- VŨ THỊ TRANG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ THỊ TRANG KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG PHỐI TRÍ CÁNH QUẠT TỚI LỰC ĐẨY TRÊN MÁY BAY NHIỀU CHONG CHÓNG MANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC CLC2017A HÀ NỘI – 2018 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ THỊ TRANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG PHỐI TRÍ CÁNH QUẠT TỚI LỰC ĐẨY TRÊN MÁY BAY NHIỀU CHONG CHÓNG MANG Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. - VŨ ĐÌNH QUÝ HÀ NỘI – 2018 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: Vũ Thị Trang Đề tài luận văn: Nghiên cứu ảnh hƣởng phối trí cánh quạt tới lực đẩy trên máy bay nhiều chong chóng mang. - Vũ Đình Quý iii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG PHỐI TRÍ CÁNH QUẠT TỚI LỰC ĐẨY TRÊN MÁY BAY NHIỀU CHONG CHÓNG MANG Tóm tắt:. - Đối với máy bay nhiều chong chóng mang, lực đẩy là yêu cầu cơ bản nhất và là nền tảng để thực hiện những chức năng khác. - Trong nƣớc đã có nhiều đề tài nghiên cứu về máy bay nhiều chong chóng mang, tuy nhiên việc nghiên cứu tính toán thiết kế là khá khó khăn do phải khắc phục hạn chế về khí động học làm ảnh hƣởng tới chất lƣợng về lực đẩy dẫn đến hiệu quả thấp hơn so với lƣợng năng lƣợng tiêu hao. - 6 1.2 Máy bay không ngƣời lái dạng nhiều chong chóng mang (Multicopter. - 8 1.2.2 Phân loại máy bay nhiều chong chóng mang. - 11 1.2.3 Các cách phối trí cánh quạt trên multicopter. - 16 2.1 Nguyên lý lực nâng của cánh quạt. - 30 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA PHỐI TRÍ CÁNH QUẠT TỚI LỰC ĐẨY. - 32 3.1 Xây dựng bộ thí nghiệm đo lực đẩy. - 33 3.2 Phối trí cánh quạt đơn. - 45 3.2.3 So sánh kết quả lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc của 2 loại cánh đơn khác nhau. - 49 3.3.3 So sánh kết quả lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc của 2 loại cánh đơn GF8045 gá đồng trục và GF1045 gá đồng trục. - So sánh lực đẩy cánh kép đồng trục với đồng phẳng. - 10 Hình 11: X4 flyer Mark và chuyển động cơ bản của Quadcoper. - 16 Hình 17: Mặt cắt cánh quạt. - 18 Hình 19: Mô hình khí động của một cánh quạt. - 32 vii Hình 23: Động cơ. - 41 Hình 33: Bộ đo tốc độ quay cánh quạt Digital Tachometer. - 44 Hình 39: Đồ thị lực đẩy 2 cánh GF8045 gá đồng phẳng phụ thuộc vào vận tốc. - 45 Hình 40: Đồ thị lực đẩy 2 cánh GF1045 gá đồng phẳng phụ thuộc vào vận tốc. - 46 Hình 41: Đồ thị so sánh lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc với 2 loại cánh đƣờng kính khác nhau. - 47 Hình 42: Đồ thị so sánh lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc giữa hai cánh GF8045 đƣợc gá đồng trục. - 49 Hình 43: Đồ thị lực đẩy 2 cánh đơn GF1045 tự do phụ thuộc vào vận tốc. - 50 viii Hình 44: Đồ thị so sánh lực đẩy với 2 loại cánh đƣờng kính khác nhau gá đồng trục với cùng giá trị % Ga. - 51 Hình 45: Đồ thị so sánh lực đẩy với cánh GF8045 gá đồng trục và đồng phẳng với cùng giá trị % Ga. - 52 Hình 46: Đồ thị so sánh lực đẩy với cánh GF1045 gá đồng trục và đồng phẳng với cùng giá trị % Ga. - 53 ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Thông số kĩ thuật động cơ A2212-1000kv. - 42 Bảng 7: Kết quả đo vận tốc và lực