim ruồi vì
chúng thực chất sử dụng động học cơn trùng. Nhóm thứ hai vỗ cánh theo phương gần
nằm ngang với những thay đổi lớn và nhanh chóng về góc tấn [27]. Do sự thay đổi góc
lớn này, các phương tiện giống cơn trùng có thể đạt tỷ lệ giữa trọng lượng và lực nâng
cao hơn so với nhóm giống chim và do đó có thể cất cánh và hạ cánh thẳng đứng cũng
như bay lơ lửng. Ngoài ra, cùng với các kỹ năng bay lượn, bay lùi và phục hồi sau tác
động đột ngột, cơn trùng cịn có thời gian bay khá dài mà không phải tiêu tốn nhiều
năng lượng hơn. Tuy nhiên, hiệu suất của các thiết kế MAV cánh đập hiện có vẫn kém
hơn so với các thiết kế cánh cố định và cánh quay. Tuy nhiên, tiềm năng đạt được
những hiệu suất bay đáng kinh ngạc như các loại sinh vật trong thiên nhiên vẫn thúc
đẩy nhiều nghiên cứu tích cực trong lĩnh vực này.

9