Xây dựng mô hình mô phỏng và kiểm nghiệm bền của máy bay nhỏ trong các chế độ bay có sử dụng môđun vật liệu composite đồng nhất đa cấp độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM VŨ THỊNH

Phạm Vũ Thịnh

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM BỀN CỦA
MÁY BAY NHỎ TRONG CÁC CHẾ ĐỘ BAY CÓ SỬ DỤNG MÔ-ĐUN
VẬT LIỆU COMPOSITE ĐỒNG NHẤT ĐA CẤP ĐỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

KHỐ CLC2017B

HÀ NỘI – NĂM 2018

1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Phạm Vũ Thịnh

XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM BỀN CỦA MÁY BAY
NHỎ TRONG CÁC CHẾ ĐỘ BAY CĨ SỬ DỤNG MƠ-ĐUN VẬT LIỆU
COMPOSITE ĐỒNG NHẤT ĐA CẤP ĐỘ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Lê Thị Tuyết Nhung

HÀ NỘI – NĂM 2018

2


Mục lục
Lời cam đoan ...................................................................................................................iv
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN.............................................................................vi
ABSTRACT OF THESIS ...............................................................................................vi
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ..........................................................................vii
Danh mục các bảng ...................................................................................................... viii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ..........................................................................................ix
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................xii
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY UAV VÀ MULTICOPTER..................... 1
1.1

Tổng quan về máy bay không người lái UAV ................................................... 1

1.1.1

Giới thiêu chung .......................................................................................... 1

1.1.2

Ưu nhược điểm của máy bay khơng người lái............................................. 1

1.1.3

Vai trị của máy bay không người lái........................................................... 2

1.1.4

Phân loại ...................................................................................................... 3

1.2

Tổng quan về UAV (Multicopter) ...................................................................... 6

1.2.1

Lịch sử phát triển của Multicopter .............................................................. 6

1.2.2

Cấu tạo của Multicopter............................................................................... 8

1.2.3

Điều khiển bay ........................................................................................... 16

CHƯƠNG II: TÍNH TỐN, LỰA CHỌN, THIẾT KẾ MULTICOPTER ................... 21

2.1

Tính tốn chọn thiết bị cho Multicopter ........................................................... 21

2.1.1

Tính tốn sơ bộ khối lượng ........................................................................ 21

2.1.2

Lựa chọn các thiết bị điện .......................................................................... 21

2.2

Khung Multicopter ........................................................................................... 24

2.3

Phân tích mỏi trong kiểm bền UAV ................................................................. 25

2.3.1

Tuổi thọ mỏi của UAV .............................................................................. 25

2.3.2

Phương pháp đánh giá tuổi thọ .................................................................. 26

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM KẾT CẤU ........................................... 30
MULTICOPTER D130 X8 V2 U10 .............................................................................. 30

3.1

Xây dựng mơ hình hình học của Multicopter ................................................... 30

3.1.1

Thiết kế khung của Multicopter bằng phần mềm thiết kế Solid Works .... 30

i


3.1.2
3.2

Thiết lập thơng số vật liệu cho mơ hình .................................................... 31

Kiểm nghiệm độ bền kết cấu Multicopter D130 X8 V2 U10 .......................... 34

3.2.1

Ta thiết lập thông số vật liệu cho mơ hình................................................. 34

3.2.2

Chia lưới .................................................................................................... 34

3.2.3

Thực hiện mơ phỏng trong trường hợp Multicopter bay treo .................... 34

3.2.4

Thực hiện mô phỏng trong trường hợp Multicopter bay cất cánh ............. 37

3.2.5

Thực hiện mô phỏng trường hợp Multicopter bay hạ cánh ....................... 40

3.2.6

Thực hiện mô phỏng trong trường hợp Multicopter bay tiến .................... 43

3.3 Kết luận ......................................................................................................... 47
CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MODULE VẬT LIỆU COMPOSITE ĐỒNG NHẤT ĐA
CẤP ĐỘ VÀO KIỂM NGHIỆM BỀN CỦA MULTICOPTER .................................... 48
4.1

Phương pháp mơ hình hóa vật liệu Composite................................................. 48

4.1.1

Mơ hình Direct Mori-Tanaka..................................................................... 48

4.1.2

Kết quả và biện luận .................................................................................. 51

4.2 Áp dụng mơ hình Mori-Tanaka vào kiểm nghiệm bền của Multicopter trong
các chế độ bay. ........................................................................................................... 54
4.2.1

Ước đoán cơ tính vật liệu composite sử dụng mơ hình Mori-Tanaka. ...... 54

4.2.2

Kết quả và biện luận .................................................................................. 57

4.3

Tổng hợp kết quả và so sánh ............................................................................ 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 73
1.