đẩy hai cánh GF 8045 gá đồng phẳng. - 45 Bảng 8: Kết quả đo vận tốc và lực đẩy hai cánh GF 1045 gá đồng phẳng. - 46 Bảng 9: Kết quả đo vận tốc và lực đẩy của 2 loại cánh đƣờng kính khác nhau. - 47 Bảng 10: Kết quả đo vận tốc và lực đẩy hai cánh GF 8045 gá đồng trục. - 48 Bảng 11: Kết quả đo vận tốc và lực đẩy hai cánh GF 1045 gá đồng trục. - 49 Bảng 12: Kết quả đo vận tốc và lực đẩy của 2 loại cánh đơn GF8045 gá đồng trục và GF1045 gá đồng trục. - 50 Bảng 13: Lực đẩy của cánh GF8045 gá đồng trục và đồng phẳng. - 52 Bảng 14: Lực đẩy của cánh GF1045 gá đồng trục và đồng phẳng. - Cánh quạt quay tạo lực đẩy để nâng máy bay lên. - Vì vậy đối với drone, lực đẩy là yêu cầu cơ bản nhất và là nền tảng để thực hiện những chức năng khác. - Có 2 cách phối trí cánh quạt ảnh hƣởng đến lực đẩy của drone. - Phối trí cánh đơn - Phối trí cánh kép đồng trục Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hƣởng của 2 cách phối trí trên đến lực đẩy sinh ra bởi cánh quạt trên máy bay UAV nhiều chong chóng mang. - X8- Copter: Sử dụng 4 cánh tay đòn với 2 động cơ lắp đồng trục lên- xuống. - Chương 1: Giới thiệu chung 8 1.2 Máy bay không ngƣời lái dạng nhiều chong chóng mang (Multicopter) 1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Multicopter là một thiết bị bay không ngƣời lái có nhiều motor gắn với cánh quạt. - Động cơ phải linh hoạt, đáng tin cậy và dễ kiểm soát. - Sự di chuyển của Multicopter phụ thuộc vào sự điều chỉnh tốc độ quay của từng động cơ và cách sắp xếp chiều cánh quạt. - Các chuyển động đƣợc điều khiển qua sóng radio bằng cách thay đổi tốc độ quay giữa các cánh quạt. - Mô hình momen quay của Quadcoper Chương 1: Giới thiệu chung 10 Ví dụ với Quadrotor đƣợc thiết kế có dạng dấu cộng: Các chuyển động của quadrotor nhƣ điều chỉnh độ cao, điều chỉnh góc liệng, góc chúc, góc hƣớng đƣợc thực hiện nhờ thay đổi lực đẩy của từng động cơ. - Cụ thể, ở trạng thái bay treo (hover), lực đẩy do 4 động cơ tạo ra là tƣơng đƣơng nhau. - Để điều chỉnh góc liệng, các động cơ sẽ đƣợc chia thành hai nhóm nằm ở hai bên của trục xoay góc liệng, lực đẩy của mỗi motor trong một nhóm có độ lớn bằng nhau. - Tuy nhiên, lực đẩy của hai nhóm động cơ là khác nhau để điều chỉnh máy bay bay liệng. - 1.2.2 Phân loại máy bay nhiều chong chóng mang 1.2.2.1 Phân loại theo số lượng cánh quạt 1.2.2.1a Quadcoper là loại multicoper có 4 cánh quạt. - Cả 4 cánh phải sinh ra một lực đẩy bằng nhau khi Quadrocopter cất cánh và hạ cánh (Ga up/down). - Góc xoay (roll) đƣợc điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ giữa cánh bên phải và bên trái sao cho vẫn giữ nguyên tổng lực đẩy sinh ra bởi cặp cánh này. - Tƣơng tự nhƣ vậy, góc xoắn (pitch) đƣợc điều khiển bằng thay đổi tốc độ của 2 cánh phía trƣớc và phía sau mà vẫn giữ nguyên tổng lực đẩy. - Trong khi đó, góc lệch (yaw) đƣợc điều khiển nhờ vào sự thay đổi tốc độ của cặp cánh phải – trái so với tốc độ của cặp cánh trƣớc–sau mà tổng lực đẩy 4 cánh vẫn không đổi để Quadrocopter giữ đƣợc độ cao. - Tuy nhiên khi một trong các động cơ bị hỏng thì toàn bộ hệ thống sẽ bị mất ổn định và gây rơi, lực đẩy ít hơn, ít chính xác và ít ổn định hơn các loại multicoper nhiều cánh quạt hơn. - Chương 