Chương 1: Tìm hiểu tổng quan về thiết bị bay không người lái, cấu tạo các thành phần, nguyên lý hoạt động của UAV cánh bằng. - Chương 2: Tìm hiểu về máy bay D-96, khảo sát động học và động lực học của máy bay D-96. - Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển trên thiết bị bay không người lái. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAV- Unmanned Aerial Vehicle) 1.
Giới thiệu chung 1. Lịch sử phát triển UAV là tên gọi chỉ chung cho các loại máy bay mà không có phi công ở buồng lái và được điều khiển từ xa từ trung tâm. UAV có thể có nhiều hình dạng, kích thước và phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Từ khi ra đời đến nay UAV đã được sử dụng phổ biến trong quân sự, chúng được sử dụng cho các nhiệm vụ huấn luyện, trinh sát, thông tin, tác chiến điện tử, và thậm chí trực tiếp tham gia chiến đấu.
Còn trong các lĩnh vực khác, UAV được sử dụng trong các nhiệm vụ như giám sát bờ biển, chống buôn lậu, kiểm soát môi trường, hay đánh giá sản lượng nông sản. Phương tiện bay không người lái được nghiên cứu, phát triển từ thế chiến lần thứ nhất, thiết bị đầu tiên được biết đến là Aerial Torpedoes. Tiếp đó, ngày 12/09/1916 máy bay tự động Hewitt-Sperry, còn được gọi là “Flying Bomb” được thử nghiệm thành công. Năm 1917, các máy bay tự động đã được quân đội Mỹ phát triển và sử dụng, đây chính là tiền đề mở ra những hướng nghiên cứu và phát triển các mô hình máy bay tự động sau này.
Trong những năm 1930, quân đội Anh với khả năng về khoa học kỹ thuật vượt trội đã chú trọng nghiên cứu và phát triển các phương tiện bay tự động. Trước hết là những máy bay điều khiển bằng vô tuyến để hiệu chỉnh súng pháo phòng không, điển hình trong số đó là mục tiêu bay “Fairey Queen” phát triển từ thủy phi cơ “Fairey IIIF”. Bước phát triển tiếp theo là mục tiêu bay “DH82 Queen Bee” ra đời năm 1935. Hiện nay, quân đội Mỹ cũng phát triển hàng loạt các loại máy bay điều khiển vô tuyến.
Nổi bật nhất là các sản phẩm của Reginal Denny (một người Anh di cư) như RP-1, RP-2, RP-3, RP-4, và đặc biệt nhất là máy bay điều khiển vô tuyến OQ-2 được quân đội Mỹ đặt hàng 15000 chiếc vào năm 1940. Bước đột phá diễn ra trong chiến tranh thế giới lần thứ II khi quân đội Mỹ sử dụng những chiếc máy bay điều khiển vô tuyến TDR-1 mang theo bom và ngư lôi tấn công các tàu của hải quân Nhật đang rời khỏi quần đảo Solomon. Cũng trong cuộc chiến này không quân Mỹ (USAAF - the US Army Air Forces) đã sử dụng hàng trăm mục tiêu bay loại PQ-8, hàng ngàn loại PQ-14 và rất nhiều máy bay B-7, B-24. Thời gian này cũng đánh dấu sự ra đời của các loại UAV sử dụng động cơ phản lực Pulsejet, điển hình là loại mục tiêu T2D-1 Katydid được sử dụng trong Hải quân Mỹ.
Chiến tranh thế giới lần thứ II kết thúc, những nghiên cứu trong lĩnh vực UAV không ngừng lại mà còn có những bước phát triển mới theo đòi hỏi của cuộc chạy đua vũ trang. Việc sử dụng UAV làm mồi bẫy bắt đầu từ những năm 1950, điển hình là các sản phẩm của hãng Northrop Crossbow. Để theo kịp tốc độ của máy bay chiến đấu với tốc độ vượt âm thanh, hãng Northrop đã thiết kế ra loại Q-4 với động cơ phản lực tua - bin, sau phát triển thành AQM-35 với động cơ phản lực tua bin GE J85. UAV được sử dụng cho nhiệm vụ do thám, tình báo vào cuối những năm 50.
Đi đầu trong lĩnh vực này lại là quân đội Mỹ với UAV “Aerojet- General MQM- 58 Oversere” được trang bị các loại sensor trinh sát hết sức tinh vi. Từ đó, hướng nghiên cứu này ngày càng phát triển, đồng thời rất nhiều UAV làm nhiệm vụ giám sát, tình báo được quân đội Mỹ đưa vào sử dụng. Điển hình là loại Model 147 Lighting Gug và Model 154 của Ryan, Compass Copes của Boeing, D21 của Lockheed. được sử dụng trong chiến tranh Việt Nam, Trung Quốc và Bắc Triều Tiên vào những năm 1960 và đầu 1970.
Cũng trong thời kỳ này, Liên Xô đã nghiên cứu và phát triển thành công nhiều loại máy bay do thám, trinh sát chống lại hoạt động của quân đội Mỹ và đồng minh. Qua quá trình phát triển lâu dài, ngày nay UAV đã chiếm một vị trí và vai trò rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực mà đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự là không thể thay thế. Những bước tiến về khoa học công nghệ đã góp phần đáng kể vào việc hoàn thiện công nghệ chế tạo UAV. Phân loại UAV Có nhiều cách phân loại UAV khác nhau nhưng có một số cách chủ yếu sau: Phân loại theo phương pháp bay của UAV có các loại: trực thăng, cánh bằng.
Phân loại theo loại động cơ sử dụng: động cơ phản lực, động cơ pit-tông, động cơ điện. Phân loại theo nhiên liệu sử dụng: xăng, dầu, cồn, ắc quy. Phân loại theo cách thức vận hành có thể chia thành các loại là máy bay tự hành (hiện ít xuất hiện trong thực tế vì các lý do an toàn), máy bay điều khiển từ xa (xuất hiện phổ biến hơn) hoặc kết hợp cả hai. Vai trò và khả năng ứng dụng Hệ thống UAV có những ưu điểm vượt trội trong lĩnh vực quân sự như: Không cần phi công điều khiển trực tiếp trong buồng lái, do đó giảm thiểu thương vong, giảm chi phí đào tạo, có thể bay liên tục trong nhiều giờ trong các trong các trường hợp khẩn cấp.
UAV dễ dàng thay đổi đường bay do đó khó bị đánh chặn hơn các tên lửa hành trình, đồng thời có thể hoạt động ở các địa hình phức tạp. Với ưu thế kích thước nhỏ, khó bị phát hiện, UAV có thể hoạt động ở những vùng nguy hiểm, xâm nhập vào không phận để trinh sát và theo dõi đối phương, thậm chỉ có thể trực tiếp tấn công các mục tiêu khi cần thiết. Trong lĩnh vực khác, UAV cũng thể hiện ưu điểm với khả năng tự hành, nhiều kích thước khác nhau, thích hợp với môi trường khắc nghiệt, nguy hiểm mà con người không thể tới được. Tuy nhiên, nhược điểm của UAV là: giá thành cao, đòi hỏi hàm lượng kiến thức về khoa học – kỹ thuật cao trong quá trình chế tạo.
Với những ưu thế trên, UAV được ứng dụng trong cả quân sự và phi quân sự: Quân sự - Bay giám sát, hỗ trợ lực lượng mặt đất. - Theo dõi mục tiêu trên không, truyền hình ảnh video trực tiếp về căn cứ. - Tiêu diệt mục tiêu (với các chiếc UAV được gắn vũ khí). - Công tác huấn luyện bay.
- Rà soát, phát hiện, hỗ trợ tháo gỡ bom mìn (Lào đang áp dụng). Phi quân sự - Phục vụ giao hàng tận nơi. - Dự báo thời tiết, thu thập thông tin khí tượng (NASA và cơ quan thời tiết Hoa Kỳ đã sử dụng). - Hỗ trợ quay phim, chụp ảnh từ trên không.
- Xây dựng bản đồ, nhất là bản đồ 3D (dùng các hệ thống quét laser như LIDAR). - Bảo vệ động vật hoang dã (một vài khu bảo tồn tại Mỹ và Sumatra, Indonesia đã bắt đầu áp dụng). - Dùng trong nông nghiệp (rải phân bón, thuốc trừ sâu. - Công tác tìm kiếm, cứu nạn.
Cấu trúc của hệ thống UAV Một hệ thống UAV hoàn chỉnh thông thường bao gồm các thành phần chính như: UAV, máy phát lệnh điều khiển (TX), hệ thống truyền dữ liệu (Data link), trạm điều khiển mặt đất (GCS), hệ thống bám sát (Auto tracker), bệ phóng, các thiết bị hỗ trợ, các thiết bị vận chuyển…được trình bày trên Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống UAV 1. Bộ xử lý trung tâm Có thể nói đây là bộ não của UAV giữ vai trò điều khiển toàn bộ hoạt động của UAV, quản lý toàn bộ hành trình bay, các tham số tức thời của UAV, tọa độ, trạng thái hoạt động của UAV, thực hiện chức năng của các bộ điều khiển UAV theo các thuật toán điều khiển nó tiếp nhận, xử lý và tính toán mọi lệnh điều khiển từ trạm điều khiển mặt đất, mọi thông tin dữ liệu từ các hệ thống: Cảm biến, Radar, Camera giám sát rồi từ đó đưa ra các lệnh điều khiển đến các cơ cấu chấp hành để UAV bay theo đúng quỹ đạo đặt trước, hoặc theo đúng tín hiệu điều khiển của trạm mặt đất. Phần trung tâm của hệ thống điện tập chung chủ yếu tại “Bộ xử lý trung tâm”, đây là nơi nhận, xử lý các tín hiệu và xuất ra các lệnh điều khiển đến mọi cơ cấu chấp hành. Sau khi nhận được các tín hiệu báo về, “Bộ xử lý trung tâm” sẽ tính toán, xử lý các tín hiệu này và đưa ra các lệnh điều khiển đến các cơ cấu chấp hành theo từng chế độ và theo chương trình cài đặt trước.
Các tín hiệu nhận được bao gồm: Tín hiệu từ mạch điều khiển động cơ (ECU- Electronic Control Unit), tín hiệu từ “Máy thu lệnh điều khiển”, tín hiệu từ “Thiết bị truyền số liệu”, tín hiệu từ “Thiết bị định vị vệ tinh”. Hệ thống cảm biến Giống như cơ thể con người, hệ thống cảm biến là các giác quan của UAV có chức năng cảm nhận, đo đạc các tham số cần thiết rồi truyền dữ liệu về cho bộ xử lý trung tâm xử lý. Hệ thống cảm biến phản ánh các tham số động học của UAV như tốc độ góc các trục, tốc độ không khí, tốc độ leo, hướng bay… và các tham số làm việc khác của UAV như tốc độ vòng quay động cơ, mức nhiên liệu, chỉ số các nguồn cung cấp.Các loại cảm biến cơ bản của UAV gồm: Cảm biến gia tốc, cảm biến góc quay (IMU- Inertial Measurement Unit), cảm biến khí áp, cảm biến nhiệt độ…IMU là loại cảm biến rất quan trọng quyết định trạng thái bay của UAV. Trước hết, một module IMU sẽ bao gồm hai cảm biến: cảm biến gia tốc (accelerometer) và cảm biến quay (gyroscope): Accelerometer (gọi tắt là accel): Là một cảm biến đo gia tốc của bản thân module và thường sẽ có 3 trục xyz ứng với 3 chiều không gian (loại 1 và 2 trục ít dùng).
Lưu ý là accel đo cả gia tốc của trọng lực nên giá trị thực khi đo sẽ bao gồm cả trọng lực. Accel luôn có offset trên mỗi trục làm cho giá trị đo được thường lệch đi so với thực tế một chút. Ngoài ra, giá trị đó được theo accel thường khá nhiễu khiến cho việc đọc dữ liệu trở nên khó khăn. Gyroscope (gọi tắt là gyro): Là một loại cảm biến đo tốc độ quay của nó quanh một trục.
Tương tự với accel, gyro cũng thường có 3 trục xyz.