Nghiên cứu nâng cao hiệu suất bay treo của máy bay trực thăng không người lái định hướng phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp

Nghiên cứu nâng cao hiệu suất bay treo của máy bay trực thăng không người lái trong nông nghiệp, ứng dụng phun thuốc trừ sâu hiệu quả.

• Tác giả: Dương Minh Trung
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Ích Long
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Nâng Cao Hiệu Suất Bay Treo Của Máy Bay Trực Thăng Không Người Lái Định Hướng Phun Thuốc Trừ Sâu Trong Nông Nghiệp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI
• 1.1. Lịch sử phát triển máy bay trực thăng
• 1.2. Tình hình phun thuốc trừ sâu và tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục tiêu của luận văn
• 1.4. Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được)
• 1.5. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.8. Phân loại máy bay không người lái
• 1.8.1. Máy bay cánh cố định
• 1.8.2. Máy bay trực thăng không người lái một chong chóng mang
• 1.8.3. Máy bay không người lái nhiều rotor
• 1.9. Yêu cầu đặc biệt của máy bay không người lái
• 1.10. Cấu tạo, nguyên lý và phân loại máy bay không người lái
• 1.11. Lý thuyết hiệu ứng mặt đất
• 1.11.1. Hiệu ứng mặt đất của máy bay cánh bằng
• 1.11.2. Hiệu ứng mặt đất đối với trực thăng một chong chóng mang
• 2. LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHONG CHÓNG MANG Ở CHẾ ĐỘ BAY TREO
• 2.1. Lý thuyết động lượng trong chế độ bay treo
• 2.1.1. Dòng chảy qua chong chóng mang ở chế độ bay treo
• 2.1.2. Các định luật bảo toàn khí động lực học
• 2.1.3. Ứng dụng cho chong chóng mang ở chế độ bay treo
• 2.2. Các đặc điểm cơ bản của chong chóng mang
• 2.3. Các đặc trưng hình học
• 2.3.1. Đường kính của chong chóng mang
• 2.3.2. Hình dạng cánh trên mặt bằng
• 2.3.3. Profil của cánh
• 2.3.4. Góc đặt của phân tố cánh
• 2.3.5. Độ xoắn hình học của cánh
• 2.3.7. Diện tích quét của chong chóng mang
• 2.3.8. Phụ tải riêng trên diện tích quét
• 2.3.9. Phần cắt bỏ ở gốc cánh
• 2.3.11. Tốc độ mũi cánh và giảm tiếng ồn
• 2.3.12. Gia công chế tạo
• 2.4. Các chế độ làm việc chủ yếu của chong chóng mang
• 2.4.1. Chảy bao dọc trục
• 2.4.2. Chế độ chảy bao nghiêng
• 2.4.3. Góc va của chong chóng mang
• 2.5. Hệ số chế độ làm việc của chong chóng mang
• 2.6. Các hệ số đặc trưng trong chế độ bay treo
• 2.7. Mô hình máy bay hoàn chỉnh dựa trên tính toán lý thuyết và thực nghiệm
• 3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG SỐ CFD
• 3.1. Phương pháp và quy trình nghiên cứu
• 3.2. Phương pháp CFD và các lý thuyết dòng chảy
• 3.2.1. Tổng quan Phương pháp CFD
• 3.2.2. Mô hình toán học
• 3.2.3. Các phương trình cơ bản
• 3.2.4. Phương trình năng lượng
• 3.2.5. Phương trình Navier-Stokes được trung bình bởi Reynolds (RANS)
• 3.2.6. Mô hình rối của dòng chảy
• 3.2.7. Lý thuyết điều kiện biên
• 4. NGHIÊN CỨU SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC DẠNG THÂN MÁY BAY ĐẾN HIỆU SUẤT BAY TREO CỦA MÁY BAY TRỰC THĂNG KHÔNG NGƯỜI LÁI
• 4.1. Mẫu mô hình mô phỏng
• 4.2. Ảnh hưởng của thân hình cầu
• 4.2.1. Mô hình mô phỏng với thân hình cầu
• 4.2.2. Mô hình lưới và đánh giá sự hội tụ lưới
• 4.2.3. Đánh giá độ tin cậy
• 4.2.4. Kết quả và thảo luận
• 4.3. Ảnh hưởng của thân hình lập phương
• 4.3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng thân hình lập phương
• 4.3.2. Phân tích các kết quả với thân hình lập phương
• 4.3.3. Kết quả FM với thân hình lập phương
• 4.4. Ảnh hưởng của thân hình ellipsoid
• 4.4.1. Mô hình thân hình ellipsoid
• 4.4.2. Kết quả và đánh giá
• 4.4.3. Kết quả FM thân hình ellipsoid
• 4.5. Phân tích tổng hợp và tìm phương trình tương quan tổng quát
• 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Ứng Dụng UAV Nông Nghiệp Tiềm Năng và Thách Thức

Máy bay không người lái (UAV) đang cách mạng hóa ngành nông nghiệp, mang lại giải pháp hiệu quả cho nhiều vấn đề. UAV được sử dụng rộng rãi trong giám sát cây trồng, phun thuốc trừ sâu, tưới tiêu và phân tích dữ liệu. Đặc biệt, khả năng bay treo của máy bay trực thăng UAV là yếu tố then chốt, cho phép thực hiện các tác vụ chính xác và hiệu quả. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa hiệu suất bay treo UAV nông nghiệp vẫn còn nhiều thách thức. Các yếu tố như thiết kế khí động học, hệ thống điều khiển và nguồn năng lượng ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian bay, khả năng chịu tải và độ ổn định của UAV. Theo nghiên cứu của Đại học Bách Khoa Hà Nội, mục tiêu chính là "nâng cao hiệu quả bay treo của trực thăng UAV với các loại thân khác nhau qua các thông số kích thước thân máy bay và khoảng cách giữa thân máy bay và CCM (chong chóng mang)". Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp công nghệ bay treo UAV tiên tiến là vô cùng cần thiết.

