Các phương tiện bay cánh đập có thể đạt đến trạng thái ổn định thụ động mà không cần sự trợ giúp của các đơn vị đo lường quán tính hoặc chế độ lái tự động bằng cách sử dụng đuôi và cánh buồm. Các bộ phận này đóng vai trò là bộ giảm chấn cho động lực quay
[28]. Hơn nữa, phần đuôi có thể được sử dụng để điều khiển hướng bay, như đối với máy bay cánh cố định thông thường.
Hình 2. 1: Các thiết kế đuôi khác nhau: a) đuôi máy bay cơ bản [70], b) DelFly I đuôi chữ V, và c) DelFly II đuôi chữ V ngược [28]
Thiết kế không đuôi là gần nhất với côn trùng bay. Tuy nhiên, nó làm cho phương tiện bị ổn định một cách bị động. Do đó, một hệ thống điều khiển phức tạp hơn bao gồm đơn vị đo lường quán tính, cơ chế điều khiển và sơ đồ điều khiển chuyển động của cánh cần phải được tích hợp để ổn định trạng thái phương tiện. Nano Hummingbird [71] là thiết kế MAV không đuôi đầu tiên thực sự đạt được khả năng bay có kiểm soát.
Hình 2. 2: MAV buồm: a) Mentor [2007]; b) Richter and Lipson [2011]; c) Robot sứa [2014].
a)
c) b)
Tiếp theo, Harvard RoboBee [66] là phương tiện NAV nhỏ nhất và nhẹ nhất bay lơ lửng với điều khiển bên ngoài. BionicOpter, mô phỏng con chuồn chuồn, được Festo chế tạo như một trình diễn công nghệ [72].
3.Số lượng cánh
Các thiết kế ‘truyền thống’ nhất là những thiết kế mô phỏng cánh chim, như trong trường hợp của Robo Raven hoặc Robobee [63], [67], [73]. MAV loại này có hai cánh có thể được kích hoạt phụ thuộc hoặc độc lập tùy theo sự lựa chọn của đuôi. Các thiết kế khác mô phỏng chuồn chuồn với hai cặp cánh hoạt động trên hai mặt phẳng song song, như với BionicOpter của Festo [72]. Một số thiết kế khác không tồn tại trong tự nhiên. Ví dụ, DelFly có hai cặp cánh vỗ trong cùng một mặt phẳng hành trình. Cấu hình này tăng cường lực nâng bằng cách khai thác cơ chế vỗ tay và đập.
Hình 2. 3: Các cấu hình cánh khác nhau: (I) cánh cơ bản, Robo Raven; (II) BionicOpter Dragonfly; cánh không tiêu chuẩn DelFly II với cơ cấu tạo hiệu ứng “clap and fling” (IIIa), Delfly Micro với cơ cấu tạo hai hiệu ứng “clap-and-fling” (IIIb), và Mentor nhiều cơ cấu tạo hiệu ứng như vậy [28].
4.Các phương án điều khiển thiết bị bay loại cánh đập
Do chuyển động của xe khá chậm so với chuyển động của cánh, nên chuyển động xe bị chi phối bởi các lực và mômen trung bình theo thời gian do hai cánh tạo ra. Bằng cách kiểm soát một số tham số quy định chuyển động tuần hoàn của hai cánh, các lực và mômen trung bình có thể được điều khiển trực tiếp. Một số tham số chuyển động của cánh có thể được sử dụng làm biến điều khiển bao gồm biên độ hành trình cánh, tần số nhịp đập của cánh đối xứng và không đối xứng, độ lệch hành trình cánh, góc tấn và góc nghiêng mặt phẳng hành trình, như thể hiện trong Hình 2. 4.
Hình 2. 4: Các thông số chuyển động của cánh theo chu kỳ: a) biên độ hành trình, tần số nhịp đập của cánh đối xứng hoặc không đối xứng và góc lệch hành trình của cánh, b) góc nghiêng mặt phẳng hành trình, c) và d) góc tấn giữa hành trình xuống và hành trình lên.
Ví dụ, các góc vỗ và góc tấn công vẫn giữ nguyên cho cả hai cánh; cánh vỗ nhanh hơn sẽ tạo ra nhiều lực nâng hơn. Độ lệch hành trình làm thay đổi vị trí của trọng tâm của lực nâng so với trọng tâm của xe tạo ra mômen nghiêng như Hình 2. 4 a). Nếu mặt phẳng hành trình nghiêng, lực nâng do các cánh tạo ra sẽ nghiêng về phía sau hoặc về phía
a) c)
trước, xem Hình 2. 4 b). Thay đổi góc tấn chắc chắn dẫn đến thay đổi lực nâng (Hình 2. 4 c) và d)). Việc sử dụng linh hoạt hoặc kết hợp các thông số chuyển động của cánh ở trên sẽ tạo ra một MAV vỗ cánh có thể cơ động được. Một ví dụ thông minh về việc sử dụng tần số vỗ đối xứng và không đối xứng để điều khiển một MAV vỗ với 5 bậc tự do (DOF) được thể hiện trong Hình 1.22.
Hình 2. 5: Điều chế tần số chu kỳ không đổi theo chu kỳ, các chiến lược điều khiển khi vỗ MAV: a) Dịch dọc, b) Dịch ngang, c) Chuyển động yaw và d) Chuyển động roll từ Doman và Oppenheimer [2014].
Điều thú vị là số bậc tự do của xe có thể vượt quá số cơ cấu chấp hành tồn tại trên phương tiện. Về mặt lý thuyết, có thể điều khiển 6 bậc tự do cho xe chỉ với hai cơ cấu chấp hành. Ví dụ, một phương tiện có cánh vỗ bao gồm hai cánh và mỗi cánh được dẫn động trực tiếp bởi một bộ truyền động áp điện, như thể hiện trong Hình 2. 5. Sự thay đổi đối xứng trong tốc độ hành trình tạo ra lực nâng như nhau trên cả hai cánh có thể được sử dụng để điều khiển chuyển dịch lên và xuống (Hình 2. 5 a)). Động tác lên nhanh và xuống chậm trên mỗi cánh tạo ra lực cản trung bình theo chu kỳ hữu hạn có thể được sử
a) c)
dụng để tịnh tiến và tịnh tiến (Hình 2. 5 b)). Sự khác biệt về thời gian đập của cánh giữa cánh trái và cánh phải tạo ra mômen yaw, vì lực nâng lên chúng là khác nhau (Hình 2. 5c)). Sự khác biệt về tốc độ hành trình lên và xuống xảy ra trong mỗi giai đoạn đập của cánh tạo ra mômen lăn (Hình 2. 5 d)).
Kỹ thuật điều khiển máy bay có cánh vỗ này được gọi là điều chế tần số chu kỳ không đổi theo chu kỳ tách. Phương pháp này sử dụng tần số đối xứng và không đối xứng làm biến điều khiển ảo, giữ nguyên các tham số đã đề cập trước đó là cố định.
5.Các phương pháp xoay cánh
Tiếp theo, vẫn còn câu hỏi về nguyên lý quay của cánh. Thay đổi góc tấn công thay đổi lực nâng được tạo ra. Trong tự nhiên, cấu trúc cánh của các loài chim và côn trùng cho phép chúng chủ động thực hiện các thao tác xoay cánh. Trong [45], [71], các nhà nghiên cứu đã bắt chước thành công điều này một cách cơ học bằng cách kiểm soát không chỉ góc tấn mà còn cả độ xoắn màng cánh. Tuy nhiên, các cơ chế hiện có rất phức tạp và đòi hỏi các kỹ sư cơ khí khéo léo để chế tạo chúng. Hơn nữa, cơ chế này làm tăng đáng kể khối lượng phương tiện. Do đó, một nguyên lý khác được gọi là thay đổi góc xoay cánh bị động đã được đưa ra để khắc phục vấn đề này. Cơ chế này được quan sát thấy trong chuyển động cánh của chuồn chuồn, Libellula pulchella, ruồi giấm và diều hâu [74]. Mặc dù những loài côn trùng có nhóm cơ để kiểm soát góc quay của cánh trong khi bay, nhưng khí động lực học và lực quán tính của cánh vẫn đủ để quay cánh mà không cần sự hỗ trợ của cơ. Cơ chế này được áp dụng thành công trong nhiều FWMAV hiện có [52], [75]–[80]. Trong hầu hết các trường hợp, một chi tiết đàn hồi được thêm vào cánh để góp phần vào chuyển động quay của cánh. Một sự lựa chọn khác khai thác tính linh hoạt của cạnh đầu để tạo ra chuyển động xoắn của mép trước cánh, như trong [76].
In some cases, the wing can rotate passively at a specific angle limited by a stopper fixed to one end of the wing leading-edge spar [79], [78]. In the last approach, the wings collide with the stopper and are, therefore, vulnerable to vibrational flaws and breaking. To sum up, active wing pitch brings more control but significantly increases the vehicle mass. Therefore, until now, this concept is applied majorly on MAVs with the higher payload. On the contrary, lightweight passive wing pitch could be found on both MAV and NAV.
Trong một số trường hợp, cánh có thể quay thụ động theo một góc cụ thể được giới hạn bởi một cơ cấu chặn được gắn cố định vào một đầu của trục biên đầu cánh [37], [36]. Trong cách tiếp cận cuối cùng, cánh sẽ va chạm với cơ cấu chặn chặn và do đó, dễ bị rung và gãy. Tóm lại, quay cánh chủ động mang lại nhiều khả năng kiểm soát hơn nhưng lại làm tăng đáng kể khối lượng phương tiện. Do đó, cho đến nay, khái niệm này được áp dụng chủ yếu trên các MAV có trọng tải cao hơn. Ngược lại, quay cánh cánh bị động thì nhẹ và có thể được tìm thấy trên cả MAV và NAV.
Tổng kết lại, động cơ DC được ưu tiên làm thiết bị truyền động chính cho MAV. Tiếp theo, việc lựa chọn đuôi, không đuôi hay buồm phụ thuộc vào nhà thiết kế. Sử dụng buồm giúp đơn giản hóa việc điều khiển, nhưng phương tiện kém linh hoạt hơn và trông nó cũng không tự nhiên. Loại có đuôi được điều khiển chủ động dẫn đến khả năng cơ động cao hơn nhưng nó cũng làm tăng độ phức tạp của các cơ cấu liên kết và do đó làm tăng khối lượng phương tiện. Thiết kế không đuôi với hai hoặc bốn cánh gần giống với ruồi sinh học. Tuy nhiên, chuyến bay của chúng rất không ổn định do đó đòi hỏi thuật toán điều khiển cũng như mạch điện tử phức tạp hơn. Cuối cùng, quay cánh bị động phù hợp hơn với MAV và MAV của chúng tôi.
6.Xác định khối lượng – chiều dài sải cánh và tần số đập cánh
Từ sự so sánh trước đó của các loại phương tiện bay dựa trên cấu hình cánh trong Chương 1.2, chúng ta nhận thấy rằng các phương tiện cánh đập có tiềm năng vượt xa các loại khác về hiệu suất bay, đặc biệt là các cho phương tiện cỡ nhỏ. Động học của cánh côn trùng và cơ cấu chấp hành tương ứng đã được chọn trong Chương 1.3. Những khó khăn to lớn của các hiện tượng khí động học không ổn định mà các nhà nghiên cứu gặp phải khi thiết kế các phương tiện bay cỡ nhỏ cũng được đề cao. Tuy nhiên, từ các khó khăn ta phát hiện ra nhiều khả năng nâng cao sức nâng như khai thác cơ chế “clap and fling” hoặc tăng giới hạn góc tấn. Phần Chương 2 xem xét các MAV hiện có. Bằng cách chia chúng thành các nhóm tùy thuộc vào bộ truyền động và cấu hình hình học của chúng, chúng ta đã thu thập thêm thông tin từ các nghiên cứu khác. Bây giờ, chúng ta tổng hợp tất cả kiến thức tích lũy được để suy ra thiết kế cuối cùng của MAV của chúng tôi.
Kết luận, một MAV giống côn trùng chắc chắn là sự lựa chọn hoàn hảo. Sự lựa chọn này rõ ràng có liên quan đến Chim ruồi, vì kích thước và trọng lượng của loài chim này
nằm trong phạm vi MAV. Ngoài ra, đây là loài chim duy nhất có thể bay lượn với động học cánh giống côn trùng.
Với ý tưởng phát triển một MAV cánh vỗ cánh lấy cảm hứng từ loài chim ruồi, bây giờ cần thiết lập hai thông số kỹ thuật quan trọng, có liên quan mật thiết với phương tiện bay: sải cánh và tổng khối lượng. Như có thể thấy trong Hình 2. 6 a), mối quan hệ giữa trọng lượng và chiều dài cánh của những sinh vật bay trong tự nhiên là tuyến tính. Phương tiện bay nặng hơn có đôi cánh dài hơn và ngược lại. Từ mối tương quan này, có thể chọn chiều dài cánh thích hợp theo tổng khối lượng của phương tiện lấy cảm hứng từ thiên nhiên. Xem xét các vật liệu hiện có, tổng khối lượng của chiếc xe bao gồm cả mạch điện và pin sẽ vào khoảng 10 g. Lấy Hummingbirds (nét đứt màu đỏ) làm chuẩn, khối lượng này tương ứng với chiều dài cánh là 8 cm. Tiếp theo, trong Hình 2. 6 b) chiều dài cánh được vẽ dựa trên quan hệ với tần suất vỗ của những sinh vật bay tự nhiên và được sử dụng để dự đoán tần suất đập cánh. Có thể thấy, côn trùng luôn vỗ cánh nhanh hơn chim và tần suất đập càng tăng khi chiều dài cánh càng giảm. Một số MAV thành công được trình bày trong sơ đồ này để xác nhận sự lựa chọn lấy cảm hứng từ sinh học này. Trong khi RoboBee và OVMI nằm trong phạm vi côn trùng, DelFly Micro và Nano Hummingbird nằm trong phạm vi tương tự như chim và chính xác hơn là chim ruồi. Với chiều dài cánh 8 cm, mục tiêu 10 g của chúng ta nằm trong phạm vi của chim ruồi, vì vậy theo tự nhiên tần số vỗ của nó phải gần 20 Hz.
Từ thông tin này về tần suất đập cánh và khối lượng xe mong muốn, có thể chọn một bộ truyền động phù hợp. Như đã thảo luận trong Chương 2.1, động cơ là một lựa chọn tốt cho MAV vỗ. Ngoài ra, có nhiều khả năng trên thị trường có nhiều loại công suất đầu vào. Hơn nữa, việc sử dụng động cơ làm bộ truyền động giúp tiết kiệm thời gian và giảm các vấn đề liên quan đến việc chế tạo và lắp ráp MAV
Hình 2. 6: Mối quan hệ giữa a) chiều dài cánh và tổng khối lượng, b) chiều dài cánh và tốc độ vỗ cánh, chỉnh sửa từ [81]
b) a)
Chương 3 : Mô phỏng và thực nghiệm 1.GIỚI THIỆU 1.GIỚI THIỆU
Mục tiêu chương này là phát triển một mô hình toán cho phép phân tích hiệu suất của một FWNAV, có khung đàn hồi và có khả năng hoạt động ở chế độ cộng hưởng. Nghiên cứu này có tính độc đáo bởi nó dựa trên mô hình tham số phân tán (distributed-parameter model) xây dựng cho một phương tiện bay có cấu trúc micro mềm dẻo. Phương tiện được xử dụng trong nghiên cứu này có tên là “object volant mimant l’insecte” (OVMI) [10], được chế tạo bằng công nghệ micro với vật liệu dẻo. Sự rung động của toàn bộ cấu trúc được duy trì bởi một cơ cấu chấp hành điện từ trường.
Bởi vì chúng ta quan tâm đến việc phân tích động lực học của một hệ thống đa vật lý, ngôn ngữ Bond Graph thì hoàn toàn phù hợp [82]. Là một dạng ngôn nghữ đồ họa, Bond Graph giúp cho mô hình trở nên rõ ràng và rành mạch. Thêm vào đó khi cần cập nhật hay nâng cấp mô hình, ta chỉ cần thêm vào các thành phần vật lý phù hợp với yêu cầu đề ra mà không cần phải xây dựng mô hình lại từ đầu.
Mặc dù có những lợi thế như vậy, mô hình Bond Graph cho đến nay phần lớn chỉ dược áp dụng cho phương tiện bay loại cánh xoay (rotary-wing) [83]–[86]. Dupont et al. [87] và Jahanbin et al. [88], [89] gần đây đã phát triển một mô hình Bond Graph để xác định giá trị của các tham số để phân tích hiệu suất bay của một FWMAV. Hơn thế nữa, Jahanbin et al. còn tính tới biến dạng uốn của cạnh trước (leading edge) của cánh. Rõ ràng rằng mô hình được phát triển trong đề tài này đã còn mở rộng sự mềm dẻo ra toàn bộ cấu trúc của phương tiện.
2.Mô hình Bond Graph của OVMI
2.1Giới thiệu về nguyên mẫu
Nguyên mẫu được cấu thành chính từ một khung xương 3D làm từ nhiều lớp SU-8, một loại vật liệu cản quang [90] (Hình 3. 1). Tùy vào số lượng cũng như độ dày của các lớp, độ cứng của khung 3D được xác định. Một lớp parylene mỏng (0.4 µm) được phủ trên các đường gân tạo thành lớp màng cho cánh. Sải cánh có chiều dài là 22 mm. Một bộ truyền động điện từ được cố định tại trung tâm tạo ra và duy trì giao động. Các nối mềm đóng vai trò tryền dẫn những giao động này đến cánh. Khối lượng tổng của nguyên mẫu là 22 mg, không bao gồm mạch điện tử hay pin. Rõ ràng nguyên mẫu này nằm trong giới hạn về kích thước và khối lượng của côn trùng. Động học của cấu trúc mềm dẻo
này được định nghĩa là sự kết hợp của hai chuyển đổng chính, bao gồm chuyển động uốn và xoắn.
Hình 3. 1: Nguyên mẫu OVMI với khối lượng 22 mg và sải cánh 22 mm.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi xem xét một cánh mềm dẻo mà động học của nó được xác định bằng sự kết hợp của hai chuyển động cơ bản: chuyển động uốn, được mô tả bởi một góc θ và chuyển động xoắn, được mô tả bởi một góc φ, như được thể hiện trong Hình 3. 2a) .
Hình 3. 2: a) sơ đồ của một cánh mềm dẻo với hai bậc tự do, b) chế độ uốn mô phỏng,