- Để bảo vệ các thiết bị điện tử: Các thiết bị điện tử nhạy cảm như cảm biến, bộ điều khiển và camera cần được bảo vệ khỏi va đập, rung động và các yếu tố môi trường.. - Lắp Ráp và Kiểm
TỔNG QUAN
Giới thiệu
Các hệ thống UAV (Unmanned Aerial Vehicle) hay còn gọi là máy bay không người lái, là các thiết bị bay tự động hoặc điều khiển từ xa, không cần người lái trên tàu bay Chúng có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ quân sự đến dân sự.
1.1.1 Giới thiệu chung về các hệ thống UAV
Các hệ thống UAV bao gồm:
- Máy bay không người lái (UAV): Phần thân máy bay có thể bao gồm hệ thống điều khiển, cảm biến và thiết bị truyền thông.
- Trạm điều khiển: Nơi người điều khiển UAV hoạt động từ xa, có thể bao gồm máy tính, màn hình và các thiết bị nhập liệu.
- Hệ thống liên lạc: Đảm bảo kết nối liên tục giữa UAV và trạm điều khiển.
- Trạm tiếp đất: Được sử dụng để sạc pin, bảo trì và kiểm tra UAV.
UAV được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau:
- Theo kích thước và tầm bay:
+ Micro UAV: Kích thước nhỏ, thường được sử dụng cho các nhiệm vụ trong môi trường hẹp, như trong nhà hoặc khu vực nhỏ.
+ Mini UAV: Kích thước lớn hơn micro UAV, thường được sử dụng cho các nhiệm vụ địa phương và bảo mật.
+ Small UAV: Có tầm hoạt động rộng hơn, thường được sử dụng cho các nhiệm vụ giám sát và khảo sát.
+ Medium UAV: Có khả năng mang theo nhiều thiết bị và cảm biến, phù hợp cho các nhiệm vụ quân sự và dân sự quy mô trung bình.
+ Large UAV: Cung cấp khả năng mang tải lớn và hoạt động lâu dài, thường được sử dụng cho các nhiệm vụ quân sự hoặc nghiên cứu khoa học.
+ Fixed-Wing UAV: Có cánh giống như máy bay truyền thống, thích hợp cho các nhiệm vụ dài hạn và tầm bay xa. + Rotary-Wing UAV (Quadcopter, Hexacopter, Octocopter):
Có cánh quạt quay, có khả năng bay đứng yên và di chuyển linh hoạt, phù hợp cho nhiệm vụ giám sát và khảo sát địa hình phức tạp.
+ Hybrid UAV: Kết hợp giữa cánh cố định và cánh quạt quay, mang lại khả năng linh hoạt và hiệu quả trong nhiều tình huống.
- Theo mục đích sử dụng:
+ UAV quân sự: Dùng trong trinh sát, giám sát, và các hoạt động chiến đấu.
+ UAV dân sự: Sử dụng trong các lĩnh vực như nông nghiệp, khảo sát địa hình, cứu hộ, và quay phim.
1.1.3 Sử Dụng UAV Trong Các Điều Kiện Môi Trường Khác Nhau
- Môi Trường Đô Thị: UAV có thể cung cấp cái nhìn tổng quan về giao thông, giám sát an ninh, và hỗ trợ cứu hộ Tuy nhiên, việc bay trong môi trường đô thị đòi hỏi phải quản lý rủi ro về va chạm với các cấu trúc và các phương tiện khác.
- Môi Trường Nông Thôn: UAV được sử dụng để giám sát mùa màng, phát hiện sâu bệnh, và quản lý tài nguyên nước Các UAV có thể thu thập dữ liệu chi tiết về đất đai và cây trồng, giúp cải thiện năng suất nông nghiệp.
- Môi Trường Ven Biển: UAV có thể khảo sát bờ biển, theo dõi sự thay đổi mực nước biển, và thực hiện các nhiệm vụ cứu hộ trên biển. UAV cần có khả năng chống chịu điều kiện thời tiết khắc nghiệt và sự xâm thực của môi trường biển.
- Môi Trường Núi và Vùng Đồi: UAV được sử dụng để khảo sát địa hình, theo dõi sự thay đổi của môi trường và các nhiệm vụ cứu hộ trong các khu vực khó tiếp cận Chúng cần có khả năng hoạt động trong điều kiện gió mạnh và độ cao lớn.
Vấn đề và mục tiêu
1.2.1 Vấn đề cần giải quyết
Các vấn đề liên quan đến hệ thống khung và chân UAV là rất quan trọng, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, độ bền, và khả năng hoạt động của UAV
1.2.1.1 Vấn Đề với Chân UAV
+ Chân UAV thường phải chịu lực tác động lớn trong quá trình cất cánh và hạ cánh, đặc biệt khi UAV nặng hoặc khi hạ cánh không chính xác Các chân làm từ vật liệu nhẹ hoặc không đủ chắc chắn có thể dễ bị gãy hoặc bị hư hại.
+ Không có thiết kế chân UAV phù hợp cho các ứng dụng đặc thù có thể khiến việc sử dụng chân không phù hợp trở nên khó khăn.
