TỔNG QUAN VỀ UAV
Giới thiệu về UAV
UAV, hay còn gọi là máy bay không người lái, là loại máy bay không có phi công trực tiếp trong khoang lái Chúng có thể được điều khiển từ xa qua sóng radio từ các trạm mặt đất hoặc bay tự động theo quỹ đạo đã được lập trình sẵn UAV được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như trắc địa và quân sự, phục vụ cho mục đích do thám, thu thập dữ liệu mặt đất và bay qua những khu vực nguy hiểm.
Hệ thống máy bay không người lái bao gồm bốn thành phần chính: máy bay, trạm điều khiển mặt đất (GCS - Ground Control Station), hệ thống truyền nhận dữ liệu và hệ thống định vị.
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống UAV cơ bản
Máy bay: là vật thể bay được mang các thiết bị cần thiết
Trạm điều khiển mặt đất (GCS) là thiết bị quan trọng dùng để giám sát trạng thái thực tế của máy bay và theo dõi tín hiệu video từ camera trên máy bay Ngoài chức năng giám sát, GCS còn cho phép người điều khiển can thiệp trực tiếp vào quá trình bay tự động, bao gồm lập trình, thay đổi quỹ đạo bay và chuyển đổi giữa chế độ bay tự động và điều khiển từ xa.
Dữ liệu và thông số chuyến bay có thể được lưu trữ trên máy bay hoặc truyền trực tiếp về trạm điều khiển để xử lý và lưu trữ Hệ thống GCS có khả năng mô phỏng các thông số trạng thái đã lưu trữ, giúp phân tích và rút kinh nghiệm cho các chuyến bay sau.
Hệ thống truyền nhận dữ liệu bao gồm các cảm biến để đo lường và tính toán trạng thái máy bay, cơ cấu chấp hành để điều khiển máy bay, hệ thống camera để thu hình, và bộ vi xử lý để đọc tín hiệu từ cảm biến Hệ thống này đảm bảo trạm điều khiển giám sát trực tiếp các hoạt động bay và thu thập dữ liệu theo thời gian thực Nó bao gồm bộ thu phát tín hiệu video từ camera và bộ truyền nhận dữ liệu cùng tín hiệu điều khiển máy bay.
Hệ thống định vị trên máy bay, bao gồm GPS và INS, giúp xác định vị trí hiện tại và mục tiêu di chuyển UAV hoạt động như một hệ thống MIMO phức tạp, với nhiều thông số thay đổi liên tục, chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố môi trường như sức gió, độ cao và biến động luồng khí.
Hệ thống cơ: các động cơ điều khiển hướng, điều khiển lực nâng của máy bay trong không gian…
Hệ thống các sensor phản hồi: tốc độ dịch chuyển, toạ độ của UAV trong không gian, quỹ đạo bay…
Hệ thống điện-điều khiển: Thu thập dữ liệu từ sensor, tính toán các thông
Sáu số an toàn, cân bằng và ổn định cho UAV là yếu tố quan trọng để điều khiển hệ thống cơ theo quỹ đạo hoặc khu vực bay đã định trước, hoặc thông qua tín hiệu phản hồi từ các trạm dữ liệu mặt đất.
I.1.1 UAV theo mục đích sử dụng
UAV dùng trong quân sự: Ví dụ máy bay Predator (Hình 1.2) của không quân mỹ dùng để do thám, với khả năng mang rocket tấn công mục tiêu
UAV dùng trong dân sự: Ví dụ máy bay KATA (Hình 1.3) do Việt Nam chế tạo với mục đích phục vụ quản lý và bảo vệ môi trường
UAV được dùng để thực hiện các nghiên cứu khoa học: Ví dụ máy bay
Aerosonde dùng để nghiên cứu các cơn bão (Hình 1.4)
Hình 1.4 Aerosonde I.1.2 Phân loại UAV theo phạm vi và độ cao
Tầm hoạt động thấp với độ cao 600 m, phạm vi 2km: Ví dụ Desert
Hawk với vận tốc 32-96 km/h, độ cao 300m, phạm vi 1,5km (Hình 1.5)
Độ cao 1.500 m, phạm vi 10km: Ví dụ Civilian Scientific UAV (rover) với vận tốc 30 – 100 km/h, phạm vi hoạt động 5-10km, thời gian bay 1 giờ (Hình 1.6)
Độ cao 3000 m, phạm vi 50km: Ví dụ Mini-UAV Surveillance system với vận tốc 75-207km/h (47-130 mph), phạm vi hoạt động 50 km (31 miles), thời gian hoạt động 3 hours (Hình 1.7)
Hình 1.7 Mini-UAV Surveillance System
UAV chiến thuật SHADOW MK-I có khả năng bay ở độ cao 5.500 m và phạm vi hoạt động lên đến 160 km (100 miles) Với vận tốc từ 75-208 km/h (47-130 mph) và thời gian hoạt động lên tới 6 giờ, SHADOW MK-I là một ví dụ điển hình cho công nghệ UAV hiện đại.
