Tổng quan nghiên cứu

Máy bay không người lái (UAV) dạng nhiều chong chóng mang (Multicopter) đã trở thành công nghệ quan trọng với nhiều ứng dụng thực tiễn trong quân sự, dân sự và cứu hộ cứu nạn. Theo ước tính, đến năm 2018, UAV được sử dụng tại hơn 60 quốc gia, chiếm khoảng 90% số máy bay trinh sát và ít nhất 30% máy bay cường kích. Lực đẩy là yếu tố cơ bản quyết định khả năng hoạt động và hiệu quả của UAV, đặc biệt với các loại multicopter có nhiều cánh quạt. Tuy nhiên, việc thiết kế và tính toán lực đẩy gặp nhiều khó khăn do ảnh hưởng của khí động học và phối trí cánh quạt.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hai cách phối trí cánh quạt phổ biến trên máy bay nhiều chong chóng mang: phối trí cánh đơn và phối trí cánh kép đồng trục. Mục tiêu chính là phân tích sự tương tác giữa các cánh quạt trong từng phối trí, từ đó đánh giá hiệu quả lực đẩy và tiêu hao năng lượng, nhằm đề xuất giải pháp tối ưu cho thiết kế UAV có khả năng mang tải cao nhưng vẫn giữ được kích thước và trọng lượng hợp lý. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong giai đoạn 2017-2018, sử dụng bộ thí nghiệm đo lực đẩy với các loại cánh quạt GF8045 và GF1045.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghiệp UAV tại Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu suất bay, giảm tiêu hao năng lượng và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực như giám sát an ninh, cứu hộ, nông nghiệp và khảo sát địa hình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết động lực học và khí động học của máy bay nhiều chong chóng mang, bao gồm:

  • Nguyên lý lực nâng của cánh quạt: Lực nâng được tạo ra do sự chênh lệch áp suất giữa mặt trên và mặt dưới cánh quạt, dựa trên định lý Kutta-Joukowski và luật Bernoulli. Cánh quạt được thiết kế với mặt cắt airfoil, góc xoắn và pitch cố định để tối ưu lực nâng trên toàn bộ chiều dài cánh.

  • Mô hình khí động học cánh đơn và cánh kép đồng trục: Mô hình khí động học giả định cánh quạt như một đĩa kín, dòng khí qua cánh quạt liên tục và không nén. Đối với cánh kép đồng trục, luồng khí từ cánh trên ảnh hưởng đến cánh dưới, làm giảm lực nâng của cánh dưới do hiện tượng cản trở chiều quay.

  • Động lực học máy bay UAV dạng Quadrotor: Sử dụng hệ tọa độ gắn với thân máy bay và hệ quy chiếu quán tính, mô hình động lực học tuyến tính được xây dựng dựa trên các phương trình Euler-Lagrange, tính toán lực đẩy, mô men xoắn và chuyển động góc (roll, pitch, yaw). Mô hình cũng bao gồm các lực cản tuyến tính và mô men quán tính.

Các khái niệm chính bao gồm: lực đẩy (thrust), mô men xoắn (torque), góc blade, pitch cánh quạt, hệ số lực đẩy, vận tốc quay rotor, và ma trận chuyển đổi tọa độ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô hình lý thuyết để đánh giá ảnh hưởng phối trí cánh quạt đến lực đẩy trên máy bay nhiều chong chóng mang. Cụ thể:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ bộ thí nghiệm đo lực đẩy gồm động cơ không chổi than A2212-1000kv, cánh quạt GF8045 và GF1045, cảm biến lực Loadcell, bộ điều tốc ESC, pin Lipo Tiger Power, bộ phát và thu tín hiệu, máy đo tốc độ quay Tachometer, và board mạch Arduino Uno R3 để xử lý tín hiệu.

  • Thiết kế thí nghiệm: Bộ thí nghiệm được chế tạo để đo lực đẩy trực tiếp tác dụng lên cảm biến Loadcell khi động cơ quay với các loại phối trí cánh quạt: cánh đơn gá đồng phẳng và cánh kép đồng trục. Các thông số vận tốc quay và lực đẩy được ghi nhận và phân tích.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng các phương trình động lực học và khí động học để tính toán lực đẩy và mô men, so sánh kết quả thực nghiệm giữa các phối trí cánh quạt. Phân tích số liệu bằng đồ thị và bảng biểu để đánh giá hiệu quả lực đẩy theo vận tốc quay và loại cánh quạt.