->Giải pháp: Tùy chỉnh hoặc thiết kế chân theo yêu cầu cụ thể của nhiệm vụ và điều kiện hoạt động Có thể áp dụng các phương pháp mô phỏng và thử nghiệm để tối ưu hóa thiết kế.
1.2.1.2 Vấn Đề với Khung UAV
- Không có khung phù hợp ngoài thị trường: Thị trường UAV có thể không cung cấp các khung đáp ứng chính xác yêu cầu về kích thước, hình dạng hoặc tính năng cần thiết cho các ứng dụng cụ thể.
->Giải pháp: Xây dựng khung tùy chỉnh hoặc chế tạo khung theo yêu cầu cụ thể của dự án Việc thiết kế khung theo yêu cầu có thể giúp giải quyết vấn đề không phù hợp với các tùy chọn có sẵn trên thị trường.
- Để bảo vệ các thiết bị điện tử: Các thiết bị điện tử nhạy cảm như cảm biến, bộ điều khiển và camera cần được bảo vệ khỏi va đập, rung động và các yếu tố môi trường.
->Giải pháp: Thiết kế khung với lớp bảo vệ bổ sung hoặc vỏ bọc để bảo vệ các thiết bị điện tử Có thể sử dụng vật liệu chống sốc và có khả năng cách nhiệt tốt để giảm thiểu ảnh hưởng từ các yếu tố bên ngoài.
- Thiết Kế Tinh Tế và Tinh Chỉnh:
+ Áp dụng các công cụ thiết kế 3D và phần mềm mô phỏng để tối ưu hóa cấu trúc của khung và chân UAV Điều này giúp xác định các điểm yếu và cải thiện độ bền.
- Chất Liệu Chất Lượng Cao:
+ Sử dụng vật liệu nhẹ nhưng chắc chắn như sợi carbon cho khung và chân Các vật liệu này không chỉ giúp giảm trọng lượng mà còn tăng cường độ bền.
- Tùy Chỉnh Theo Nhu Cầu:
+ Cân nhắc việc thiết kế và chế tạo các phần tử tùy chỉnh để phù hợp với nhu cầu cụ thể của từng nhiệm vụ và điều kiện hoạt động.
1.2.2.1 Phân Tích và Đánh Giá Hiện Trạng
+ Đánh giá hiện trạng của chân và khung UAV hiện tại để xác định các vấn đề chính như độ bền kém, không phù hợp với yêu cầu cụ thể, và khả năng bảo vệ thiết bị điện tử.
+ Xác định các yêu cầu cụ thể cho chân và khung như tải trọng, khả năng chống sốc, và tính năng bảo vệ Điều này bao gồm các điều kiện môi trường nơi UAV sẽ hoạt động.
1.2.2.2 Thiết Kế và Mô Phỏng
- Thiết Kế CAD: sử dụng Solidworks
+ Sử dụng phần mềm thiết kế 3D (CAD) để tạo mô hình chi tiết của khung và chân UAV Thiết kế phải bao gồm các yếu tố như khả năng chịu lực, trọng lượng nhẹ, và tính năng bảo vệ.
- Mô Phỏng và Phân Tích: sử dụng Abaqus
+ Áp dụng các công cụ mô phỏng (CAE) để kiểm tra khả năng chịu lực, chống va đập và phân tích ứng suất của thiết kế khung và chân Điều này giúp phát hiện các điểm yếu tiềm ẩn và điều chỉnh thiết kế trước khi chế tạo.
- Vật Liệu Chất Lượng Cao:
+ Chọn vật liệu phù hợp như sợi carbon cho khung và chân. Vật liệu này cần phải có độ bền cao, trọng lượng nhẹ, và khả năng chống sốc.
1.2.2.4 Chế Tạo và Lắp Ráp
- Chế Tạo Các Bộ Phận:
+ Sử dụng các phương pháp chế tạo chính xác như in 3D để sản xuất các bộ phận của khung và chân theo thiết kế đã tối ưu hóa.
- Lắp Ráp và Kiểm Tra:
+ Lắp ráp các bộ phận vào hệ thống UAV và thực hiện các kiểm tra chức năng để đảm bảo tất cả các thành phần hoạt động đúng cách và đạt yêu cầu thiết kế.
Tóm tắt nội dụng đồ án
+ Thực hiện các bài kiểm tra thực địa để đánh giá hiệu suất của khung và chân trong điều kiện hoạt động thực tế Điều này bao gồm việc kiểm tra khả năng chống sốc, độ bền, và tính ổn định trong các tình huống bay khác nhau.
+ Dựa trên kết quả thử nghiệm, thực hiện các tinh chỉnh cần thiết để cải thiện hiệu suất và độ bền của khung và chân Điều này có thể bao gồm việc thay đổi thiết kế, vật liệu hoặc cấu trúc của các bộ phận.
1.2.2.6 Đảm Bảo Tính Tương Thích và An Toàn
- Đảm Bảo Tính Tương Thích:
+ Đảm bảo rằng khung và chân thiết kế mới hoàn toàn tương thích với các thiết bị điện tử và các thành phần khác của UAV.
+ Đảm bảo rằng các thay đổi không làm giảm tính an toàn của UAV Các thiết kế và vật liệu cần đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn và quy định hiện hành.
1.3 Tóm tắt nội dung đồ án
- Giới thiệu chung các loại UAV
1.2 Vấn đề và mục tiêu
- Trình bày vấn đề cần giải quyết và giải pháp đưa ra
- Nêu ra mục tiêu chính của nghiên cứu
THỐNG UAV
Cấu hình hệ thống
- Giới thiệu các hệ thống:
Hệ thống cơ khí
- Trình bày rõ hơn về hệ thống cơ khí
- Trình bày rõ hơn về hệ thống điện
2.4 Hệ thống điều khiển UAV
- Nêu ra phần mềm điều khiển và trình bày cấu trúc và các thành phần của hệ thống điều khiển
- Đưa ra kết nối 3 hệ thống trên
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHỤ TRỢ CHO UAV
- Nêu chức năng và mục tiêu của hệ thống phụ trợ của UAV
III.2 Thiết kế hệ thống cơ khí phụ trợ
- Nêu quy trình, phương án để thiết kế cuối cùng đưa ra bản mẫu thiết kế cho 2 hệ thống phụ trợ của UAV
CHƯƠNG 4: TÌNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘ BỀN CỦA HỆ THỐNG PHỤ TRỢ SỬ DỤNG ABAQUS
IV.1 Phần mềm sử dụng
- Giới thiệu chung về phần mềm sử dụng và nêu ra các phần chính sử dụng trong đồ án
IV.2 Quy trình và cách thức mô phỏng
- Đưa ra quy trình, cách thức mô phỏng để đưa ra kết quả mô phỏng được
IV.3 Kết quả và đánh giá
- Đưa ra kết quả mô phỏng từ đó đánh giá khả năng hoạt động của các thiết bị phụ trở được thiết kế
CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO LẮP RÁP VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG PHỤ TRỢ CHO UAV
- In 3D và lắp ráp vào hệ thống UAV
- Đưa ra hình ảnh khi đã lắp ráp lại
- Đánh giá sơ lược hệ thống UAV mới sau khi được lắp thêm các thiết bị phụ trợ
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN
- Đưa ra một số hướng phát triển mới trong tương lai
CHƯƠNG II HỆ THỐNG UAV
- Khung máy : Khung xương chính, chịu lực và bảo vệ các thành phần khác.
- Cánh quạt : Tạo lực đẩy cho UAV để bay lên và điều khiển hướng.
- Động cơ : Chuyển động cánh quạt, điều chỉnh tốc độ quay để điều khiển UAV.
- Hệ thống hạ cánh: Chân hấp thụ va chạm khi hạ cánh
- Pin: Cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống UAV.
- ESC : Điều chỉnh tốc độ động cơ dựa trên lệnh từ bộ điều khiển trung tâm.
- BEC (Battery Elimination Circuit): giảm điện áp từ pin xuống mức điện áp phù hợp để cung cấp cho các thành phần điện tử nhạy cảm
- PDB (Power Distribution Board): là bảng phân phối nguồn điện từ pin đến các thành phần khác
- Bộ phân phối nguồn: Phân phối nguồn điện từ pin đến các thành phần khác.
- Đèn LED và hệ thống cảnh báo: Cung cấp thông tin về trạng thái hoạt động hoặc giúp dễ nhận biết UAV trong đêm.
- Bộ điều khiển bay (PX4): Bộ não của UAV, xử lý dữ liệu từ các cảm biến và ra lệnh cho các động cơ để duy trì ổn định và điều khiển chuyển động của UAV.
- Cảm biến IMU (Inertial Measurement Unit): Bao gồm gia tốc kế và con quay hồi chuyển, dùng để đo lường góc nghiêng và gia tốc của UAV.
- GPS Module: Cung cấp thông tin vị trí địa lý, hỗ trợ định vị và dẫn đường.
- Máy thu tín hiệu : Nhận lệnh từ bộ điều khiển từ xa của người vận hành.
- Antenna: Giúp truyền và nhận tín hiệu từ bộ điều khiển từ xa.
- Phần mềm điều khiển mặt đất (Qgroundcontrol Software): Giao diện giúp người vận hành kiểm soát và giám sát UAV từ xa, cung cấp các chức năng như lập trình lộ trình bay, giám sát thời gian thực, v.v.
- Firmware: Phần mềm nhúng trong bộ điều khiển bay, chịu trách nhiệm xử lý các lệnh và dữ liệu cảm biến.
- Phần mềm truyền thông: Hỗ trợ việc truyền tải dữ liệu giữa UAV và thiết bị điều khiển mặt đất, như video trực tiếp hoặc thông tin cảm biến.
- Khung máy là xương sống của UAV, chịu lực và là nơi gắn kết các thành phần khác như động cơ, pin, cánh quạt, và các thiết bị điện tử. Khung máy phải đủ cứng cáp để chịu được trọng lượng và lực tác động trong quá trình bay, nhưng cũng cần nhẹ để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.
