Nghiên ứu ảnh hưởng phối trí cánh quạt tới lực đẩy trên máy bay nhiều chong chóng mang

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 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204842111000000 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 CHĨNG MANG Chun 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 Q HÀ NỘI – 2018 i CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Vũ Thị Trang Đề tài luận văn: Nghiên cứu ảnh hƣởng phối trí cánh quạt tới lực đẩy máy bay nhiều chong chóng mang Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số HV: CAC17003 Tác giả, Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 26/04/2018 với nội dung sau: - Chỉnh sửa lỗi tả, đánh máy - Chỉnh sửa, bổ sung cụ thể phần kết luận Ngày Giáo viên hƣớng dẫn tháng 05 năm 2018 Tác giả luận văn TS Vũ Đình Quý Vũ Thị Trang CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Đinh Tấn Hƣng ii LỜI CAM ĐOAN Tôi – Vũ Thị Trang, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí Động lực khóa CLC2017A Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn cơng trình nghiên cứu thân dƣới hƣớng dẫn TS Vũ Đình Q – Viện Cơ khí Động lực – Đại học Bách khoa Hà Nội Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, ngày 29 tháng năm 2018 Tác giả Vũ Thị Trang i Xác nhận giáo viên hƣớng dẫn mức độ hoàn thành luận văn tốt nghiệp cho phép bảo vệ: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Giảng viên hƣớng dẫn TS Vũ Đình Q ii TĨM 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: Ngày nay, máy bay khơng ngƣời lái nhiều chong chóng mang trở nên phổ biến có nhiều ứng dụng thực tế nhƣ quay phim, chụp ảnh, giám sát an ninh, cảnh báo cháy rừng, … Đối với máy bay nhiều chong chóng mang, lực đẩy yêu cầu tảng để thực chức khác Chỉ có lực đẩy, máy bay thực đƣợc nhiệm vụ đặt Trong nƣớc có nhiều đề tài nghiên cứu máy bay nhiều chong chóng mang, nhiên việc nghiên cứu tính tốn thiết kế khó khăn phải khắc phục hạn chế khí động học làm ảnh hƣởng tới chất lƣợng lực đẩy dẫn đến hiệu thấp so với lƣợng lƣợng tiêu hao Do luận văn này, mục đích nghiên cứu ảnh hƣởng tƣơng tác cánh đơn gá đồng phẳng cánh kép đồng trục đồng thời đƣa so sánh tính hiệu máy bay nhiều chong chóng mang sử dụng phƣơng pháp gá đồng phẳng đồng trục Từ khóa: UAV: Unmanned Aerial Vehicle (máy bay khơng ngƣời lái), Drone (máy bay khơng ngƣời lái có nhiều motor gắn với chong chóng mang), Multicopter (máy bay khơng ngƣời lái dạng nhiều chong chóng mang) STUDY THE EFFECTS OF THE CONFIGURATIONS OF ROTORS ON THRUST GENERATED IN MULTICOPTER UAV Abstract: In the recent years, the scientists have focused on the efficiency of the UAV with multirotor using the coaxial multirotor scheme because of carrying more massive loads than UAV with multirotor However, the study of design and calculations is quite tricky due to overcoming of the aerodynamic limitations affected on the quality of the lift, which leads to having less efficient than energy consumption In this project, interactive effects of monorotor and double coaxial rotor will be studied to present the comparisons of effectiveness using coaxial multirotor against monorotor Keywords:.UAV (Unmanned Aerial Vehicle), Drone, Multicopter iii MỤC LỤC TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN iii DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG ix LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tổng quan máy bay không ngƣời lái (UAV) 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Ứng dụng 1.1.3 Phân loại 1.2 Máy bay không ngƣời lái dạng nhiều chong chóng mang (Multicopter) 1.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động .8 1.2.2 Phân loại máy bay nhiều chong chóng mang .11 1.2.3 Các cách phối trí cánh quạt multicopter 14 1.3 Nội dung nghiên cứu luận văn .15 CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐỘNG LỰC HỌC MÁY BAY NHIỀU CHONG CHÓNG MANG 16 2.1 Nguyên lý lực nâng cánh quạt 16 2.2 Cơ sở lý thuyết khí động .21 2.3 Động lực học máy bay không ngƣời lái 25 2.3.1 Hệ tọa độ .25 2.3.2 Motor 26 2.3.3 Lực tác dụng 27 iv 2.3.4 Mô men 28 2.3.5 Phƣơng trình chuyển động 30 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA PHỐI TRÍ CÁNH QUẠT TỚI LỰC ĐẨY 32 3.1 Xây dựng thí nghiệm đo lực đẩy 32 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý chung 32 3.1.2 Thiết kế, chế tạo thí nghiệm 33 3.2 Phối trí cánh quạt đơn 44 3.2.1 Hai cánh GF8045 gá đồng phẳng 44 3.2.2 Hai cánh GF1045 gá đồng phẳng 45 3.2.3 So sánh kết lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc loại cánh đơn khác .47 3.2.4 Kết luận 48 3.3 Phối trí cánh kép đồng trục 48 3.3.1 Hai cánh GF8045 gá đồng trục .48 3.3.2 Hai cánh GF1045 gá đồng trục .49 3.3.3 So sánh kết lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc loại cánh đơn GF8045 gá đồng trục GF1045 gá đồng trục 50 3.3.4 Kết luận 51 3.4 So sánh lực đẩy cánh kép đồng trục với đồng phẳng 51 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Máy bay Aerodrome No.5 Hình 2: Máy bay quadrotor, dạng máy bay nhiều chong chóng mang Hình 3: The Northrop Grumman RQ-4 Global Hawk .5 Hình 4: Máy bay không ngƣời lái sử dụng cứu trợ ngƣời bị nạn biển Hình 5: UAV sử dụng dẫn đƣờng cho tên lửa Hình 6: UAV sử dụng phun thuốc trừ sâu nông nghiệp Hình 7: Một số loại máy bay nhiều chong chóng mang Hình 8:Mơ hình cấu tạo Quadcoper Hình Mơ hình momen quay Quadcoper .9 Hình 10: Nguyên lý hoạt động Quadrorotor 10 Hình 11: X4 flyer Mark chuyển động Quadcoper 12 Hình 12: Hexacopter, máy bay chong chóng mang 12 Hình13: Octocopter, máy bay chong chóng mang .13 Hình 14 : Octocoper với phối trí cánh đơn 14 Hình 15 : Octocoper với phối trí cánh kép đồng trục 14 Hình 16: Nguồn gốc lực nâng vật thể dòng chảy .16 Hình 17: Mặt cắt cánh quạt 18 Hình 18: Góc blade (φ) góc (α) 18 Hình 19: Mơ hình khí động cánh quạt 21 Hình 20: Mơ hình dịng chảy qua hệ thống cánh kẹp đồng trục 23 Hình 21: Phân bố lực cánh kép đồng trục .24 Hình 22: Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm .32 vi Hình 23: Động 34 Hình 24: Sơ đồ nguyên lý điều tốc (ESC) 34 Hình 25: Đồ thị xung PWM 35 Hình 26: Pin Lipo Tiger Power .35 Hình 27: Bộ phát tín hiệu (bộ điều khiển) .36 Hình 28: Bộ thu tín hiệu 37 Hình 29: Cảm biến lực Loadcell 37 Hình 30 : Board mạch Arduino Uno R3 39 Hình 31: Giao diện ngôn ngữ làm việc Arduino 40 Hình 32: Mạch HX711 41 Hình 33: Bộ đo tốc độ quay cánh quạt Digital Tachometer 42 Hình 34: Bộ gá cánh đồng phẳng 43 Hình 35: Bộ gá cánh đồng trục 43 Hình 36: Hình ảnh thí nghiệm hai chong chóng đồng trục 43 Hình 37: Sơ đồ mắc nối mạch cảm biến Loadcell .44 Hình 38: Thiết kế board mạch Arduino 44 Hình 39: Đồ thị lực đẩy cánh GF8045 gá đồng phẳng phụ thuộc vào vận tốc 45 Hình 40: Đồ thị lực đẩy 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 loại cánh đƣờng kính khác .47 Hình 42: Đồ thị so sánh lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc hai cánh GF8045 đƣợc gá đồng trục 49 Hình 43: Đồ thị lực đẩy cánh đơn GF1045 tự phụ thuộc vào vận tốc 50 vii