  • Cỡ mẫu và timeline: Thí nghiệm được thực hiện với hai loại cánh quạt chính, mỗi loại được thử nghiệm ở nhiều mức vận tốc quay khác nhau, đảm bảo độ tin cậy số liệu. Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2017-2018 tại Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của loại cánh quạt đến lực đẩy phối trí cánh đơn:

    • Cánh GF1045 tạo lực đẩy lớn hơn cánh GF8045 khoảng 15-20% ở cùng vận tốc quay.
    • Lực đẩy tăng theo vận tốc quay, với lực đẩy tối đa đạt khoảng 800g ở vận tốc cao nhất thử nghiệm.
    • Đồ thị lực đẩy phụ thuộc vận tốc quay cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa hai loại cánh, minh chứng cho ảnh hưởng kích thước và thiết kế cánh quạt đến hiệu suất.

  2. Ảnh hưởng phối trí cánh kép đồng trục:

    • Lực đẩy của cánh kép đồng trục thấp hơn so với phối trí cánh đơn cùng loại cánh quạt, giảm khoảng 10-12% do hiện tượng cản trở luồng khí giữa hai tầng cánh.
    • Cánh GF8045 đồng trục tạo lực đẩy thấp hơn cánh GF1045 đồng trục khoảng 18%, tương tự xu hướng phối trí cánh đơn.
    • Lực đẩy tăng theo vận tốc quay nhưng không đạt mức lực đẩy tối đa như phối trí cánh đơn.

  3. So sánh lực đẩy giữa phối trí cánh đơn và cánh kép đồng trục:

    • Phối trí cánh đơn có lực đẩy cao hơn khoảng 10-15% so với cánh kép đồng trục ở cùng vận tốc quay và loại cánh quạt.
    • Tuy nhiên, phối trí cánh kép đồng trục có ưu điểm về kích thước nhỏ gọn và độ ổn định bay cao hơn, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu không gian hạn chế.

  4. Hiệu suất tiêu hao năng lượng:

    • Động cơ sử dụng trong thí nghiệm có hiệu suất khoảng 70-80%.
    • Phối trí cánh đơn tiêu hao năng lượng thấp hơn phối trí cánh kép đồng trục do lực đẩy cao hơn ở cùng mức công suất đầu vào.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt lực đẩy giữa hai phối trí cánh quạt là do luồng khí và tương tác khí động học. Cánh kép đồng trục chịu ảnh hưởng của luồng khí từ cánh trên làm giảm hiệu quả lực đẩy của cánh dưới, dẫn đến tổng lực đẩy thấp hơn phối trí cánh đơn. Điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về khí động học rotor đồng trục.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả cho thấy phối trí cánh đơn phù hợp với các UAV yêu cầu lực đẩy lớn và thời gian bay dài, trong khi phối trí cánh kép đồng trục thích hợp cho UAV cần kích thước nhỏ gọn, cơ động cao và độ ổn định bay tốt hơn. Các đồ thị lực đẩy theo vận tốc quay và bảng số liệu minh họa rõ ràng sự khác biệt này, giúp người thiết kế lựa chọn phối trí phù hợp với mục đích sử dụng.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để tối ưu thiết kế UAV multicopter, nâng cao hiệu suất bay và giảm tiêu hao năng lượng, góp phần phát triển công nghiệp UAV trong nước.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu phối trí cánh quạt theo mục đích sử dụng:

    • Đối với UAV cần lực đẩy lớn và thời gian bay dài, ưu tiên sử dụng phối trí cánh đơn với cánh quạt kích thước lớn như GF1045.
    • Đối với UAV yêu cầu kích thước nhỏ gọn, cơ động cao, phối trí cánh kép đồng trục là lựa chọn phù hợp.
    • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các nhà thiết kế UAV và viện nghiên cứu.

  2. Nâng cao hiệu suất động cơ và hệ thống điều khiển:

    • Áp dụng động cơ không chổi than có hiệu suất cao hơn 80%, kết hợp bộ điều tốc ESC tối ưu để giảm tiêu hao năng lượng.
    • Phát triển thuật toán điều khiển tốc độ quay động cơ chính xác để cân bằng lực đẩy và mô men xoắn.
    • Thời gian thực hiện: 12 tháng, chủ thể: các nhà sản xuất động cơ và nhóm nghiên cứu điều khiển.

  3. Phát triển bộ thí nghiệm đo lực đẩy và mô men hiện đại:

    • Cải tiến bộ thí nghiệm với cảm biến lực Loadcell có độ chính xác cao hơn, tích hợp hệ thống đo tốc độ quay tự động và phần mềm phân tích dữ liệu.
    • Mở rộng thí nghiệm với nhiều loại cánh quạt và phối trí khác nhau để có dữ liệu toàn diện.
    • Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: viện nghiên cứu và trường đại học.

  4. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế UAV thương mại và quân sự:

    • Hỗ trợ các doanh nghiệp và cơ quan quân sự trong việc lựa chọn phối trí cánh quạt phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ.
    • Tích hợp công nghệ mới như vật liệu nhẹ, pin dung lượng cao để nâng cao hiệu quả tổng thể.
    • Thời gian thực hiện: 12-24 tháng, chủ thể: doanh nghiệp công nghệ và cơ quan quản lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực:

    • Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về khí động học và động lực học UAV multicopter.
    • Áp dụng phương pháp thí nghiệm và phân tích dữ liệu trong nghiên cứu khoa học.

  2. Kỹ sư thiết kế UAV và drone:

    • Lựa chọn phối trí cánh quạt tối ưu cho từng loại UAV dựa trên dữ liệu thực nghiệm.
    • Cải tiến thiết kế để nâng cao hiệu suất lực đẩy và giảm tiêu hao năng lượng.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển UAV:

    • Ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm UAV có hiệu suất cao, phù hợp với nhu cầu thị trường.
    • Tối ưu chi phí sản xuất và nâng cao tính cạnh tranh.

  4. Cơ quan quản lý và tổ chức đào tạo:

    • Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong đào tạo và xây dựng chính sách phát triển công nghiệp UAV.
    • Định hướng nghiên cứu và phát triển công nghệ UAV trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phối trí cánh đơn và cánh kép đồng trục khác nhau như thế nào về lực đẩy?
    Phối trí cánh đơn tạo lực đẩy cao hơn khoảng 10-15% so với cánh kép đồng trục do không bị ảnh hưởng bởi luồng khí cản trở giữa các tầng cánh. Ví dụ, cánh GF1045 phối trí đơn đạt lực đẩy tối đa khoảng 800g, trong khi phối trí đồng trục chỉ khoảng 700g.

  2. Tại sao cánh kép đồng trục lại có lực đẩy thấp hơn?
    Do luồng khí từ cánh trên làm giảm hiệu quả quay và lực nâng của cánh dưới, gây hiện tượng cản trở khí động học. Điều này làm giảm tổng lực đẩy so với phối trí cánh đơn.

  3. Loại cánh quạt nào phù hợp cho UAV cần tải trọng lớn?
    Cánh quạt có kích thước lớn hơn như GF1045 phù hợp hơn vì tạo lực đẩy lớn hơn, giúp UAV nâng tải hiệu quả hơn. Kết quả thí nghiệm cho thấy GF1045 tạo lực đẩy cao hơn GF8045 khoảng 15-20%.

  4. Hiệu suất động cơ ảnh hưởng thế nào đến lực đẩy?
    Động cơ hiệu suất cao (70-80%) giúp chuyển đổi năng lượng điện thành lực đẩy hiệu quả hơn, giảm tiêu hao năng lượng và tăng thời gian bay. Động cơ không chổi than là lựa chọn phổ biến cho UAV.

  5. Làm thế nào để đo lực đẩy chính xác trong thí nghiệm?
    Sử dụng cảm biến lực Loadcell kết hợp với board Arduino và máy đo tốc độ quay Tachometer để thu thập dữ liệu lực đẩy và vận tốc quay chính xác. Phương pháp này cho phép phân tích chi tiết ảnh hưởng của phối trí cánh quạt.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của phối trí cánh quạt đơn và cánh kép đồng trục đến lực đẩy trên máy bay nhiều chong chóng mang.
  • Phối trí cánh đơn tạo lực đẩy cao hơn phối trí cánh kép đồng trục khoảng 10-15%, phù hợp với UAV cần tải trọng lớn và thời gian bay dài.
  • Cánh quạt GF1045 có hiệu suất lực đẩy tốt hơn GF8045 khoảng 15-20% ở cùng vận tốc quay.
  • Bộ thí nghiệm đo lực đẩy được thiết kế và vận hành hiệu quả, cung cấp dữ liệu thực nghiệm tin cậy cho phân tích khí động học và động lực học UAV.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu phối trí cánh quạt, nâng cao hiệu suất động cơ và phát triển công nghệ đo lường để ứng dụng trong thiết kế UAV tương lai.

Next steps: Mở rộng nghiên cứu với các loại cánh quạt và phối trí mới, cải tiến bộ thí nghiệm, và ứng dụng kết quả vào thiết kế UAV thương mại và quân sự.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế UAV nên áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả và tính cạnh tranh của sản phẩm trong thị trường UAV ngày càng phát triển.