- Cánh quạt tạo lực đẩy, giúp UAV bay lên, hạ xuống, hoặc duy trì độ cao Số lượng cánh quạt có thể từ 2 (đối với trực thăng) đến 4, 6,
8 hoặc nhiều hơn (đối với quadcopter, hexacopter, octocopter) tùy thuộc vào thiết kế UAV Tốc độ quay và góc nghiêng của cánh quạt điều chỉnh hướng bay và tốc độ của UAV.
- Động cơ quay cánh quạt với tốc độ cao, biến năng lượng điện thành động năng để tạo lực đẩy Có hai loại động cơ chính: động cơ không chổi than (brushless) và động cơ có chổi than (brushed) Động cơ không chổi than thường được sử dụng trong UAV nhờ độ bền cao và hiệu suất tốt hơn.
- Hệ thống hạ cánh bao gồm các chân hoặc bộ phận hấp thụ va chạm, giúp bảo vệ UAV và các thiết bị trên máy khi hạ cánh Nó cần phải chắc chắn để chịu được trọng lượng của UAV và bảo vệ các thành phần nhạy cảm như camera hoặc gimbal khi tiếp đất.
Hệ thống điện
- Pin cung cấp năng lượng điện cho toàn bộ hệ thống UAV, bao gồm động cơ, hệ thống điều khiển, và các cảm biến Dung lượng pin (thường được đo bằng milliampere-giờ - mAh) quyết định thời gian bay của UAV Các loại pin phổ biến nhất được sử dụng là pin LiPo (Lithium Polymer) do có trọng lượng nhẹ và khả năng cung cấp dòng điện cao.
- ESC là bộ điều khiển tốc độ động cơ, nhận tín hiệu từ bộ điều khiển bay và điều chỉnh dòng điện đến động cơ để thay đổi tốc độ quay của cánh quạt ESC đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định bay và điều khiển hướng di chuyển của UAV.
2.3.3 Bộ phân phối nguồn (Power Distribution Board - PDB):
- PDB là bảng phân phối nguồn điện từ pin đến các thành phần khác như ESC, bộ điều khiển bay, và các hệ thống phụ trợ khác Nó giúp đảm bảo rằng mọi thành phần của UAV đều nhận được nguồn điện cần thiết và bảo vệ hệ thống khỏi quá tải hoặc ngắn mạch.
- BEC là một bộ phận của ESC hoặc một thiết bị riêng biệt, có nhiệm vụ giảm điện áp từ pin xuống mức điện áp phù hợp để cung cấp cho các thành phần điện tử nhạy cảm như bộ điều khiển bay, cảm biến, hoặc bộ thu tín hiệu Điều này giúp bảo vệ các thiết bị này khỏi bị hỏng do điện áp quá cao.
2.3.5 Cáp kết nối và dây điện:
- Các cáp kết nối và dây điện trong UAV đóng vai trò dẫn điện giữa các thành phần như pin, ESC, động cơ, và các hệ thống điều khiển khác Dây điện cần được chọn với độ dày phù hợp để chịu được dòng điện mà không gây tổn thất năng lượng hoặc sinh nhiệt quá mức.
- Antenna là bộ phận thu và phát tín hiệu, giúp UAV giao tiếp với bộ điều khiển từ xa hoặc hệ thống điều khiển mặt đất Antenna phải được cấp nguồn điện để hoạt động và đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì kết nối tín hiệu giữa UAV và người điều khiển.
- Module sạc là thiết bị ngoài, được sử dụng để sạc lại pin của UAV.
Một module sạc thông minh có thể điều chỉnh dòng sạc, bảo vệ pin khỏi quá nhiệt, quá tải, hoặc sạc quá mức, kéo dài tuổi thọ pin và đảm bảo an toàn khi sử dụng.
Kết nối hệ thống
- Đưa ra kết nối 3 hệ thống trên
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHỤ TRỢ CHO UAV
- Nêu chức năng và mục tiêu của hệ thống phụ trợ của UAV
III.2 Thiết kế hệ thống cơ khí phụ trợ
- Nêu quy trình, phương án để thiết kế cuối cùng đưa ra bản mẫu thiết kế cho 2 hệ thống phụ trợ của UAV
CHƯƠNG 4: TÌNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘ BỀN CỦA HỆ THỐNG PHỤ TRỢ SỬ DỤNG ABAQUS
IV.1 Phần mềm sử dụng
- Giới thiệu chung về phần mềm sử dụng và nêu ra các phần chính sử dụng trong đồ án
IV.2 Quy trình và cách thức mô phỏng
- Đưa ra quy trình, cách thức mô phỏng để đưa ra kết quả mô phỏng được
IV.3 Kết quả và đánh giá
- Đưa ra kết quả mô phỏng từ đó đánh giá khả năng hoạt động của các thiết bị phụ trở được thiết kế
CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO LẮP RÁP VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG PHỤ TRỢ CHO UAV
- In 3D và lắp ráp vào hệ thống UAV
- Đưa ra hình ảnh khi đã lắp ráp lại
- Đánh giá sơ lược hệ thống UAV mới sau khi được lắp thêm các thiết bị phụ trợ
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN
- Đưa ra một số hướng phát triển mới trong tương lai
CHƯƠNG II HỆ THỐNG UAV
- Khung máy : Khung xương chính, chịu lực và bảo vệ các thành phần khác.
