báo cáo thiết kế hệ thống cơ điện tử

MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU 2 1. Giới thiệu: 3 Chương 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 4 VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 4 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu và cơ sở hình thành đề tài 4 2.1.1 Các nghiên cứu đã thực hiện: 4 2.1.2 Cơ sở hình thành đề tài và mục tiêu nghiên cứu: 12 2.2 Cơ sở lý thuyết và phương án thiết kế: 13 2.2.1 Cơ sở lý thuyết: 13 2.2.2 Phương án thiết kế: 13 Chương 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 18 3. Thiết kế cơ khí: 18 3.1 Sơ đồ truyền động của máy bay và tính toán bộ truyền: 18 3.2 Thiết kế thân trên và thân dưới: 21 3.3 Thiết kế vỏ nhựa, chân đáp, đuôi và các phụ kiện 23 Chương 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT BỘ ĐIỀUKHIỂN CHO MÁY BAY 27 4. Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho máy bay: 27 4.1 Mô hình hóa: 27 4.2 Thiết kế bộ điều khiển: 37 Chương 5: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN MẠCH ĐIỆN 44 5. Giải thuật điều khiển và phần mạch điện: 44 5.1 Giải thuật điều khiển tổng quát. 44 5.2 Mạch điện và lập trình: 45 5.3 Mô hình mạch điều khiển: 50 5.4 Mạch điện: 51 Chương 6: ĐÁNH GIÁ & NHẬN XÉT 54 Thi ế t k ế h ệ th ố ng cơ đi ệ n t ử Nhóm HNTT 2 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến LỜI NÓI ĐẦU Để có được kiến thức như hôm nay, nhóm em xin chân thành cảm ơn các thầy trong bộ môn Cơ Điện tử - Khoa Cơ Khí, Đại học Bách Khoa, Thành phố Hồ Chí Minh. Tôi xin cảm ơn thầy Nguyễn Tấn Tiến - thầy hướng dẫn nhóm thực hiện báo cáo môn học này. Không chỉ học hỏi được kiến thức của thầy, nhóm còn học được ở thầy phương pháp nghiên cứu cũng như sự nhiệt tâm của người thầy với học trò. Cuối cũng, tôi xin cảm ơn các bạn học và người thân đã giúp đỡ để tôi có được ngày hôm nay. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 12 năm 2013 Nhóm 1 thực hiện Thi ế t k ế h ệ th ố ng cơ đi ệ n t ử Nhóm HNTT 3 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Chương 1: GIỚI THIỆU 1. Giới thiệu: Máy bay (phi cơ): phương tiện vận tải hay chiến đấu bay trên không nhờ động cơ. Những máy bay đầu tiên được chế tạo để thực hiện ước mơ của con người di chuyển trên mặt đất, chinh phục không gian. Tuy nhiên, ngày nay máy bay đóng vai trò không thể thiếu trong kinh tế và quân sự. Mặt khác, giao thông vận tải hàng không là loại hình có độ an toàn cao, xác suất rủi ro cực thấp nếu so sánh với các loại hình giao thông vận tải khác. Vì vậy, hiện nay công nghiệp chế tạo máy bay là ngành công nghiệp mũi nhọn – công nghệ cao chỉ có các cường quốc kinh tế trên thế giới mới thực hiện được và là ngành định hướng công nghệ cho các ngành công nghiệp khác. Máy bay cố định và máy bay trực thăng là hai loại máy bay được nghiên cứu và chế tạo trên thế giới. Mỗi loại máy bay đều có ưu và nhược điểm riêng. Mà các nghiên cứu về máy bay trên thế giới được thực hiện rất nhiều và đa dạng. Trong nội dung nghiên cứu này chỉ tập trung vào một lĩnh vực máy bay trực thăng. Máy bay trực thăng (lên thẳng): là phương tiện bay có động cơ, hoạt động bay bằng cánh quạt, có thể cất cánh, hạ cánh thẳng đứng, có thể bay đứng trong không khí, điều khiển lên xuống, tiến lùi và qua trái phải. Trực thăng có rất nhiều công năng cả trong đời sống thường nhật, trong kinh tế quốc dân và trong quân sự. Các nghiên cứu về lý thuyết khí động học, kết cấu cơ khí, giải thuật điều khiển cho máy bay trực thăng đã được thực hiện rất nhiều. Tuy nhiên, nhưng nghiên cứu về máy bay trực thăng trên thế giới vẫn đang phát triển, hoàn thiện. Trong các nghiên cứu đó thường sử dụng máy bay mô hình để kiểm nghiệm các lý thuyết, giải thuật điều khiển cho máy bay. Thi ế t k ế h ệ th ố ng cơ đi ệ n t ử Nhóm HNTT 4 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Chương 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu và cơ sở hình thành đề tài 2.1.1 Các nghiên cứu đã thực hiện:  Ngoài nước Ngay từ xa xưa, loài người đã ước mơ bay lượn được trên không trung như loài chim, tuy đã có vô số lần thử và thất bại, người ta vẫn không từ bỏ giấc mơ này. Cho đến đầu thế kỉ 20, anh em nhà Later đã chế tạo và thử nghiệm máy bay đầu tiên vào ngày 17/12 /1903. Sự kiện này đánh dấu một bước ngoặt lịch sử cho ngành hàng không – loài người đã có chiếc máy bay đầu tiên điều khiển được. Hình 1: Máy bay đầu tiên Những năm sau đó, các nghiên cứu về máy bay liên tục được thực hiện. Trong đó, máy bay trực thăng được phát nghiên cứu song hành cùng máy bay cánh cố định ngay từ thế kỷ 19. Một loạt nhà kỹ thuật hàng không như Jan Bahyl, Oszkár Asbóth, Louis Breguet, Paul Cornu, Emile Berliner,Ogneslav Kostovic Stepanovic và Igor Ivanovich Sikorsky đã đưa ra thử nghiệm các mô hình máy bay trực thăng. Ngày 24 tháng 8 năm 1907 lần đầu tiên mô hình trực thăng bay lên được, nó do anh em Louis và Jacque Thi ế t k ế h ệ th ố ng cơ đi ệ n t ử Nhóm HNTT 5 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Breguet người Pháp chế tạo dưới sự cố vấn kỹ thuật của giáo sư Charles Richet. Mô hình này hoàn toàn không thể điều khiển nổi và không thể chở nổi người, chỉ có thể bay lên được 50 cm. Tại nước Nga Igor Ivanovich Sikorsky sau này trở thành nhà tiên phong trực thăng và nhà công nghiệp sản xuất trực thăng nổi tiếng thế giới đã thí nghiệm trực thăng đầu tiên của mình vào năm 1908. Những năm tiếp theo máy bay mô hình tiếp tục phát triển. Tuy nhiên, mô hình máy bay trực thăng tự cân bằng đầu tiên được chế tạo năm 1969 bởi Ms Penni. Cô đã chứng minh được tính ổn định và tính không ổn định trong hội nghị chuyên đề DC/ RC tháng 5 năm 1969. Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về máy bay trực thăng trên thế giới. Các nghiên cứu rất đa dạng từ kết cấu cơ khí, biên dạng cánh quạt, giải thuật điều khiển…. Có thể liệt kê một số mô hình nghiên cứu trên thế giới như sau: 1. Sơ đồ một cánh quạt nâng, một cánh quạt đuôi: Đây là sơ đồ cơ bản của máy bay trực thăng. Sơ đồ gồm một cánh quạt chính để nâng máy bay và một cánh quạt đuôi theo chiều thẳng đứng. Hình 2: Sơ đồ máy bay trực thăng một cánh quạt nâng, một cánh quạt đuôi Thi ế t k ế h ệ th ố ng cơ đi ệ n t ử Nhóm HNTT 6 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Khi cánh quạt chính quay, thân máy bay cũng quay theo trục của cánh quạt máy bay theo chiều ngược lại. Để chống lại hiện tượng tự quay này, máy bay có thêm một cánh quạt đuôi theo chiều thẳng đứng, gió thổi theo chiều ngang. Lực đẩy của cánh quạt đuôi tạo nên momen lực đuôi có cánh tay đòn dài bằng khoảng cách từ trục cánh quạt đuôi đến trục nâng quạt sẽ cân bằng và triệt tiêu sự quay của thân máy bay, giữ hướng cố định cho máy bay. Ưu điểm: - Rất đơn giản về kỹ thuật, độ tin cậy cao, độ tin cậy của các cơ cấu máy tốt. 95% số trực thăng trên thế giới dựa trên theo sơ đồ nguyên lý này. Nhược điểm: - Chỉ có một cánh quạt nâng nên chịu toàn bộ lực nâng của máy bay và lực đẩy ngang nên đường kính quạt và vận tốc phải lớn, dễ dẫn tới cộng hưởng, rung lắc gây gãy cánh quạt. - Công suất của cánh quạt đuôi lớn, chiếm khoảng 20 – 30 % công suất của máy bay, đây là công suất phí phạm, không giúp gì cho việc nâng máy bay và chuyển động thẳng. - Khi có gió mạnh thổi ngang thân làm vô hiệu hóa cánh quạt đuôi do đó thời tiết hoạt động thường ổn định. - Vì có đuôi làm cánh tay đòn cho momen cánh quạt đuôi nên độ dài máy bay bị kéo dài ở phần đuôi không cần thiết. 2. Sơ đồ chỉ một cánh quạt nâng. Sơ đồ này chỉ sử dụng một cánh quạt để nâng máy bay, không sử dụng cánh quạt đuôi. Máy bay cân bằng dựa theo hiệu ứng Coanda, dòng khí phụt ra có xu hướng bám dính vào vào thành vật cứng và tạo momen chống lại momen thân máy bay quay. Loại Thi ế t k ế h ệ th ố ng cơ đi ệ n t ử Nhóm HNTT 7 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến máy không cánh quạt đuôi này có hệ thống bơm khí chạy ra đuôi và được phụt ra theo van tiết lưu. Sự tăng giảm lượng khí qua van tiết lưu này làm làm tăng giảm momen chống quay này và điều khiển máy bay qua trái phải. Hiện nay, máy bay này còn đang rất mới, chỉ có hãng MCDonnel Douglas áp dụng. Loại máy bay này còn được gọi là trực thăng MD, sơ đồ trực thăng này hiện chưa có số liệu để đánh giá ưu nhược của sơ đồ này. Hình 3: Sơ đồ một cánh quạt nâng, không cánh quạt đuôi 3. Sơ đồ hai cánh quạt nâng đồng trục. Sơ đồ này sử dụng hai cánh quạt nâng đồng trục, không sử dụng cánh quạt đuôi. Sơ đồ này còn có tên gọi Kamov theo tổ hợp thiết kế, chế tạo Kamov của Liên Xô. Thi ế t k ế h ệ th ố ng cơ đi ệ n t ử Nhóm HNTT 8 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Hình 4: Sơ đồ hai cánh quạt nâng, không sử dụng cánh quạt đuôi Đặc điểm của sơ đồ này là không sử dụng cánh quạt đuôi mà có hai bộ cánh quạt đồng trục, quay ngược chiều nhau để triệt tiêu momen quay thân máy bay. Thay đổi vận tốc hai cánh quạt để máy bay bay sang trái, phải, rẽ hướng. Ưu điểm: - Vì có hai cánh quạt nâng nên đường kính, vận tốc quay của cánh quạt không cần lớn, cho phép hoạt động hiệu suất cao. - Độ an toàn chống cộng hưởng, do có hai cánh quạt triệt tiêu lẫn nhau, chống rung giật cánh quạt tốt. - Tính cơ động cao, có thể rẽ hướng đột ngột, di chuyển lên, xuống, tiến lùi linh hoạt. - Vì không có cánh quạt đuôi nên hoạt động được trong thời tiết khắc nghiệt, đồng thời kích thước nhỏ gọn Nhược điểm: - Hệ thống cánh phức tạp. Bản thân cánh quạt với hệ thống biến bước dùng cho máy bay cân bằng đã phức tạp, kết hợp với hai cánh quạt đồng trục làm việc chế Thi ế t k ế h ệ th ố ng cơ đi ệ n t ử Nhóm HNTT 9 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến tạo hệ thống trục cần độ chính xác cao. Bộ phận này cũng là bộ phận gặp rủi ri nhiêu nhất trong sơ đồ bố trí máy bay theo hướng này. Thi ế t k ế h ệ th ố ng cơ đi ệ n t ử Nhóm HNTT 10 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến 4. Sơ đồ hai cánh quạt nâng trước sau. Hai cánh quạt nâng được gắn ở đầu và đuôi máy bay Hình 5: Sơ đồ hai cánh quạt nâng trước sau Hai cánh quạt quay ngược chiều nhằm triệt tiêu mô men tự quay thân. Khi muốn rẽ hướng ta chỉ cần làm chênh lệch vận tốc quay của hai đĩa cánh quạt và thân máy bay quay tương ứng theo chiều cánh quạt quay chậm hơn. Ưu điểm: - Hiệu suất cao, độ an toàn cộng hưởng, chống rung lắc tốt, không có công suất phí phạm, sức nâng rất tốt nên thường được dùng làm cần cẩu bay. Nhược điểm: - Rất khó điều khiển và tính cơ động kém [...]... thiết kế Hình 18: Mô hình cụm đuôi máy bay 24 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT Hình 19: Vỏ nhựa Hình 20: Chân đáp 25 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT Hình 21: Mô hình máy bay hoàn chỉnh 26 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT Chương 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT BỘ ĐIỀUKHIỂN CHO MÁY BAY 4 Mô hình hóa và thiết. .. dàng GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT Chương 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 3 Thiết kế cơ khí: Từ yêu cầu cần thiết cho mô hình ta thiết kế từng cụm của máy bay như sau: 1 Bộ phận tạo lực cho máy bay gồm và điều khiển máy bay ( cơ cấu tác động ): cụm cánh quạt trục chính trên, dưới, cánh quạt đuôi 2 Thân trên và thân dưới Thân trên: gồm bệ đỡ động cơ, bánh răng và các trục truyền... mạch điện (cảm biến gyro) nên ta cần thiết kế riêng 1 đế để lắp mạch điện Đế cần có chốt hay lỗ để có thể lắp với khung Bệ lắp mạch điện có