Thiết kế bộ điều khiển cho máy bay không người lái UAV

1. 1

 
tài lu “Thiế ế ộ ề ển cho máy bay không ngườ
t k b đi u khi i
lái UAV” này là do tôi th c hi i s ng d n t n tình c
      a TS. Bùi Quý L c

và TS. Lê Giang Nam. Các s u và k t qu trình bày trong lu
 li   
phát tri c công b trong b t kì m t tài li u nào.
    
Hà N i, Ngày 22 tháng 4
ộ năm 2014
H c viên th c hi
  n
Nguy n Ng c Bình
 

2. 2

L....................................................................................................1
M C L C
  ................................................................................................................2
KÝ HI U VÀ T T T
  VI T................................................................................4
DANH M C B NG BI U
   .....................................................................................5
DANH M C HÌNH
 NH.......................................................................................6
M U
  ..................................................................................................................8

T NG QUAN V UAV
  ........................................................................................11
1.1. Gi i thi u v
   UAV..........................................................................................11
1.1.1. Khái ni m v UAV
  .....................................................................................11
1.1.2. Các ng d ng c a UAV
   .............................................................................11
  
y u c a UAV................................................................12
1.2. L ch s phát tri n c a UAV
    ..........................................................................12
1.2.1. L ch s phát tri n c a UAV trên th i
     gi ...................................................12
1.2.2. L ch s phát tri n c a UAV
     Vit Nam ...................................................15
 
ng phát tri n c a UAV
 ...................................................................18
   
ng ti p c n c tài..............................................................................18
1.4. K n
t lu ..........................................................................................19
 2
  
LÝ THUY T V     
U KHI N V T TH I
LÁI UAV................................................................................................................20
2.1. Các thông s k thu a UAV
  t c ...................................................................20
2.1.1. Thông s k thu u ch t o UAV
  t ca vt li   .............................................20
2.1.2. Kh o sát l c tác d ng lên các b n U
    ph AV .............................................22
2.1.3. Tích h p các h lên UAV
  th ......................................................23
2.2. Kh ng h
 ng l c cho UAV
c h .............................................27
2.2.1. Xây d ng h t o sát UAV
    kh ........................................................27
2.2.2.Kh ng h c cho UAV
  .......................................................................31
2.2.3. Kh ng l c cho UAV
 c h ...............................................................33
2.3. Gi   
ng h ng l c h c..............................................35
2.3.1. Tuy   
ng h ng l c h c ...........................35

3. 3
2.3.2. Phân chia chuyng c a UAV
 ..............................................................40
ng h      
 ng l c h c cho tr ng thái bay cân b ng và n
nh.......................................................................................................................44
2.4. K n
t lu ..........................................................................................48

THI   
T K B  U KHI N CHO UAV
 .........................................................49
3.1. T ng quan h
  u khi n UAV
 .....................................................................49
        
nh v , d ng b ng h th ng v nh v quán tính INS 49
3.1.2. Truy n d n d u khi n và hình nh b ng sóng vô tuy n RF
   li     ..........49
3.1.3. H ng truy ng trên UAV
 th  ................................................................61
3.2. Thi h u khi n UAV
t k  th  ...............................................................61
3.2.1. Thu u khi n
  .................................................................................62
     
m n c a h th u khi n..................................................66
3.2.3. Mô ph ng h u khi
  th n...................................................................71
3.3. Thi n m u khi n và giám sát m t
t k ph    
 ...................................73
3.3.1. Ph n m u khi n m
    
 t ....................................................................73
3.3.2. Xây d ng h ng ch m
  th  th c tiêu...........................................................74
3.4. Tích h p các h n t
  th .......................................................................75
3.5. K n
t lu ..........................................................................................80

K T QU VÀ BÀN LU N
   ..................................................................................81
4.1. K t qu nghi m c a h ng GPS, IMU, RF
  th    th ......................................81
4.1.1. K t qu nghi m kh
  th   nh v GPS
 ................................................81
4.1.2. K t qu nghi m ch
  th   
ng b thu phát sóng RF ................................83
4.1.3. K t qu nghi m ch
  th    
ng c m bi n IMU..........................................85
     
 ng UAV ch bay b ng tay và t ng ...................87
     
 ng UAV ch bay b ng tay .....................................87
      
 ng UAV ch bay t ng.......................................88
4.3. K n
t lu ..........................................................................................89
K T LU N
  ............................................................................................................90
TÀI LI U THAM O
 KH ....................................................................................92
PH 
L C...............................................................................................................93