Kết quả đạt được ............................................................................................... 73

2.

Những hạn chế và hướng phát triển ................................................................. 73

3.

Lời cảm ơn ........................................................................................................ 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 75
PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 76
1.

Ma trận độ mềm cho một số loại vật liệu [10] ................................................. 76

2.

Ma trận Eshelby sử dụng cho mơ hình Mori-Tanaka ....................................... 76

ii


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Phạm Vũ Thịnh
Đề tài luận văn: Xây dựng mơ hình mơ phỏng và kiểm nghiệm bền của máy
bay nhỏ trong các chế độ bay có sử dụng mơ-đun vật liệu composite đồng nhất
đa cấp độ.
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số HV: CBC17012
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã
sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 26/04/2018 với các nội
dung sau:
- Rà soát, chỉnh sửa lại các lỗi trình bày, đánh dấu thứ tự các cơng thức.
- Việt hóa một số hình ảnh.
- Loại bỏ Chương 5: Kết luận và kiến nghị chuyển thành phần riêng, độc lập.
- Chỉnh sửa, bổ sung thông tin cho chính xác.
Ngày
Giáo viên hướng dẫn

TS. Lê Thị Tuyết Nhung

tháng

năm 2018
Tác giả luận văn

Phạm Vũ Thịnh

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS. Vũ Đình Quý

iii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi – Phạm Vũ Thịnh, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí động lực khóa
CLC2017B Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn này là cơng trình
nghiên cứu của bản thân tơi dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Thị Tuyết Nhung – Viện Cơ
khí động lực – Đại học Bách khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2018

Tác giả

Phạm Vũ Thịnh

iv


Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của luận văn Thạc sĩ và cho
phép bảo vệ:
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2018

Giảng viên hướng dẫn

TS. Lê Thị Tuyết Nhung

v

TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Tóm tắt: Nhiệm vụ của luận văn này là thực hiện nghiên cứu quy trình phân tích độ
bền kết cấu của máy bay khơng người lái nhiều chong chóng mang bằng vật liệu composite
trong các chế độ bay khác nhau. Sau đó sử dụng module vật liệu đồng nhất đa cấp độ để tìm ra
lựa chọn tối ưu cho vật liệu composite sử dụng. Trọng tâm chính của luận văn là thực hiện mơ
phỏng kiểm bền kết cấu của máy bay không người lái nhiều chong chóng mang trong các chế
độ bay khác nhau sử dụng module Static Structure của phần mềm mô phỏng ANSYS. Đồng
thời xây dựng một chương trình dùng để dự đốn ứng xử của vật liệu composite dựa trên mơ
hình đồng nhất đa cấp độ từ đó thu được thơng số đầu vào về cơ tính vật liệu cho bài tốn mơ
phỏng kiểm bền giúp bước đầu tìm ra lựa chọn sơ bộ cho tối ưu hóa vật liệu composite sử
dụng. Mơ hình được sử dụng trong đề tài là mơ hình Mori-Tanaka, mơ hình này cho phép dự
đốn ứng xử của vật liệu composite có tính đến hướng sợi bất kì. Việc thực hiện kiểm bền
bằng phương pháp mơ phỏng giúp tiết được rất nhiều thời gian và chi phí so với các phương
pháp thử nghiệm truyền thống. Sử dụng chương trình tính tốn cơ tính vật liệu có thể giúp dự
đoán ứng xử của nhiều loại vật liệu, giảm thời gian cũng như chí phí làm thực nghiệm giúp có
những lựa chọn sơ bộ nhanh chóng cho tối ưu hóa vật liệu.
Từ khóa: UAV, Structural strength test, Mori-Tanaka method, Python.

ABSTRACT OF THESIS
Abstract: This thesis aimed to study the procedure for analyzing the structural strength
of the Multicopter UAV (Unmanned Aerial Vehicle) at different flight modes. While using the
Multi-scale homogenization method for initial material optimization. This thesis concentrated
on doing simulation for analyzing the structural strength of the UAV at different flight modes
using Module Static Structure of the software ANSYS. After that, building a program to
predict the mechanical behavior of the composite material. The method used in this thesis is
the Mori-Tanaka method. This method allows to predict the mechanical behavior of the
composite material including the random fiber orientation type. By using simulation software
for analyzing the structural strength helps decreasing time and costs for doing experimental.
Using the program for calculate the mechanical behavior of the composite also helps
decreasing time and cost for doing experimental and helps us have the initial decide for

material optimization.
Keywords:

UAV,

Structural

strength

test,

Mori-Tanaka

method,

Python

vi


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

UAV: Unmanned Aerial Vehicle
UAS: Unmanned Aerial System
UAVS: Unmanned Aerial Vehicle System
AM: Amplitude modulation
FM: Frequency modulation
PDB: Power Distribution Board
TX: Transmitter
PX: Receiver

PWM: Pulse – width modulation
PPM: Pulse – duration modulation
S.BUS: System b

vii


Danh mục các bảng
Bảng 1: Các thông số thiết kế của động cơ .................................................................... 22
Bảng 2: Thông số thực nghiệm của động cơ T-MOTOR U10 KV100.......................... 22
Bảng 3: Bộ điều tốc T-MOTOR Flame 80A.................................................................. 24
Bảng 4: Thông số pin 6S Lipo ....................................................................................... 24
Bảng 5: Thông số của vật liệu composite sợi carbon [7] ............................................... 24
Bảng 6: Tổng hợp tỉ lệ ứng suất các trường hợp ............................................................ 29
Bảng 7: Kết quả của 4 chế độ bay .................................................................................. 47
Bảng 8 So sánh kết quả mơ hình với thực nghiệm với vật liệu Composite Glass/Epoxy
........................................................................................................................................ 52
Bảng 9 So sánh kết quả mơ hình với thực nghiệm với vật liệu Composite
Graphit/Epoxy ................................................................................................................ 53
Bảng 10: Kết quả cơ tính vật liệu composite Glass/Epoxy 45%, sợi đơn hướng. ......... 55
Kết quả thu được: ........................................................................................................... 55
Bảng 11: Kết quả cơ tính vật liệu composite Graphite/Epoxy 30%, sợi nhị hướng. ..... 56
Kết quả thu được: ........................................................................................................... 57
Bảng 12: Kết quả cơ tính vật liệu composite Graphite/Epoxy 30%, sợi tam hướng. .... 57
Bảng 13: Tổng hợp kết quả kiểm bền Multicopter với các vật liệu khác nhau ............. 71

viii


Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1: Mẫu UAV trinh sát VT-Patrol của Viettel .......................................................... 4
Hình 2: Máy bay 8 cánh quạt D130 X8 V2 U10 [5] ........................................................ 6
Hình 3: Breguet-Richet. [4].............................................................................................. 7
Hình 4: Chiếc Oemichen số 2 (1960) [6] ......................................................................... 7
Hình 5: Multicopter Convertawing (1956) [6] ................................................................. 8
Hình 6: Hai cách bố trí cánh quạt trên khung Multicopter .............................................. 9
Hình 7: Chuyển động của dịng khí qua cánh máy bay ................................................. 10
Hình 8: Cánh quạt làm bằng sợi Carbon ........................................................................ 10
Hình 9: Động cơ một chiều khơng chổi than [5] ........................................................... 11
Hình 10: Bộ điều tốc ESC [5] ........................................................................................ 12
Hình 11: Pin Lipo [5] ..................................................................................................... 13
Hình 12: Bộ điều khiển bay [5] ...................................................................................... 14
Hình 13: Hai hệ trục tọa độ xác định vị trí Multicopter ................................................. 16
Hình 14: Bố trí động cơ và góc quay trong Multicopter ................................................ 17
Hình 15: Phân bố lực khi Multicopter cất cánh ............................................................. 19
Hình 16: Phân bố lực trên Multicopter khi bay tiến. ..................................................... 20
Hình 17: Động cơ T-Motor U10 KV100 [5] .................................................................. 22
Hình 18: Supreme C/F Propeller 2880 pro [5] ............................................................... 23
Hình 19: T-MOTOR Flame 80A ESC [5] ..................................................................... 23
Hình 20: Đồ thị đường cong mỏi S-N ............................................................................ 27
Hình 21: Đồ thị đường cong mỏi S-N của vật liệu Composite F584 [8] ....................... 27
Hình 22: Đồ thị các trạng thái ứng suất. ........................................................................ 28
Hình 23: Mơ hình hồn chỉnh Multicopter D130 X8 V2 U10 ....................................... 30
Hình 24: Thiết lập thơng số cho vật liệu composite sợi carbon ..................................... 32
Hình 25: Thiết lập thơng số mỏi cho vật liệu composite F584 ...................................... 33
Hình 26: Thiết lập thông số mỏi cho vật liệu composite F584 ...................................... 33
Hình 27: Mơ hình Multicopter D130 X8 V2 U10 sau khi chia lưới. ............................. 34
Hình 28: Sơ đồ tính lực Multicopter .............................................................................. 35
Hình 29: Các điều kiện biên và đặt lực .......................................................................... 36
ix

