Thiết kế và phát triển hệ thống chân và khung vỏ cho máy bay không người lái - UAV

Tổng quan đề tài1.3 Vấn đề và mục tiêu đề tài - Đối với khung UAV: + Không có khung phù hợp ngoài thị trường + Các thiết bị điện tử nhạy cảm cần được bảo vệ khi va đập và tránh bụi bẩn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Thiết kế và phát triển hệ thống chân và khung vỏ cho máy bay không người lái - UAV

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Thuận

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thế Vũ

1 Tổng quan đề tài

1.1 Giới thiệu chung về UAV

- Các hệ thống UAV 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

- UAV được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Quân sự, công nghiệp, nông nghiệp, y tế,…

1 Tổng quan đề tài

1.2 Một số loại UAV

Drone sử dụng để quay phim Drone sử dụng trong nông nghiệp

Drone sử dụng trong quân sự

1 Tổng quan đề tài

1.3 Vấn đề và mục tiêu đề tài

- Đối với chân drone:

+ 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.

>> Giải pháp: Tùy chỉnh hoặc thiết kế chân theo yêu cầu cụ thể của nhiệm vụ

và điều kiện hoạt động Áp dụng các phương pháp mô phỏng và thử nghiệm

để tối ưu hóa thiết kế

1 Tổng quan đề tài

1.3 Vấn đề và mục tiêu đề tài

- Đối với khung UAV:

+ Không có khung phù hợp ngoài thị trường

+ Các thiết bị điện tử nhạy cảm cần được bảo vệ khi va đập và tránh

bụi bẩn trong quá trình bay

>> Giải pháp: Xây dựng khung tùy chỉnh hoặc chế tạo khung

theo yêu cầu cụ thể của dự án Thiết kế khung với lớp bảo vệ

bổ sung hoặc vỏ bọc để bảo vệ các thiết bị điện tử và giảm thiểu

ảnh hưởng từ các yếu tố bên ngoài.

Drone khi chưa có khung bảo vệ

nghiệm độ bền cho các hệ thống đã thiết kế

+ Chế tạo và lắp ráp vào hệ thống UAV

2 Hệ thống UAV

2.1 Hệ thống cơ khí

- 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

Động cơ không chổi than Khung xương chính

2 Hệ thống UAV

2.2 Hệ thống điện

-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

-Bộ phân phối nguồn: Phân phối nguồn điện từ pin đến các thành phần khác

ESC điều khiển tốc độ Bộ phân phối nguồn

- 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

PX4 GPS Module Máy thu tín hiệu

3 Thiết kế hệ thống cơ khí phụ trợ cho

3.1 Yêu cầu

*Yêu cầu về chức năng:

- 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

3 Thiết kế hệ thống cơ khí phụ trợ cho

3.2 Thiết kế

*Thiết kế 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

và tính năng tháo lắp

3 Thiết kế hệ thống cơ khí phụ trợ cho

3.2 Thiết kế

*Phương án thiết kế:

- Tạo trước 1 phụ kiện trợ lực để lắp vào chân drone để kiểm thử

- Khi đã đảm bảo với phụ kiện trợ lực chân drone đã bền hơn thì mới thiết kế chân mới

Phụ kiện trợ lực

>> Thiết kế lại chân mới gắn liền phụ kiện trợ lực và cấu trúc chân cũ

Chân cũ lắp trợ lực

3 Thiết kế hệ thống cơ khí phụ trợ cho

3.2 Thiết kế

*Thiết kế khung bảo vệ:

- Xác định yêu cầu thiết kế

+ Đảm bảo rằng khung bảo vệ có thể bảo vệ PX4 khỏi các yếu tố như va đập, bụi

+ Khung bảo vệ phải có trọng lượng nhẹ

+ Xác định không gian cần thiết để lắp đặt khung bảo vệ trên drone.

+ Lắp ráp khung bảo vệ lên drone để kiểm tra kích thước, độ vừa vặn, và

3 Thiết kế hệ thống cơ khí phụ trợ cho

- 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

3 Thiết kế hệ thống cơ khí phụ trợ cho

3.2 Thiết kế

Nắp che Khung bảo vệ

4 Tính toán mô phỏng độ bền

4.1 Phần mềm

Sinh viên sử dụng phần mềm Abaqus do đã được sử

dụng qua từ trước

4 Tính toán mô phỏng độ bền

4.1 Quy trình mô phỏng

Gán vận tốc cho nền đất coi như Drone đứng yên và nền di chuyển với tốc độ V

tính ở trên ( với từng độ cao kiểm nghiệm khác nhau) sau đó tổng hợp và đưa ra

kết luận

4 Tính toán mô phỏng độ bền

4.1 Quy trình mô phỏng

Với khung vỏ để kiểm nghiệm xem khi va chạm khung sẽ bị móp vào trong và có gây ảnh hướng xấu đến thiết bị điện tử bên trong hay không nên sinh viên sẽ đặt một lực khá lớn xung quanh mọi bề mặt của khung để xem độ biến dạng của khung từ đó

đưa ra kết luận

- Ứng suất chân mới phải chịu là nhỏ hơn chân cũ

méo móp ở mọi hướng xung

quang như với hệ thống giảm

chấn được lắp phía dưới thiết

bị PX4 của mình và các lớp

cao su để bo lại phần tiếp xúc

của khung vỏ với PX4 thì khi

va chạm lực làm cho khung bị

móp sẽ bị giảm khi tiếp xúc

với PX4, cộng với việc có

giảm chấn nữa sẽ làm cho lực

tác động đến PX4 là không

đáng kể và PX4 sẽ không bị

Khung móp nhìn từ bên ngoài

Khung móp nhìn từ bên trong

5 Chế tạo lắp ráp và đánh giá

5.1 Chế tạo lắp ráp

Sau khi đã thiết kế xong mô hình 3D trên Solidworks

- Chuẩn bị mô hình cho in 3D: chuyển đổi sang định dạng in bằng cách lưu mô hình 3D ở định dạng STL

- Tiến hành in 3D

- Hoàn thiện mô hình: loại bỏ các lớp support và làm sạch bề mặt

- Thực hiện mài, cắt các phần bị cản trở để có thể lắp vừa vặn vào thiết bị drone của mình

6 Kết luận và hướng phát triển

6.1 Kết Luân

- Việc thiết kế và chế tạo khung vỏ bảo vệ cùng chân hạ cánh cho drone đã

mang lại những kết quả tích cực trong thử nghiệm thực tế

- Khung vỏ bảo vệ không chỉ đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện tử, giảm

thiểu rủi ro từ tác động bên ngoài và bụi bẩn, mà còn cải thiện đáng kể tính

thẩm mỹ và độ bền tổng thể của drone

- Quan trọng hơn, việc tích hợp khung vỏ bảo vệ không làm ảnh hưởng đến

hiệu suất bay của drone, giúp duy trì khả năng vận hành ổn định.

- Chân hạ cánh cũng được cải thiện về độ bền, đảm bảo drone có thể hạ cánh an toàn và ổn định trên nhiều bề mặt khác nhau

6 Kết luận và hướng phát triển

6.1 Hướng phát triển

- Cải thiện hơn về vật liệu

- Sau khi đã cải thiện, hoàn thiện về phần cơ khí cho thiết bị UAV của mình đi vào nghiên cứu và phát triển thêm về phần điều khiển và tích hơn thêm các cảm biến, camera

để chuyển hướng nghiên cứu sang các phần tự hành cho drone:

+ Điều khiển drone bằng hiệu lệnh, cử chỉ người

+ Nghiên cứu tối ưu cho drone tự di chuyển từ vị trí A sang B sử dụng GPS

- Khảo sát và thử nghiệm các thuật toàn điều khiển tiên tiến hơn để nâng cao hiệu quả hoạt động của drone

THANK

YOU !