NGHIÊN cứu, THIẾT kế máy BAY UAV PHUN THUỐC TRỪ sâu ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ─────── * ─────── ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY BAY UAV PHUN THUỐC TRỪ SÂU ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP Sinh viên thực hiện: NGUYỄN QUANG HUY Lớp Kỹ thuật hàng không – K56 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN PHÚ KHÁNH TS HOÀNG THỊ KIM DUNG HÀ NỘI, 06/2016 PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên Họ tên : NGUYỄN QUANG HUY Điện thoại liên lạc: 0989.386.233 Email: nghuykthk16@gmail.com Lớp: KTHK - K56 Hệ đào tạo: Đại học quy Đồ án tốt nghiệp thực tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Thời gian làm ĐATN: - Ngày giao nhiệm vụ: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: /2016 /2016 Mục đích đồ án tốt nghiệp - Nghiên cứu, thiết kế máy bay UAV phun thuốc trừ sâu ứng dụng nông nghiệp Các nhiệm vụ cụ thể đồ án tốt nghiệp - Tính toán thiết kế, đưa thông số máy bay UAV - Tính toán mô đặc tính khí động mô hình cánh máy bay - Khảo sát đặc tính khí động gói phần mềm Fluent ANSYS - Kiểm nghiệm, so sánh trình mô trình thựcnghiệm - Tối ưu hóa sử dụng phần mềm thông minh Mesh morpher/Optimizer - Xây dựng vẽ kĩ thuật thiết kế máy bay phần mềm Solid Works - Xây dựng vẽ cắt cho máy bay thu nhỏ - Tìm hiểu hệ thống vòi phun - Chế tạo lắp ghép máy bay UAV cỡ lớn - Tiến hành thử nghiệm Lời cam đoan sinh viên Tôi – Nguyễn Quang Huy – Cam kết ĐATN công trình nghiên cứu thân hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Phú Khánh TS Hoàng Thị Kim Dung Các kết nêu ĐATN trung thực, chép toàn văn công trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả ĐATN Nguyễn Quang Huy Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành ĐATN cho phép bảo vệ: Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Giảng Viên Hướng Dẫn PGS.TS Nguyễn Phú Khánh TS Hoàng Thị Kim Dung Nhận xét giáo viên phản biện Hà Nội, ngày … tháng … năm 2016 Giáo viên phản biện TS Vũ Quốc Huy TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Cùng với ngành phát triển khoa học kỹ thuật Việt Nam, lĩnh vực hàng không đóng vai trò thiết yếu cho phát triển trị, kinh tế xã hội Bên cạnh hàng không dân dụng, vật thể bay không người lái UAV xu hướng đóng góp tích vào phát triển nhiều ngành, nhiều lĩnh vực giúp đạt tính năng, hiệu suất cao Đặc biệt với đất nước xuất thân từ nông nghiệp Ứng dụng hàng không công nghiệp thực cách thành công nhiều quốc gia giới chẳng hạn phun thuốc trừ sâu, chất hóa học, phân bón Nếu áp dụng tính cánh đồng tăng hiệu suất công việc, giúp tiết kiệm sức lao động người nông dân, giảm thiểu vấn đề sức khỏe nghiêm trọng người đem đến lượng lớn giá trị kinh tế, tiết kiệm khoản chi phi lớn nhờ dành tiền cho việc phun thuốc, tưới bón Trong khuôn khổ đồ án “Nghiên cứu, thiết kế máy bay UAV phun thuốc trừ sâu ứng dụng nông nghiệp”, nội dung sau thực hiện:            Tìm hiểu ứng dụng hàng không kinh tế nông nghiệp Tính toán thiết kế, đưa thông số máy bay UAV Tính toán mô đặc tính khí động mô hình cánh máy bay Khảo sát đặc tính khí động máy bay gói phần mềm Fluent ANSYS Kiểm nghiệm, so sánh trình mô thực nghiệm Tối ưu hóa sử dụng phần mềm thông minh Mesh morpher/optimizer ANSYS Xây dựng vẽ kĩ thuật thiết kế máy bay phun thuốc trừ sâu phần mềm Solid Works Xây dựng vẽ cắt cho máy bay thu nhỏ Tìm hiểu hệ thống