UAV Độ cao 5.500m, phạm vi hoạt động > 160km: Ví dụ TORNADO với vận tốc 130-464 km/h (82-290 mph), phạm vi hoạt động 200 km (125 miles), thời gian hoạt động 20 giờ (Hình 1.9)
Mô hình UAV lựa chọn
Mô hình UAV lựa chọn với yêu cầu trần bay 600m (Hình 1.10)
Hình 1.10 Mô hình 3D bài toán
Bảng các thông số kĩ thuật:
Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật của UAV
Chiều dài dây cung cánh 0,225m
Diện tích đuôi ngang 6 Sq dm Trọng lượng rỗng 4 kg Khối lượng tổng thiết kế 7-8kg Thể tích nhiên liệu 0,5 lit
ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC TRƯỢT CẠNH ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA UAV TRONG CHẾ ĐỘ BAY BẰNG
Đặt vấn đề
Góc trượt cạnh là hiện tượng xảy ra khi máy bay bay thẳng về phía trước nhưng trục của máy bay lại nghiêng một góc β so với phương vận tốc Mặc dù máy bay vẫn duy trì hướng bay thẳng, nhưng sự nghiêng này tạo ra hiện tượng trượt, được minh họa trong Hình 2.1.
Việc khảo sát đặc tính khí động học của máy bay không chỉ dừng lại ở việc thay đổi góc tấn α, mà còn cần xem xét ảnh hưởng của các góc trượt cạnh Điều này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tác động của các yếu tố này đến chất lượng khí động của máy bay.
Bài toán: Khảo sát đặc tính khí động của UAV ở chế độ bay bằng (góc tấn α=0 ° ) ở độ cao 100m với vận tốc 20m/s khi thay đổi góc trượt cạnh β = 0-12°
Mô hình bài toán sử dụng phần mềm ANSYS để thực hiện mô phỏng, trong đó lưới được chia theo kiểu không cấu trúc với lưới tứ diện Phương pháp chia lưới tự động được áp dụng để tối ưu hóa quá trình này (Hình 2.2).
Hình 2.2 Mô hình bài toán Điều kiện biên sử dụng:
ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA UAV TRONG CHẾ ĐỘ BAY BẰNG
Đặt vấn đề
Chuyển động quay là một yếu tố quan trọng trong hoạt động của máy bay, ảnh hưởng đến đặc tính khí động học của nó Để hiểu rõ hơn về tác động của chuyển động này, chúng ta sẽ khảo sát máy bay khi bay bằng và quay quanh mỗi trục với vận tốc góc 1 độ/s Việc giải quyết bài toán chuyển động quay yêu cầu sử dụng hàm UDF (Chức năng do người sử dụng thiết lập).
III.1.1 Giới thiệu về hàm UDF
Hàm UDF (User Defined Function) là một công cụ mạnh mẽ cho phép người dùng lập trình can thiệp trực tiếp vào mã nguồn của phần mềm FLUENT, nhằm thiết lập các chức năng theo yêu cầu mà không thể thực hiện bằng các chức năng mặc định Ví dụ, hàm UDF có thể được sử dụng để thiết lập các thông số điều kiện biên, đặc tính vật liệu, tương tác giữa các bề mặt và khối, cũng như xử lý kết quả mô phỏng.
Hàm UDF được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình C, với các file nguồn được lưu trữ dưới định dạng đuôi ".c" Mỗi file nguồn này có thể chứa một hoặc nhiều hàm UDF kết hợp với nhau.
Hàm UDF được mô tả bằng các dạng lệnh (macro) DEFINE được cung cấp sẵn bởi FLUENT
Các dạng hàm con UDF cho lưới động của FLUENT a) Hàm DEFINE_CG_MOTION
Hàm con DEFINE_CG_MOTION được sử dụng để mô phỏng chuyển động của khối rắn, bao gồm hai yếu tố chính: vận tốc thẳng (linear velocity) cho chuyển động tịnh tiến và vận tốc góc (angular velocity) cho chuyển động quay của vật thể.