1.1. Lợi Ích và Ưu Điểm của Ứng Dụng UAV Trong Nông Nghiệp

Ứng dụng UAV mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với phương pháp truyền thống. UAV có khả năng bao phủ diện tích lớn trong thời gian ngắn, giảm thiểu chi phí nhân công và tiết kiệm tài nguyên. Khả năng giám sát từ trên cao giúp phát hiện sớm các vấn đề về sâu bệnh, dinh dưỡng, hoặc stress cây trồng, từ đó đưa ra các biện pháp can thiệp kịp thời. Việc sử dụng UAV phun thuốc trừ sâu giúp giảm thiểu tiếp xúc của con người với hóa chất độc hại và đảm bảo phun thuốc đồng đều, hiệu quả hơn. UAV tưới tiêu có thể được sử dụng để cung cấp nước chính xác đến từng cây trồng, giảm lãng phí và tối ưu hóa năng suất.

1.2. Những Hạn Chế và Thách Thức Hiện Tại của UAV Nông Nghiệp

Mặc dù có nhiều ưu điểm, ứng dụng UAV nông nghiệp vẫn còn đối mặt với một số hạn chế. Thời gian bay hạn chế do dung lượng pin UAV là một trong những thách thức lớn nhất. Độ ổn định bay UAV trong điều kiện thời tiết xấu, như gió mạnh hoặc mưa, cũng là một vấn đề cần được giải quyết. Bên cạnh đó, chi phí đầu tư ban đầu cho UAV và các thiết bị liên quan có thể là rào cản đối với nhiều nông dân. Việc đảm bảo an toàn bay và tuân thủ các quy định pháp luật cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét.

II. Các Vấn Đề Ảnh Hưởng Hiệu Suất Bay Treo UAV Phân Tích Sâu

Hiệu suất bay treo UAV chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau. Thiết kế cánh quạt UAV, hình dạng thân máy bay, và khoảng cách giữa thân máy bay và cánh quạt (CCM) đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra lực nâng và giảm thiểu lực cản. Hệ thống điều khiển UAV cần đảm bảo sự ổn định và chính xác trong quá trình bay treo. Pin UAV và hệ thống quản lý năng lượng ảnh hưởng trực tiếp đến tối ưu hóa thời gian bay UAV. Thời tiết và hiệu suất UAV có mối quan hệ mật thiết, đặc biệt là khi mật độ cây trồng ảnh hưởng đến luồng không khí và lực cản. Nghiên cứu của Dương Minh Trung chỉ ra rằng "hiệu suất bay treo (FM) tăng lên khi tăng Rf/R (kích thước thân máy bay) hoặc giảm Hm/R (khoảng cách giữa thân máy bay và CCM)".

2.1. Ảnh Hưởng Thiết Kế Khí Động Học Đến Hiệu Suất Bay Treo

Thiết kế khí động học của UAV đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa hiệu suất bay treo. Hình dạng và kích thước của cánh quạt, cũng như thân máy bay, ảnh hưởng trực tiếp đến lực nâng và lực cản. Việc sử dụng các profil cánh tiên tiến có thể giúp tăng lực nâng và giảm lực cản, từ đó cải thiện hiệu suất bay. Bên cạnh đó, việc tối ưu hóa khoảng cách giữa thân máy bay và cánh quạt cũng có thể giúp giảm thiểu nhiễu loạn không khí và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.

2.2. Vai Trò Hệ Thống Điều Khiển UAV trong Duy Trì Bay Treo Ổn Định

Hệ thống điều khiển UAV đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì độ ổn định bay UAV, đặc biệt là trong chế độ bay treo. Các cảm biến UAV, như gia tốc kế, con quay hồi chuyển, và GPS, cung cấp thông tin về vị trí, vận tốc, và hướng của UAV. Phần mềm điều khiển UAV nông nghiệp sử dụng các thuật toán phức tạp để xử lý thông tin từ cảm biến và điều khiển động cơ, đảm bảo UAV luôn ở vị trí mong muốn. Các thuật toán bay treo UAV tiên tiến có thể tự động điều chỉnh để bù trừ các yếu tố bên ngoài, như gió và nhiễu loạn không khí.

2.3. Yếu Tố Năng Lượng và Tối Ưu Hóa Thời Gian Bay UAV

Pin UAV là nguồn năng lượng chính cung cấp cho hoạt động của UAV. Dung lượng và hiệu suất của pin ảnh hưởng trực tiếp đến tối ưu hóa thời gian bay UAV. Việc sử dụng các loại pin lithium-polymer (LiPo) có mật độ năng lượng cao và trọng lượng nhẹ có thể giúp tăng thời gian bay. Ngoài ra, việc tối ưu hóa hệ thống quản lý năng lượng, giảm thiểu trọng lượng của UAV, và sử dụng các chế độ bay tiết kiệm năng lượng cũng có thể giúp kéo dài thời gian bay.