1: Giới thiệu chung 12 Hình 11: X4 flyer Mark và chuyển động cơ bản của Quadcoper 1.2.2.1b Hexacoper là loại multicoper có 6 cánh quạt. - Hình 12: Hexacopter, máy bay 6 chong chóng mang Hexacopter là bƣớc tiếp theo từ quadcopter, có sáu động cơ và cánh quạt tƣơng ứng. - 1.2.2.1c Octocoper là loại multicoper có 8 cánh quạt. - Hình13: Octocopter, máy bay 8 chong chóng mang Đây là dạng thiết kế tối ƣu, gồm 8 động cơ và cánh quạt, cung cấp lợi ích lớn hơn nhiều hexacoper. - Lực đẩy lớn, tải trọng lớn hơn hexacoper - Kiểm soát: Kiểm soát tuyệt vời mà không bị điều kiện gió cản trở. - Việc “Nghiên cứu ảnh hƣởng phối trí cánh quạt tới lực đẩy trên máy bay nhiều chong chóng mang” với mục đích nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất lực đẩy, hiệu suất tiêu hao năng lƣợng nhằm chế tạo UAV nâng cao khả năng mang tải mà vẫn tối ƣu đƣợc về mặt kích thƣớc và khối lƣợng. - Lực tƣơng tự cho trực thăng: Trong đó: D – đƣờng kính của rotor, V – vận tốc bay, p – khối lƣợng riêng của không khí, u – Vận tốc ký sinh của dòng ra Lý thuyết về lực nâng của cánh quạt Rotor dùng cho các vật thể bay còn đƣợc gọi là cánh quạt (đối với máy bay trực thăng và multicoper, rotor là tên thông thƣờng), dùng chuyển đổi chuyển động quay từ động cơ thành lực đẩy. - Các cánh quạt có thể đƣợc phân loại theo số blade và nhiều hơn), theo vị trí liên kết với động cơ (kéo hoặc đẩy), hoặc theo hình dạng của blade, góc xoắn (góc xoắn cố định và biến đổi) và một số tham số khác. - Với : là lực nâng tạo bởi mỗi động cơ ( i = 1,2,3. - T: là lực đẩy của cánh quạt hƣớng lên trên. - 2v và 1v: là các vận tốc phía trên và phía dƣới của cánh quạt. - 0v: là vận tốc dòng đi vào cánh quạt. - Cánh quạt có độ dày vô cùng nhỏ. - Xét 2 phần trên và dƣới của cánh quạt. - 24 Với công thức tính lực đẩy nhƣ sau: Trong đó. - hệ số lực đẩy T : Lực đẩy (N. - S: diện tích cánh quạt. - Gọi P1, T1 và P2, T2 là giá trị trọng lƣợng của động cơ và lực đẩy (N) do nó tạo ra tƣơng ứng với động cơ trên và dƣới. - 25 Giá trị lực đẩy động cơ phía trên sẽ đƣợc tính: T1 = M1 - P1 Lực tác dụng lên Loadcell phía dƣới chính là tổng giá trị của hai tầng cánh trên và dƣới tạo ra, vì vậy giá trị lực do động cơ phía dƣới tạo ra đƣợc tính: T2 = M2 - T1 - P2 2.3 Động lực học máy bay không ngƣời lái Lựa chọn mô hình máy bay UAV dạng Quadrotor làm đối tƣợng nghiên cứu cụ thể trong mục này vì tính cơ bản, hoạt động linh hoạt và phổ biến. - Mô men xoắn sinh ra từ động cơ đƣợc tính theo công thức: 0(I I )tK. - Điện áp đặt lên động cơ: mvV IR K. - (2.9) Trong đó: Rm - điện trở của động cơ. - Cuối cùng ta thu đƣợc công thức đơn giản cho công suất động cơ: KvtPK. - Lực tác dụng Công suất động cơ đƣợc sử dụng để nâng Quadrotor, theo nguyên lý bảo toàn năng lƣợng ta có thể thấy, năng lƣợng do động cơ sinh ra trong 1 khoảng thời gian bằng với tích của lực đẩy sinh ra từ cánh quạt với độ dịch chuyển của không khí qua nó (P.dt=F.dx. - Tƣơng đƣơng với điều này, công suất động cơ bằng tích của lực đẩy và vận tốc dòng khí. - Tổng hợp lực từ 4 động cơ cho ta tổng lực đẩy sinh ra (trong hệ quy chiếu gắn với thân máy bay) nhƣ sau : 41200BiiiT T k. - Mỗi động cơ hình thành một thành phần mô men