21 gian FLUENT sử dụng các biến vận tốc này để cập nhật vị trí của các nút (node) trong miền lưới động (dynamic zone)
DEFINE_CG_MOTION (name,dt,vel,omega, time,dtime)
Argument Type Ý nghĩa symbol name Tên hàm UDF
Dynamic_Thread *dt là cấu trúc lưu trữ đặc tính của vùng lưới động đã được xác lập trước đó hoặc tính toán bởi FLUENT Các biến real vel[] dùng để biểu thị vận tốc thẳng, real omega[] cho vận tốc góc, real time đại diện cho thời gian hiện tại, và real dtime là bước thời gian.
Một số đặc điểm của hàm DEFINE_CG_MOTION:
Trong mô phỏng, vật khảo sát được coi là một vật rắn, với tất cả các nút và biên/tường của nó chuyển động đồng nhất cùng với vật thể, không có sự chuyển động tương đối giữa chúng.
Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của vật thể phụ thuộc vào trọng tâm (Center of Gravity - CG) của nó Trọng tâm được xác định bởi người sử dụng và không được tính toán thông qua các đoạn mã.
- Lệnh DEFINE_CG_MOTION có thể được xây dựng để dùng cho cả chuyển động cưỡng bức (prescribed motion) và chuyển động kết hợp
(coupled motion) b) Hàm DEFINE_GEOM
Hàm con DEFINE_GEOM được sử dụng để mô phỏng trạng thái hình học(geometry) của một vùng biến dạng (deforming zone) Khi FLUENT cập
22 nhật mộtnút trên vùng biến dạng, nút đó sẽ được bố trí lại (“repositioned”) bằng cách gọi hàm con DEFINE_GEOM
DEFINE_GEOM(name, d, dt, position)
Argument Type Ý nghĩa symbol name Tên hàm UDF
The Dynamic_Thread *dt refers to the storage structure that represents a previously established or calculated dynamic grid region in FLUENT The real *position indicates the array that stores the position data Additionally, the DEFINE_GRID_MOTION function is utilized for grid motion definitions.
Hàm DEFINE_GRID_MOTION được sử dụng để kiểm soát chuyển động của từng nút riêng lẻ, cho phép kết hợp chuyển động của khối rắn với biến dạng và chuyển động tương đối giữa các nút một cách đồng thời.
DEFINE_GRID_MOTION(name, d, dt, time, dtime)
Argument Type Ý nghĩa symbol name Tên hàm UDF
Dynamic_Thread *dt là cấu trúc lưu trữ đặc tính của vùng lưới động đã được xác lập trước hoặc tính toán bởi FLUENT Thời gian hiện tại được gọi là real time, trong khi bước thời gian được biểu thị bằng real dtime.
The DEFINE_SDOF_PROPERTIES function is utilized to simulate the motion of an object in six degrees of freedom (SDOF) under the influence of applied forces and moments The motion characteristics of the object can encompass multiple combined zones.
DEFINE_SDOF_PROPERTIES(name, properties, dt, time, dtime) Argument Type Ý nghĩa symbol name Tên hàm UDF
Dynamic_Thread *dt đại diện cho cấu trúc lưu trữ các đặc tính của vùng lưới động đã được xác lập trước đó hoặc được tính toán bởi FLUENT Thuật ngữ "real time" chỉ thời gian hiện tại, trong khi "real dtime" đề cập đến bước thời gian.
Các lệnh được sử dụng:
- SDOF_MASS: khối lượng vật thể
- SDOF_IXX, SDOF_IYY, SDOF_IZZ: momen quán tính
- SDOF_IXY, SDOF_IXZ, SDOF_IYZ
- SDOF_LOAD_F_X, SDOF_LOAD_F_Y, SDOF_LOAD_F_Z: lực ngoài
- SDOF_LOAD_M_X, SDOF_LOAD_M_Y, SDOF_LOAD_M_Z: momen ngoài
- SDOF_LOAD_LOCAL: quy định hệ trục tọa độ
III.1.2 Điều kiện biên và xây dựng hàm UDF a Điều kiện biên
Bài toán khảo sát đặc tính khí động của UAV được thực hiện ở chế độ bay bằng với góc tấn α=0 °, ở độ cao 100m và vận tốc 20m/s Nghiên cứu tập trung vào việc quay UAV quanh các trục 0x, 0y và 0z với vận tốc góc 1 độ/s.