III. Phương Pháp Nâng Cao Hiệu Suất Bay Treo UAV Nghiên Cứu Cụ Thể

Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc nâng cao hiệu suất bay treo UAV. Một trong những phương pháp hiệu quả là tối ưu hóa thiết kế cánh quạt UAV, bao gồm hình dạng, kích thước, và số lượng cánh. Nghiên cứu của Dương Minh Trung sử dụng phương pháp RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) và mô hình rối k-ε để mô phỏng dòng chảy qua máy bay trực thăng. Kết quả cho thấy việc điều chỉnh kích thước thân máy bay và khoảng cách giữa thân máy bay và CCM có thể cải thiện đáng kể hiệu suất bay treo UAV. Bên cạnh đó, việc áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến cũng có thể giúp tăng cường độ ổn định bay UAV và giảm tiêu thụ năng lượng.

3.1. Tối Ưu Hóa Thiết Kế Cánh Quạt để Cải Thiện Hiệu Suất Nâng

Thiết kế cánh quạt đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra lực nâng. Tối ưu hóa hình dạng, kích thước, và số lượng cánh có thể cải thiện hiệu suất nâng đáng kể. Sử dụng các profil cánh khí động học tiên tiến, như NACA, giúp tăng lực nâng và giảm lực cản. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng cánh quạt có đầu cánh vát hoặc cánh cong có thể giảm thiểu nhiễu loạn không khí và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Việc lựa chọn vật liệu nhẹ và có độ bền cao cũng giúp giảm trọng lượng của cánh quạt và cải thiện hiệu suất bay.

3.2. Ảnh Hưởng Hình Dạng Thân Máy Bay Đến Lực Cản và Hiệu Suất

Hình dạng thân máy bay ảnh hưởng đáng kể đến lực cản và hiệu suất bay treo UAV. Thiết kế thân máy bay khí động học giúp giảm thiểu lực cản, từ đó cải thiện hiệu suất bay. Nghiên cứu cho thấy hình dạng thân máy bay hình giọt nước hoặc hình elip có thể giảm lực cản tốt hơn so với hình dạng hình hộp. Ngoài ra, việc tối ưu hóa vị trí và kích thước của các bộ phận khác trên thân máy bay, như cảm biến và camera, cũng có thể giúp giảm thiểu lực cản.

3.3. Ứng Dụng Thuật Toán Điều Khiển để Giảm Tiêu Thụ Năng Lượng

Thuật toán điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tiêu thụ năng lượng và tiết kiệm năng lượng UAV nông nghiệp. Các thuật toán điều khiển tiên tiến có thể tự động điều chỉnh tốc độ động cơ và góc cánh quạt để duy trì độ ổn định bay UAV và giảm thiểu lực cản. Việc sử dụng các thuật toán điều khiển dự đoán cũng có thể giúp UAV phản ứng nhanh chóng với các yếu tố bên ngoài, như gió, và giảm thiểu năng lượng tiêu thụ.

IV. Ứng Dụng Thực Tế và Kết Quả Nghiên Cứu Hiệu Quả Rõ Rệt

Các nghiên cứu và ứng dụng thực tế đã chứng minh hiệu quả của việc nâng cao hiệu suất bay treo UAV. Trong lĩnh vực UAV phun thuốc trừ sâu, việc sử dụng UAV có hiệu suất bay treo cao giúp tăng diện tích phun và giảm thời gian phun. UAV giám sát cây trồng có thể bay lâu hơn và thu thập dữ liệu chi tiết hơn, giúp nông dân đưa ra quyết định chính xác hơn. Nghiên cứu của Đại học Bách Khoa Hà Nội đã xây dựng "phương trình tương quan tổng quát nhằm dự báo FM (hệ số chất lượng bay treo) của máy bay trực thăng UAV một cách nhanh chóng và hiệu quả", giúp các nhà thiết kế tối ưu hóa UAV cho các ứng dụng cụ thể.

4.1. Nâng Cao Hiệu Quả Phun Thuốc Trừ Sâu với UAV Bay Treo Tối Ưu

UAV phun thuốc trừ sâu với hiệu suất bay treo cao mang lại nhiều lợi ích. UAV có thể bao phủ diện tích lớn trong thời gian ngắn, giảm thiểu chi phí nhân công và tiết kiệm thuốc trừ sâu. Việc phun thuốc đồng đều và chính xác giúp tăng hiệu quả kiểm soát sâu bệnh và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Ngoài ra, việc sử dụng UAV giúp giảm thiểu tiếp xúc của con người với hóa chất độc hại.

4.2. Giám Sát Cây Trồng Hiệu Quả Hơn nhờ Thời Gian Bay Dài Hơn

UAV giám sát cây trồng với thời gian bay dài hơn giúp thu thập dữ liệu chi tiết và toàn diện hơn. UAV có thể được trang bị các cảm biến UAV đa dạng, như camera RGB, camera đa phổ, và cảm biến nhiệt, để thu thập thông tin về tình trạng cây trồng, độ ẩm đất, và nhiệt độ. Dữ liệu này có thể được sử dụng để phát hiện sớm các vấn đề về sâu bệnh, dinh dưỡng, hoặc stress cây trồng, từ đó đưa ra các biện pháp can thiệp kịp thời.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai UAV Hiệu Suất Cao

Việc nâng cao hiệu suất bay treo UAV là yếu tố then chốt để mở rộng ứng dụng của UAV trong nông nghiệp. Nghiên cứu và phát triển các giải pháp công nghệ bay treo UAV tiên tiến, bao gồm tối ưu hóa thiết kế khí động học, hệ thống điều khiển, và nguồn năng lượng, là vô cùng cần thiết. Trong tương lai, UAV có thể được trang bị các hệ thống tự động hoàn toàn, cho phép hoạt động liên tục và hiệu quả hơn. Ngoài ra, việc tích hợp UAV với các hệ thống quản lý nông nghiệp thông minh có thể giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và nâng cao năng suất.

5.1. Tiềm Năng Phát Triển của UAV Nông Nghiệp Trong Tương Lai

UAV nông nghiệp có tiềm năng phát triển rất lớn trong tương lai. UAV có thể được sử dụng để thực hiện nhiều tác vụ khác nhau, từ gieo hạt và bón phân đến thu hoạch và vận chuyển sản phẩm. Việc sử dụng UAV có thể giúp giảm chi phí sản xuất, tăng năng suất, và bảo vệ môi trường. Ngoài ra, UAV có thể đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh lương thực và phát triển nông nghiệp bền vững.

5.2. Các Nghiên Cứu và Phát Triển Cần Thiết để Khai Thác Tối Đa Tiềm Năng

Để khai thác tối đa tiềm năng của UAV nông nghiệp, cần tiếp tục đầu tư vào các nghiên cứu và phát triển. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất bay treo UAV, phát triển các cảm biến UAV tiên tiến, và xây dựng các phần mềm điều khiển UAV nông nghiệp thông minh. Ngoài ra, cần xây dựng các quy định pháp luật rõ ràng để đảm bảo an toàn bay và bảo vệ quyền lợi của người sử dụng UAV.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nông nghiệp hiện đại, việc phun thuốc trừ sâu đóng vai trò quan trọng trong kiểm soát sâu bệnh, góp phần nâng cao năng suất cây trồng. Tuy nhiên, các phương pháp phun truyền thống như phun thủ công hoặc sử dụng máy phun áp lực vẫn tồn tại nhiều hạn chế, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường sinh thái. Tại Việt Nam, việc tiếp xúc trực tiếp với hóa chất trong quá trình phun thuốc trừ sâu đã làm gia tăng các rủi ro về sức khỏe, đồng thời hiệu quả phun chưa cao do lượng thuốc không đồng đều và phụ thuộc nhiều vào địa hình cũng như loại cây trồng.

Máy bay trực thăng không người lái (UAV) định hướng phun thuốc trừ sâu được xem là giải pháp công nghệ tiên tiến, giúp giảm thiểu tiếp xúc trực tiếp với hóa chất, nâng cao hiệu quả phun và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, hiệu suất bay treo của UAV trong quá trình phun thuốc còn nhiều hạn chế do ảnh hưởng của thiết kế thân máy bay và các thông số khí động học liên quan.

Luận văn tập trung nghiên cứu nâng cao hiệu suất bay treo của máy bay trực thăng UAV với các dạng thân khác nhau, thông qua việc khảo sát ảnh hưởng của kích thước thân máy bay (tỷ số Rf/R) và khoảng cách giữa thân máy bay và chong chóng mang (CCM) (tỷ số Hm/R), trong đó R là bán kính CCM. Mục tiêu cụ thể là xây dựng hàm tương quan giữa hệ số chất lượng khí động (FM) với các tham số đặc trưng nhằm dự báo hiệu suất bay treo một cách nhanh chóng và chính xác. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô phỏng số sử dụng phương pháp RANS kết hợp mô hình rối k-ε, với dữ liệu thu thập và kiểm chứng từ các kết quả thực nghiệm và tài liệu chuyên ngành.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu thiết kế UAV phục vụ phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng thuốc, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người, đồng thời mở rộng ứng dụng UAV trong các lĩnh vực khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu khí động học của máy bay trực thăng, đặc biệt tập trung vào:

• Lý thuyết động lượng trong chế độ bay treo: Phân tích dòng chảy qua chong chóng mang (CCM) dựa trên các định luật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng. Lý thuyết này cho phép mô hình hóa lực đẩy và công suất tiêu thụ của CCM trong trạng thái bay treo, với giả định dòng chảy gần như một chiều, không nén được và không nhớt.

• Mô hình rối k-ε trong phương pháp RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes): Sử dụng để mô phỏng dòng chảy phức tạp quanh CCM và thân máy bay UAV, giúp đánh giá ảnh hưởng của các thông số hình học và vị trí thân máy bay đến hiệu suất bay treo.

• Khái niệm hệ số chất lượng khí động (FM): Là tỷ số giữa công suất lý tưởng và công suất thực tế tiêu thụ trong bay treo, dùng để đánh giá hiệu suất bay treo của CCM và toàn bộ UAV.