4. 4

+ GPS - Global Positioning System( H nh v toàn c u).
 th  
+ GCS - Group Control Station (Tr u khi n m
   
 t).
+ IMU - Inertial measurement units(H ng quán tính).
 th
+ INS - Intertial Mavigation System(H nh v quán tính).
 th 
+ PP PTHH - n t h
   
u h n.
+ PID - A proportional integral derivative controller.
+ RF - Radio Frequency (T n s vô tuy
  n).
+ UAV - i lái).

5. 5

B ng 2.1: Thông s i composit (E glass fiber)
  c s ....................................20
B ng 2.2: Thông s c thép Cacbon
   ng ...............................................21
B ng 2.3: Thông s c nh
   a polyurêtan......................................................21
B ng 2.4: Thông s c cao su t ng h p
     ........................................................22
B ng 2.5: B ng phân lo i các m c t máy bay
     
 ...........................................30
B ng 3.1: Thông s vi x lý ATMEGA2560
   .......................................................67
B ng 3.2: Thông s c m bi n MPU 6050
    ............................................................68
B ng 3.3: Thông s c m bi n khí áp MS5611
    ....................................................68
B ng 3.4: Thông s la bàn s HMC5883L
   ..........................................................69
B ng 3.5: Thông s IC nh AT45DB161D
   .........................................................70
B ng 4.1: Th nghi
    
ng cách c a GPS (Khu v c dân

 ...........................................................................................................................81
B ng 4.2: Th nghi
    
ng cách c a GPS (Khu v 
 t
trng)......................................................................................................................83
B ng 4.3: B ng sóng c a b thu phát sóng
  
   RF ...............84

6. 6

Hình 1.1: Máy bay trinh sát pháo binh "Tipchak" Nga...................................15
Hình 1.2: UAV Vi t Nam, s n ph m c
   a HTI....................................................17
Hình 2.1: S n ph m máy bay hoàn thi n
   ............................................................23
Hình 2.2: Thân máy bay.......................................................................................24
Hình 2.3: Cánh máy bay (Bên trái).....................................................................24
ng và cánh lái ngang........................................................25
c và càng sau máy bay .......................................................25
Hình 2.6: H ng truy n chuy
 th  ng.............................................................26
t ..........................................................................26
Hình 2.8: Các trc t   
n t c, l c, momen và các
góc RPY trên máy bay..........................................................................................27
 tr 
c t trên máy bay .....................................29
 
n t c góc trong h t liên k
  t................................32
Hình 2.11 kh 
ng c a máy bay ...............48
Hình 3.1: Các thành ph n c
     
u t o c a h th ng................................................50
Hình 3.2: V tinh không gian
 ...............................................................................50
Hình 3.3: Các tr u khi
   
n GPS trên th gi i..............................................51
 .................................................................53

Roll..........................................................................................................................54
 ........56
Hình 3.7: B thu phát sóng RF
 ............................................................................58
Hình 3.8: C u t o RC Servo
  ................................................................................61
 
u khi n góc quay RC Servo...........................................................62
Hình 3.10: M ch vi x lý trung tâm ATMEGA2560
  .........................................67
Hình 3.11: Kh i truy n nh n d u v i máy tính thông qua chip
    li 
ATMEGA32U........................................................................................................67
Hình 3.12: C m bi n MPU 6050 (Inertial measurement unit)6 tr c
   ...............68
Hình 3.13: C m bi n khí áp MS5611
  ..................................................................69
Hình 3.14: La bàn s HMC5883L
 .......................................................................70
Hình 3.15: B nh   
1 Mb d li u...........................70