vòi phun Chế tạo lắp ghép máy bay UAV cỡ lớn Tiến hành thử nghiệm ABSTRACT OF THESIS With the development of science and technology in Vietnam, the aviation industry plays an integral part in developing policies, economies and societies Besides civil aviation, Unnamed aircraft vehicle is also become gradually a new trend contributing to the development of many fields helps them gain the highest function and efficiency Especially, VietNam is a country originating from the agriculture Aerial applications in agriculture are executed in many countries in the world such as spraying pesticides, chemicals, fertilizer, etc If we can apply these application in farms, we will gain increasing efficiencies, help saving labour from framers, reduce serious health problem in people and bring enormous economic benefits, save a great deal of money since they not have spend money on spraying pesticide or fertilizer In the framework of the project ‘‘Researching, designing UAV aircraft spraying pesticides in agriculture’’, there are main works:            Learning the application of aviation in the agricultural economy Computing, designing and providing the basic parameters of UAV aircraft Computing and simulating the aerodynamic performance of aircraft wings model Conducting the survey on aerodynamic performance with ANSYS ‘s Fluent software package Examining the comparsion between simulation and experiment Optimizing by using Mesh morpher/Optimizer in ANSYS Designing the technical drawing of aircraft by Solid Works software Constructing the drawing Finding out the spraying system Making and assembling the UAV Examining MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT VMD: Volume median diameter – Nửa thể tích đường kính chứa hạt có kích thước lớn VF: Very fine – Chất lượng hạt loại tốt F: Fine – Chất lượng hạt loại tốt M: Medium – Chất lượng hạt loại trung C: Coarse – Chất lượng hạt loại thô XC: Extremely Coarse – Chất lượng hạt loại thô GPM: Gallon per minute – Thể tích dung dịch gallon phun phút Acres: Đơn vị mẫu anh 10 thiểu bốc so với hạt nhỏ thể tích chúng lớn Từ nghiên cứu đó, ta kết luận có giảm thiểu nhanh trôi dạt hạt đường kính hạt vào khoảng 150 microns d) Cách bố trí đặt giàn phun Vị trí vòi phun giàn phun ảnh hưởng tới kích thước hạt Chúng ta không nên trộn nhiều loại vòi phun với vật liêu, loại, góc hay thể tích phun khác giàn phun Khi có trộn loại vòi chúng tạo phân phối không Các vòi phun phải đặt thẳng hàng để tránh đối lập lẫn độ cao hợp lý, để vòi phun lân cận dọc theo giàn phun phun đè lên để hình thành che phủ Sự che phủ đạt chúng đè lên từ 50% đến 100% Để kiểm tra, thử phun nước bề mặt phẳng quan sát đường chúng Hình 60 Cách bố trí vòi phun tối ưu Hình 61 Góc đặt vòi phun e) Các kiểu bay Với diện tích hình chữ nhật, ta bay song song theo trục dọc diện tích, điều giúp giảm thiểu số lần quay Nếu xuất gió ngang tốc độ thấp điều ngăn cản bay qua vùng bay trước Để ngăn cản dạt, ta không nên thực bay tốc độ gió tăng vượt mức 77 Hình 62 Thao tác bay hướng gió ngang Nếu vùng diện tích gồ ghề dốc, đường bay nên theo đường mép đoạn dốc Khi vùng diện tích dốc ta bay theo đường dốc xuống - Đánh dấu đường bay Đường bay đánh dấu vĩnh viễn tạm thời dựa độ cao loại mà ta thực Phương pháp vô hữu dụng vùng diện tích thực vài lần mùa Hai người cầm cờ hiệu giúp phi công thực bay thẳng hàng vùng Khi phi công bay thẳng hàng theo hướng bay, người cầm cờ hiệu gần đếm số hàng vùng diện tích phun tới vùng Công việc tiếp tục tiến triển Bên cạnh đó, cầm cờ hiệu tự động thường sử dụng Những thiết bị gắn vào máy bay điều khiển phi công Hệ thống cho phi công nhìn vùng đánh dấu để chuyển sang vùng - Bay vòng Tại điểm cuối lượt, phi công tắt thiết bị phun bay vùng diện tích cần phun trước bắt đầu quay Hoàn tất bay vòng máy bay đủ nhanh phép máy bay chỉnh sửa thiết bị trước tiếp tục phun Hình 63 Thao tác thực máy bay bay vòng 78 5.1.5 Lắp đặt hệ thống vòi phun máy bay Hệ thống thiết bị thực tế Thùng chứa: Thùng chứa hóa chất làm từ nhựa, tích 650 ml Trên thân bình có đục lỗ: ứng với đường hóa chất vào bơm, ứng với đường dòng hóa chất sau bơm (có tác dụng khuấy trộn hóa chất liên tục) lỗ lại dùng ống thông (tránh tạo thành chân không bình suốt trình hoạt động hệ thống) Hình 64 Thùng chứa nhiên liệu Bơm: Bơm loại bơm bánh có công suất 50W/60W (12V/5A) Dãy điện áp mà bơm hoạt động bình thường từ 9VDC-14VDC Áp lực tối đa tạo lên tới 120psi cung cấp từ 5-6 lít/phút Kích thước bơm 16cmx12cmx8cm Hình 65 Bơm tăng áp Pin: Pin Lipo điện áp 11,1V, dung lượng 2200 mAh, dòng xả 30C 79 Hình 66 Pin lipo Công tắc + servo: Một công tắc kết hợp với servo qua tay link thép Điều khiển đóng ngắt công tắc thông qua servo tay điều khiển từ xa Hình 67 Servo Vòi phun: Cơ cấu bao gồm lò xo trụ tròn có gắn đĩa đầu Đường ống phụ kiện: Đường ống sử dụng cho giàn phun có đường kính 8mm 80 Hình 68 Cách lắp đặt hệ thống vòi phun 81 Hình 69 Lắp đặt hệ thống vòi phun máy bay 5.2 THIẾT KẾ MÁY BAY PHUN THUỐC TRỪ SÂU 5.2.1 Thiết kế mô hình qua phần mềm Solidwork Các thông số kích thước chi tiết: Kích thước thân Kích thước cánh Chiều rộng 0.18 m Profil Naca 8414 Chiều cao 0.21 m Sải cánh, B 1.5 m Chiều dài 1.1 m 0.2 m Dây cung, C 82 Kích thước đuôi Profil Naca 0010 Đuôi đứng Dây cung 0.1 m mũi Diện tích cánh Aspect AR Ratio, 0.3 m2 Dây cung gốc 0.2 m 7.3 Tỉ số thon 0.5 6o Góc vểnh Đuôi ngang Dây cung 0.14 m Sải cánh 0.50 m Bảng 13 Kích thước máy bay UAV Xây dựng mô hình Hình 70 Hình chiếu máy bay 83 Xây dựng vẽ cắt Hình 71 Bản vẽ cắt máy bay UAV 5.2.2 Chế tạo lắp ghép mô hình Lắp ghép bọc mô hình 84 Hình 72 Lắp ghép mô hình 85 Hình 73 Bọc gỗ balsa 86 Hình 74 Máy bay hoàn chỉnh dán decan 5.2.3 Kiểm tra thử nghiệm 87 Hình 75 Quá trình bay, cất hạ cánh KẾT LUẬN Với đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu, thiết kế máy bay UAV phun thuốc trừ sâu ứng dụng nông nghiệp”, bảo tận tình giảng viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Phú Khánh TS Hoàng Thị Kim Dung, em hoàn thành thời hạn đầy đủ nhiệm vụ giao Qua trình thực đồ án, em lĩnh hội, học thêm nhiều kiến thức không riêng lĩnh vực hàng không mà nhiều lĩnh vực khác Biết cách lập kế hoạch cụ thể sau tiến hành giải bước Đặc biệt với đồ án này, em có hội học thêm số công cụ hiệu thiết kế, tính toán mô chẳng hạn như: Fluent, Mesh morpher/Optimizer phần mềm đồ họa Solidwork 88 Với khối lượng đồ án tốt nghiệp lớn bao gồm công việc thiết kế, tối ưu hóa, thực nghiệm em nhanh chóng, khẩn trương thực công việc giao nhận đề tài Được bảo giáo viên hướng dẫn từ nhiều nguồn tài liệu khác từ nước đến nước em tính toán đưa thông số sơ cho máy bay UAV hạng nhẹ Khi hoàn thành xong cách tổng quan phương pháp thiết kế, thông số máy bay mô hình Em tiến hành thiết