Các khái niệm chính bao gồm: tải trọng đĩa (T/A), hệ số lực đẩy (CT), hệ số công suất (CP), tỷ số dòng vào cảm ứng (λi), và các đặc tính hình học của CCM như bán kính, góc đặt cánh, độ xoắn hình học, hệ số điền đầy (σ).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số kết hợp hồi quy để xây dựng hàm tương quan hiệu suất bay treo. Cụ thể:

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được thu thập từ các mô hình hình học của UAV với các dạng thân khác nhau (hình cầu, lập phương, ellipsoid), thay đổi các thông số Rf/R và Hm/R. Các kết quả mô phỏng được so sánh và kiểm chứng với dữ liệu thực nghiệm và tài liệu chuyên ngành để đảm bảo độ tin cậy.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm CFD với mô hình RANS và mô hình rối k-ε để mô phỏng dòng chảy qua CCM và thân máy bay trong chế độ bay treo. Đánh giá hội tụ lưới, xác định điều kiện biên phù hợp, và phân tích trường vận tốc, áp suất, cũng như các chỉ số hiệu suất.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian khóa học thạc sĩ (2021-2023), bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, mô phỏng, phân tích dữ liệu và xây dựng hàm tương quan.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng được xây dựng với các biến thể thân máy bay đại diện cho các hình dạng phổ biến, đảm bảo tính tổng quát và khả năng áp dụng rộng rãi. Các thông số mô phỏng được lựa chọn dựa trên các điều kiện thực tế và tiêu chuẩn kỹ thuật của UAV phun thuốc trừ sâu.

Phương pháp hồi quy được áp dụng để tìm ra mối quan hệ giữa hệ số chất lượng khí động FM và các tham số hình học, từ đó đề xuất phương trình tương quan tổng quát giúp dự báo hiệu suất bay treo nhanh chóng và chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của kích thước thân máy bay (Rf/R) đến hiệu suất bay treo: Kết quả mô phỏng cho thấy hệ số chất lượng khí động FM tăng lên khi tỷ số Rf/R tăng. Cụ thể, khi Rf/R tăng từ khoảng 0.4 đến 0.8, FM tăng trung bình khoảng 10-15%, cho thấy thân máy bay lớn hơn giúp cải thiện hiệu suất bay treo do giảm thiểu nhiễu động dòng chảy quanh CCM.

2. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa thân máy bay và CCM (Hm/R): FM giảm khi khoảng cách Hm/R tăng. Khi Hm/R tăng từ 0.2 đến 0.6, FM giảm khoảng 12%, do sự tương tác khí động giữa thân và CCM giảm, làm tăng tổn thất năng lượng trong dòng chảy.

3. So sánh hiệu suất giữa các dạng thân máy bay: Thân ellipsoid cho hiệu suất bay treo cao nhất với FM trung bình đạt khoảng 0.82, trong khi thân hình cầu và lập phương có FM thấp hơn lần lượt khoảng 0.78 và 0.75. Điều này phản ánh ảnh hưởng của hình dạng thân đến phân bố áp suất và dòng chảy quanh CCM.

4. Hàm tương quan tổng quát giữa FM, Rf/R và Hm/R: Phương trình hồi quy được xây dựng có dạng:

$$ FM = a + b \times \frac{Rf}{R} - c \times \frac{Hm}{R} $$

với các hệ số a, b, c được xác định từ dữ liệu mô phỏng, cho phép dự báo FM với sai số dưới 5% trong phạm vi nghiên cứu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thay đổi FM theo Rf/R và Hm/R là do ảnh hưởng của thân máy bay đến dòng chảy qua CCM. Khi thân máy bay có kích thước lớn hơn (Rf/R tăng), nó tạo ra hiệu ứng làm giảm xoáy đầu mũi cánh và giảm tổn thất năng lượng, từ đó nâng cao hiệu suất bay treo. Ngược lại, khoảng cách lớn giữa thân và CCM (Hm/R tăng) làm giảm sự tương tác tích cực này, dẫn đến giảm FM.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về hiệu suất bay treo của CCM không có thân máy bay hoặc với thân máy bay đơn giản, kết quả luận văn cho thấy việc xem xét hình dạng và vị trí thân máy bay là cần thiết để đánh giá chính xác hiệu suất bay treo của UAV. Hàm tương quan tổng quát được đề xuất giúp rút ngắn thời gian tính toán và hỗ trợ thiết kế UAV hiệu quả hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường thể hiện mối quan hệ FM theo Rf/R và Hm/R, cũng như bảng tổng hợp giá trị FM cho từng dạng thân máy bay, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của các tham số đến hiệu suất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu thiết kế thân máy bay UAV: Đề xuất tăng tỷ số Rf/R trong thiết kế thân máy bay để nâng cao hiệu suất bay treo, hướng tới giá trị Rf/R khoảng 0.8 trong phạm vi cho phép về trọng lượng và kích thước. Chủ thể thực hiện: các nhà thiết kế UAV; Thời gian: 1-2 năm.

2. Điều chỉnh khoảng cách Hm/R giữa thân và CCM: Khuyến nghị giảm khoảng cách Hm/R xuống dưới 0.4 để tăng tương tác khí động tích cực, cải thiện FM. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế và sản xuất UAV; Thời gian: 6-12 tháng.

3. Áp dụng hàm tương quan FM trong quy trình thiết kế và vận hành UAV: Sử dụng phương trình hồi quy để dự báo hiệu suất bay treo nhanh chóng, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế và điều chỉnh tham số vận hành. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và phát triển UAV; Thời gian: liên tục trong quá trình phát triển sản phẩm.

4. Nâng cao công nghệ mô phỏng CFD và thử nghiệm thực tế: Đầu tư phát triển mô hình mô phỏng chính xác hơn, kết hợp thử nghiệm thực tế để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình, đảm bảo tính ứng dụng cao. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp UAV; Thời gian: 2-3 năm.

Các giải pháp trên nhằm mục tiêu nâng cao hiệu suất bay treo, giảm tiêu hao năng lượng và tăng độ ổn định trong quá trình phun thuốc trừ sâu, góp phần phát triển nông nghiệp thông minh và bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà thiết kế và phát triển UAV: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô phỏng giúp tối ưu thiết kế thân máy bay và CCM, nâng cao hiệu suất bay treo, giảm chi phí phát triển và tăng tính cạnh tranh sản phẩm.

2. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và hàng không: Tài liệu chi tiết về lý thuyết động lượng, mô hình CFD và phân tích khí động học cung cấp nền tảng nghiên cứu sâu rộng, hỗ trợ phát triển các công trình khoa học liên quan.

3. Doanh nghiệp sản xuất UAV phục vụ nông nghiệp: Thông tin về ảnh hưởng của thiết kế thân máy bay đến hiệu suất bay treo giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu quả phun thuốc trừ sâu, đáp ứng yêu cầu thị trường và bảo vệ môi trường.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp công nghệ cao: Luận văn cung cấp dữ liệu và phân tích giúp đánh giá hiệu quả công nghệ UAV trong nông nghiệp, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững và an toàn sinh thái.

Câu hỏi thường gặp

1. Hiệu suất bay treo của UAV ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả phun thuốc trừ sâu?
   Hiệu suất bay treo cao giúp UAV duy trì vị trí ổn định, phân phối thuốc đều hơn và tiết kiệm năng lượng. Ví dụ, FM cao hơn 10% có thể giảm tiêu hao nhiên liệu và tăng độ chính xác phun.

2. Tại sao cần nghiên cứu ảnh hưởng của thân máy bay đến hiệu suất bay treo?
   Thân máy bay tạo ra các nhiễu động khí động học ảnh hưởng đến dòng chảy qua CCM, từ đó ảnh hưởng đến lực đẩy và công suất tiêu thụ. Nghiên cứu này giúp tối ưu thiết kế để nâng cao hiệu suất.

3. Phương pháp mô phỏng CFD có độ chính xác như thế nào so với thực nghiệm?
   Phương pháp RANS kết hợp mô hình rối k-ε được kiểm chứng với dữ liệu thực nghiệm cho độ sai số dưới 5%, đủ tin cậy để ứng dụng trong thiết kế và phân tích.

4. Hàm tương quan FM có thể áp dụng cho các loại UAV khác nhau không?
   Hàm tương quan được xây dựng dựa trên các dạng thân phổ biến và điều kiện bay treo tiêu chuẩn, có thể áp dụng cho UAV trực thăng một chong chóng mang với các thông số tương tự.

5. Làm thế nào để cải thiện hiệu suất bay treo trong thực tế?
   Ngoài tối ưu thiết kế thân và khoảng cách CCM, việc bảo trì định kỳ, điều chỉnh góc đặt cánh và sử dụng vật liệu nhẹ cũng góp phần nâng cao hiệu suất bay treo.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu và xác định ảnh hưởng rõ rệt của kích thước thân máy bay (Rf/R) và khoảng cách thân-CCM (Hm/R) đến hiệu suất bay treo của UAV phun thuốc trừ sâu.
• Phương pháp mô phỏng CFD kết hợp mô hình rối k-ε được đánh giá có độ tin cậy cao, phù hợp với điều kiện thực tế.
• Hàm tương quan tổng quát giữa hệ số chất lượng khí động FM và các tham số hình học được xây dựng, giúp dự báo hiệu suất nhanh chóng và chính xác.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc tối ưu thiết kế UAV, nâng cao hiệu quả phun thuốc, bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.
• Đề xuất các giải pháp thiết kế và vận hành UAV nhằm nâng cao hiệu suất bay treo, đồng thời khuyến nghị áp dụng nghiên cứu trong phát triển công nghệ UAV nông nghiệp.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm thực tế để kiểm chứng mô hình và mở rộng nghiên cứu sang các điều kiện bay khác nhằm hoàn thiện giải pháp ứng dụng UAV trong nông nghiệp thông minh. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả luận văn để phát triển các sản phẩm UAV hiệu quả và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. GIOI THIEU VE MAY BAY KHONG NGƯỜI LÁI 1.1 Lịch sử phát triển máy bay trực thăng Ý tướng quan trọng đề hình thành nên một chiếc máy bay trực thăng là khả năng nâng chính nó thắng đứng từ dưới mặt đất và bay treo trên không trung. Máy bay trực thăng có thê được định nghĩa là bất kỳ loại thiết bị bay nào sử dụng cánh quay (cánh quạt) để cung cấp lực nâng, lực đây và điều khiển. Các bản vẽ và thuyết minh vé khí cụ bay này đã được tìm thấy ở thư viện Milansk và đã được công bố vào cuối thê kỷ XIX (Hình 1.k cr FT | "hư: ‘Il 7 a : va sya ot ites eee +: ei chừng say ell ae Waban Pon xt “ae peer Ty, SR ef: dae a a oh.) 1 Net sẽ Hình 1.1 Buc hoa cua Leonardo Da Vinci [1] Năm 1754, M.Lơ-ma-nô-xốp đã lập luận về khả năng tạo ra khí cụ bay nặng hơn không khí và đã xây dựng mô hình máy bay trực thăng có hai chong chóng mang (CCM) bé tri déng trục.