Hình 30: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay treo........................................... 36
Hình 31: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay treo............................................. 37
Hình 32: Hệ số tiêu chuẩn phá hủy trong trường hợp bay treo ...................................... 37
Hình 33: Lực và điều kiện biên cho Multicopter trong trường hợp cất cánh ................ 38
Hình 34: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay cất cánh ................................... 39
Hình 35: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay cất cánh ..................................... 40
Hình 36: Hệ số tiêu chuẩn phá hủy trong trường hợp bay cất cánh............................... 40
Hình 37: Đặt lực và điều kiện biên trong trường hợp bay hạ cánh ................................ 41
Hình 38: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay hạ cánh .................................... 42
Hình 39: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay hạ cánh ...................................... 43
Hình 40: Hệ số tiêu chuẩn phá hủy trong trường hợp bay hạ cánh ............................... 43
Hình 41: Sơ đồ đặt lực Multicopter ............................................................................... 44
Hình 42: Đặt lực và điều kiện biên trong trường hợp bay tịnh tiến ............................... 45
Hình 43: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay tịnh tiến ................................... 45
Hình 44: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay tịnh tiến ..................................... 46
Hình 45: Hệ số tiêu chuẩn phá hủy trong trường hợp bay tịnh tiến............................... 46
Hình 46: Sơ đồ khối mơ hình hóa composite bằng mơ hình Mori-Tanaka ................... 48
Hình 47: Minh họa hệ trục các hướng sợi phần tử composite ....................................... 49
Hình 48: Giao diện chương trình Module Mori-Tanaka ................................................ 51
Hình 49: Kết quả mơ hình Mori-Tanaka cho vật liệu composite Glass/Epoxy ............. 52
Hình 50: Kết quả mơ hình Mori-Tanaka cho vật liệu Graphit/Epoxy ........................... 53
Hình 51: Kết quả mơ hình Mori-Tanaka cho vật liệu composite Glass/Epoxy ............. 55
Hình 52: Kết quả mơ hình Mori-Tanaka cho vật liệu composite Graphite/Epoxy ........ 56
Hình 53: Kết quả mơ hình Mori-Tanaka cho vật liệu composite Graphite/Epoxy ........ 57
Hình 54: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay treo........................................... 58
Hình 55: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay treo............................................. 58
Hình 56: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay cất cánh ................................... 59
Hình 57: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay cất cánh. .................................... 59

Hình 58: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay hạ cánh .................................... 60
Hình 59: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay hạ cánh. ..................................... 60

x


Hình 60: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay tịnh tiến ................................... 61
Hình 61: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay tịnh tiến. .................................... 61
Hình 62: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay treo........................................... 62
Hình 63: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay treo............................................. 63
Hình 64: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay cất cánh ................................... 63
Hình 65: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay cất cánh. .................................... 64
Hình 66: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay hạ cánh .................................... 64
Hình 67: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay hạ cánh. ..................................... 65
Hình 68: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay tịnh tiến ................................... 65
Hình 69: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay tịnh tiến. .................................... 66
Hình 70: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay treo........................................... 67
Hình 71: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay treo............................................. 67
Hình 72: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay cất cánh ................................... 68
Hình 73: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay cất cánh. .................................... 68
Hình 74: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay hạ cánh .................................... 69
Hình 75: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay hạ cánh. ..................................... 69
Hình 76: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay tịnh tiến ................................... 70
Hình 77: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay tịnh tiến. .................................... 70

xi


MỞ ĐẦU
Khởi đầu UAV (thiết bị bay không người lái) được phát triển để phục vụ cho

