Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất ảnh hưởng đến hoạt động bay của trực thăng không người lái trong nông nghiệp

LỜI MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ UAV TRỰC THĂNG VÀ LÝ THUYẾT HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT

1.1. Ứng dụng của máy bay không người lái trong nông nghiệp

1.2. Phân loại UAV ứng dụng trong nông nghiệp

1.2.1. Máy bay cánh cố định

1.2.2. Máy bay trực thăng UAV một chong chóng mang

1.2.3. Máy bay UAV multirotor

1.3. Một số mẫu UAV trực thăng trên thị trường

1.3.1. Mẫu máy bay không người lái Rmax

1.3.2. Mẫu máy bay UAV Fazer

1.4. Các bộ phận chính của máy bay trực thăng

1.5. Các thức hoạt động cơ bản của trực thăng

1.6. Các đặc trưng cơ bản của chong chóng mang

1.6.1. Các đặc điểm chung

1.6.2. Đường kính và hình dạng lá cánh chong chóng mang

1.6.3. Profil của cánh

1.6.4. Góc đặt của phân tố cánh

1.6.5. Độ xoắn hình học của cánh

1.7. Diện tích quét của CCM

1.8. Phụ tải riêng trên diện tích quét

1.9. Hệ số điền đầy

1.10. Lý thuyết hiệu ứng mặt đất

1.10.1. Hiệu ứng mặt đất của máy bay cánh bằng

1.10.2. Hiệu ứng mặt đất đối với trực thăng một chong chóng mang

2. CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng và mục đích nghiên cứu

2.2. Phương pháp và quy trình nghiên cứu

2.3. Phương pháp CFD và các lý thuyết dòng chảy

2.3.1. Tổng quan Phương pháp CFD

2.3.2. Hệ Phương trình Navier-Stokes

2.3.3. Hệ Phương trình Reynolds Navier-Stokes trong tính toán thủy động lực học chất lỏng

2.3.4. Các mô hình rối

2.3.5. Tổng quan về lý thuyết lớp biên

3. CHƯƠNG 3: HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT TRONG ĐỊA HÌNH PHẲNG VÀ KHÔNG XÉT ĐẾN YẾU TỐ THỜI GIAN

3.1. Các thông số đầu vào và tạo mô hình mô phỏng

3.1.1. Xác định các thông số đầu vào

3.1.2. Tạo mô hình mô phỏng

3.1.4. Cài đặt điều kiện biên

3.2. Xử lý kết quả mô phỏng

3.2.1. Đánh giá độ tin cậy của lưới

3.2.2. Kết quả lực kéo

3.2.3. Kiểm tra điều kiện cân bằng moment

3.2.5. Phân bố áp suất tại mặt cắt XY

3.2.6. Phân bố áp suất tại mặt đất

3.2.7. Áp suất và vận tốc tại vị trí 0

4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA YẾU TỐ THỜI GIAN VÀ ĐỊA HÌNH LÊN SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HIỆU ỨNG MẶT ĐẤT

4.1. Ảnh hưởng của thời gian

4.1.1. Thiết lập mô phỏng

4.1.2. Đường dòng và xoáy đầu mũi cánh

4.1.3. Phân bố áp suất tại mặt đất

4.1.4. Lực kéo thay đổi theo thời gian

4.2. Ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất lên cây lúa

4.2.1. Đặc trưng đồng bằng ở nước ta

4.2.2. Phương pháp nghiên cứu

4.2.3. Đánh giá kết quả thực nghiệm

4.3. Ảnh hưởng của tán cây

4.3.1. Các thiết lập mô phỏng

4.3.2. Phân tích kết quả mô phỏng

4.4. Địa hình đồi núi và cây chè

4.4.1. Các thiết lập mô phỏng

4.4.2. Xử lý kết quả mô phỏng

5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Hiệu Ứng Mặt Đất UAV Nông Nghiệp Giới Thiệu

Máy bay không người lái (UAV) đã trở thành một công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong nông nghiệp. Việc sử dụng trực thăng không người lái để phun thuốc trừ sâu giúp tăng năng suất và giảm thiểu rủi ro cho người vận hành. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu và phát triển các mẫu UAV nông nghiệp phù hợp với điều kiện địa phương là vô cùng cần thiết, góp phần vào mục tiêu hiện đại hóa nông nghiệp. Hiệu ứng mặt đất, một hiện tượng khí động lực học phức tạp, đóng vai trò quan trọng trong hoạt động bay của các drone nông nghiệp khi chúng hoạt động ở độ cao thấp. Nghiên cứu này tập trung vào việc tìm hiểu sâu hơn về hiệu ứng mặt đất trực thăng, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và an toàn bay cho các trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu tại Việt Nam. Theo tài liệu, việc phun thuốc sâu hiện không có một thay đổi đáng kể nào, người nông dân vẫn phải sử dụng những thiết bị thô sơ và phải trực tiếp tiếp xúc với các chất độc hại.

1.1. Tầm Quan Trọng của UAV trong Nông Nghiệp Hiện Đại

UAV đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp nhờ khả năng tự động hóa các công việc như phun thuốc trừ sâu, giám sát cây trồng và phân tích dữ liệu. Việc sử dụng drone nông nghiệp giúp giảm chi phí lao động, tăng độ chính xác trong việc phân phối thuốc bảo vệ thực vật và cung cấp thông tin chi tiết về tình trạng sức khỏe của cây trồng. Điều này góp phần quan trọng vào việc nâng cao năng suất và chất lượng nông sản. Tuy nhiên, việc triển khai hiệu quả UAV trong nông nghiệp đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động bay, đặc biệt là hiệu ứng mặt đất trưc thăng.

1.2. Hiệu Ứng Mặt Đất Khái Niệm và Ảnh Hưởng Đến UAV

Hiệu ứng mặt đất ảnh hưởng đến hoạt động bay của trực thăng không người lái là hiện tượng xảy ra khi máy bay bay gần mặt đất, tạo ra một lớp đệm khí giữa rotor và mặt đất. Lớp đệm khí này làm tăng áp suất phía dưới rotor, giúp tăng lực nâng và giảm lực cản. Tuy nhiên, nó cũng có thể gây ra các vấn đề về ổn định và điều khiển, đặc biệt là trong điều kiện địa hình phức tạp. Việc nghiên cứu ảnh hưởng mặt đất UAV là rất cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các hoạt động phun thuốc trừ sâu bằng trực thăng không người lái.

II. Thách Thức Vấn Đề Khi UAV Bay Gần Mặt Đất Phân Tích

Mặc dù mang lại nhiều lợi ích, việc trực thăng không người lái hoạt động gần mặt đất cũng đặt ra nhiều thách thức. Hiệu ứng mặt đất có thể gây khó khăn trong việc điều khiển trực thăng không người lái, đặc biệt là khi bay trên địa hình không bằng phẳng. Vận tốc gió trực thăng và các yếu tố thời tiết khác cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định của máy bay. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định và phân tích các yếu tố này, nhằm đưa ra các giải pháp tối ưu hóa hoạt động bay trực thăng không người lái trong môi trường nông nghiệp. Đặc biệt là với điều kiện địa hình đa dạng của Việt Nam, mỗi địa hình khác nhau sẽ cho một hiệu ứng mặt đất rất khác.

2.1. Ảnh Hưởng của Địa Hình Đến Sự Hình Thành Hiệu Ứng Mặt Đất

Địa hình đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và phát triển hiệu ứng mặt đất. Trên địa hình bằng phẳng, lực nâng trực thăng tăng lên và lực cản trực thăng giảm đi khi máy bay bay gần mặt đất. Tuy nhiên, trên địa hình gồ ghề hoặc có cây trồng, hiệu ứng mặt đất trưc thăng có thể bị thay đổi đáng kể, gây khó khăn cho việc điều khiển và duy trì độ cao bay. Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của địa hình đến hoạt động bay là rất quan trọng.

2.2. Khó khăn trong Điều Khiển và Duy Trì Độ Chính Xác

Hiệu ứng mặt đất có thể làm giảm độ nhạy của hệ thống điều khiển, khiến cho việc duy trì độ cao và vị trí chính xác trở nên khó khăn hơn. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như phun thuốc trừ sâu bằng drone, nơi mà độ chính xác là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu quả và tránh lãng phí. Độ chính xác của trực thăng không người lái bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm vận tốc gió, độ cao bay và hiệu ứng mặt đất.

III. Mô Phỏng CFD Nghiên Cứu Hiệu Ứng Mặt Đất UAV Phương Pháp

Để hiểu rõ hơn về hiệu ứng mặt đất và các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động bay trực thăng không người lái, nghiên cứu này sử dụng phương pháp mô phỏng khí động lực học trực thăng số (CFD). Phương pháp CFD cho phép mô phỏng dòng khí xung quanh trực thăng không người lái trong các điều kiện khác nhau, từ đó phân tích lực nâng, lực cản, và các thông số khí động lực học khác. Mô phỏng CFD là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu các hiện tượng phức tạp như hiệu ứng mặt đất, giúp các nhà nghiên cứu đưa ra các giải pháp thiết kế và vận hành tối ưu. Tất cả các nghiên cứu được thực hiện chủ yếu bằng công cụ mô phỏng ANSYS Fluent, trong chế độ bay treo của trực thăng.

3.1. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng và Các Thông Số Đầu Vào

Quá trình mô phỏng CFD bắt đầu bằng việc xây dựng mô hình 3D chi tiết của trực thăng không người lái và môi trường xung quanh. Các thông số đầu vào như độ cao bay, góc tấn, vận tốc gió, và các đặc tính của cánh quạt được xác định dựa trên các dữ liệu thực nghiệm và lý thuyết. Mô hình được chia thành các phần tử nhỏ, và các phương trình khí động lực học được giải trên từng phần tử để tính toán dòng khí. Việc lựa chọn mô hình rối phù hợp cũng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo độ chính xác của mô phỏng.

3.2. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng và Đánh Giá Độ Tin Cậy

Sau khi hoàn thành mô phỏng, kết quả được phân tích để đánh giá lực nâng, lực cản, phân bố áp suất, và các thông số khác. Độ tin cậy của mô phỏng được kiểm tra bằng cách so sánh với các dữ liệu thực nghiệm hoặc lý thuyết đã được công bố. Nếu có sự khác biệt lớn, mô hình hoặc các thông số đầu vào cần được điều chỉnh để cải thiện độ chính xác. Phân tích kết quả mô phỏng giúp hiểu rõ hơn về cơ chế của hiệu ứng mặt đất trưc thăng và ảnh hưởng của nó đến hoạt động bay.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Tối Ưu Bay Phun Thuốc Bằng Drone

Kết quả nghiên cứu về hiệu ứng mặt đất trưc thăng có thể được ứng dụng để tối ưu hóa hoạt động bay của trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu. Bằng cách hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của độ cao bay, vận tốc gió, và địa hình, người vận hành có thể điều chỉnh các thông số điều khiển để đảm bảo an toàn bay và hiệu quả phun thuốc. Ví dụ, việc bay ở độ cao tối ưu có thể giúp tận dụng lực nâng tăng thêm từ hiệu ứng mặt đất và giảm thiểu ảnh hưởng của gió. Nghiên cứu này góp phần vào việc nâng cao hiệu quả và bền vững của ứng dụng trực thăng nông nghiệp trong phân bón bằng drone và phun thuốc trừ sâu bằng drone.

4.1. Xác Định Độ Cao Bay Tối Ưu Cho Phun Thuốc Hiệu Quả

Nghiên cứu xác định độ cao bay tối ưu cho trực thăng không người lái khi phun thuốc trừ sâu, cân bằng giữa việc tận dụng hiệu ứng mặt đất trưc thăng để tăng lực nâng và đảm bảo phân bố thuốc đều trên cây trồng. Độ cao bay quá thấp có thể gây ra hiện tượng thuốc bị thổi ngược lên hoặc không phủ đều, trong khi độ cao bay quá cao có thể làm giảm hiệu quả của thuốc. Việc xác định độ cao bay tối ưu là một yếu tố quan trọng để đạt được hiệu quả phun thuốc trừ sâu bằng drone cao nhất.

4.2. Điều Chỉnh Vận Tốc Bay và Góc Tấn Phù Hợp Với Địa Hình

Vận tốc bay và góc tấn cần được điều chỉnh phù hợp với địa hình để đảm bảo an toàn bay và hiệu quả phun thuốc. Trên địa hình dốc, vận tốc bay cần được giảm để tránh va chạm với mặt đất. Góc tấn cũng cần được điều chỉnh để duy trì độ cao ổn định và đảm bảo phân bố thuốc đều. Việc điều chỉnh linh hoạt các thông số điều khiển là rất quan trọng để quản lý cây trồng bằng drone trong các điều kiện địa hình khác nhau.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu UAV Nông Nghiệp

Nghiên cứu về hiệu ứng mặt đất ảnh hưởng đến hoạt động bay của trực thăng không người lái trong nông nghiệp đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và an toàn bay. Kết quả nghiên cứu này có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế và vận hành của UAV nông nghiệp, góp phần vào việc nâng cao hiệu quả và bền vững của ứng dụng trực thăng nồng nghiệp trong phân bón bằng drone và phun thuốc trừ sâu bằng drone. Hướng phát triển trong tương lai tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của địa hình đồi núi và các yếu tố thời tiết phức tạp, cũng như phát triển các hệ thống điều khiển tự động có khả năng thích ứng với hiệu ứng mặt đất. Luận văn của tôi là sự tiếp nối những nghiên cứu trước đó dựa trên hợp tác giữa Lab của PGS. TS Nguyễn Phú Khánh và PGS. TS Hoàng Thị Kim Dung.

5.1. Tầm Quan Trọng của Nghiên Cứu Hiệu Ứng Mặt Đất UAV

Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất trưc thăng có tầm quan trọng đặc biệt trong bối cảnh ứng dụng trực thăng nông nghiệp ngày càng phát triển. Việc hiểu rõ và kiểm soát hiệu ứng mặt đất giúp tăng cường an toàn bay trưc thăng, giảm thiểu rủi ro tai nạn và nâng cao hiệu quả của các hoạt động nông nghiệp. Nghiên cứu này cũng đóng góp vào việc phát triển các công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực trực thăng không người lái.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Địa Hình Hệ Thống Điều Khiển

Hướng nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của địa hình phức tạp và các yếu tố thời tiết đến hiệu ứng mặt đất. Ngoài ra, việc phát triển các hệ thống điều khiển tự động có khả năng thích ứng với hiệu ứng mặt đất là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động bay trưc thăng ổn định và hiệu quả trong mọi điều kiện. Nghiên cứu này cũng có thể mở ra các cơ hội mới trong việc phát triển các ứng dụng khác của trực thăng không người lái, chẳng hạn như quản lý cây trồng bằng drone và giám sát môi trường.

Nghiên cứu hiệu ứng mặt đất và yếu tố địa hình ảnh hưởng đến hoạt động bay của trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu