Tài liệu Thiết kế và chế tạo mô hình máy bay-quadrocopter

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY BAY-QUADROCOPTER
DESIGN AND MANUFACTURE QUADROCOPTOR-AIRCRAFT MODEL








TÓM TẮT
Bài báo cáo này trình bày cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của mô hình máy bay Quadrocopter. Đây là một dạng máy bay lên thẳng được nâng bởi bốn cánh quạt đặt trên một khung chữ thập, hoạt động dựa vào các nguyên lý khí động học. Mô hình được thiết kế và chế tạo qua quá trình tính toán kết cấu cơ khí, cân bằng động học và sự kết hợp giao tiếp giữa khối cảm biến để máy bay tự cân bằng với điều khiển từ xa bởi sóng RF.
ABSTRACT
This report presents the theoretical background and the operation principle of Quadrocopter aircraft. This aircraft is lifted by four rotors on a cross-shaped frame that is operated according to the principles of aerodynamics. The model is designed and manufactured by the process of mechanical structure calculation, dynamic balance and combination of communication between sensor in which balanced aircraft with the remote controlling by RF wave.


1. Đặt vấn đề


Hiện nay, trong một số lĩnh vực dân dụng, quân sự hay khoa học vũ trụ con người dần thay các phương tiện bay có người lái bằng các thiết bị bay không người lái, bởi các tính năng ưu việt như có khả năng hoạt động tự động hoặc là điều khiển từ xa, có khả năng hoạt động những nơi mà con người khó tiếp cận. Ngoài ra còn được ứng dụng rộng rãi trong một số lĩnh vực như quan sát núi lửa, kiểm tra môi trường, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu nông nghiệp
Đề tài nghiên cứu và chế tạo mô hình máy bay Quadrocopter là một đề tài đòi hỏi kiến thức tổng hợp của rất nhiều lĩnh vực như là thiết kế cơ khí, động lực học, khí động học, mạch điều khiển, giao tiếp máy tính, truyền nhận tín hiệu, xử lý nhiễu trong khi đây là một loại đề tài mới, kết quả nghiên cứu trong nước không nhiều và hầu như chưa được tổng kết. Vì vậy, đề tài này sẽ giới thiệu tổng quan cũng như phân tích nguyên lý hoạt động, cơ sở lý thuyết và thiết kế chế tạo mô hình bay Quadrocopter được thực hiện tại Viện Công nghệ Cơ khí và Tự động hóa thuộc Đại học Bách khoa Đà nẵng.


2. Cơ sở lý thuyết và mô hình toán của Quadrocopter


2.1. Lý thuyết điều khiển Quadrocopter
Cặp cánh quạt phía trước (front) và phía sau (back) quay ngược chiều kim đồng hồ, trong khi đó cặp cánh bên phải (right) và bên trái (left) lại quay thuận chiều kim đồng hồ nhằm cân bằng moment xoắn được tạo ra bởi các cánh quạt trên khung. Cả 4 cánh phải sinh ra một lực đẩy bằng nhau khi Quadrocopter cất cánh và hạ cánh (throttle up/down). Góc xoay (roll) được điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ giữa cánh bên phải và bên trái sao cho vẫn giữ nguyên tổng lực đẩy sinh ra bởi cặp cánh này. Tương tự như vậy, góc nghiêng (pitch) được điều khiển bằng thay đổi tốc độ của 2 cánh phía trước và phía sau mà vẫn giữ



nguyên tổng lực đẩy. Trong khi đó, góc lệch (yaw) được điều khiển nhờ vào sự thay đổi tốc độ của cặp cánh phải – trái so với tốc độ của cặp cánh trước–sau mà tổng lực đẩy 4 cánh vẫn không đổi để Quadrocopter giữ được độ cao (Hình1).
2.2. Cơ sở lý thuyết mô hình bay Quadrocopter
Nghiên cứu lý thuyết chuyển động của Quadrocopter và xây dựng mô hình động lực