7. 7
      
kh i h th ng mô ph ng ph n c ng ......................................71
      
kh i h th ng mô ph ng ph n c ng ......................................71
Hình 3.18: Thi p tham s truy n nh n trong Xplane
t l    ..................................72
Hình 3.19: Thi p c ng UDP truy n nh n d u trên XPlane
t l     li ...................72
Hình 3.20: M u th nghi m ch
      
bay t ng: máy bay PT60 ....................73
 ........................................................................74
Hình 3.22.................................................75
 
c m ch in sau khi thit k ................................................76
  
k t n Recever Fysky..................................................76
   
chân k t n i tín hi u khi n
 .............................................77
    
k t n i tín hi u c m bi n
 .........................................................77
    
k t n  u ra tín hi u APM...................................................78
Hình 3.28: Tín hi u ra c p servo camera
  ............................................................78
Hình 3.29: Tín hi u ra c p servo camera
  ............................................................79
Hình 3.30: Module LEA-6H U-blox....................................................................79
Hình 3.31: B u khi
  n thc t.........................................................................80
Hình 4.1: V a máy bay so v i Home (Khu v
 trí c   ..........................81
   
th bi u di n sai s   
kho ng cách c a GPS (Khu v .....82
Hình 4.3: V a máy bay so v i Home (Khu v
 trí c   
 t trng)......................82
   
th bi u di n sai s   
kho ng cách c a GPS (Khu v  
t tr ng) 83
Hình 4.5: Màn hình s u bi u di n ch
 li     
ng sóng c a b thu phát sóng RF
.................................................................................................................................84
      
th bi u di n ch ng sóng v i các kho ng cách khác nhau..85
Hình 4.7: Máy bay ng thái cân b
 tr ng...........................................................85
Hình 4.8: Máy bay ng thái nghiêng bên ph i
 tr  .............................................86
Hình 4.9: Máy bay ng thái ngóc lên
 tr ............................................................86
Hình 4.10: Máy bay ng thái chúc xu
 tr ng.....................................................86
Hình 4.11: Máy bay ng thái l t ng a
 tr   ..........................................................87
Hình 4.12: Qu o bay th c u khi n b ng tay
  c t    ...........88
Hình 4.13: So sánh qu o bay th và qu o bay l p trình c a máy bay
  c t    
trong ch bay t
   ng......................................................................................89

8. 8

Lý do ch tài

Ngày nay nh ng ti n b công ngh khoa h c k thu c áp d ng vào
 nh       
       
i s ng ngày càng nhi u, nên các thi t b có kh
     
c quan tâm và nghiên c u r ng rãi trên toàn th gi i. Các công ngh này
       
c ng d ng trong r t nhi c bi t nh m gi i phóng con
ng p
      
i kh i n ng nh c, nhàm chán c a công vi c (do l    
i l p l i các thao tác c a
m t công vi c gi n nào ó), nguy hi m c a môi tr ng lao ng, lây lan c
  n       a
các b nh hi m nghèo t i các c s y t ô nhi m do b i b m c a các h m m , nguy
     ,      
hi du
m  i i d
 
áy ng và trên không gian v tr
M t trong nh ng công ngh c nghiên c u và ng d ng m nh m
          là
   
i lái (UAV i ch
chung cho các lo i máy bay mà không có u khi n ng lái,
    bu hong
t và có th u khi n, giám sát t xa. V i vi c s d ng i ta có th
 ng          
thay th i trong r t nhi , quân s ,
   ng  
tr. Trên th c, Nh ng d ng máy
 gi  
bay UAV vào nhi , quan tr c.... c bi t ngành quân
   
s . Tuy nhiên c n khai
 vi tri    
ng d ng Vi t Nam còn h n ch
 .
Xu         
t phát t th c t n hành nghiên c u v h th u khi n
 Thit k b
  u khin cho
i lái UAV c tri n khai v i m c n m b
     t
lý thuy công ngh m áp d ng vào th c ti
t và  nh   n.
L ch s nghiên c
  u
Trên th không ch là m c tiêu quân s c a m i qu c bi t là
 gii UAV       
    
c chuyên s n xu i lái
tài nghiên c u c i h c trên th c nh ng thành t
    gi  u
.
Vi   
c nghiên c u và ch t o UAV g p nhi thách. u tiên
   
là      
. Ti công ngh c ch t o máy bay,
      
nh v chính xác, công ngh x lý i nh ng
thành t c thì m t ngày không xa nó s ng r ng rãi trong i
   c   
s ng và quân s .
 

9. 9
M u c a lu
     
 ng, ph m vi nghiên c u
c ch t o b u khi n cho UAV hi c phát tri n m nh m trên
Vi         
th        
gi i. Nó không ch ph c v trong quân s mà c dân s
tri    
i Vi t Nam thì còn h n ch và r n kinh phí
l c ta m i ch s d ng UAV trong quân s n ph m ph c v
         
trong dân s . Vì v y, nhi m v c tài giúp ti p c n, làm ch công ngh
         nhm
     
n ph m ng d ng trong m c tiêu dân s .
       
ng nghiên c u c tài bao g m thi t b  u khi n máy bay không
           
i lái UAV, h th ng d ng b ng v tinh GPS, h th ng truy n d n d li u
   
u khi n và thu th p hình nh b sóng RF.
ng
Vi      
c nghiên c tài c m b o nh ng công vi c sau: xây d ng mô hình
      
i lái UAV d ng b ng tín hi u v tinh GPS; tích h p h
th    
u khi ng và l p trình; th nghi ng
thi u khi n b ng tay và ch t ng.
t b  ch        
Thu th p các d u v chuy m tra tính chính xác c
  li   ki 
  
ng h c và cân b ng máy bay.
Các lui
N i dung lu
 
- t ng quan v
   UAV.
- lý thuy u khi n v i lái UAV.
   t th 
- b u khi n UAV.
t k   
- y th và ki m tra ch
    
 ng.
P u

    
tài s d n t h u h n (PP PTHH) là m
 
s c mô t b n cùng
  gi  
v u ki n biên c .
   th
Xây d ng l c h c, s d
    
h hân, trình bày v thuy t cân b ng và nh máy
 gi    
bay...
Tích h p h ng bao g m các c m bi n, m u khi u ch p hành,
  th      
phát tri n ph n m u khi n d a trên ph n m m mã ngu n m , xây d ng thu
          t
toán x lý nh...
 

10. 10
Ti        
n hành bay th nghi m, ki m tra các ch bay, bay theo qu o, ki m tra
thu th p các d u trong quá trình bay.
  li
K t qu tài c c
   
+ Nghiên c u lý thuy t v u khi n v t th i lái UAV t
         
ra h    
ng h ng l c h c.
+ Gi i các h
  
ng thái bay cân b ng và
 nh.
+ Thi t k h u khi n v i kh nh và t m ho
   th    t,   t
ng 2-4 km trong 30 phút.
+ Tích h p các h n t , ph n m m cho m t mô hình máy bay cánh
  th    
b ng c .
  th
+ Th nghi m bay th
  t      
 ng c a h th u khi n.
   
t n l c hoàn thành và ki c
ch        
n không tránh kh i thi u sót và h n ch . R t mong nh c s
góp c a quý th y cô và b có th tôi hoàn thi
         
nghiên c u sau này.

Tôi xin g i l i c n các th y cô và các b tôi
    
hoàn thành lu c bi t là s t n tình ch d c
       a TS. Bùi Quý
L c TS. Lê Giang Nam.
 và Tôi xin chân thành c

Nguy n Ng c Bình
 

11. 11


1.1. i thi u v
Gi   UAV
1.1.1. Khái ni m v UAV
 
           

 
V hoàn toàn không có
       
. UAV có th  u khi n t xa (b i m t u
khi        
n ng i t i m t tr u khi n trên m t) ho t bay theo các
l c l p trình t s n, ho c theo s u khi n c a các h ng máy
          th
tính phc tp.

UAV  
tr 
,
ràng


nmanned Aerial
Vehicle System-          
(Unmanned Aerial System- 






1.1.2. Các ng d ng c a UAV
  
- 
trên không.
-Do thám: 
- .

12. 12
-: 

-: 

1.1.3. y u c
  a UAV
 

lái 



 
 
 
Autonomy


- 
-: 

-: 
 
,
- 

- :
 
i



 Nikola Tesla (1856 - c sinh ra
i M  
   
ra khái ni nghiên c u UAV. Lúc y, Tesla tin r
s là m
  
trên chi
1919, nhà sáng ch Elmer Ambrose Sperry th nghi m thành công vi c dùng thi
    t

13. 13
b d
    
t tàu chi c ngo t ti p theo
di 
n ra vào th p niên 1950 khi L c th nghi
   
ti n
hành các phi v do thám t xa n bay có th n 18 km. Lo i UAV này là
   tr   
     
c phát tri n d a trên h ng gi a L i Công ty
hàng không Ryan. Ryan Firebee có nhi u phiên b
 n
tiêu chu n có chi u dài kho ng 7 m, s i cánh 3.9 m, tr n bay 18 km, t t
      
 
kho ng 1.100 km/gi s c ho
    
ng liên t c trong 75 phút. Nó có th c
   
máy bay m ng là lo n t i C-130. Dòng Ryan Lightning
Bug là m t bi n th c i Ryan Firebee [1].
   a lo
c tri  
n khai t không quân Biên
Hòa (Vi t Nam) và U-
  
ti n hành do thám mi n B c Vi t Nam,
  
Trung Qu c, Lào và Campuchia. Lúc b y gi i UAV này mang nhi m v trinh
  , lo  
    
m t p trung chi  i không, ch p hình, quay
phim và c nh v m
       
máy bay M ti n hành t n công. Ti
cu   
c chi n tranh c a M UAV càng ngày xu t hi n t ng xuyên và n m gi v
      trí
quan tr
    
n t 2010 s  ng UAV trong biên ch c
 a lc
  
t 136 l n, t    
n 6800 chi c. D báo, kho
t ng các UAV quân s c s
i s   a M  n. ng
 
UAV c c kh i quân s NATO là 75310 chi
   
     
c a l  ng quân s n
   
c tri n khai kho
c u, ch t o các UAV [2].
  
Nh  
ng m u UAV n i ti     
ng trên th  ng quân s th gi i do có nh ng tính

       
thu t n i b  ng h u ích l n, t m bay xa và th i gian bay dài

là [3]: Euro Hawk (M ), RQ-4 Global Hawk (M ), RQ-7A Shadow 200/400/600
 
(M ),
 Chacal-2 (Pháp), Dasault Neuron (Pháp), Eagle Eye(CIIIA), RQ-8A/MQ-8
FireScout (M ), A160 Hummingbird (M ), ElbitHermes 180/450/900/1500 (M
  ),
MQ-1 Predat ), IAI Searcher II (Israel),MQ-9 Reaper (M ), Sperwer MkII
 (M 
(Pháp), Patroller (Pháp), Barracuda-2  
c), X-47B Pegasus (M ),
Aerostar (Israel), Zephyr (Anh), Avenger (M ) và Falco (Ý).


14. 14
 
- t t   
 t , t m bay 1.100 km và
tr   
n bay 7.6 km, có th ho  ng liên t c trong 24 gi mà không c n ti
   p thêm
nhiên li u, mang theo các lo i tên l t AGM-114 Hellfire và AGM-175
   

Griffin, tên l i không AIM-92 Stinger. Còn MQ- t t t
 
   
 p
x 900 km/gi m ho ng 1.850 km, tr n bay 15 km, có th ng su t 18
 , t  
   ho 
 
gi    
, tích h p 7 mang theo 14 tên l  t AGM-114 Hellfire
ho 
c 2 qu bom GBU-12 Paveway II.
   
-Range Strike tri l c
phát tri n UAV t
  
   
tr thành máy bay ném bom chi n
i lái th  
h m i. Song song cùng v
khoa h c M
  u thi nguyên m n, t
t k   n
các UAV có nh  
chi n thu n,
  
ng kích, trinh sát, AWACS, v n t i, tác chi   
n t , thông tin liên l c và ti p
d u trên không.

S phát tri n UAV c a Nga có ph n ch
      
i Trung Qu c và M .
   
qu rúp phát tri n UAV, nh n tháng
4/2009 các d án phát tri n UAV v d n thi .
  m   t k
B c phòng Nga ký h
 Qu ng mua và l p ráp b a 12 chi c UAV Israel
  
BirdEye-400, I-View Mk150 và Searcher II v ng chi phí 53 tri
i t 
2010, h ng v c m r n 400 tri
  
   
Các UAV Israel s l i nhà máy tr
 t t i gian này, Nga
 UAV trinh sát và ch m u khi n h c pháo
 th   a l
binh Tipchak, phát tri n b i Trung tâm Thi Luch.
  t k

15. 15
Hình 1.1: Máy bay trinh sát pháo binh "Tipchak" Nga
1.2.2. L ch s phát tri n c a UAV
     Vit Nam





không  
 
- -3R, BB-13M và M5.