lĩnh vực quân sự, nhưng ngày nay các ứng dụng của UAV trong lĩnh vực dân dụng
đang được quan tâm và phát triển với tốc độ đáng kể. Nhờ các tính năng ưu việt của
mình như có khả năng hoạt động ở những nơi mà con người khó tiếp cận UAV có thể
được sử dụng để quan sát, theo dõi từ trên cao, hỗ trợ vẽ bản đồ, khảo sát địa hình,
kiểm tra mơi trường, phục vụ làm phim... Bởi các lợi ích trên, việc nghiên cứu một mơ
hình UAV với đặc tính ổn định, dễ dàng điều khiển đang nhận được rất nhiều sự chú ý
trong việc nghiên cứu, chế tạo.
Nhờ vào đặc tính có cơ tính tốt, độ bền cao nhưng lại nhẹ của vật liệu
composite, việc sử dụng vật liệu composite vào chế tạo kết cấu khung UAV đang được
áp dụng ngày càng rộng rãi. Việc xác định cơ tính của vật liệu composite là vô cùng
quan trọng nhằm lựa chọn được vật liệu tối ưu. Các nhà sản xuất thường sử dụng
phương pháp thực nghiệm để xác định cơ tính của vật liệu. Tuy nhiên phương pháp này
rất tốn kém thời gian và tiền bạc. Để loại bỏ các hạn chế trên, việc sử dụng mơ hình
tính tốn đồng nhất, đa cấp độ của Mori-Tanaka cho phép ta ước tính được cơ tính của
composite sợi đơn hướng và sợi ngắn, hướng bất kỳ từ cơ tính và thành phần của nền
và sợi giảm thời gian chi phí cần thiết cho việc thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu, thiết kế truyền thống thường gặp phải nhiều khó khăn
về thời gian, chi phí lớn do phải chế tạo và thử nghiệm nhiều lần. Ngày nay, với sự hỗ
trợ của các công cụ là các phần mềm mơ phỏng tính tốn kết cấu như ANSYS,
ABAQUS... đã giúp làm giảm chi phí, đẩy nhanh quá trình thiết kế, chế tạo và kiểm
nghiệm kết cấu. Cùng với việc kết hợp sử dụng mô đun vật liệu composite đồng nhất
đa cấp độ để tính tốn cơ tính vật liệu composite nhằm cung cấp các thông số về cơ
tính vật liệu như một thơng số đầu vào cho bài tốn kiểm bền từ đó giúp tối ưu hóa lựa
chọn vật liệu.

xii


Luận văn là một nội dung nghiên cứu của đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế và tích
hợp hệ thống khảo sát địa hình trong xây dựng dựa trên cơng nghệ chụp ảnh, quét laser,

GPS/GNSS và UAV” Mã số: ĐTĐL.CN-54/16. Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện
cơ khí Động lực, Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ, và đặc biệt là người hướng
dẫn TS. Lê Thị Tuyết Nhung đã hướng dẫn, tạo điều kiện để học viên hoàn thành đề
tài. Tác giả rất mong nhận được những nhận xét thẳng thắn từ các thầy cơ để có thêm
những

kinh

nghiệm,

kiến

thức

phục

xiii

vụ

cho

công

việc

trực

tiếp.

Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY UAV VÀ MULTICOPTER
1.1

Tổng quan về máy bay không người lái UAV

1.1.1 Giới thiệu chung
UAV viết tắt từ cụm từ “Unmanned Aerial Vehicle” nghĩa là “Phương tiện bay
không người lái”. Theo đúng như tên gọi của mình, trên UAV hồn tồn khơng có phi
cơng lái. UAV có thể được điều khiển từ xa (bởi một phi công ngồi tại một trạm điều
khiển trên mặt đất) hoặc cũng có thể tự bay theo các lịch trình đã được lập trình sẵn,
hoặc theo sự điều khiển của các hệ thống máy tính phức tạp.
UAV đơi khi cũng được dùng để chỉ các hệ thống UAVS (Unmanned Aerial
Vehicle System – Hệ thống phương tiện bay không người lái) hoặc UAS (Unmanned
Aerial System - Hệ thống máy bay không người lái). Ủy ban Quản lý Hàng không
Liên bang Hoa Kỳ (FAA) đang sử dụng cụng từ UAS để nhấn mạnh rằng các hệ thống
này không chỉ bao gồm máy bay mà cịn bao gồm cả trạm kiểm sốt trên mặt đất và
một số thiết bị, yếu tố khác.
UAV thường được trang bị các thiết bị thông tin, camera, các loại cảm biến, vũ
khí... nhằm thực hiện các chức năng khác nhau cho cả mục đích quân sự và các lĩnh
vực dân sự. UAV có giá từ vài nghìn USD cho tới hàng chục triệu USD, và các loại
UAV có cân nặng từ dưới 1Kg cho tới hơn 18 tấn.
1.1.2 Ưu nhược điểm của máy bay không người lái
1.1.2.1Ưu điểm
- Tính an tồn cao.
-

u cầu về trình độ đào tạo của người vận hành thấp.

-

Giảm thiểu thiệt hại nếu có tai nạn xảy ra.

-

Không yêu cầu đường băng cất hạ cánh lớn.

-

Có thể sử dụng ở nhiều dạng địa hình.

-

Thời gian chuẩn bị đến khi đưa vào sử dụng ngắn.

1


Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter

-

Chi phí trang bị, sử dụng, bảo dưỡng thấp.

-

Tiện lợi, nhỏ gọn, dễ dàng vận chuyển, cất trữ.

1.1.2.2Nhược điểm
- Công nghệ tự động, điều khiển cịn có nhiều hạn chế.
-

Việc sử dụng bị quản lý chặt chẽ ở nhiều nơi.

1.1.3 Vai trị của máy bay khơng người lái
1.1.3.1 Vai trị qn sự
Vai trò quân sự của UAV đang phát triển với một tốc độ chóng mặt. Năm 2005,
các thiết bị UAV ở mức độ chiến thuật và mức độ vùng chiến tranh đã có tổng cộng
100.000 giờ bay trong các chiến dịch ENDURING FREEDOM (OEF – chiến dịch giải
phóng Afghanistan) và IRAQI FREEDOM (OIF – chiến dịch giải phóng Iraq). Sự phát
triển chóng mặt của cơng nghệ giúp cho các thiết bị nhỏ ngày càng có thể đảm nhiệm
nhiều chức vụ hơn, kết quả là các hệ thống UAV ngày càng có mặt nhiều trên chiến
trường.
Việc sử dụng UAV là một chiến lược mới tới mức Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ
thậm chí cịn chưa đưa ra được quy trình theo dõi nhiệm vụ để theo dõi hoạt động của
các mẫu UAV. Khi khả năng của các mẫu UAV tăng lên, các quốc gia trên thế giới tiếp
tục đẩy mạnh nghiên cứu của mình: các thành tựu trong việc nghiên cứu và phát triển
khiến cho vai trị của UAV khơng chỉ dừng lại ở tình báo, do thám và theo dõi – các
vai trị truyền thống của chúng.
UAV hiện nay đã có thể đảm nhiệm tấn công điện tử, tiến hành tấn công bằng
bom và tên lửa, tiến hành phá hủy hoặc ngăn chặn các hệ thống phịng khơng, các mắt
xích hoặc toàn bộ hệ thống liên lạc của đối thủ, cũng như tiến hành các nhiệm vụ tìm
kiếm và giải cứu (CSAR).
1.1.3.2 Vai trò dân sự

2

Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter

Ngoài khả năng phục vụ cho quân đội, máy bay không người lái còn chứng
minh được khả năng ứng dụng trong cuộc sống khác như chăn gia súc, vận chuyển
hàng hóa, hướng dẫn viên, khảo cổ và thậm chí đảm nhiệm cả vai trị gián điệp.
Trong hoạt động nơng nghiệp, các thiết bị khơng người lái có thể ghi lại hình
ảnh của những cánh đồng từ trên cao, nhờ đó nơng dân có thể xác định và phát hiện các
vấn đề mà họ khơng thể nhìn thấy trực tiếp bằng cách đi bộ xung quanh để kiểm tra
khắp cánh đồng. Ngoài ra, máy bay khơng người lái cịn được sử dụng như những máy
móc phục vụ nơng nghiệp như máy bay phun thuốc trừ sâu,...
Máy bay không người lái được sử dụng để hỗ trợ các công tác khảo cổ học với
nhiệm vụ thiết lập bản đồ địa điểm khảo cổ và bảo vệ những khu vực này khỏi sự xâm
chiếm hoặc phá hoại bởi các nguyên nhân chủ quan và khách quan khác nhau.
Hệ thống kiểm tra cháy rừng bằng máy bay không người lái do các nhà khoa
học phát triển cho phép kiểm soát các vụ cháy rừng ở các khu rừng trên khắp thế giới.
Máy bay không người lái cịn được sử dụng để khảo sát địa hình. Nhờ những
thiết bị chuyên dụng của hệ thống LiDAR mà người khảo sát có thể có những thơng số
cần thiết về địa hình đang khảo sát.
Theo ước tính của một nghiên cứu, thị trường toàn cầu của các phương tiện máy
bay không người lái (UAV) đạt 89 tỷ USD trong năm 2013.
1.1.4 Phân loại
Máy bay khơng người lái có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau, mỗi loại đều
có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Do đó tùy từng công việc cụ thể mà người sử
dụng lựa chọn loại máy bay phù hợp.
UAV được chia ra làm hai loại chính theo cấu tạo là máy bay cố định (Fixed
Wing UAV) và máy bay cánh quay (Rotary Wing UAV)
1.1.4.1 Máy bay cánh bằng cố định
3

Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter

Máy bay cánh cố định là loại máy bay có bề mặt tạo lực nâng được gắn cố định
vào thân và khơng có sự chuyển động trong suốt q trình hoạt động. Lực tạo ra để
nâng máy bay chủ yếu là lực khí động tạo ra do sự chênh lệch áp suất ở bề mặt trên và
dưới của cánh chính khi có dịng khí chảy qua bề mặt cánh. Do đó, máy bay cần nguồn
động lực để đẩy máy bay tiến về phía trước (động cơ điện, động cơ piston, tua-bin
khí...). Máy bay cánh cố định là dạng máy bay được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.

Hình 1: Mẫu UAV trinh sát VT-Patrol của Viettel
Máy bay cánh cố định có cấu trúc đơn giản hơn so với loại cánh quay, do đó
quy trình bảo trì và sửa chữa đơn giản hơn. Quan trọng hơn là cấu trúc đơn giản sẽ đảm
bảo tính khí động học hiệu quả hơn dẫn đến thời gian chuyển động bay dài hơn ở tốc
độ cao, do đó cho phép chúng hoạt động ở khu vực khảo sát lơn hơn trên mỗi chuyến
bay nhất định.
Nhược điểm của máy bay cánh bằng cố định là sự cần thiết phải bố trí đường
bay hay bệ phóng để hỗ trợ cất cánh và hạ cánh. Bên cạnh đó giá thành cao cũng là một
nhược điểm của loại máy bay cánh cố định.
4


Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter

1.1.4.2 Máy bay cánh quay
Máy bay cánh quay có tối thiểu 01 cánh quạt (trực thăng), 03 cánh quạt
(Tricopter), 04 cánh quạt (Quadrotor), 06 cánh quạt (Hexacopter), 08 cánh quạt
(Octocopter) cũng như các thiết kế khác thường hơn như 12 và 16 cánh quạt.
Nguyên lý bay của máy bay cánh quay là sự phối hợp của các cánh quạt quay
tạo ra lực nâng nâng máy bay lên thẳng hoặc di chuyển theo hướng bất kỳ.
Lợi thế lớn nhất của UAV cánh quay là khả năng cất cánh và hạ cánh theo chiều

thẳng đứng và rất cơ động trong quá trình bay. Điều này cho phép người dùng hoạt
động động ở những địa hình chật hẹp mà khơng cần bố trí đường băng cất cánh, hạ
cánh như loại cánh bằng, cũng như có thể thay đổi độ cao và chuyển hướng bay một
cách dễ dàng. Khả năng bay tại chỗ và khả năng bay cơ động làm cho UAV cánh quay
rất phù hợp với cơng tác bay chụp ở địa hình phức tạp và chật hẹp.
Máy bay cánh quay có cấu tạo liên quan đến cơ khí và điện tử phức tạp do đó
u cầu q trình bảo trì và sửa chữa phức tạp hơn so với máy bay cánh cố định. Do
tốc độ và thời gian bay thấp hơn nên sẽ phải bay nhiều chuyến bay hơn so với bay cánh
cố định Công suất của động cơ phần lớn dùng để nâng máy bay, phần còn lại để điều
khiển máy bay. Do đó, máy bay ln phải tiêu tốn một lượng lớn năng lượng cho việc
duy trì lực nâng, điều này làm cho máy bay bị hạn chế về khối lượng tải trọng mang
theo.

5


Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter

Hình 2: Máy bay 8 cánh quạt D130 X8 V2 U10 [5]
1.2

Tổng quan về UAV (Multicopter)
UAV (Multicopter) là loại máy bay không người lái cánh quay được nâng lên và

đẩy bởi bốn cánh tay gồm 4 hoặc 8 cánh quạt. Thiết bị bay này là sự kết hợp của UAV
và mô hình máy bay lên thẳng.
1.2.1

Lịch sử phát triển của Multicopter
Mơ hình máy bay dạng Multicopter được thiết kế, chế tạo đầu tiên vào năm

1907. Đó là chiếc Breguet-Richet (Hình 3). Mặc dù trong chuyến bay thử nghiệm, nó
chỉ bay được tầm 1 – 2m.

6


Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter

Hình 3: Breguet-Richet. [4]
Oehmichen số 2 (1920) trong Hình 4: do kỹ sư Étienne Edmond Oehmichen
thiết kế, đã thử nghiệm bay rất nhiều lần, đến năm 1924, nó đã bay được độ cao 360m.