những yêu cầu sau: - Nhựa có khả năng đàn hồi vì chi tiết này được lắp với chân đáp - Có chỗ để chưa pin hay đối trọng để cân bằng máy bay Có gờ để bắt vis giữ mạch điện 22 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT Sau khi thiết kế ta... tỉ số tuyền từ động cơ đến trục z = 6 Chọn số răng z1 = 8, z21 = 16; z22 = 7, z3 = 21 Chọn modun m = 0.25, ta có khoảng cách trục như sau: Khoảng cách trục động cơ và trục 1: 3mm Khoảng cách trục 1 đến trục 2: 4mm Vậy khoảng cách giữa 2 tâm động cơ là 24 mm 20 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT 3.2 Thiết kế thân trên và thân dưới: Yêu cầu thiết kế thân trên: - Có các... Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT Hình 12: Sơ đồ truyền động Công cuất của cánh quạt nâng: Pct  F v 2.0, 0712   0,1424.10 3 1000 1000 Dựa vào lược đồ động của máy bay ta xác định hiệu suất hệ thống truyền động: - Hiệu suất ổ trượt: η = 0,97 - Hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ để hở: η = 0,93 Hiệu suất chung cả hệ thống:   12  2 2  0,97 2.0,932  0,814 Công suất mà động cơ cần:... của máy bay trong điều kiện phòng thí nghiệm  12 Điều khiển bằng tay các tác vụ đơn giản: tới, lui, lên cao, hạ xuống GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT 2.2 Cơ sở lý thuyết và phương án thiết kế: 2.2.1 Cơ sở lý thuyết: Cơ sở lý thuyết về khí động lực học: Trực thăng bay được là nhờ chênh áp giữa mặt trên và dưới của cánh chính Do đường biên của mặt bên phải lớn hơn... từ trọng tâm thân đến trọng tâm của hệ Khoảng cách từ trọng tâm đuôi đến trọng tâm của 27 Nm m GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến m m Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT hệ h Khoảng cách từ trọng tâm trục chính đến trọng tâm của hệ theo phương y Khoảng cách từ trọng tâm cánh trên đến trọng tâm của hệ theo phương y Khoảng cách từ trọng tâm cánh dưới đến trọng tâm của hệ theo phương y Chiều cao thân máy... trò quan trọng giúp máy bay có hình dáng khí động hay không Vỏ máy bay thiết kế tối ưu giúp giảm lực cản lên máy bay đồng thời giúp máy đổi hướng dễ dàng 23 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT Trong phạm vi đề tài, nhóm vẫn chưa có thời gian để nghiên cứu hết về khí động của máy bay nên chưa thể thiết kế được phần vỏ và đuôi nên nhóm sẽ tham khảo hình dáng và kích thước... momen quán tính của máy bay, ta cần tính riêng theo từng trục của hệ tọa độ Để đơn giản hóa, ta sẽ xem cánh như tấm mỏng, hình dáng của cả tầng cánh như hình tròn mỏng, thân máy bay bao gồm motor, pin và hệ thống điện được mô hình như một hình khối với chiều cao h, rộng w và bề dày d 28 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT A B C Z X D O E Y P Hình 22: Mô hình hóa máy bay... thước lắp giữa bệ đỡ động cơ và các tấm khung, ta tiến hành thiết kế biên dạng của các tấm khung Khung trong và khung ngoài được thiết kế như sau: 21 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT Hình 14: Tấm khung trong và khung ngoài Sau khi có các chi tiết cơ bản, ta sẽ tiến hành lắp ráp và canh chỉnh lại kích thước trên máy tính cho phù hợp và thẫm mỹ, sau công đoạn này, ta có . Phương án thiết kế: 13 Chương 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 18 3. Thiết kế cơ khí: 18 3.1 Sơ đồ truyền động của máy bay và tính toán bộ truyền: 18 3.2 Thiết kế thân trên và thân dưới: 21 3.3 Thiết kế vỏ. k ế h ệ th ố ng cơ đi ệ n t ử Nhóm HNTT 18 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Chương 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 3. Thiết kế cơ khí: Từ yêu cầu cần thiết cho mô hình ta thiết kế từng cụm của máy. tránh hiện tượng trên, ta cần thiết kế hệ thống cân bằng nhằm triệt tiêu momen tác động lên thân máy bay. 2.2.2 Phương án thiết kế: Có rất nhiều phương án thiết kế được sử dụng trong máy bay