kế mẫu UAV cụ thể dựa phần mềm Solidwork Khi có vẽ mô hình, em tiếp tục tiến hành mô mẫu thử phần mềm ANSYS FLUENT trình thực nghiệm để đưa sai khác thực nghiệm, mô Tính toán, mô đặc tính khí động riêng phận cánh máy bay, đưa đặc tính profil cánh quan hệ lực nâng, lực cản góc Tiếp đến, thực công cụ tối ưu hóa thông minh Mesh morpher/Optimizer Ansys để cải thiện, nâng cao chất lượng khí động máy bay Sau công đoạn hoàn tất em tiến hành đưa vẽ thiết kế hình dáng cuối cho máy bay loại nhỏ Ngoài ra, trình thực kiểm nghiệm, em rút học sâu sắc sau: - Giữa trình toán lý thuyết thực tế luôn có sai số định, tính toán lý thuyết chưa phải hoàn toàn Ta phải có hệ số an toàn định tính toán lý thuyết thực tế - Hệ thống bơm đáp ứng lượng phun sương cần thiết, nhiên khối lượng bơm tương đối nặng khiến cho trọng lượng máy bay tăng đáng kể bay với vận tốc thấp để phun thuốc trừ sâu - Kinh nghiệm chế tạo nhiều thiếu xót, hình dáng tạo chưa với mong muốn ban đầu - Góc đặt cánh trình bay thực tế có phần tương đối khác so với trình thực mô Một lần em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Phú Khánh TS Hoàng Thị Kim Dung, người trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đồ án Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô giáo môn Hàng Không & Vũ Trụ bạn bè anh trung tâm ICSE giúp đỡ em suốt trình học tập 89 ĐỊNH HƯỚNG Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế máy bay UAV phun thuốc trừ sâu ứng dụng nông nghiệp” Các định hướng giải vấn đề: - Lựa chọn vật liệu nhẹ để giảm tối đa khối lượng máy bay Tìm kiếm hệ thống bơm có khối lượng nhẹ, chuyên dụng cho hệ thống máy bay phun thuốc trừ sâu 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Quang, Giáo trình học bay, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2006 [2] PGS-TS Nguyễn Minh Xuân, Giáo trình thiết kế máy bay – Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2010 [3] AERIAL APPLICATION _ Aerial Application© 8/1/11 TLC http://www.abctlc.com/PDF/AerialApplicationAss.pdf [4] Hồ Đức Dũng, Tính toán thiết kế máy bay nhỏ dùng nông nghiệp, Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Số Đại Cồ Việt – Hai Bà Trưng – Hà Nội, 2013 [5] Nguyễn Đình Hoàng, Thiết kế UAV phun thuốc trừ sâu ứng dụng nông nghiệp, Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách Khoa Hà Nôi, Số Đại Cồ Việt – Hai Bà Trưng – Hà Nội 2014 [6] Aerodynamics of an Unmanned Aerial Vehicle [7] UIUC Airfoil Data , UIUC Airfoil Coordinates Database [8] Các tài liệu Wikipedia internet 91 [...]... bay Ta chọn thiết kế loại UAV cánh bằng cho ứng dụng phun thuốc sâu trong nông nghiệp 2.2 Vấn đề khi ứng dụng máy bay cánh bằng trong nông nghiệp [5] 2.2.1 Phương pháp phun thuốc trừ sâu trên không Thuốc trừ sâu Các ứng dụng và phương pháp thực tiễn sử dụng thuốc trừ sâu; (bao gồm cả thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm, thuốc diệt côn trùng, phân bón) được sử dụng cho các đối tượng cây trồng nông nghiệp (ví... động, tăng hiệu quả phun thuốc, triển để dịch bệnh, đem lại lợi ích to lớn về kinh tế, góp phần thúc đẩy nền nông nghiệp Việt Nam theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa 13 Hình 1 Ứng dụng hàng không trong công nghiệp 1.2 Một số máy bay ứng dụng trong nông nghiệp [5] Trên thế giới hiện nay các dạng máy bay phun thuốc trừ sâu được phát triển và sử dụng rộng rãi gồm 2 loại chính, là máy