theo trục z trong hệ quy chiếu thân máy bay. - (2.20) Với là vận tốc góc của cánh quạt, R là bán kính cánh quạt và b là hằng số. - (2.25) Trong đó L là khoảng cách từ trọng tâm máy bay tới trục động cơ. - Chúng ta có thể thu đƣợc véc tơ lực đẩy trong hệ quy chiếu quán tính từ véc tơ lực đẩy trong hệ quy chiếu thân máy bay thông qua ma trận xoay R. - (2.27) Trong đó x là véc tơ vị trí của Quadrotor trong hệ quy chiếu quán tính, g là gia tốc trọng trƣờng, DF là véc tơ lực cản và BTlà véc tơ lực đẩy trong hệ quy chiếu thân máy bay. - (2.33) 32 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA PHỐI TRÍ CÁNH QUẠT TỚI LỰC ĐẨY 3.1 Xây dựng bộ thí nghiệm đo lực đẩy Sự phát triển chóng mặt của công nghệ giúp máy bay không ngƣời lái (UAV) đảm nhiệm đƣợc nhiều nhiệm vụ hơn và chứng tỏ đƣợc sự ƣu việt của mình trong hoạt động thực tế. - Việc “Nghiên cứu ảnh hƣởng phối trí cánh quạt tới lực đẩy trên máy bay nhiều chong chóng mang” với mục đích nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất lực đẩy nhằm chế tạo UAV nâng cao khả năng mang tải mà vẫn tối ƣu đƣợc về mặt kích thƣớc và khối lƣợng. - Động cơ Bộ điểu tốc (ESC. - Thiết bị đo tốc độ quay cánh quạt Thiết bị cảm biến lực (Loadcell. - Trên thế giới hiện nay, các UAV chủ yếu sử dụng loại động cơ này. - Hình 36: Hình ảnh bộ thí nghiệm hai chong chóng đồng trục 44 Board mạch Arduino đƣợc kết nối với cảm biến HX711 và cảm biến lực Loadcell theo sơ đồ sau: Hình 37:Sơ đồ mắc nối mạch cảm biến Loadcell Hình 38: Thiết kế board mạch Arduino 3.2 Phối trí cánh quạt đơn 3.2.1 Hai cánh GF8045 gá đồng phẳng Kết quả của mỗi trƣờng hợp đƣợc xuất ra bảng Excel sau đó đƣợc tiến hành vẽ đồ thị với mỗi trƣờng hợp: 45 Bảng 7: Kết quả đo vận tốc và lực đẩy hai cánh GF 8045 gá đồng phẳng Vận tốc (v/p) Lực đẩy 2 cánh gá đồng phẳng (g) Vận tốc (v/p) Lực đẩy 2 cánh gá đồng phẳng (g Hình 39: Đồ thị lực đẩy 2 cánh GF8045 gá đồng phẳng phụ thuộc vào vận tốc 3.2.2 Hai cánh GF1045 gá đồng phẳng Kết quả của mỗi trƣờng hợp đƣợc xuất ra bảng Excel sau đó đƣợc tiến hành vẽ đồ thị với mỗi trƣờng hợp: 46 Bảng 8: Kết quả đo vận tốc và lực đẩy hai cánh GF 1045 gá đồng phẳng Vận tốc (v/p) Lực đẩy 2 cánh gá đồng phẳng (g) Vận tốc (v/p) Lực đẩy 2 cánh gá đồng phẳng (g Hình 40: Đồ thị lực đẩy 2 cánh GF1045 gá đồng phẳng phụ thuộc vào vận tốc 47 3.2.3 So sánh kết quả lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc của 2 loại cánh đơn khác nhau Từ bảng kết quả thí nghiệm đo lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc trong 2 trƣờng hợp cánh đơn GF8045 và GF1045 và bằng phƣơng pháp nội suy ta có bảng số liệu sau: Bảng 9: Kết quả đo vận tốc và lực đẩy của 2 loại cánh đường kính khác nhau 2 cánh GF8045 gá đồng phẳng 2 cánh GF1045 gá đồng phẳng Vận tốc (v/p) Lực đẩy (g) Lực đẩy (g Hình 41: Đồ thị so sánh lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc với 2 loại cánh đường kính khác nhau 48 3.2.4 Kết luận Theo bảng số liệu so sánh đo đƣợc trong các trƣờng hợp với các loại cánh khác nhau về đƣờng kính GF8045, GF1045 nhận thấy vận tốc cánh quạt tỷ lệ thuận với lực đẩy. - Với cùng một tốc độ quay, cánh có đƣờng kính lớn hơn sẽ tạo ra lực đẩy lớn hơn cánh có đƣờng kính