Theo báo Không
Thể thao & Văn hóa
 
-
 

               
 
-96 (bay ngày) và M-
    

-96 và M-
 
hàng  

16. 16


-96
 
 
-




 
-1
Phòng không  
 
-
 
-

 
              
- -
30km.
M400-


 
-


oa






               

17. 17
 










Hình 1.2: 

VT- -
 
           


 
-

 [4].

18. 18
1.2.3. ng phát tri n c
  a UAV







Intelligence  
 
ó







i.
               




không.

 

Raytheon [5].
   
ng ti p c n c tài
Theo phân tích trên chúng ta có th ng phát tri n m nh m c
  th    a
UAV trên th Tuy nhiên c ta vi c nghiên c t o h ng
 gii.       th
 
u khi n cho UAV giá thành cao n xu có th c v
,    ph 

19. 19
các m tiêu ngoài ngành quân s và nghiên c u. T t yêu c u c p thi t cho
c       
vi      
c ti p c công ngh n nh m b o
an ninh qu phát tri n c a các ngành khoa h tài
   c. 
 xây d ng mô hình toán h c d vào m t máy bay cánh b ng c . Sau
  a    th n
cho máy bay m t h t r h ng h ng l
       c
h c c a máy bay. Ti chúng b ng tuy n tính hóa r
  i    ra
      
ng thái bay cân b ng và nh. T ây d ng thu t toán và
h u khi n cho UAV bao g m các thành ph n: nh v ; c m bi n; truy
 th        n
d n d u; thành ph n truy ng và thành ph n x lý trung tâm t k
  li     . Thi  phn
m u khi n và giám sát m i cùng tích h p t t c các h
   t. Cu    
thng bao g khí n t và ph n m u khi n vào UAV r i cho ch y th
        
      
ki m nghi m. N i dung ki m nghi a thi t
b nh v b ng v tinh GPS; c m bi n ng quán tính IMU; b thu phát sóng
        
RF và các ch bay t ng, b
    ng tay.
1.4. K n
t lu 
   
trình bày các khái ni m, ng d
y u c a UAV. T y t ng quan v ng d ng và các ch
      c   c
      
t UAV có kh c hi n. Lu l ch s phát
tri         
n c a UAV c, nh c ti n phát tri n m nh m c a nó.
     
ng phát tri n c a UAV trong và c
tiêu tác gi p c
 ti  tài.

20. 20


LÁI UAV
2.1. Các thông s k thu t c a UAV
   
2.1.1. Thông s k thu a v t li
  t c    
u ch t o UAV
Các b n c m b o các yêu c u sau:
 ph   
S i cánh (m)
 1-2
Chi u dài thân (m)
 0,8-1
T ng (kg)
i tr 1,5-2
Ho  
 ng trong c p gió 0- 6
T m cao(m)
 150
V n t c (m/s)
  10
Ch  
n máy bay mô hình skysurfer, s hi u   u edomodel, do
công ty Zhejiang, Trung Qu c s n xu t . Máy bay skysurfer có các thông s k
    
thu
+H              
th c làm t v t li u
    
c gia c thêm b ng c ng ch u
    
t li u c a các ph n trên là composit. Thông
s k thu i comp
  t ca lo 
 
1
c tính Giá tr 
 
b n kéo 3445 Mpa
 nén 1080 Mpa
Kh 
 ng riêng 2770 kg/m3
  
n vì nhi t 5.4 mm/(mo
C)
Nhi t nóng ch y
  846 o
C

21. 21
 
2
c tính Giá tr 
i 2.1e+11 N/m2
H s
  Poa-xông 0.28 N/A
t 7.9e+10 N/m2
Kh 
 ng riêng 7800 kg/m3
   
b n kéo gi i h n 399826000 N/m2
 
b n nén theo X 0 N/m2
Gii hi 220594000 N/m2
  
n vì nhi t 1.3e-5 /K
  
d n nhi t 43 W/(kg.K)
Nhi t dung riêng
 440 J/(kg.K)
H s ng rung c u
  ch a vt li 0 N/A
- n g n c c làm b ng nh a polyurêtan (dùng trong
Ph    
s n xu t ô tô)
 
