Luận văn thạc sĩ về thiết kế máy bay trực thăng bốn chong chóng và ứng dụng lau kính

• Người hướng dẫn: TS. Trần Tiến Anh
• Trường học: Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hàng không
• Đề tài: Thiết kế máy bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng lau kính
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu
• 1.2. Mục tiêu, nội dung và kế hoạch nghiên cứu
• 1.3. Tóm tắt và phân công công việc
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ KHUNG LAU KÍNH
• 2.1. Thiết kế khung lau kính
• 2.1.1. Thiết kế ống nhôm
• 2.1.2. Thanh nhôm chữ L và bông lau kính
• 2.1.3. Khái vuông nhôm
• 2.1.4. Bông lau kính
• 2.1.5. Tăng khả năng của bộ khung lau kính
• 2.2. Vật liệu ứng dụng cho máy bay
• 2.3. Hệ số an toàn và hệ số tải
• 2.4. Thiết kế liên kết
• 2.5. Thiết kế cấu hình máy bay
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC
• 3.1. Thuyết động học ống dẫn trong trường hợp bay tại chỗ
• 3.2. Bay lên thẳng và bay xuống
• 3.3. Tính toán công suất lực đẩy
• 3.3.1. Biến dạng chong chóng
• 3.3.2. Tính toán công suất lực đẩy trong trường hợp bay thẳng
• 3.3.3. Khảo sát động học chong chóng
• 3.3.4. Khoảng không thủy nguyên (y+)
• 3.3.5. Tiến hành mô phỏng
• 3.4. Hiệu ứng hiển thị một vật
• 3.4.1. Giải thích hiệu ứng
• 3.4.2. Chỉ số kết quả
• 3.5. Tính toán lực cản của máy bay
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG KẾT CẤU
• 4.1. Tính toán lý thuyết
• 4.2. Tính toán kết cấu bộ khung lau kính
• 4.2.1. Phân tích kết cấu khung bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• 4.2.2. Mô tả phân tích phần tử hữu hạn
• 4.2.3. Mô phỏng kết cấu khung bằng công cụ phân tích phần tử hữu hạn
• 4.3. Điều kiện biên
• 5. CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP MÁY BAY THỰC TẾ
• 5.1. Quá trình lắp ráp máy bay
• 5.2. Phân bố khối lượng máy bay
• 5.3. Thời gian bay của máy bay
• 5.4. Điều khiển
• 5.5. Bay thử nghiệm thực tế
• 5.6. Đánh giá kết quả tiến triển
• 5.7. Khó khăn giao kết quả nghiên cứu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu chung về máy bay trực thăng bốn chong chóng

Máy bay trực thăng bốn chong chóng, hay còn gọi là quadrotor, đã trở thành một trong những mô hình máy bay không người lái phổ biến nhất trong những năm gần đây. Với thiết kế đơn giản và khả năng cơ động vượt trội, máy bay này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nông nghiệp, giám sát, và đặc biệt là trong công việc lau kính cho các tòa nhà cao tầng. Luận văn này tập trung vào việc thiết kế một mẫu máy bay trực thăng bốn chong chóng với chức năng lau kính, nhằm nâng cao hiệu quả và tiết kiệm chi phí trong quá trình thực hiện nhiệm vụ này. Theo nghiên cứu, việc ứng dụng công nghệ hàng không trong việc lau kính không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn đảm bảo an toàn cho con người.

1.1. Tình hình nghiên cứu máy bay trực thăng

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về máy bay trực thăng đã có những bước tiến đáng kể. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa thiết kế và cải tiến công nghệ hàng không có thể mang lại hiệu quả cao hơn trong việc thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Các mô hình máy bay trực thăng hiện đại thường được trang bị cảm biến và công nghệ điều khiển tự động, giúp nâng cao độ chính xác và an toàn trong quá trình hoạt động. Đặc biệt, việc áp dụng nghiên cứu kỹ thuật trong thiết kế máy bay có thể giúp cải thiện hiệu suất và khả năng bay, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng của máy bay trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

II. Quy trình thiết kế máy bay trực thăng bốn chong chóng

Quy trình thiết kế máy bay trực thăng bốn chong chóng bao gồm nhiều bước quan trọng từ việc xác định yêu cầu kỹ thuật đến việc mô phỏng và thử nghiệm. Đầu tiên, các yêu cầu về tính năng máy bay cần được xác định rõ ràng, bao gồm khả năng mang tải, thời gian bay, và tính năng điều khiển. Sau đó, việc lựa chọn mô hình máy bay và thiết kế cấu trúc khung máy bay là rất quan trọng. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng như Solidworks giúp tạo ra mô hình 3D và kiểm tra tính ổn định của thiết kế trước khi sản xuất thực tế. Cuối cùng, các thử nghiệm bay sẽ được thực hiện để đánh giá hiệu suất của máy bay trong thực tế, từ đó hoàn thiện thiết kế và nâng cao hiệu quả hoạt động.

2.1. Tính toán và mô phỏng khí động học

Một trong những yếu tố quan trọng trong thiết kế máy bay trực thăng là tính toán khí động học. Việc sử dụng phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics) giúp mô phỏng dòng chảy không khí xung quanh máy bay, từ đó xác định được lực nâng và lực cản. Tính toán này không chỉ giúp tối ưu hóa hình dáng cánh và bốn chong chóng, mà còn ảnh hưởng đến hiệu suất bay của máy bay. Kết quả từ mô phỏng sẽ được sử dụng để điều chỉnh thiết kế và nâng cao hiệu suất hoạt động của máy bay, đảm bảo rằng nó có thể thực hiện tốt nhiệm vụ lau kính trong điều kiện thực tế.

III. Ứng dụng máy bay trực thăng bốn chong chóng trong lau kính

Việc ứng dụng máy bay trực thăng bốn chong chóng trong công việc lau kính đang trở thành một xu hướng mới trong ngành công nghiệp. Với khả năng bay lơ lửng và di chuyển linh hoạt, máy bay có thể tiếp cận những vị trí khó khăn mà con người khó có thể đến được. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng công nghệ hàng không để lau kính không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu rủi ro cho người lao động. Ngoài ra, máy bay cũng có thể được trang bị các thiết bị cảm biến để kiểm tra tình trạng kính trước khi thực hiện nhiệm vụ lau chùi, từ đó nâng cao hiệu quả và chất lượng công việc.

3.1. Lợi ích và thách thức trong ứng dụng

Mặc dù việc sử dụng máy bay trực thăng bốn chong chóng trong lau kính mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng không thiếu thách thức. Một trong những lợi ích lớn nhất là khả năng tiết kiệm chi phí và thời gian, đồng thời giảm thiểu rủi ro cho người lao động. Tuy nhiên, việc điều khiển máy bay trong môi trường đô thị có thể gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là trong các điều kiện thời tiết không thuận lợi. Ngoài ra, việc đảm bảo an toàn cho người và tài sản xung quanh trong quá trình hoạt động của máy bay cũng là một vấn đề cần được giải quyết. Do đó, cần có các quy định và hướng dẫn rõ ràng để đảm bảo việc sử dụng máy bay trong lau kính diễn ra an toàn và hiệu quả.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ kỹ thuật số và tự động hóa ngày càng phát triển, máy bay trực thăng không người lái (UAV) loại quadrotor đã trở thành một công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, giám sát môi trường và dịch vụ vệ sinh. Theo ước tính, tốc độ phát triển UAV trên thế giới trong giai đoạn 2019-2024 tăng trưởng nhanh chóng, đặc biệt tại các quốc gia như Hoa Kỳ, Trung Quốc và Nhật Bản. Tại Việt Nam, việc ứng dụng quadrotor trong các lĩnh vực như phun thuốc trừ sâu và thu thập dữ liệu đang được quan tâm nhưng vẫn còn nhiều hạn chế về thời gian bay và điều khiển phức tạp.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế máy bay trực thăng quadrotor ứng dụng cho việc lau kính tòa nhà cao tầng tại thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu chính là thiết kế một sản phẩm đơn giản, tiết kiệm chi phí nhưng hiệu quả cao, phù hợp với điều kiện khí hậu và môi trường Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát các mô hình quadrotor hiện có trên thế giới, phân tích khí động học bằng phương pháp CFD, tính toán lực nâng và lực cản trong các trạng thái bay khác nhau, đồng thời phân tích kết cấu vật liệu khung máy bay để đảm bảo độ bền và an toàn khi vận hành.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc góp phần phát triển công nghệ quadrotor trong nước, giảm thiểu rủi ro cho công nhân vệ sinh kính, nâng cao hiệu quả công việc và mở rộng ứng dụng UAV trong các lĩnh vực công nghiệp và dịch vụ. Các chỉ số quan trọng như thời gian bay dự kiến từ 10 đến 20 phút, trọng lượng máy bay khoảng 1,1 kg, lực nâng cần thiết khoảng 11,6 N được sử dụng làm tiêu chuẩn thiết kế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: nguyên lý khí động học và lý thuyết kết cấu vật liệu.

1. Nguyên lý khí động học: Áp dụng lý thuyết Blade Element Momentum Theory (BEMT) để phân tích lực nâng và lực cản của cánh quạt quadrotor trong các trạng thái bay lên, bay xuống, bay tĩnh và bay tiến. Các khái niệm chính bao gồm lực nâng (Thrust), lực cản (Drag), mô-men xoắn (Torque), vận tốc dòng khí và hiệu suất quạt. Phương pháp mô phỏng Computational Fluid Dynamics (CFD) được sử dụng để khảo sát dòng khí và áp suất trên cánh quạt, từ đó lựa chọn kích thước và hình dạng cánh quạt phù hợp.

2. Lý thuyết kết cấu vật liệu: Phân tích độ bền và độ cứng của khung máy bay sử dụng vật liệu hợp kim nhôm 6061 và vật liệu composite carbon/epoxy. Các khái niệm chính gồm mô-men uốn, ứng suất, hệ số an toàn (Safety Factor), hệ số tải trọng (Load Factor) và phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis - FEA) để đánh giá khả năng chịu lực và biến dạng của khung trong quá trình vận hành.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thực nghiệm từ các mô hình quadrotor trên thế giới, dữ liệu khí tượng về vận tốc gió trung bình tại thành phố Hồ Chí Minh, và các thông số kỹ thuật vật liệu được công bố trong tài liệu chuyên ngành.

Phương pháp phân tích gồm:

• Phân tích khí động học: Sử dụng phần mềm CFD để mô phỏng dòng khí quanh cánh quạt với các vận tốc và góc tấn khác nhau, tính toán lực nâng và lực cản, từ đó xác định kích thước cánh quạt tối ưu (đường kính khoảng 140 mm, trọng lượng cánh quạt 1,1 kg).

• Phân tích kết cấu: Áp dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn để đánh giá ứng suất và biến dạng của khung nhôm 6061 dày 0,5-1 mm dưới các tải trọng khi bay và va chạm. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm toàn bộ khung máy bay và các chi tiết liên kết.

• Thiết kế và lắp ráp: Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế mô hình 2D và 3D của máy bay và khung lau kính, làm cơ sở cho việc sản xuất và thử nghiệm bay thực tế.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, bao gồm khảo sát tài liệu (tháng 1-2), thiết kế và mô phỏng (tháng 3-4), lắp ráp và thử nghiệm (tháng 5-6).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Lực nâng và công suất của cánh quạt: Qua mô phỏng CFD, lực nâng cần thiết để giữ máy bay bay tĩnh là khoảng 11,6 N với công suất tiêu thụ khoảng 33,75 W cho mỗi cánh quạt. Đường kính cánh quạt tối ưu được xác định là 140 mm với trọng lượng 1,1 kg, phù hợp với yêu cầu thiết kế.

2. Hiệu suất bay trong các trạng thái: Khi bay lên thẳng, công suất tiêu thụ tăng nhẹ lên khoảng 35,6 W, trong khi bay xuống với vận tốc thấp công suất giảm còn khoảng 30,7 W. Bay tiến và bay tĩnh đòi hỏi công suất cao hơn, lên đến 43,9 W, phản ánh sự phức tạp trong điều khiển và cân bằng lực.

3. Độ bền kết cấu khung: Phân tích phần tử hữu hạn cho thấy khung nhôm 6061 dày 0,5-1 mm có hệ số an toàn từ 2 đến 5, đảm bảo chịu được tải trọng va chạm và lực nâng trong quá trình bay. Kết cấu khung nhẹ, bền và có khả năng giảm rung động hiệu quả.

4. Thiết kế khung lau kính: Khung lau kính được thiết kế với các thành phần chính gồm ống nhôm, thanh nhôm chữ L, khái vuông nhôm và bông lau polymer. Tổng trọng lượng khung khoảng 205 g, đảm bảo không làm ảnh hưởng đến khả năng bay và lực nâng của máy bay.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và phân tích cho thấy thiết kế quadrotor với đường kính cánh quạt 140 mm và trọng lượng tổng thể khoảng 1,1 kg là phù hợp để thực hiện nhiệm vụ lau kính tòa nhà cao tầng tại thành phố Hồ Chí Minh. Công suất tiêu thụ và lực nâng được tính toán chi tiết giúp tối ưu hóa hiệu suất bay, giảm thiểu tiêu hao năng lượng và kéo dài thời gian bay lên đến 15-20 phút.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, thiết kế này có trọng lượng và kích thước tương đương các mẫu quadrotor lau kính tại Tây Ban Nha và Mỹ, nhưng được điều chỉnh phù hợp với điều kiện khí hậu và môi trường Việt Nam, đặc biệt là vận tốc gió trung bình từ 2,4 đến 4,5 m/s.

Phân tích kết cấu vật liệu cho thấy việc sử dụng hợp kim nhôm 6061 kết hợp với vật liệu composite carbon/epoxy giúp tăng độ bền và giảm trọng lượng, đồng thời đảm bảo an toàn khi vận hành trong môi trường thực tế. Các biểu đồ lực nâng và công suất theo vận tốc bay minh họa rõ sự biến đổi công suất tiêu thụ trong các trạng thái bay, hỗ trợ việc điều khiển và tối ưu hóa hoạt động của máy bay.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường nghiên cứu điều khiển tự động: Phát triển hệ thống điều khiển bay tự động với cảm biến IMU và ESC tích hợp để nâng cao độ ổn định và khả năng bay chính xác, giảm thiểu rủi ro va chạm trong quá trình lau kính. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do nhóm kỹ thuật UAV đảm nhiệm.

2. Cải tiến vật liệu khung: Nghiên cứu sử dụng vật liệu composite mới có trọng lượng nhẹ hơn và độ bền cao hơn để giảm tải trọng máy bay, từ đó kéo dài thời gian bay và tăng hiệu suất làm việc. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 1 năm, phối hợp với phòng thí nghiệm vật liệu.

3. Phát triển bộ khung lau kính đa năng: Thiết kế bộ khung lau kính có thể điều chỉnh kích thước và hình dạng phù hợp với nhiều loại cửa kính và tòa nhà khác nhau, tăng tính ứng dụng và tiện lợi cho người sử dụng. Thời gian thiết kế và thử nghiệm 4 tháng, do nhóm thiết kế cơ khí thực hiện.

4. Tối ưu hóa nguồn năng lượng: Sử dụng pin Li-Po dung lượng cao và hệ thống quản lý pin thông minh để tăng thời gian bay lên trên 20 phút, đồng thời đảm bảo an toàn trong quá trình sạc và vận hành. Thời gian triển khai 6 tháng, phối hợp với nhà cung cấp pin và kỹ sư điện tử.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hàng không: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế quadrotor, khí động học và kết cấu vật liệu, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển UAV trong môi trường học thuật.

2. Doanh nghiệp sản xuất UAV và thiết bị vệ sinh công nghiệp: Thông tin về thiết kế, vật liệu và hiệu suất bay giúp các công ty cải tiến sản phẩm, mở rộng ứng dụng quadrotor trong dịch vụ vệ sinh tòa nhà.

3. Cơ quan quản lý và phát triển công nghệ: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ UAV trong nước, thúc đẩy đổi mới sáng tạo và ứng dụng công nghệ cao.

4. Người sử dụng và vận hành UAV trong lĩnh vực dịch vụ: Hướng dẫn thiết kế và vận hành quadrotor lau kính an toàn, hiệu quả, giảm thiểu rủi ro và nâng cao năng suất lao động trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy bay quadrotor lau kính có thể bay được bao lâu?
   Thời gian bay thực tế của máy bay thiết kế khoảng 10-20 phút, tùy thuộc vào trọng lượng tải và điều kiện thời tiết. Ví dụ, với pin Li-Po dung lượng phù hợp, thời gian bay đạt khoảng 15 phút trong điều kiện gió nhẹ.

2. Vật liệu nào được sử dụng cho khung máy bay và tại sao?
   Khung máy bay sử dụng hợp kim nhôm 6061 và vật liệu composite carbon/epoxy do có trọng lượng nhẹ, độ bền cao và khả năng chịu lực tốt, giúp máy bay ổn định và an toàn khi bay.

3. Làm thế nào để máy bay giữ thăng bằng khi lau kính?
   Máy bay sử dụng hệ thống điều khiển vòng kín với cảm biến IMU và ESC để điều chỉnh tốc độ quay của từng cánh quạt, từ đó cân bằng lực nâng và mô-men xoắn, giữ máy bay ổn định trong không gian.

4. Có thể sử dụng máy bay này trong điều kiện gió mạnh không?
   Máy bay được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong điều kiện gió trung bình từ 2,4 đến 4,5 m/s. Gió mạnh hơn có thể ảnh hưởng đến độ ổn định và an toàn, cần có biện pháp điều khiển nâng cao hoặc hạn chế bay trong điều kiện thời tiết xấu.

5. Quá trình lắp ráp và bảo trì máy bay có phức tạp không?
   Quá trình lắp ráp được thiết kế đơn giản với các chi tiết mô-đun, dễ dàng tháo lắp và bảo trì. Việc bảo trì định kỳ bao gồm kiểm tra pin, động cơ và khung máy bay để đảm bảo hiệu suất và an toàn khi sử dụng.

Kết luận

• Thiết kế quadrotor lau kính với trọng lượng khoảng 1,1 kg và đường kính cánh quạt 140 mm đáp ứng yêu cầu lực nâng và công suất cho nhiệm vụ lau kính tòa nhà cao tầng.
• Phân tích khí động học và kết cấu vật liệu cho thấy máy bay có hiệu suất bay ổn định, an toàn và phù hợp với điều kiện khí hậu tại thành phố Hồ Chí Minh.
• Khung lau kính được thiết kế nhẹ, chắc chắn với vật liệu nhôm 6061 và bông lau polymer, đảm bảo hiệu quả làm sạch và không ảnh hưởng đến khả năng bay.
• Đề xuất các giải pháp cải tiến điều khiển tự động, vật liệu khung, bộ khung lau kính đa năng và nguồn năng lượng để nâng cao hiệu suất và tính ứng dụng của máy bay.
• Tiếp tục triển khai thử nghiệm bay thực tế và phát triển hệ thống điều khiển thông minh trong 6-12 tháng tới nhằm hoàn thiện sản phẩm và đưa vào ứng dụng rộng rãi.

Luận văn hy vọng sẽ là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý trong lĩnh vực UAV, góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ hàng không không người lái tại Việt Nam.