bay cánh bằng và... số AR, góc vếch, tỉ lệ thân cánh… 3.1.1 Quy trình thiết kế [5] Hình 9 Quy trình thiết kế 3.1.2 Các yêu cầu đặt ra cho máy bay Loại máy bay và tầm bay Mục tiêu thiết kế nhằm ứng dụng và phục vụ trong nông nghiệp như phun thuốc trừ sâu, phân bón hay các hóa chất trên diện tích rộng Thiết kế dạng máy bay UAV vì nó có tính ứng dụng cao, an toàn có thể thích nghi nhiều loại địa hình, dễ chế tạo và sản xuất... các bộ phận của máy bay nông nghiệp: Hình 6 Cấu tạo máy bay phun thuốc sâu 2.3 Nguyên tắc cơ bản khi ứng dụng máy bay phun thuốc trừ sâu: [5] Mục đích của phần này là để xác định một số vấn đề và đề xuất các phương tiện để giải quyết chúng Mặc dù số lượng máy bay được cấp phép để phun trên không đã giảm gần đây, nơi các khu vực thống nhất lớn phải được điều trị nhanh chóng, ứng dụng máy bay thường được... (ULV) (phun) được sử dụng trong trường hợp ứng dụng phun thuốc trừ sâu trên cao Ứng dụng khối lượng Ultra-Low của thuốc trừ sâu đã được định nghĩa là một tỉ lệ khối lượng ứng dụng (VAR) nhỏ hơn 5 L/ha đối với cây trồng trường hay ít hơn 50 L/ha cho cây/cây bụi VAR bằng 0.25 2 l/ha là điển hình cho ứng dụng ULV trên không cho diệt trừ sâu, châu chấu, dịch bệnh lây lan theo mùa ULV phun là một kỹ thuật phun. .. trang trại có diện tích lớn hàng trăm hecta… Điều này đem lại lợi ích to lớn về kinh tế, góp phần thúc đẩy nền nông nghiệp Việt Nam theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa Với nhu cầu thực tế này, em chọn đề tài là: “ Nghiên cứu, thiết kế máy bay UAV phun thuốc trừ sâu ứng dụng trong nông nghiệp Trong thời gian làm đồ án mặc dù em đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn sẽ có những thiếu sót là điều không... TOÁN VÀ THIẾT KẾ SƠ BỘ 3.1 Đặt vấn đề Trong chương này em sẽ nghiên cứu tính toán các thông số cơ bản và đưa ra cấu hình thân, cánh, càng đáp cho máy bay Kết quả cuối cùng là đưa ra bản vẽ thiết kế cho một UAV hoàn chỉnh Cấu hình thiết kế sẽ được dựa trên mẫu máy bay phun thuốc trừ sâu thực tế EMB 202, các thông số tham khảo để là chỉ số AR, góc vếch, tỉ lệ thân cánh… 3.1.1 Quy trình thiết kế [5] Hình... km/h Tầm bay: 318 km 16 Hình 4 Máy bay Gumman 1.2.4 Máy bay trực thăng phun thuốc trừ sâu Công nghệ sản xuất trực thăng không người lái UAV cỡ nhỏ ở Nhật Bản đã phát triển đến mức cao Hiện Nhật Bản có tới 2.400 trực thăng UAV có tên là Rmax được sử dụng để phun thuốc trừ sâu, bón phân và gieo hạt UAV loại Rmax do hãng Yamaha chế tạo UAV được điều khiển từ xa bằng một thiết bị cầm tay, sử dụng sóng... chẳng hạn như phun thuốc trừ sâu, chất hóa học, phân bón Nếu áp dụng được những tính năng này trên những cánh đồng thì sẽ tăng được hiệu suất công việc, tiết kiệm sức lao động và đem đến lượng lớn giá trị về kinh tế 11 Vì vậy, việc áp dụng đưa khoa học kỹ thuật hiện đại vào nông nghiệp trở nên cần thiết và thực tiến, cụ thể là thiết kế máy bay phục vụ nông nghiệp như phun thuốc trừ sâu, hóa chất,... được sử dụng trong nông nghiệp, Rmax có cấu tạo phù hợp độ cao 5m so với mặt đất Rmax được lắp một hệ thống bơm xịt, cùng 2 vòi phun hai bên, được điều tốc bằng cảm biến từ xa để phun thuốc trừ sâu, bón phân qua lá với mật độ chính xác Nó có thể mang theo 28kg vật tư nông nghiệp treo hai bên thân Hình 5 Máy bay Rmax 17 CHƯƠNG 2 HƯỚNG TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.1 Ưu nhược điểm của 2 loại máy bay cánh