Ở thế kỷ XIX, nhiều nhà bác học và kĩ sư người Nga đã nghiên cứu thiết kế các khí cụ bay có CCM.Lô-đư-ghin đã đề nghị thiết kế MBTT có động cơ điện. Năm 1870, nhà bác học nổi tiếng M.Rư-a-trép đã thiết kế cánh quạt không khí. Nhà bác học luyện kim D.Tre-rơ-nốp đã thiết kế các sơ đồ MBTT có các CCM bố trí dọc, ngang và đồng trục. Vào cuối thế kỷ XIX, các nhà bác học lỗi lạc người Nga như D.Men- đê-lê-ép, L.Xi-ôn-kốp-ski, N.Giu-kốp-ski, S.Tráp-lư-ghin, đã thiết kế nhiều khí cụ bay.

Một thời kì mà những lập luận sấu sắc về ý tưởng bay lên các khí cụ bay nặng hơn không khí đã được bắt đầu. Vào năm 1911, người học trò gần gũi nhất của N.Giu-kóp-ski là B.Iuriep đã thiết kế máy bay trực thăng một CCM, có chong chóng lái (CCL) và đã thiết kế cơ cấu chủ yếu đề điều khiển MBTT-cơ cau lam lệch chong chóng mang. Sau cách mạng tháng 10, ở Nga đã phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp hàng không và tiếp tục các công trình nghiên cứu, thiết kế MBTT. Năm 1925, viện 1 nghiên cứu khí thủy động học trung ương L[AT đã thành lập một nhóm thực hiện các thiết kế đặc biệt, chuyên thiết kế MBTT, dưới sự lãnh đạo của B.

Năm 1930 đã chế tạo thành công MBTT đầu tiên của Nga: HATHM-17A (Hình 1. Năm 1932 kỹ sư trưởng A.Trê-rê-mư-khin, trên chiếc máy bay này đã lập kỉ lục thế giới về độ cao lúc đó là 605 m. Năm 1948 đã chế tạo các MBTT một chong chóng Mi-1, 1K-100.Kết quả thử nghiệm đã chứng tỏ MBTT Mi-I có nhiều tính năng ưu việt hơn và đã được đem chế tạo hàng loạt. Năm 1952 đã chế tạo MBTT Mi-4, ở thời gian đó là MBTT có tải trọng hữu ích lớn nhất.

Cũng trong năm đó đã hoàn thành chuyến bay đầu tiên của MBTT có hai CCM bố trí theo so dé doc AK-24, được mệnh danh 1a “toa xe bay” do A.Jaképlép thiết kế (Hình 1. Năm 1958, đã chế tạo máy bay trực thăng hạng nặng Mi-6, đã lập một số kỷ lục thế giới về tốc độ bay và khả năng mang tái.2 Trực thăng LAI H-I7A Hinh 1.3 Truc thang AK-24 Năm 1961, đã chế tạo MBTT có động cơ tuabin khí Mi-2 va Mi-8 (Hinh 1. Các máy bay này đã được chế tạo hàng loạt dé thay thé cho cdc may bay Mi-1 va Mi-4.4 Trực thăng sử dụng động cơ Hình 1.5 Trực thăng khổng lỗ năm tuabin 197] Năm 1971, tại triển lãm hàng không vũ trụ của 29 nước trên thế giới tổ chức tại Paris, đã giới thiệu MBTT 2 chong chóng khổng lồ Mi-12 có khả năng chở hơn 40 tấn hàng (Hình 1. MBTT có thể bay lên, xuống thắng đứng, có thể chuyển động theo phương bất kì, đã khiến cho nó trở thành khí cụ bay rất cơ động, không phụ thuộc vào sân bay và do đó mở rộng phạm vi sử dụng của nó một cách đáng kể.

Hiện nay, MBTT đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành kinh tế quốc dân. Chúng là phương tiện vận tải chủ yếu ở những chỗ không thể sử dụng được máy bay thường và phương tiện vận tải mặt đất. MBTT được sử dụng trong công tác xây lắp, phục vụ cứu người và tài sản khi xảy ra thiên tai. MBTT cũng đã được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp và đặc biệt là trong quân sự-quốc phòng.2 Tình hình phun thuốc trừ sâu và tính cấp thiết của đề tài Phun thuốc trừ sâu được coi là một việc quan trọng trong hoạt động bảo vệ thực vật trong nông nghiệp hiện đại.

Việc áp dụng hiệu quả thuốc trừ sâu có thể hữu ích trong việc kiểm soát sâu bệnh hại cây trồng đề tăng năng suất nông nghiệp [2]. Tại Việt Nam, các phương pháp phun chế phẩm sinh học thủ công đã và đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người do tiếp xúc gần với hóa chất, hệ xã hội và môi trường sinh thái tự nhiên, hiệu quả thấp, lượng phun không đồng đều, phụ thuộc vào địa hình và loại cây trồng [3, 4]. Có ba phương pháp phun thuốc trừ sâu phố biến hiện nay Phun thuốc trừ sâu thủ công Hình 1.6 Phun thuốc trừ sâu thú công [12] Phun thuốc trừ sâu là công cụ đã rất quen thuộc với bà con nông dân. Giá của dụng cụ này cực rẻ, ai cũng có thể sở hữu được.

Nếu quý khách sở hữu vườn rau với điện tích nhỏ thì sử dụng phun thuốc sẽ tiện lợi hơn. Với đồng ruộng có diện tích lớn hơn, việc phun thuốc bằng bình thủ công rất vất vả và người phun sẽ dễ tiếp xúc với thuốc trừ sâu qua đường nước hoặc không khí. Phun thuốc bằng bình thủ công có nhược điểm là thuốc phun không đồng đều và tốc độ phun phụ thuộc vào sức người nên có thể mắt nhiều thời gian và hiệu quả lại thấp. Ngày nay, mặc dù phun thuốc thủ công đã được cải tiến hơn rất nhiều so với trước đây, phun nhanh hơn nhưng về hiệu quả thì chưa được cải thiện và người phun vẫn bị ảnh hưởng bởi thuốc do tiếp xúc gần.

Máy phun thuốc trừ sâu thủ công Hình 1.7 Máy phun thuốc trừ sâu thú công [12] Sự ra đời của các loại máy phun thuốc đã giúp việc phun thuốc trừ sâu được nhanh hơn. Về cấu tạo và nguyên lý hoạt động, loại máy này cũng không khác nhiều so với bình phun, nhưng nhờ sử dụng máy bơm cao áp kết hợp vòi phun áp lực nên thuốc được phun ra mạnh hơn và đi xa hơn. Chi phí mua một chiếc may phun thuốc sử dụng trong sản xuất nông nghiệp đối với hộ gia đình sẽ cao hơn. Do đó, máy phun thuốc trừ sâu sẽ phù hợp với những người phun dịch vụ hoặc có diện tích canh tác nhỏ và vừa.

Tuy nhiên, máy phun thuốc cũng chưa được cải thiện nhiều trong việc giúp người phun hạn chế tiếp xúc với hóa chất. Máy phun thuốc trừ sâu điều khiến từ xa tự chế Hình 1.8 Máy phun thuốc trừ sâu điều khiển từ xa [12] Máy phun thuốc trừ sâu điều khiển từ xa tự chế được cải tiến hơn so với máy phun thuốc thủ công, do khả năng tự vận hành nên người phun không phải tiếp xúc với thuốc trừ sâu trong khi phun. 4 Nhược điểm của máy phun thuốc trừ sâu điều khiển từ xa tự chế e_ Sử dụng vòi phun áp lực nên khá tốn thuốc, phun chưa đồng đều, có khả năng gây thất thoát thuốc, ô nhiễm môi trường. e _ Chỉ có khá năng phun cho lúa hoặc các trang trại trồng rau lớn.

e _ Không hoạt động được ở các khu ruộng trũng, lay. Tính cấp thiết: Các phương pháp truyền thống phun thuốc trừ sâu đã và đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người do tiếp xúc gần với hóa chất và môi trường sinh thái tự nhiên nhưng hiệu quả thấp, lượng phun không đồng đều, phụ thuộc vào địa hình và loại cây trồng. Để ngăn chặn các vấn đề sức khỏe con người với quy trình phun thủ công, UAV được coi là một công nghệ mới đây triển vọng. Trong những năm gần đây, UAV được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực nông nghiệp ở các nước công nghiệp hóa và ngày càng nhiều mẫu UAV được phát triển.

UAV phun thuốc trừ sâu có khả năng làm việc nhanh, hiệu quả trên diện tích lớn và phù hợp với nhiều loại cây trồng. Hiện nay, trên thị trường có khá nhiều dòng máy bay phun thuốc bảo vệ thực vật. UAV sở hữu khả năng phun thuốc ở dạng sương mù nên lượng thuốc có thê được pha ở nồng độ đậm đặc hơn, độ bám dính cao hơn, tiết kiệm thuốc và hiệu quả cao hơn so với các dòng máy phun ap luc. Str dung dong may bay UAV voi công nghệ phun ly tâm mang lại nhiều lợi ích cho quý khách, cụ thể như sau: e_ Giúp người phun hạn chế tiếp xúc với thuốc trừ sâu.

e - Khả năng phun thuốc đậm đặc, độ bám dính cao nên thuốc trừ sâu sẽ không bị thất thoát ra môi trường, giúp bảo vệ môi trường sinh thái, nguồn thủy hải sản và an toàn cho sức khỏe của con người. e_ Vận hành tự động 100% chỉ với 1 thao tác nhắn nút trên điện thoại thông minh. Máy bay tự bay đi và bay về khi hết thuốc. e _ Công nghệ phun ly tâm không kén thuốc, không bị nghẹt khi phun.

se _ Công nghệ định vị, radar nhìn xa, radar động phía trước và các mô-đun radar mặt đất giúp máy bay nhận biết hướng bay đa hướng, chướng ngại vật, giúp hoạt động bay an toàn hơn. e _ Công nghệ vẽ bản đồ 3D chính xác từng centimet. Đối với nông nghiệp thông minh và nông nghiệp chính xác, viễn thám trên không được coi là một trong những công nghệ quan trọng nhất. Viễn thám trên không, với sự trợ giúp của máy bay không người lái, sử dụng hình ảnh của các bước sóng khác nhau và đo các chỉ số thực vật để nhận biết một số điều kiện của cây trồng.

Trong những thập kỷ trước, máy bay hoặc vệ tỉnh có người lái được sử dụng để chụp những hình ảnh mong muốn được sử dụng cho nông nghiệp chính xác. Chụp ảnh bằng máy bay có người lái là một công việc rất tốn kém và vấn đề với ảnh vệ tỉnh là độ phân giải không gian của ảnh không tốt như mong muốn trong hầu hết các điều kiện. Hơn nữa, tính khả dụng và chất lượng của hình ảnh phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Sự tiến bộ trong công nghệ UA V và giảm trọng lượng của các thiết bị tải trọng đã chuyền việc viễn thám cây trồng thông qua công nghệ này.

Công nghệ này ít tốn kém, tiết kiệm thời gian và chụp ảnh có độ phân giải cao.