Nghiên Cứu, Thiết Kế và Chế Tạo Drone Chữa Cháy Tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

• Tác giả: Vu Duc Binh
• Người hướng dẫn: PhD Ha Le Nhu Ngoc Thanh
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Mechatronics Engineering
• Đề tài: Research, Design and Fabrication of Firefighting Quadcopters
• Loại tài liệu: graduation thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• COMMITMENT
• ACKNOWLEDGMENT
• ABSTRACT
• TABLE OF CONTENT
• TABLE OF TABLES
• TABLE OF IMAGES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• INTRODUCTION
• 0.1. Reason for choosing the topic
• 0.2. Research objectives of the topic
• 0.3. Research subjects and scope
• 0.4. Research method
• 0.5. Structure of project
• 1. CHƯƠNG 1: RESEARCH TOPIC OVERVIEW
• 1.1. What is Drone/UAV
• 1.2. History of Aircraft’s Evolution and Development
• 1.2.1. History of Aviation
• 1.2.2. History of Drone
• 1.2.3. Application of Drone into practice
• 1.2.4. All usage notes and instruction
• 2. CHƯƠNG 2: STRUCTURE AND PRINCIPLES OF OPERATION
• 2.1. Common configuration and operating principles of some types of Drones
• 2.2. Fixed-wing hybrid VTOL
• 2.3. Compare advantages and disadvantages of each type of Drones
• 2.4. Flight control system
• 2.5. Flight control software
• 2.6. Power distribution board
• 2.7. Transmitting data and images on Drone
• 2.8. Camera Adrucam IMX519
• 2.9. The Flight Controller
• 2.10. Receiver
• 3. CHƯƠNG 3: MATHEMATIC MODEL OF QUADCOPTER
• 3.1. Diagram of quadcopter kinematic
• 3.2. Coordinate systems in Quadcopter
• 3.3. High altitude dynamic equation of UAV
• 3.4. Position dynamic equation of UAV
• 3.5. Equation of Coriolis’s force
• 3.6. Deploy the motion kinematic model in {E} coordinate system
• 3.7. Dynamics of motors
• 3.8. Electrical operating model
• 3.9. The mechanical operating model
• 3.10. The relationship between Kt and Ke
• 4. CHƯƠNG 4: CONTROLLER DESIGN
• 4.1. The relationship between PWM and thrust
• 4.2. The relationship between PWM and moment
• 4.3. Roll axis
• 4.4. Transfer function for controlling position
• 4.5. P-P Controller Design for Position Control
• 4.6. The transfer function for controlling altitude
• 4.7. P-P Controller Design for Altitude Control
• 5. CHƯƠNG 5: APPLICATION FOR FIREFIGHTING QUADCOPTER
• 5.1. Components on gripper
• 5.2. Transmission mechanism of a Gripper
• 5.3. Stress Analysis of Gripper
• 5.4. Deformation of Load-Bearing Components in a Gripper
• 5.5. Stress Analysis for Three Upper Support Bars of Clamping Mechanism
• 5.6. Analyzing the velocity of Gripper mechanism
• 5.7. Image Processing
• 6. CHƯƠNG 6: CONTROLLER PROGRAMMING
• 6.1. Overview of programming system
• 6.2. Image processing experiment
• 6.3. Mathematical Model for Quadcopter Fire Detection
• 6.4. Find the relationship between the movement of the quadcopter and the change in pixels
• 6.5. Find the relationship between Z distance and quadcopter height
• 6.6. The relationship between the forward-backward movement of the quadcopter and the change in pixels
• 6.7. The equation describing the relationship between yaw angle and position x, y
• 6.8. HITL simulation results
• 6.9. Overview of Hardware
• 6.10. Graph of parameters in real flight
• 6.11. Development Orientation
• REFERENCES
• OTHER REFERENCES
• APPENDIX

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Drone Chữa Cháy Hiệu Quả

Nghiên cứu và thiết kế drone chữa cháy đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hiện đại. Những chiếc drone này không chỉ giúp tăng cường khả năng chữa cháy mà còn cải thiện hiệu quả trong việc phát hiện và xử lý các tình huống khẩn cấp. Việc áp dụng công nghệ drone trong chữa cháy mang lại nhiều lợi ích, từ việc tiếp cận những khu vực khó khăn cho đến việc giảm thiểu rủi ro cho nhân viên cứu hỏa.

1.1. Lịch sử và sự phát triển của Drone trong chữa cháy

Lịch sử của drone bắt đầu từ những năm 1900, nhưng chỉ đến gần đây, công nghệ này mới được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực chữa cháy. Các drone hiện đại được trang bị cảm biến và camera, cho phép thu thập dữ liệu và hình ảnh trong thời gian thực.

1.2. Tại sao cần nghiên cứu drone chữa cháy

Nhu cầu sử dụng drone chữa cháy ngày càng tăng do sự gia tăng các vụ cháy rừng và đô thị. Những chiếc drone này có khả năng tiếp cận nhanh chóng và hiệu quả, giúp giảm thiểu thiệt hại và bảo vệ tính mạng con người.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên Cứu Drone Chữa Cháy

Mặc dù drone chữa cháy mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần được giải quyết. Các vấn đề như khả năng bay trong điều kiện thời tiết xấu, độ tin cậy của hệ thống điều khiển và khả năng mang tải vẫn là những yếu tố quan trọng cần được nghiên cứu.

2.1. Khó khăn trong việc phát hiện và xác định vị trí cháy

Việc phát hiện và xác định vị trí cháy một cách chính xác là một thách thức lớn. Các cảm biến và công nghệ hình ảnh cần được cải tiến để tăng cường khả năng nhận diện.

2.2. An toàn khi sử dụng drone trong môi trường khắc nghiệt

Sử dụng drone trong các tình huống khẩn cấp đòi hỏi phải đảm bảo an toàn cho cả thiết bị và nhân viên. Cần có các biện pháp để giảm thiểu rủi ro khi hoạt động trong môi trường có nhiều khói và nhiệt độ cao.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu và Thiết Kế Drone Chữa Cháy

Để phát triển một chiếc drone chữa cháy hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu và thiết kế hiện đại. Việc lựa chọn linh kiện phù hợp và xây dựng các mô hình toán học là rất quan trọng trong quá trình này.

3.1. Lựa chọn linh kiện và thiết kế cấu trúc drone

Việc lựa chọn động cơ, pin và các linh kiện khác cần được thực hiện dựa trên các tiêu chí về hiệu suất và độ bền. Cấu trúc của drone cũng cần được thiết kế để tối ưu hóa khả năng bay và mang tải.

3.2. Xây dựng mô hình toán học cho drone

Mô hình toán học giúp dự đoán hành vi của drone trong các tình huống khác nhau. Các phương trình động lực học và mô hình điều khiển là cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Drone Chữa Cháy

Các ứng dụng thực tiễn của drone chữa cháy đang ngày càng được mở rộng. Từ việc phát hiện sớm đến việc cung cấp hỗ trợ trong các tình huống khẩn cấp, drone đã chứng minh được giá trị của mình trong việc bảo vệ tài sản và tính mạng.

4.1. Phát hiện và giám sát cháy rừng

Các drone có thể được sử dụng để phát hiện sớm các vụ cháy rừng, giúp các đội cứu hỏa có thể phản ứng kịp thời và hiệu quả hơn.

4.2. Cung cấp hỗ trợ trong các tình huống khẩn cấp

Trong các tình huống khẩn cấp, drone có thể cung cấp thông tin và hỗ trợ cho các đội cứu hỏa, giúp họ đưa ra quyết định nhanh chóng và chính xác.

V. Kết Luận và Tương Lai của Drone Chữa Cháy

Tương lai của drone chữa cháy hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với sự tiến bộ của công nghệ. Các nghiên cứu và cải tiến trong lĩnh vực này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của drone trong việc chữa cháy.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ drone

Công nghệ drone sẽ tiếp tục được cải tiến với các tính năng mới như trí tuệ nhân tạo và cảm biến tiên tiến, giúp nâng cao khả năng phát hiện và xử lý cháy.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực drone chữa cháy là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho cộng đồng và bảo vệ môi trường.