 
3
c tính Giá tr 
i theo X 2.0e+11 N/m2
H s theo XY
  Poa-xông 0.38 N/A
t theo X 1225.2 N/m2
Kh 
 ng riêng 980 kg/m3
   
b n kéo gi i h n 238360000 N/m2
 
b n nén theo X 0 N/m2
Gii hi 120296000 N/m2
  
n nhi
vì t 1.1e-5 /K
  
d n nhi t 0.12 W/(kg.K)
Nhi t dung riêng
 10 J/(kg.K)
H s ng rung c u
  ch a vt li 0 N/A
- c làm t v u cao su t ng h
  t li  p:

22. 22
B ng 2.4: Thông s c cao su t ng h p
    
c tính Giá tr 
i 610000 N/m2
H s
  Poa-xông 0.49 N/A
t 2900000 N/m2
Kh 
 ng riêng 1000 kg/m3
   
b n kéo gi i h n 13787100 N/m2
 
b n nén theo X 0 N/m2
Gii hi 9237370 N/m2
  
n vì nhi t 0.00067 /K
  
d n nhi t 0.14 W/(kg.K)
Nhi t dung riêng
 11 J/(kg.K)
H s ng rung c u
  ch a vt li 0 N/A
2.1.2. Kh o sát l ng lên các b
 c tác d  phn UAV
a.T ng tác d
i tr  din tích cánh
T i tr quy nh r t nhi u t a máy bay và có nh
      
         
ng l n c u trúc. V m ng h c, t i tr n t c
       
th t t c, t h cánh c t c a cánh máy bay, và có nh
      
ng nghiêm tr ng nh t là s gia t i do l c quán tính ly tâm gây lên khi bay b
 
n vòng h p,...
Mô hình có ti trng     
 

.
b. L c nâng và h s l c nâng
   
+ L c nâng b ng t ng tr ng máy bay .
      
+ H s l c nâng c a máy bay .
      
c. Lc ly tâm
L c ly tâm gây lên s
   ng lên UAV khi mô hình thc
hin các thao tác bay nhào l n. L c ly tâm gây lên s
    
 ng lên
UAV khi mô hình th c hi n các thao tác bay nhào l tính toán s
    
áp d ng công th c sau[6]:
 
2
(1,466. )
1
.
V
N
R G
 
(2.1)

23. 23

+ N h s quá t i tính ra G.
   
+ R n tính theo m.
 
+ G gia t ng 9,8 m/s
 c tr 2
.
Máy bay UAV có t ng tr ng là 1,3kg và có bán kính n là 15 m, bay
  
v 10 m/s thì h s quá t là:
i t   i s
2
(1,466.10)
1 2,5
15.9,8
N G
  
(2.2)
 
n vòng v n R = 15 m thì mô hình s
ch 
u m t lc nâng là: L = 2,5.1,3 = 3.25 kg .
2.1.3. Tích h các h
p  thkhí lên UAV
Phm:
+ Thân máy bay.
+ Cánh máy bay.

+ Càng và bánh xe.
+ H 
truy ng.
t.
Hình 2.1
+ Thân máy bay
       
a các thi t b  n- n t và ch ng c a gió
trong quá trình bay. Yêu c u thân máy bay có kh m b
   o
g n các b t cách ch c ch n, các thi t b
  ph    

24. 24
 
n-         
n t c n ph i b trí sao cho g n tr m b o cân b ng.
Vì v m b o yêu c u v ng h c và các yêu c
       c
ch       
t o và l p ghép hoàn thi m b o kh t cánh và bay nh.
Hình 2.2 Thân máy bay
:
+ Cánh máy bay
Cánh máy bay là m t b n c a máy bay ch u áp su t tr c ti p c a dòng
  ph      
       
y trên hai b m t cánh. Cánh máy bay c m b b n, c ng v ng
c n thi ng th truy ng t i cánh
    
tà, vì v y cánh máy bay có lõi làm b ng m t thanh cacbon và m t s
     
gia c bên ngoài giúp máy bay ch c áp su t tác d ng lên trong quá trình bay.
   