- Cánh quạt : Tạo lực đẩy cho UAV để bay lên và điều khiển hướng.
- Động cơ : Chuyển động cánh quạt, điều chỉnh tốc độ quay để điều khiển UAV.
- Hệ thống hạ cánh: Chân hấp thụ va chạm khi hạ cánh
- Pin: Cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống UAV.
- ESC : Điều chỉnh tốc độ động cơ dựa trên lệnh từ bộ điều khiển trung tâm.
- BEC (Battery Elimination Circuit): giảm điện áp từ pin xuống mức điện áp phù hợp để cung cấp cho các thành phần điện tử nhạy cảm
- PDB (Power Distribution Board): là bảng phân phối nguồn điện từ pin đến các thành phần khác
- Bộ phân phối nguồn: Phân phối nguồn điện từ pin đến các thành phần khác.
- Đèn LED và hệ thống cảnh báo: Cung cấp thông tin về trạng thái hoạt động hoặc giúp dễ nhận biết UAV trong đêm.
- Bộ điều khiển bay (PX4): Bộ não của UAV, xử lý dữ liệu từ các cảm biến và ra lệnh cho các động cơ để duy trì ổn định và điều khiển chuyển động của UAV.
- Cảm biến IMU (Inertial Measurement Unit): Bao gồm gia tốc kế và con quay hồi chuyển, dùng để đo lường góc nghiêng và gia tốc của UAV.
- GPS Module: Cung cấp thông tin vị trí địa lý, hỗ trợ định vị và dẫn đường.
- Máy thu tín hiệu : Nhận lệnh từ bộ điều khiển từ xa của người vận hành.
- Antenna: Giúp truyền và nhận tín hiệu từ bộ điều khiển từ xa.
- Phần mềm điều khiển mặt đất (Qgroundcontrol Software): Giao diện giúp người vận hành kiểm soát và giám sát UAV từ xa, cung cấp các chức năng như lập trình lộ trình bay, giám sát thời gian thực, v.v.
- Firmware: Phần mềm nhúng trong bộ điều khiển bay, chịu trách nhiệm xử lý các lệnh và dữ liệu cảm biến.
- Phần mềm truyền thông: Hỗ trợ việc truyền tải dữ liệu giữa UAV và thiết bị điều khiển mặt đất, như video trực tiếp hoặc thông tin cảm biến.
- Khung máy là xương sống của UAV, chịu lực và là nơi gắn kết các thành phần khác như động cơ, pin, cánh quạt, và các thiết bị điện tử. Khung máy phải đủ cứng cáp để chịu được trọng lượng và lực tác động trong quá trình bay, nhưng cũng cần nhẹ để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.
- Cánh quạt tạo lực đẩy, giúp UAV bay lên, hạ xuống, hoặc duy trì độ cao Số lượng cánh quạt có thể từ 2 (đối với trực thăng) đến 4, 6,
8 hoặc nhiều hơn (đối với quadcopter, hexacopter, octocopter) tùy thuộc vào thiết kế UAV Tốc độ quay và góc nghiêng của cánh quạt điều chỉnh hướng bay và tốc độ của UAV.
- Động cơ quay cánh quạt với tốc độ cao, biến năng lượng điện thành động năng để tạo lực đẩy Có hai loại động cơ chính: động cơ không chổi than (brushless) và động cơ có chổi than (brushed) Động cơ không chổi than thường được sử dụng trong UAV nhờ độ bền cao và hiệu suất tốt hơn.
- Hệ thống hạ cánh bao gồm các chân hoặc bộ phận hấp thụ va chạm, giúp bảo vệ UAV và các thiết bị trên máy khi hạ cánh Nó cần phải chắc chắn để chịu được trọng lượng của UAV và bảo vệ các thành phần nhạy cảm như camera hoặc gimbal khi tiếp đất.
- Pin cung cấp năng lượng điện cho toàn bộ hệ thống UAV, bao gồm động cơ, hệ thống điều khiển, và các cảm biến Dung lượng pin (thường được đo bằng milliampere-giờ - mAh) quyết định thời gian bay của UAV Các loại pin phổ biến nhất được sử dụng là pin LiPo (Lithium Polymer) do có trọng lượng nhẹ và khả năng cung cấp dòng điện cao.
- ESC là bộ điều khiển tốc độ động cơ, nhận tín hiệu từ bộ điều khiển bay và điều chỉnh dòng điện đến động cơ để thay đổi tốc độ quay của cánh quạt ESC đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định bay và điều khiển hướng di chuyển của UAV.
2.3.3 Bộ phân phối nguồn (Power Distribution Board - PDB):
- PDB là bảng phân phối nguồn điện từ pin đến các thành phần khác như ESC, bộ điều khiển bay, và các hệ thống phụ trợ khác Nó giúp đảm bảo rằng mọi thành phần của UAV đều nhận được nguồn điện cần thiết và bảo vệ hệ thống khỏi quá tải hoặc ngắn mạch.
- BEC là một bộ phận của ESC hoặc một thiết bị riêng biệt, có nhiệm vụ giảm điện áp từ pin xuống mức điện áp phù hợp để cung cấp cho các thành phần điện tử nhạy cảm như bộ điều khiển bay, cảm biến, hoặc bộ thu tín hiệu Điều này giúp bảo vệ các thiết bị này khỏi bị hỏng do điện áp quá cao.
2.3.5 Cáp kết nối và dây điện:
- Các cáp kết nối và dây điện trong UAV đóng vai trò dẫn điện giữa các thành phần như pin, ESC, động cơ, và các hệ thống điều khiển khác Dây điện cần được chọn với độ dày phù hợp để chịu được dòng điện mà không gây tổn thất năng lượng hoặc sinh nhiệt quá mức.
- Antenna là bộ phận thu và phát tín hiệu, giúp UAV giao tiếp với bộ điều khiển từ xa hoặc hệ thống điều khiển mặt đất Antenna phải được cấp nguồn điện để hoạt động và đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì kết nối tín hiệu giữa UAV và người điều khiển.
- Module sạc là thiết bị ngoài, được sử dụng để sạc lại pin của UAV.
Một module sạc thông minh có thể điều chỉnh dòng sạc, bảo vệ pin khỏi quá nhiệt, quá tải, hoặc sạc quá mức, kéo dài tuổi thọ pin và đảm bảo an toàn khi sử dụng.
2.4 Hệ thống phần mềm điều khiển UAV
2.4.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển UAV bằng phần mềm QGroundControl:
Sơ đồ hệ thống điều khiển:
2.4.2 Các thành phần trong hệ thống điều khiển UAV với QGroundControl:
- QGroundControl (Phần mềm điều khiển mặt đất):
+ Đây là phần mềm chính mà bạn sử dụng trên máy tính, máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh QGroundControl cung cấp giao diện đồ họa để lập trình lộ trình bay, giám sát các thông số của UAV như tốc độ, độ cao, vị trí, và tình trạng pin.
Bạn cũng có thể điều chỉnh các thiết lập của UAV và nhận dữ liệu thời gian thực từ UAV.
- Bộ điều khiển từ xa (Remote Controller):
+ Đây là thiết bị cầm tay truyền thống với cần điều khiển (joysticks) và các nút bấm để điều khiển UAV theo cách thủ công Bộ điều khiển này giao tiếp với máy thu tín hiệu trên UAV để gửi các lệnh điều khiển như thay đổi độ cao, hướng bay, hoặc kích hoạt các chế độ bay đặc biệt.
- Máy thu tín hiệu (Receiver on UAV):
KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ PHỤ TRỢ CHO UAV
Yêu cầu
- Chân drone: Sử dụng để giúp UAV hạ cánh nên cần có
+ Sự ổn định, để drone hạ cánh ít bị rung lắc
+ Độ bền cao, để có thể chịu được tải trọng khá lớn của drone
- Khung bảo vệ: Sử dụng để bảo vệ các thiết bị điện tự ở trên drone nên cần có
+ Đồ bền cao, để có thể chịu được các va đập trong lúc điều khiển drone không để các thiết bị bên trong bị ảnh hưởng
+ Chống bụi bẩn vứng vào thiết bị điện tử trong Drone
+ Cần thiết kế để có thể lắp vào drone của mình vì trên thị thường không có sẵn
- Tạo ra chân mới có khả năng chịu lực tốt hơn chân cũ
- Tạo ra khung bảo vệ có khả năng bảo vệ tốt cho các thiết bị điện tử trên drone đặc biệt là PX4
Thiết kế hệ thống cơ khí phụ trợ
3.2.1 Thiết kế lại chân cho UAV
- Xác định yêu cầu thiết kế
+ Đảm bảo rằng chân mới có khả năng chịu lực và độ ổn định cao hơn chân cũ
+ Chân mới phải có trọng lượng nhẹ, không làm giảm hiệu suất bay của drone, dễ lắp đặt và tháo rời.
+ Sử dụng phần mềm Solidworks để tạo mô hình 3D chi tiết của khung
+ Kiểm tra mô hình để đảm bảo chân mới có thể được lắp đặt chính xác trên drone mà không gây cản trở cho các bộ phận khác.
+ Sử dụng công nghệ in 3D để tạo nguyên mẫu khung bảo vệ từ mô hình 3D.
+ Lắp ráp chân mới vào drone để kiểm tra kích thước, độ vừa vặn, và tính năng tháo lắp
- Sử dụng nhựa ABS hoặc Polycarbonate có khả năng chống va đập tốt và nhẹ.
- Sau khi lựa chọn được vật liệu phù hợp ta thiết kế chân với phụ kiện trợ lực có thể lắp vào mở ra để có thể test trước ở ngoài thực tế trước khi tạo ra chân mới.
Hình 3.1- Phụ kiện trợ lực
Hình 3.2- Chân cũ nhưng đã được lắp trợ lực
- Sau khi đã đảm bảo với phụ kiện trợ lực đấy chân Drone đã bền hơn và khi hạ cánh ổn định hơn ta đi vào thiết kế chân mới gắn liền phụ kiện trợ lực thẳng vào cấu trúc chân cũ
Hình 3.3- Chân được thiết kế thêm
3.2.2 Thiết kế khung vỏ cho UAV
- Xác định yêu cầu thiết kế
+ Đảm bảo rằng khung bảo vệ có thể bảo vệ PX4 khỏi các yếu tố như va đập, rung động, nước, bụi và từ trường.
+ Khung bảo vệ phải có trọng lượng nhẹ, không làm giảm hiệu suất bay của drone, dễ lắp đặt và tháo rời.
+ Đo đạc kích thước chính xác của PX4 và xác định không gian cần thiết để lắp đặt khung bảo vệ trên drone.
+ Sử dụng phần mềm Solidworks để tạo mô hình 3D chi tiết của khung
+ Kiểm tra mô hình để đảm bảo khung bảo vệ có thể được lắp đặt chính xác trên drone mà không gây cản trở cho các bộ phận khác.
+ Sử dụng công nghệ in 3D để tạo nguyên mẫu khung bảo vệ từ mô hình 3D.
+ Lắp ráp khung bảo vệ lên drone để kiểm tra kích thước, độ vừa vặn, và tính năng tháo lắp
+ Sử dụng nhựa ABS hoặc Polycarbonate có khả năng chống va đập tốt và nhẹ, lý tưởng cho các phần bao quanh và bảo vệ bề mặt thiết bị PX4.
- Thiết kế cấu trúc khung bảo vệ:
+ Thiết kế khung bảo vệ dạng hộp chữ nhật có thể bao quanh toàn bộ PX4, với các góc được bo tròn để giảm lực tác động trực tiếp khi có va chạm.
+ Tích hợp lớp đệm cao su ở các mặt bên trong của khung, giúp hấp thụ rung động và sốc Lớp đệm này sẽ tiếp xúc trực tiếp với PX4, giữ cho nó ổn định bên trong khung bảo vệ.
+ Thiết kế các gioăng cao su ở các khe nối hoặc cổng kết nối của khung bảo vệ để ngăn chặn nước và bụi xâm nhập vào bên trong, bảo vệ PX4 khỏi các yếu tố môi trường khắc nghiệt.
+ Các góc của khung bảo vệ cần được gia cố bằng vật liệu chống va đập như composite sợi carbon để bảo vệ PX4 khỏi các tác động mạnh.
+ Khung bảo vệ cần có cơ chế giảm chấn hiệu quả để giảm thiểu rung động, đặc biệt quan trọng đối với PX4 vì rung động có thể ảnh hưởng đến các cảm biến và hoạt động của bộ điều khiển bay.
+ Khung bảo vệ cần được thiết kế để dễ dàng gắn vào drone Các điểm gắn kết cần được tính toán để không cản trở hoạt động của PX4, đồng thời giữ cho thiết bị cố định chắc chắn.
+ Sử dụng các chốt ốc vít dễ tháo lắp để có thể nhanh chóng tháo rời PX4 khỏi khung bảo vệ khi cần bảo trì hoặc thay thế.
+ Khung bảo vệ cần có thiết kế đơn giản, nhỏ gọn với các đường cong và bề mặt trơn tru để giảm lực cản không khí.
+ Sử dụng các vật liệu nhẹ để đảm bảo khung bảo vệ không làm tăng trọng lượng đáng kể cho drone, ảnh hưởng đến thời gian bay và hiệu suất.
Hình 3.5- Khung vỏ bảo vệ
TÍNH TOÀN MÔ PHỎNG ĐỘ BỀN CỦA HỆ THỐNG PHỤ TRỢ SỬ DỤNG ABAQUS
Phần mềm sử dụng
Phần mềm được sử dụng để mô phỏng độ bền của hệ thống phụ trợ : sinh viên sử dụng phần mềm Abaqus do đã được sử dụng qua từ trước.
Abaqus là một phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis - FEA) mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực cơ khí, kỹ thuật và khoa học vật liệu để mô phỏng các hiện tượng vật lý phức tạp Abaqus được phát triển bởi Dassault Systemses dưới nhãn hiệu SIMULIA.
Các đặc điểm chính của Abaqus:
- Mô phỏng đa ngành: Abaqus có khả năng mô phỏng nhiều hiện tượng vật lý khác nhau bao gồm cơ học, nhiệt, từ trường, điện, và thủy động lực học Điều này làm cho Abaqus trở thành công cụ mạnh mẽ để mô phỏng các vấn đề liên ngành và các tương tác phức tạp.
- Phân tích phi tuyến: Abaqus đặc biệt mạnh mẽ trong việc xử lý các bài toán phi tuyến, bao gồm phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu, và phi tuyến tiếp xúc Điều này rất quan trọng trong việc mô phỏng các hiện tượng như biến dạng lớn, phá hủy vật liệu, và va chạm.
- Môi trường mô hình hóa: Abaqus cung cấp một môi trường mô hình hóa dễ sử dụng với khả năng tích hợp cao Abaqus/CAE là giao diện đồ họa người dùng giúp tạo lưới phần tử, thiết lập bài toán phân tích, và trực quan hóa kết quả một cách hiệu quả.
- Tích hợp đa phần mềm: Abaqus có khả năng tích hợp với các phần mềm khác trong hệ sinh thái SIMULIA như Isight, Tosca, và fe-safe để thực hiện các phân tích tối ưu hóa, quản lý vòng đời sản phẩm, và đánh giá độ bền mỏi.
- Khả năng mở rộng: Abaqus cho phép người dùng tùy chỉnh và mở rộng các khả năng của phần mềm thông qua các script Python hoặc viết mã subroutine để thêm các mô hình vật liệu mới, điều kiện biên phức tạp, hoặc điều khiển các quy trình mô phỏng.
- Ứng dụng rộng rãi: Abaqus được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như hàng không vũ trụ, ô tô, dầu khí, y tế, và xây dựng Các ứng dụng điển hình bao gồm mô phỏng va chạm xe, phân tích sức bền của kết cấu, mô phỏng quá trình chế tạo, và nghiên cứu về tính chất vật liệu.
Module chính của Abaqus được sử dụng trong chủ yếu trong đồ án là:
- Abaqus/Standard: Được sử dụng cho các bài toán phân tích tĩnh và động tuyến tính và phi tuyến Nó phù hợp cho các phân tích liên quan đến các điều kiện biên ổn định và thời gian dài.
- Abaqus/Explicit: Sử dụng phương pháp thời gian thực để giải các bài toán động lực học nhanh, như va chạm và nổ, với khả năng mô phỏng tốt cho các hiện tượng ngắn hạn và phi tuyến.
Quy trình và kết quả mô phỏng
- Quy trình mô phỏng: Đầu tiên phải tính toán, đo đạc và đưa ra các số liệu giả thiết để có thông số đưa vào phần mềm mô phỏng.
+ Khối lượng của Drone: m = 3kg;
Từ đó ta có thể tính được vận tốc lúc va chạm với nền đất của Drone khi rơi từ 1 độ cao cho trước:
V =√ 2 gh Sau đó tính lực tác động ngay lúc va chạm với thời gian tiếp xúc va chạm ∆ t = 0.2s
Tiếp đến chúng ta cần tìm modun đàn hồi của nhựa và một số thông số khác của nhựa để nhập vào phần propties như dưới đây để có thể mô phỏng đúng vật liệu sử dụng để tạo ra chân drone lúc in3D:
Bảng 4.1- Ứng suất, biến dạng của nhựa
Hình 4.1- Modun đàn hồi của các loại nhựa
Khi đã có đầy đủ các thông số về động lực học và thông số của nhựa chúng ta có thể sử dụng phần mềm Abaqus để mô phỏng bằng module Abaqus/Explicit
+ Import file step của chân drone được thiết kế ở Solidworks vào phần mềm abaqus ở phần “Part”
Hình 4.2- Part chân mới được import từ solidworks
+ Vẽ thêm 1 part “Nền đất” ở ngay trên abaqus ở phần “Part” + Tiếp đến chuyển sang phần “Propties” để cài đặt thông số vật liệu:
Hình 4.3- Cài đặt thông số vật liệu cho chân drone
+ Tiếp theo gán vật liệu cho chân Drone ở phần “propties”
+ Sang phần “Asembly” để sắp xếp các phần tử chân drone và Nền để có thể di chuyển đụng quỹ đạo sử dụng trong phần mô phỏng chuyển động sau đó
+ Sau đó qua phần “Step” để chọn sử dụng moduleAbaqus/Explicit ta chọn như sau:
Hình 4.4- Chọn Dynamic, Implicit để mô phỏng động lực học
+ Tiếp đến là phần cài đặt dạng tiếp xúc cho 2 vật thể chân Drone với Nền đất ở Interaction, chọn dạng tiếp xúc surface to surface.
+ Tạo hệ số ma sát cho chân Drone với nền đất lúc tiếp xúc nhau là u = 0,25
Hình 4.5- Tạo hệ số ma sát cho chân drone với nền đất
+ Đặt vận tốc cho nền đất coi như drone đứng yên và nền đất di chuyển
Hình 4.6- Gán vận tốc cho nền theo phương Oy
+ Cuối cùng là chia lưới chân drone và nền đất để chạy mô phỏng.
- Với khung sinh viên sử dụng phương án đặt lực vào xung quang mọi bề mặt có thể tiếp xúc, va chạm với các loại vật cản bên ngoài để xem khi va chạm thì khung sẽ móp và biến dạng như thế nào có ảnh hưởng lớn đến thiết bị điện tử bên trong drone cụ thể là PX4 hay không.
- Cách thức thực hiện cũng tương tự như phần mô phỏng chân drone ở phía trên chỉ khác bây giờ sinh viên sẽ đặt lực mô phỏng tĩnh học ngay trên khung bảo vệ thay vì đặt vận tốc để mô phỏng động học như chân drone
Hình 4.7- Đặt lực xung quanh khung bảo vệ