Hình 4: Chiếc Oemichen số 2 (1960) [6]
Mơ hình Multicopter Convertawing (1956) (Hình 5) đây là mơ hình trực thăng 4
cánh quạt đầu tiên (không sử dụng cánh quạt đi). Tuy nhiên do kinh tế khó khăn, nên
mơ hình Multicopter này bị dừng lại, khơng được phát triển nghiên cứu thêm.

7


Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter

Hình 5: Multicopter Convertawing (1956) [6]
Curtiss-Wright VZ-7 (Hình 5): Được thiết kế bởi công ty quân đội Mỹ. VZ-7
được điều khiển bởi 4 cánh quạt. Tuy nhiên nó cũng bị ngừng phát triển do không đáp
ứng được các nhu cầu quân sự.
Điểm chung của Multicopter thời kỳ đầu là những mẫu máy bay trực thăng có
người lái. Ở thời điểm ban đầu này Multicopter được xem như là giải pháp cho một số
vấn đề bay thẳng đứng. Các vấn đề kiểm sốt lực xoắn có thể được loại bỏ bằng cách

xoay vòng và làm làm ngắn các cánh quạt. Tuy nhiên chúng đều thất bại do độ ổn định
kém và quyền kiểm sốt bị hạn chế. Vì thế mà tính khả thi trong các mẫu đầu tiên bị
đánh giá rất thấp địi hỏi ở mẫu thứ hai phải có nhiều thí điểm hơn nữa.
Vào cuối những năm 2000, những tiến bộ về thiết bị điện tử cho phép sản xuất
các bộ điều khiển từ xa giá rẻ, hệ thống định vị toàn cầu và máy ảnh. Điều này dẫn đến
sự gia tăng nhanh chóng của các Multicopter tiêu dùng nhỏ, rẻ tiền cùng với các thiết
kế nhiều rotor khác. Cùng với đó là sự phát triển rất nhanh của các mơ hình máy bay
điều khiển từ xa. Sự cần thiết, có một máy bay có khả năng cơ động cao cũng như khả
năng ổn định, nên Multicopter điều khiển từ xa được đẩy mạnh nghiên cứu phát triển.
Với thiết kế nhỏ gọn, khả năng bền bỉ, các thiết bị Multicopter điều khiển từ xa được
thương mại hóa và ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống.
Ngày nay khi nhắc đến Multicopter người ta đều nghĩ ngay đến một thiết bị bay
không người lái với bốn chong chóng mang.
1.2.2 Cấu tạo của Multicopter
1.2.2.1Khung máy bay
Khung của máy bay được làm bằng hợp kim nhơm, kẽm, hoặc composite sợi
cacbon. Kích thước và hình dạng của khung phụ thuộc vào kích thước cũng như cách
phân bố cánh quạt. Multicopter có các loại phân bố cánh quạt theo hình dấu cộng (+)
và hình dấu nhân (×).
8


Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter

Hình 6: Hai cách bố trí cánh quạt trên khung Multicopter
1.2.2.2 Cánh quạt
Cánh quạt khi quay tạo ra lực nâng là nhờ vào hình dáng khí động tương tự như
hình dáng của cánh máy bay. Hình 7 thể hiện chuyển động của dịng khí khi đi qua
cánh máy bay. Khi di chuyển hình dáng khí động của cánh máy bay sẽ tạo ra sự chênh
lệch áp suất khơng khí tại mặt trên và mặt dưới của vật thể (cánh máy bay) khi dịng

khí chuyển động chảy bao vật thể. Để có lực nâng khí động lực học thì thiết diện vật
thể (cánh) phải khơng 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
khí động lực học. Khi khơng khí chảy bao quanh hình khí động sẽ có lực nâng khí
động lực và đồng thời xuất hiện lực cản. Hình khí động lực 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.

9


Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter

Hình 7: Chuyển động của dịng khí qua cánh máy bay
Cánh quạt được phân loại dựa trên đường kính và pitch cánh của chúng và được
thể hiện dưới dạng sản phẩm có đường kính và pitch cánh. Ví dụ: 10 x 4,7; 10 x 4,5;
vv…(Hình 8). Đường kính của cánh quạt cho thấy vòng tròn ảo mà các cánh quạt tạo
ra trong khi pitch cánh thể hiện độ kéo của cánh tức là quãng đường của cánh đi được
nếu như xoay đủ một vịng. Để chống lại mơ-men xoắn, Multicopter u cầu hai cánh
quạt xoay cùng chiều và hai cánh quạt quay ngược chiều kim đồng hồ.

Hình 8: Cánh quạt làm bằng sợi Carbon
10