Mô hình bài toán được thực hiện bằng ANSYS Meshing để tiến hành mô phỏng (Hình 3.1) Lưới được chia theo dạng tứ diện với phương pháp chia lưới tự động, phân chia mô hình thành hai miền rõ ràng: miền trong và miền ngoài.
Miền trong: là vùng không gian bao quanh máy bay có dạng trụ ngắn
Miền ngoài: là vùng còn lại
Tường Đầu ra Đầu vào
Vận tốc góc quay quanh trục x: ω = 1 độ/s
Vận tốc góc quay quanh trục y : ω = 1 độ/s
Vận tốc góc quay quanh trục z: ω = 1 độ/s b Xây dựng hàm UDF
#include "dynamesh_tools.h" static real omega_z=0.01745;
DEFINE_CG_MOTION(quayz,dt,vel,omega,time,dtime)
Thread *tf1 = Lookup_Thread (domain, 2); t= DT_THREAD((Dynamic_Thread*)dt);
/* get the thread pointer for which this motion is defined */ omega[2]=0.01745; /*definition of the velocity of the center of gravity and speed*/
/* set components of velocity */ omega[2]=omega_z;
ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA UAV TRONG CHẾ ĐỘ BAY BẰNG
Đặt vấn đề
Trong quá trình chuyển động, vận tốc của máy bay thay đổi theo thời gian, ảnh hưởng đến chất lượng khí động học Để khảo sát sự thay đổi vận tốc theo hàm thời gian, chúng ta sử dụng hàm sin: V=Vo+Asin(ωt) với A=0,25Vo Để giải quyết bài toán chuyển động thẳng thay đổi theo thời gian, ta áp dụng hàm UDF đã trình bày trong chương trước, cụ thể là hàm con DEFINE_CG_MOTION để mô phỏng bài toán với các điều kiện đã nêu.
Mô hình lưới: giống với chương III Điều kiện biên bài toán:
Xây dựng hàm UDF sử dụng trong bài toán:
UDF for specifying a transient velocity profile boundary condition
DEFINE_PROFILE(unsteady_velocity, thread, position)
{ face_t f; real t = CURRENT_TIME; begin_f_loop(f, thread)
Kết quả
IV.2.1 Vận tốc thay đổi theo thời gian – hàm sin a Trường phân bố áp suất
Trường phân bố áp suất trên máy bay được thể hiện qua Hình 4.1, trong đó Hình 4.1a mô tả phân bố áp suất tĩnh, không phụ thuộc vào thời gian Các hình còn lại từ Hình 4.1b đến Hình 4.1f minh họa sự thay đổi của phân bố áp suất trên bề mặt máy bay tại các thời điểm khác nhau.
35 a Không phụ thuộc thời gian b Sin(ωt) = 0, (L'.5; Cl=0.373) t=0s c Sin(ωt) = 1/2(L5.6;Cl=0.367)t=1.25s d Sin(ωt) = 1 (L@.7; Cl=0.353) t=2.5s e Sin(ωt) = -1/2(L.9;Cl=0.37) t=6.25s f Sin(ωt) = -1 (L.9; Cl=0.356) t=7.5s
Hình 4.1 Trường phân bố áp suất tại các thời điểm khác nhau
Áp suất tại bề mặt cánh UAV thay đổi theo thời gian trong chu kỳ dao động, với thời điểm t = 2.5s (sin(ωt) = 1) là lúc áp suất nhỏ nhất và lực nâng lớn nhất Khi sin(ωt) giảm xuống các giá trị 1/2, 0, -1/2, và -1, áp suất bề mặt tăng lên và lực nâng giảm do vận tốc v giảm, điều này phù hợp với lý thuyết khí động học Ngoài ra, chất lượng khí động cũng bị ảnh hưởng bởi vận tốc theo thời gian, thể hiện qua mối quan hệ giữa lực nâng và lực cản của UAV.
Hình 4.2 Vận tốc, lực nâng và lực cản theo thời gian
Nhìn vào đồ thị, có thể thấy rằng khi vận tốc của UAV biến thiên theo hàm sin, lực nâng và lực cản cũng thay đổi theo hàm sin và luôn đồng pha trong mỗi chu kỳ dao động Sự biến thiên của vận tốc theo thời gian ảnh hưởng đến hệ số lực nâng, hệ số lực cản và chất lượng khí động của UAV.
Hình 4.2 Đồ thị vận tốc-hệ số lực nâng theo thời gian
Hình 4.3 Đồ thị vận tốc-hệ số lực cản theo thời gian
Hình 4.4 Đồ thị vận tốc-chất lượng khí động theo thời gian
Trong một chu kỳ dao động từ [0,T], vận tốc thay đổi theo hàm sin với biên độ trong khoảng [-A, A] Đồ thị hệ số lực nâng CL và hệ số lực cản CD cũng biến thiên theo chu kỳ dưới dạng hình sin, nhưng có độ trễ pha so với vận tốc.
Trong giai đoạn I từ [0,T/4], vận tốc tăng từ [Vo,Vo+A], dẫn đến hệ số lực nâng Cl và hệ số lực cản Cd đều tăng dần Đồng thời, hệ số chất lượng Cl/Cd giảm dần trong quá trình này.
Trong giai đoạn II, từ thời điểm T/4 đến T/2, vận tốc giảm từ [Vo+A] đến [Vo] Trong khi đó, hệ số lực nâng Cl và hệ số lực cản Cd đều gia tăng, dẫn đến hệ số chất lượng Cl/Cd tiếp tục giảm dần.
Trong giai đoạn III, khi vận tốc giảm từ [Vo, Vo-A], hệ số lực nâng tiếp tục tăng và đạt cực đại gần thời điểm 3T/5, sau đó có xu hướng giảm dần Đồng thời, hệ số lực cản Cd cũng tăng và đạt cực đại tại thời điểm gần 3T/5 trước khi giảm dần Hệ số chất lượng khí động Cl/Cd tiếp tục giảm và đạt cực tiểu gần thời điểm 3T/5, sau đó có xu hướng tăng dần.
Giai đoạn IV cho thấy vận tốc tăng từ [Vo-A, Vo], trong khi hệ số lực nâng Cl giảm và đạt giá trị cực tiểu gần thời điểm T, sau đó có xu hướng tăng dần trong chu kỳ tiếp theo Đồng thời, hệ số lực cản Cd cũng tiếp tục giảm và đạt giá trị cực tiểu tại thời điểm tương ứng.
Vào thời điểm T, hệ số chất lượng khí động Cl/Cd đạt cực đại và sau đó có xu hướng giảm trong chu kỳ tiếp theo Tuy nhiên, trước thời điểm T, giá trị này có xu hướng tăng lên.
Trong toàn bộ chu kỳ, hệ số lực nâng và lực cản luôn trùng pha và có xu hướng thay đổi đồng nhất Tuy nhiên, hệ số chất lượng khí động Cl/Cd lại có xu hướng ngược lại Đặc biệt, khi V=Vo, hệ số chất lượng khí động đạt giá trị lớn nhất.
IV.2.2 Ảnh hưởng của vận tốc ban đầu Vo Để đánh giá ảnh hưởng của Vo tới chất lượng khí động của máy bay khi vận tốc đầu vào thay đổi theo thời gian có chu kỳ ta tiến hành mô phỏng với các trường hợp vận tốc Vo,15,20,25 m/s tần số f=0.1 cho ta được kết quả sau:
Hình 4.5 Đặc tính khí động của UAV theo vận tốc ban đầu V 0
Nhận xét : Dựa vào đồ thị ta có thể thấy được V 0 không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khí động của máy bay trong dải làm việc của nó
IV.2.3 Ảnh hưởng của tần số dao dộng Để đánh giá ảnh hưởng của tần số f tới chất lượng khí động của máy bay khi vận tốc đầu vào thay đổi theo thời gian có chu kỳ ta tiến hành mô phỏng với các trường hợp: f=0.1; 0.2 với vận tốc V 0 m/s
Kết quả nhận được như sau:
• Đồ thị hệ số lực nâng theo thời gian:
Hình 4.6 Đồ thị hệ số lực nâng theo thời gian
• Đồ thị hệ số lực cản theo thời gian:
Hình 4.7 Đồ thị hệ số lực cản theo thời gian
• Đồ thị hệ số chất lượng khí động theo thời gian:
Hình 4.8 Đồ thị hệ số chất lượng khí động theo thời gian
Dựa vào đồ thị, có thể thấy rằng tần số dao động f ảnh hưởng rõ rệt đến biên độ dao động của hệ số chất lượng khí động của máy bay Cụ thể, khi tần số dao động nhỏ, biên độ dao động cũng sẽ nhỏ hơn so với khi tần số dao động lớn.