nhỏ. - 3.3 Phối trí cánh kép đồng trục 3.3.1 Hai cánh GF8045 gá đồng trục Kết quả của mỗi trƣờng hợp đƣợc xuất ra bảng Excel sau đó đƣợc tiến hành vẽ đồ thị với mỗi trƣờng hợp: Bảng 10: Kết quả đo vận tốc và lực đẩy hai cánh GF 8045 gá đồng trục % Mức ga Cánh dƣới Cánh trên 2 cánh GF8045 gá đồng trục Vận tốc (v/p) Lực đẩy (g) Vận tốc (v/p) Lực đẩy (g) Lực đẩy (g Hình 42: Đồ thị so sánh lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc giữa hai cánh GF8045 được gá đồng trục 3.3.2 Hai cánh GF1045 gá đồng trục Kết quả của mỗi trƣờng hợp đƣợc xuất ra bảng Excel sau đó đƣợc tiến hành vẽ đồ thị với mỗi trƣờng hợp: Bảng 11: Kết quả đo vận tốc và lực đẩy hai cánh GF 1045 gá đồng trục % Mức ga Cánh trên Cánh dƣới 2 cánh GF1045 gá đồng trục Vận tốc (v/p) Lực đẩy (g) Vận tốc (v/p) Lực đẩy (g) Lực đẩy (g Hình 43: Đồ thị lực đẩy 2 cánh đơn GF1045 tự do phụ thuộc vào vận tốc 3.3.3 So sánh kết quả lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc của 2 loại cánh đơn GF8045 gá đồng trục và GF1045 gá đồng trục Từ bảng kết quả thí nghiệm đo lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc trong 2 trƣờng hợp 2 cánh đơn GF8045 gá đồng trục và GF1045 gá đồng trục, ta có bảng số liệu sau: Bảng 12: Kết quả đo vận tốc và lực đẩy của 2 loại cánh đơn GF8045 gá đồng trục và GF1045 gá đồng trục % Mức ga 2 cánh GF8045 gá đồng trục 2 cánh GF1045 gá đồng trục Lực đẩy (g) Lực đẩy (g Hình 44: Đồ thị so sánh lực đẩy với 2 loại cánh đường kính khác nhau gá đồng trục với cùng giá trị % Mức ga 3.3.4 Kết luận Trƣờng hợp cánh kép đƣợc gá đồng trục nhận thấy. - Khi tăng vận tốc cánh quạt thì lực đẩy cánh kép đồng trục cũng tăng theo. - Vận tốc và lực đẩy cánh phía trên luôn ổn định và lớn hơn cánh phía dƣới 3.4. - So sánh lực đẩy cánh kép đồng trục với đồng phẳng 3.4.1 Cánh GF8045 Từ bảng kết quả thí nghiệm đo lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc trong 2 trƣờng hợp 2 cánh GF8045 gá đồng phẳng và gá đồng trục, ta có bảng số liệu sau: 52 Bảng 13: Lực đẩy của cánh GF8045 gá đồng trục và đồng phẳng % Mức ga Cánh GF8045 gá đồng trục (g) Cánh GF8045 gá đồng phẳng (g Hình 45: Đồ thị so sánh lực đẩy với cánh GF8045 gá đồng trục và đồng phẳng với cùng giá trị % Mức ga 53 3.4.2 Cánh GF1045 Từ bảng kết quả thí nghiệm đo lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc trong 2 trƣờng hợp 2 cánh GF1045 gá đồng phẳng và gá đồng trục, ta có bảng số liệu sau: Bảng 14: Lực đẩy của cánh GF1045 gá đồng trục và đồng phẳng % Mức ga Cánh GF1045 gá đồng trục (g) Cánh GF1045 gá đồng phẳng (g Hình 46: Đồ thị so sánh lực đẩy với cánh GF1045 gá đồng trục và đồng phẳng với cùng giá trị % Mức ga 54 3.4.3 Kết luận Thí nghiệm đƣợc tiến hành đo với hai loại cánh GF8045, GF1045, động cơ A2212 và cùng một bộ thu tín hiệu để đảm bảo việc nhận tín hiệu cho hai động cơ là đồng thời. - Kết quả cho thấy lực đẩy của 2 cánh gá đồng phẳng thì lớn hơn lực đẩy của 2 cánh gá đồng trục, giá trị % Mức ga càng tăng thì độ chênh lệch lực đẩy giữa 2 cánh gá đồng phẳng và đồng trục càng lớn. - Tính toán, thiết kế bộ thí nghiệm kiểm tra lực nâng cánh đơn và hai cánh quạt đặt đồng trục hoàn chỉnh
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt