Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy bay không người lái vận chuyển vật phẩm nặng 2 kg

MẪU 14/KHCN Ban hành kèm theo Quyết định số 3839 /QĐ-ĐHQGHN ngày 24 tháng10 năm 2014 của Giám đốc Đại học Quốc gia Hà Nội ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KH&CN CẤP ĐẠI

MẪU 14/KHCN (Ban hành kèm theo Quyết định số 3839 /QĐ-ĐHQGHN ngày 24 tháng10 năm 2014

của Giám đốc Đại học Quốc gia Hà Nội) ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KH&CN

CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA

Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy bay không người lái vận chuyển

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

1.1 Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy bay không người lái vận chuyển vật phẩm nặng 2 kg

1.2 Mã số: QG.21.27

1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT Chức danh, học vị, họ và tên Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1.4 Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

1.5 Thời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 4 năm 2021 đến tháng 4 năm 2023

1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng 4 năm 2024

1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 4 năm 2021 đến tháng 4 năm 2024

1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý)

Thay đổi 01 thành viên thực hiện đề tài: KS Nguyễn Hải Bằng thôi không tham gia được thay bằng

KS Nguyễn Khánh Duy

1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 400 triệu đồng

PHẦN II TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Đặt vấn đề

Máy bay không người lái đã tồn tại gần một thế kỷ Tuy nhiên, điều mới là thực tế là máy bay không người lái ngày nay nhỏ, tương đối rẻ tiền và dễ dàng có sẵn Amazon đang bán hơn 10.000 máy bay không người lái mỗi tháng [1] Để hiểu rõ hơn về công nghệ máy bay không người lái đang hướng tới đâu, phần này sẽ giới thiệu ngắn gọn về quá trình phát triển máy bay không người lái [2]

Máy bay không người lái sớm nhất có lẽ là khinh khí cầu Tuy nhiên, những quả bóng này thường không được coi là máy bay không người lái, chủ yếu là do không thể điều khiển được Trong Thế chiến I, các kỹ thuật điều khiển vô tuyến đã được ứng dụng cho máy bay không người lái Lần đầu tiên, máy bay tự động Hewitt-Sperry được phát triển cho mục đích quân sự vào năm

1917, được coi là một loại bom và là tiền thân của tên lửa hành trình [3] Sau Thế chiến I, máy bay không người lái bắt đầu phát triển như Larynx (1927), Fairy Queen (1931) và DH.82B Queen Bee

[4, 5, 6] Trong Thế chiến II, Công ty Radioplane đã sản xuất gần 15.000 máy bay không người lái Radioplane OQ-2 cho Quân đội Hoa Kỳ [7] Đây là máy bay không người lái đầu tiên được sản xuất hàng loạt Nó được phóng bằng máy phóng và được thu lại bằng dù

Sau Thế chiến II, máy bay không người lái cũng được sử dụng cho nhiều mục đích khác Máy bay không người lái đầu tiên để trinh sát trên không là MQM-57 Falconer được sản xuất vào năm

1955 [8] Đó là một chiếc máy bay nặng 124 kg có thể mang theo máy ảnh và thiết bị chiếu sáng để trinh sát ban đêm Từ năm 1995, Không quân Hoa Kỳ đã sử dụng máy bay không người lái MQ-1 Predator để trinh sát và chiến đấu quân sự MQ-1 Predator được trang bị máy ảnh, hệ thống cảm biến tiên tiến, có thể mang và phóng tên lửa [9] Máy bay không người lái này cũng đã được sử dụng để nghiên cứu khoa học và giám sát rừng từ xa

Qua phần giới thiệu quá trình phát triển Drone, ta thấy rằng máy bay không người lái chủ yếu được phát triển trong bối cảnh quân sự Tuy nhiên, ngày nay máy bay không người lái đã phát triển trong lĩnh vực dân sự Một trong những ứng dụng dân sự tiêm năng nhất là sử dụng máy bay không người lài để vận chuyển hàng hóa Năm 2006, giấy phép bay không người lái thương mại đầu tiên của Hoa Kỳ được Cục Hàng không Liên bang Hoa Kỳ cấp, cho phép máy bay không người lái lần đầu tiên được sử dụng cho mục đích kinh doanh Chỉ vài năm sau đó, startup Parrot của Pháp đã phát hành Parrot AR Drone vào năm 2010, máy bay không người lái đầu tiên được điều khiển bởi Wi-Fi và điện thoại thông minh - một bước tiến lớn để phát triển drone cho cả người tiêu dùng và doanh nghiệp Vào năm 2013, Amazon đã đưa ra ý tưởng về một hệ thống phân phối dựa trên drone, mặc dù công ty vẫn chưa tiết lộ chi tiết khi nào họ thực sự sẽ bắt đầu thực hiện các lô hàng thương mại quy mô lớn thông qua drone (hình 1) Vào năm 2016, DJI đã phát hành Phantom 4 Drone, sản phẩm đầu tiên được tích hợp công nghệ học máy để theo dõi các vật thể một cách thông minh thay cho tín hiệu GPS hoặc tuyến đường được lập trình [10, 11, 12]

Trong lĩnh vực giao hàng y tế, Drone có thể được sử dụng để vận chuyển các sản phẩm thuốc như sản phẩm máu, vắc xin và mẫu y tế Các thiết bị này đã được sử dụng từ năm 2016, khi Zipline trở thành hoạt động máy bay không người lái thương mại duy trì đầu tiên Zipline đã thực hiện hơn 70.000 lượt giao hàng y tế bằng máy bay không người lái tính đến tháng 10 năm 2020 Giao hàng bằng máy bay không người lái y tế được ghi nhận là đã cứu sống trong trường hợp vận chuyển máu khẩn cấp ở Rwanda và cứu trợ sau bão ở Puerto Rico Trong đại dịch COVID-19, máy bay không người lái bắt đầu thực hiện việc vận chuyển y tế các thiết bị bảo vệ cá nhân và thử nghiệm COVID-

19 tại Hoa Kỳ

Trong lĩnh vực vận chuyển thực phẩm, Drone đã được đề xuất như một giải pháp để phân phối nhanh chóng các loại thực phẩm chế biến sẵn, chẳng hạn như pizza, bánh tacos và đồ uống đông lạnh Các nguyên mẫu ban đầu của máy bay không người lái giao thức ăn được giới thiệu tại buổi trình diễn Tacocopter của Star Simpson, đây là buổi giới thiệu ứng dụng điện thoại thông minh

để đặt hàng bánh taco giao bằng máy bay không người lái ở khu vực San Francisco

Ngày nay, có rất nhiều công ty mới xuất hiện thế giới cung cấp dịch vụ giao hàng bằng máy bay không người lái Dịch vụ giao nhận hàng hóa bằng thiết bị bay không người lái (drone) đầu tiên tại Singapore đã được thực hiện với việc chuyển gói hàng hóa các chất vitamin nặng 2 kg tới một con tàu ngoài khơi nước này vào ngày 19-4 vừa qua Chuyến bay này có độ dài quãng đường là 2,7

km và diễn ra trong vòng 7 phút cung cấp bởi công ty công nghệ F-drones của Singapore (hình 2) Đây là công ty đầu tiên được Cơ quan Quản lý Hàng không dân dụng Singapore (CAAS) cấp giấy phép đối với việc thực hiện dịch vụ giao nhận hàng hóa này [13]

Qua phần giới thiệu trên, chúng ta thấy rằng máy bay không người lái đã được phát triển từ lâu trên thế giới, bắt nguồn từ lĩnh vực quân sự Tuy nhiên, việc ứng dụng các thiết bị bay không người lái vào vận chuyển hàng hóa dân sự mới bắt đầu được phát triển trong mấy năm gần đây Do vậy, việc nghiên cứu làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo máy bay không người lái trong lĩnh vực vận chuyển hàng hóa rất mới và cấp thiết, cần phải được đầu tư nghiên cứu

Hiện nay, trong nước đã có một số nhóm nghiên cứu chế tạo máy bay không người lái ứng dụng cho dân sự Nhóm các nhà khoa học của Viện Vật lý ứng dụng và Thiết bị khoa học (thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) chế tạo thành công máy bay trực thăng không người lái với tên gọi Dragonfly- DF26 vào năm 2019 (hình 3) Đây là hệ thống máy bay quan sát không người lái gọn nhẹ, phục vụ cho nhu cầu quan sát, giám sát từ trên cao, lập bản đồ và video hiện trạng đất, rừng nguồn nước, đánh giá sản lượng nông sản, tài nguyên rừng Dragonfly- DF26

có thể lên xuống thẳng đứng, có khả năng mang tải có ích tối đa 4 kg, thời gian bay lên đến 180 phút và bán kính hoạt động lên đến 50km [14]

Để làm chủ công nghệ chế tạo máy bay không người lái, Viện Vật lý Ứng dụng và Thiết bị khoa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã triển khai nghiên cứu, tiếp nhận chuyển giao công nghệ phát triển máy bay không người lái từ nước ngoài từ năm 2010 Đến nay, các nhà khoa học của Viện đã nghiên cứu chế tạo thành công nhiều mẫu máy bay không người lái như Pelican VB-01 (2013); ORTUS (2016); và hiện nay là DF26

Năm 2019, nhóm nghiên cứu của TS Vũ Ngọc Ánh, giảng viên trường Đại học Bách khoa TP.HCM, cũng chế tạo thành công chiếc máy bay điều khiển từ xa phun thuốc sâu mang tên Noba Robotics AQ10 (hình 4) Máy báy này có cơ chế tương tự như thiết bị bay không người lái Flycam, được thiết kế thêm một bình chứa thuốc phun Nó có thể chứa được 10 lít dung dịch thuốc trừ sâu, phun theo một lập trình có sẵn và được điều khiển từ xa [15]

Ngoài các nhóm nghiên cứu đã công bố sản phẩm như kể trên, trong nước còn có một vài nhóm nghiên cứu của trường đại học Bách Khoa Hà Nội, học viện Kỹ thuật quân sự cũng thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu các cấp liên quan tới thiết bị bay không người lái Các nghiên cứu này tập trung chủ yếu vào nghiên cứu cơ bản, chuyên sâu cho lĩnh vực hàng không phục vụ đào tạo và giải quyết các vấn đề kỹ thuật tiên tiến của thiết bị bay

Ngoài các nhóm nghiên cứu của các trường đại học, ở Việt Nam bắt đầu xuất hiện các công ty chuyên cung cấp Drone thực hiện giám sát hiện trường, phun thuốc trừ sâu… Tuy nhiên, các máy bay không người lái này được lắp ráp hoặc sản xuất tại nước ngoài, công ty nhập về để cung cấp cho cá nhân hoặc tổ chức có nhu cầu

Từ những phân tích trên, chúng ta thấy tại Việt Nam chưa có nhóm nghiên cứu nào thiết kế chế tạo Drone cho vận chuyển hàng hóa Do đó, nội dung đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu thiết kế chế tạo Drone cỡ nhỏ có khả năng vận chuyển 2 kg vật phẩm theo lộ trình định trước

2 Mục tiêu

Từ cơ sở đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ở trên, chúng ta nhận thấy thiết bị bay không người lái (UAV, DRONE) được phát triển trong lĩnh vực dân sự và quân sự Việc ứng dụng máy bay không người lái ngày càng mang lại nhiều lợi ích cho con người trong cuộc sống Tại các nước phát triển như Mỹ, Châu Âu, Singapore đang bắt đầu triển khai thử nghiệm dịch vụ vân chuyển hàng hóa bằng thiết bị bay không người lái Từ việc cấp thiết, cấp bách cần phải nghiên cứu các kiến thức, công nghệ về thiết bị bay không người lái mang vật phầm, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung giải quyết các vấn đề sau:

- Nghiên cứu, phân tích kiến trúc tổng thể các hệ thống máy bay không người lái cỡ nhỏ; đề xuất mô hình kiến trúc tổng thể sản phẩm drone trong lĩnh vực vận chuyển vật phẩm 2 kg; xây dựng nhiệm vụ thiết kế

- Tính toán động lực học, khí động học, kết cấu cho Drone… Từ đó, xây dựng bản vẽ kỹ thuật, thiết kế sơ bộ các hệ thống của Drone

- Thiết kế, xây dựng và kiểm tra chức năng từng module của hợp phần máy bay không người lái, hoàn thiện mô hình máy bay thử nghiệm hoàn chỉnh: 01 mẫu máy bay không người lái Drone cỡ nhỏ có khả năng mang 2 kg vật phẩm có thể di chuyển theo đường đi lập sẵn

3 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở mục tiêu và định hướng nghiên cứu của đề tài, các nội dung được thực hiện bao gồm: xây dựng, phân tích, đánh giá mô hình động lực học Quadcopter; xây dựng, phân tích, đánh giá khí động học thiết bị bay; xây dựng, phân tích, đánh giá kết cấu Drone; Gia công, chế tạo, vận hành Drone vận chuyển 2kg vật phẩm

Các nội dung nghiên cứu được trình bày khái quát qua các mục dưới đây

3.1 Tính toán động lực học Drone

Để xây dựng hệ phương trình động học mô tả hoạt động của Quadcopter, ta coi quadcopter là một vật rắn chịu một lực tại tâm và 3 mô-men làm quadrotor quay theo các góc roll, pitch, yaw Hệ quy chiếu quán tính Fi và hệ quy chiếu động Fb gắn với vật với trọng tâm của quadcopter được biểu diễn như trên Hình 1 Ở đây, (x, y, z) là toạ độ của trọng tâm C của quadcopter trong hệ quy chiếu quán tính và là ba góc roll, pitch, yaw thể hiện hướng của quadcopter

Hình 1: Hệ quy chiếu và Mô hình Quadcopter X (a) Góc Pitch ( ), (b) Góc Roll ( ), (c) Góc Yaw ( )

Mô hình động lực học quadcopter được xây dựng dựa trên giả thiết Drone có cấu trúc vật rắn tuyệt đối, có kết cấu đối xứng Trong quá trình chuyển động, chúng có hai kiểu chuyển động động lực học là: động lực học tịnh tiến và động lực học xoay Hệ phương trình Newton-Euler áp dụng cho mô hình động học Drone được mô tả như sau:

Trong đó: là Hợp lực tác động lên Drone; m là Khối lượng Drone; là Ma trận đơn vị 3x3; V là Vận tốc tại trọng tâm; là Tổng hợp mô men; I là Mô men quán tính; là Vận tốc góc của Drone

Động lực học tịnh tiến:

Từ phương trình (1), ta có phương trình động lực học tịnh tiến của máy bay:

(2) Trong bài nghiên cứu này, lực cản ma sát của không khí gây ra rất nhỏ nên sẽ ảnh hưởng không đáng kể Hơn nữa trong hệ quy chiếu quán tính trái đất không xét tới lực ly tâm, khi đó

Phương trình (2) trở thành:

(3) Trong đó, là lực đẩy động cơ xét trong hệ quy chiếu quán tính

Vì mỗi động cơ có vận tốc là sẽ chuyển động theo hướng lên theo trục z của hệ tọa độ vật,

do đó xét trong hệ quy chiếu quán tính, lực đẩy trở thành:

Hệ phương trình (10) mô tả đáp ứng hệ thống chuyển động của quadcopter khi có lực từ 4 động cơ cánh quạt, với x, y, z lần lượt là độ dịch chuyển theo 3 trục x, y, z và là độ dịch chuyển theo 3 góc quay Roll, Pitch và Yaw

Đáp ứng động của quadcopter được phân tích, đánh giá thông qua giải hệ phương trình trên bằng Matlab-Simulink Mô hình quadcopter được thiết kế với các thông số hình học được miêu tả trong từng trường hợp cụ thể như ở các phần sau đây Mô hình Quadcopter được nhóm nghiên cứu khảo sát có khối lượng , hệ số lực đẩy động cơ , hệ số mô men xoắn của

Hệ 6 phương trình vi phân mô tả đáp ứng của mô hình quadcopter khi có lực tác động từ 4 cánh quạt được xây dựng chi tiết Để giải hệ phương trình vi phân này, chúng ta sử dụng phương pháp tính toán số, dựa trên module Matlab-Simulink

Ảnh hưởng của bố trí mô tơ, cánh quạt của Drone theo độ cao:

Trong phần này, vị trí các động cơ sẽ thay đổi theo độ cao, các thông số còn lại được giữ nguyên (chiều dài cánh tay Drone, hằng số lực đẩy của động cơ, hằng số moment xoắn của động cơ) Để tính tới sự khác nhau trong các cấu hình, ta thêm vào thông số góc α (góc giữa trục nằm ngang và trục cánh tay Drone) 4 trường hợp được khảo sát tương ứng với góc α lần lượt là 20˚, 15˚, 0˚, -10˚ Việc thay đổi góc α sẽ làm phân bố lại vị trí trong tâm của Drone theo phương thẳng đứng, điều này dẫn tới thay đổi thông số , , , các giá trị này được thống kê trong Bảng 1 dưới đây

Bảng 1: Mô men quán tính theo các trục của các mẫu Quadcopter

Với α = -10˚

Ix = 0.0093675 kg

Iy = 0.01522 kg

Iz = 0.01303725 kg

Với α = 20˚

Ix= 0.000326583 kg

Iy = 0.00052437 kg

Hình 2: Độ dịch chuyển theo trục x, y, z của drone khi bay về phía trước của

4 mẫu Quadcopter với 4 góc α lần lượt là 0˚, 15˚,-10˚, 20˚

Từ kết quả thu được, ta nhận thấy Drone có tốc độ dịch chuyển khác nhau ứng với mỗi góc α Với α = 20˚, Drone dịch chuyển xa nhất theo phương x, đạt 1600 mét sau 60 giây, nhưng độ dịch chuyển theo phương z lại mang giá trị âm, điều này chứng to Drone đang hạ độ cao Với α = 15˚, độ dịch chuyển theo trục x đứng thứ hai, tiếp đến góc α = -10˚ và cuối cùng α = 0˚ Hơn nữa, trong trường hợp Drone bay lên, với mỗi góc α khác nhau, độ dịch chuyển trên trục x càng lớn thì độ dịch chuyển trên trục z sẽ càng nhỏ

Hình 3: Độ dịch chuyển theo góc roll, pitch, yaw của drone khi bay về phía trước trước của 4 mẫu Quadcopter với 4 góc α lần lượt là 0˚, 15˚,-10˚, 20˚

Hình 3 biểu diễn độ dịch chuyển theo góc roll (bên trái), theo góc pitch (ở giữa) và theo góc yaw (bên phải) Dựa vào các biểu đồ này, ta thấy được khi bay về phía trước, cả 3 mẫu drone với 3 góc α thì góc tăng và nằm trên trục dương, điều này phù hợp với chuyển động tiến về phía trước của drone

Ta cũng nhận thấy rằng, để Drone tiến về phía trước thì với góc α bằng 0˚ đạt được trạng thái

ổn định khi bay thì cần góc nhỏ nhất, tiếp đến là drone với góc α bằng -10˚ rồi đến drone với góc

α bằng 15˚ , và cuối cùng là drone với góc α bằng 20˚ đạt giá trị lớn nhất Với góc α lần lượt là 0˚,

15˚, -10˚, ta nhận thấy độ chênh lệch về góc là nhỏ, khi góc α = 20˚ thì độ chênh lệch này lại lớn đáng kể và lớn hơn gấp 3.15 lần với góc α = 15˚ Sự tăng đột ngột này đã giải thích lý do tại sao drone đi xuống trong trường hợp góc α = 20˚, do trong quá trình bay lực nâng của cả 4 động cơ nhỏ hơn trọng lực của drone

Ảnh hưởng của thay đổi chiều dài cánh tay Drone:

Trong phần này, kích thước chiều dài cánh tay Drone sẽ thay đổi theo 3 cấu hình, các thông

số khác vẫn giữ nguyên (hằng số lực đẩy của động cơ, hằng số moment xoắn của động cơ) Với cấu hình này, các mô men quán tính theo 3 trục tọa độ sẽ thay đổi, các giá trị được liệt kê như trong Bảng 2 dưới đây

Bảng 2: Thông số đặc trưng của 3 mẫu Drone khi thay đổi chiều dài cánh tay

mô tả sự dịch chuyển của Drone theo trục x (bên trái), dịch chuyển theo trục y (ở giữa) và dịch chuyển theo trục z (bên phải)

Hình 4: Độ dịch chuyển theo trục x, y, z của drone khi tiến về phía trước của 3 mẫu

Quadcopter với 3 chiều dài lần lượt là 0.15m, 0.3m, 0.5m

Từ Hình 4, ta thấy cả 3 mẫu Drone đều dịch chuyển theo chiều dương trên trục x, tức là bay

về phía trước Với Drone có l = 0.15m thì khoảng cách bay được là xa nhất, 1200m trong 60s Tuy nhiên, Drone này đang dịch chuyển đi xuống phía dưới, theo chiều âm của trục z Điều này được lý

giải là do lực nâng nhỏ hơn trọng lượng của Drone Cấu hình Drone ổn định nhất là trường hợp l = 0.3m, Drone bay được quãng đường 270m và bay lên cao 18m sau 60s

Hình 5: Độ dịch chuyển theo góc roll, pitch, yaw của drone khi tiến về phía

trước của 3 mẫu Quadcopter với 3 chiều dài càng lần lướt là 0.15m, 0.3m, 0.5m

Hình 5 mô tả quá trình chuyển động quay của Drone theo góc Roll (bên trái), góc Pitch (ở giữa) và góc Yaw (bên phải) Trong biểu đồ về độ dịch chuyển theo góc Roll và Yaw thì các góc đều bằng 0 Khi xét về độ dịch chuyển theo góc pitch ta có điểm bất thường với góc của drone có

l = 0.15m, góc này tăng đột ngột và lớn hơn nhiều lần so với 2 mẫu còn lại, đạt giá trị = 0.08 П, điều này lý giải lý do drone với l = 0.15m lúc đầu bay lên (20 giây đầu) sau đó lại bay xuống Vẫn như trên, ta thấy drone với l = 0.3m có góc = 0.02 П tiếp theo là drone với l = 0.5m có góc = 0.008 П

Qua phần khảo sát động học Drone ở trên, chúng ta nhận thấy rằng hệ phương trình vi phân

mô tả đáp ứng động của Quadcopter áp dụng được cho mô hình nhóm nghiên cứu đang phát triển

Sơ đồ thuật toán sử dụng Matlab Simulink bước đầu đã tìm ra được đáp ứng của Quadcopter khi chịu tác động của lực nâng, với các cấu hình hình học khác nhau, cũng như vị trí khối tâm thay đổi,

đã được khảo sát

3.2 Tính toán mô phỏng khí động học Drone

Động lực học chất lưu đóng một vai trò quan trọng để quyết định các lực tác động lên vật thể của một máy bay không người lái Để khảo sát khí động học dòng khí bao quanh thiết bị bay, chúng

ta cần dựa vào các định luật cơ bản trong cơ học chất lưu, như định luật bảo toàn khối lượng, định luật động lượng, định luật bảo toàn năng lượng Từ các định luật này, hệ phương trình vi phân được thiết lập có dạng như sau

Phương trình chuyển động:

(11) Phương trình liên tục:

Phương trình năng lượng:

Trong đó, u là vận tốc dòng chất lưu, là nhiệt độ chất lưu, là áp suất dòng khí, là khối lượng riêng, là độ nhớt động lực học của dòng khí cháy, là nhiệt dung riêng của không khí, là

hệ số dẫn nhiệt độ , là nguồn nhiệt

Hệ phương trình trên không giải được bằng phương pháp giải tích, nghiệm của hệ thống được xác định gần đúng bằng các phương pháp số, như phương pháp phần tử hữu hạn, thể tích hữu hạn, sai phân hữu hạn… Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng 2 phương pháp để khảo sát tương tác giữa dòng khí và thiết bị bay Phương pháp hạt xoáy (Vortex Particle Method) đã được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của dòng khí lên cánh nâng và trụ tròn Phương pháp này phù hợp với các khảo sát sơ bộ từng bộ phần của thiết bị bay có hình dạng đặc trưng như Airfoil, trụ tròn, hình cầu… Kết quả nghiên cứu được công bố trên 2 bài báo khoa học quốc tế (ISI Q3) Nhóm nghiên cứu đã phát triển code tính toán cho phương pháp hạt xoáy dựa trên ngôn ngữ lập trình C

Do đó, việc phát triển tính toán số dễ dàng mở rộng Tuy nhiên, để tính toán khí động học tác động lên toàn bộ vật thể bay thì phương pháp này gặp nhiều khó khăn Phương pháp sử dụng phần mềm

mô phỏng số Ansys Fluent được áp dụng để khảo sát ảnh hưởng của dòng khí lên toàn bộ Drone Phần tiếp theo sẽ giới thiệu kết quả phân tích khí động học tác động lên Drone khi vận tốc dòng khí thay đổi Nội dung chi tiết được trình bày trong báo cáo khoa học tại hội nghị quốc tế ICEMA 2023 Phần dưới đây giới thiệu tóm tắt một số kết quả mô phỏng khí động học Drone dựa trên phần mềm mô phỏng số Ansys Fluent Mô hình Drone được vẽ bằng phần mềm Solidwork Sau đó, mô hình được đưa vào Ansys Fluent để chia lưới và lựa chọn mô hình tính toán Bằng cách chọn các điều kiện biên phù hợp với yêu cầu bài toán và yêu cầu giải, chúng ta sẽ thu được các kết quả như sau

Hình 6: Trường vận tốc khí bao quanh Drone Hình 7: Trường áp suất bao quanh Drone Hình 6, 7 mô tả trường vận tốc và áp suất dòng khí bao quanh Drone trong trường hợp vận tốc

1 m/s và góc tới 0 Bẳng cách thay đổi vận tốc dòng khí và góc tới (góc tạo bởi chiều vận tốc dòng khí và tấm thân Drone), ta sẽ khảo sát được áp suất lớn nhất tác động lên Drone và áp suất trung bình của dòng khí, như miêu tả trên biểu đồ hình 8, 9

Lực nâng và lực cản là 2 đại lượng quan trọng trong tính toán thiết kế Drone Drone thiết kế tốt thì lực nâng sẽ lớn và lực cản sẽ nhỏ 2 giá trị này phụ thuộc nhiều vào vận tốc dòng khí và góc tớiPhần mềm tính toán sỗ Ansys Fluent hỗ trợ người sử dụng phân tích, đánh giá 2 đại lượng này Hình 10, 11 biểu thị ảnh hưởng của vận tốc và góc tới tới lực nâng và lực cản Căn cứ vào các khảo sát này, chúng ta sẽ lựa chọn được cấu hình Drone tốt

Hinh 8: Biều đồ áp suất lớn nhất tác động lên

Drone khi tốc độ dịch chuyển và góc tới thay đổi Hình 9: Biểu đồ áp suất dòng khí trung bình bảo quanh Drone khi tốc độ dịch chuyển và góc tới

thay đổi

Hình 10: Lực nâng của Drone phụ thược vận tốc

và góc tới Hình 11: Lực cản trở của Drone phụ thược vào vận tốc và góc tới 3.3 Tính toán kết cấu Drone

Trong nghiên cứu này, kết cấu Drone được tính toán, phân tích và đánh giá dựa trên các phương trình toán học cơ bản như sau:

Các phương trình cân bằng:

(14) Trong đó σlà ứng suất, F là lực của vật trên một đơn vị thể tích

Mối quan hệ biến dạng- chuyển vị

(15)

Hệ thức ứng suất- biến dạng

Đối với một vật liệu đồng nhất và đẳng hướng, mối quan hệ ứng suất-biến dạng có thể được đơn giản hóa rất nhiều Đối với vật liệu đẳng hướng, có hai dặc trưng vật liệu cơ bản là Mô đun đàn hồi E và hệ số Poisson Định luật Hook cho ta các hệ thức sau:

(16)

(17)

(18) Trong đó, mô đun trượt: G )

Từ các phương trình trên, ta rút ra được mối quan hệ dạng ma trân:

(19) Trong đó D là ma trận cấp

Quy trình phân tích trong Ansys

Nhìn chung, quy trình phân tích một bài toán bằng phần mềm Ansys cần thực hiện theo 5 bước (Hình 12): Xác định thông số vật liệu  Thiết lập mô hình  Chia lưới mô hình  Đặt điều kiện biên và phân tích  Xử lý kết quả

Hình 12: Mô đun Static Structure trong Ansys B1: Xác định thông số vật liệu

Lựa chọn thông số vật liệu sẽ được thực hiện đầu tiên ở công cụ Engineering Data Trong phần này, cần xác định thông số cần thiết được sử dụng để tính toán như mô đun đàn hồi, hệ số Poisson,…

B2: Thiết lập mô hình

Hình 13: Thanh công cụ Design Modeler

Từ bản vẽ 2D của mô hình, cần dựng lên mô hình 3D bằng cách sử dụng công cụ Design Modeler (Geometry) trong mô đun Static Structural hoặc có thể nhập mô hình 3D đã hoàn thiện thông qua thanh công cụ của Design Modeler (Hình 13)

B3: Chia lưới mô hình

Sau khi đã nhập mô hình xong, cần tiến hành chia lưới cho mô hình Mô hình vật thể có thể được chia lưới tự động hoặc người dùng có thể tự thêm các hiệu chỉnh khác nhau tùy theo ý muốn

để chia lưới chi tiết hơn Sau khi hoàn tất chia lưới, có thể kiểm tra chất lượng lưới bằng hệ số Skewness hay Orthogonal có giá trị từ 0 tới 1 trực tiếp trên mô hình lưới Đối với hệ số Skewness, chất lượng lưới tốt nếu giá trị Skewness gần 0 còn giá trị Skewness gần 1 thì chất lượng lưới không tốt; ngược lại, đối với hệ số Orthogonal, lưới sẽ tốt khi hệ số này có giá trị gần 1

B4: Đặt điều kiện biên

Sau các bước trên, phải thực hiện việc đặt điều kiện biên cho cho mô hình hình học để xác định rõ các ràng buộc (Hình 14) Như vậy cần xác định các điểm, mặt cố định hoặc miền chuyển