Hai cánh tà g hai máy bay có tác d u khi n máy bay l c d c trong
n      
chuy ng bay vòng ho n vòng.
  

Hình 2.3: Cánh máy bay (Bên trái)
+ 
 
ph n giúp máy bay cân b u ch nh
 
   
cao trong su t quá trình bay. Hai cánh tà

25. 25
tác d u ch cao c a máy bay, chúng s u khi n b
      i
hai servo gn     
c truy ng b ng thanh truy n.
Hình 2.4
+ Càng và bánh xe
Càng và bánh xe giúp máy bay di chuy n trên m t trong quá trình máy bay
 
ch   
c t cánh và ti t khi h cánh. Càng và bánh xe giúp thân máy bay
tránh ti p xúc tr c ti p v i m m b o an toàn cho máy bay và các thi
      t
b bên trong.

Hình 2.5
+ H truy
 ng
Máy bay có cánh tà cao giúp
  
máy bay th c hi n các chuy u khi n b ng các
    
servo thông qua các thanh truy n b u khâu b n l . Các thanh truy
    c

26. 26
làm b m b c m b o h s truy ng l n, có nhi m v
             
truy n chuy ng quay c
   
u khi n.
Hình 2.6
+ t

    
m b v n t c  
c t cánh và
th   
c tr i v n t c 2200 vòng/phút, cánh
qu       
t 6x4 có tác d ng t o l y cho máy bay, t o thành lu ng khí có v n t c giúp
máy bay ho t lên b
  ph
     
t nghiêng v i m t ph ng ngang thân máy bay m t góc kho ng 2-30

      
c g t ch t b ng các bulong g n trên giá, cánh qu c l ng
ch     
t ch m b t không b r i ra trong quá trình ho ng.
Các b n c a máy c làm b ng x
 ph     gim
tr 
ng máy bay, tránh kh    
p khi x y ra tai n n.
Hình 2.7

27. 27
2.2. ng h c ng l c cho UAV
Kh   c h
2.2.1. Xây d ng h t o sát UAV
    kh
Hình 2.8
góc RPY trên máy bay

  
n t c d c, ngang và thng
L, M, N là l c ngang
t là các momen lc dc, chúc ngóc, l
P, Q, R là các v n t c góc l c, chúc ngóc, l c ngang
  c d 
     
, , là góc l c d c, chúc ngóc và l c ngang.
Các vecto v n t
  
nh d a trên Hình 2.8.
+Các tr :
c t 

:=

























 


  
  










(2.3)
:=












 





=




















(2.4)

28. 28
L :
c 




























  
  










(2.5)
+Các h t
  
  kho sát
Trong nghiên c u v ng h ng s d ng các h t
       
sau:
- H t m t (North-East-Down)
ệ ọa độ ặt đấ
Gc O0 là   
m c t cánh ho c h cánh.
Trc O0z vuông góc v t.
i m 

Trc O0y vuông góc vi O0  
ng t B c sang Nam.
Trc O0x vuông góc v i hai tr c còn l o thành h t thu n.
  i t   
 
- H t liên k t (Body axes):
ệ ọa độ ế
G ng tâm máy bay.
t ti tr
Trc xb t trùng v a máy bay.
 i trc dc c
Trc yb vuông góc v i m t ph i x ng c ng theo chi u cánh
     
phi.
Trc zb vuông góc v i Ox và thu c m t ph i x ng c a máy bay, có chi
      u
 
ng xu i máy bay.
H t liên k n li n v i máy bay vì th mà có tên là h t liên k t.
  
 t g      
 
- H t cân b ng (Stability axes)
ệ ọa độ ằ
Trc xs là hình chi u c a vecto v n t c c a máy bay lên m t ph i x ng c
        a
máy bay.
Góc gi a vecto v n t c máy bay và tr
   c xs 
Trc ys trùng v c y
i tr b c a h t liên k t.
   
 
Trc zs trùng n m trong m t ph ng c
  i x a máy bay.
- H t t (Wind axes):
ệ ọa độ ố ộ
c đ
G c O trùng v i tâm kh i máy bay.
  

29. 29
Trc xw trùng v i không (v n t c chuy i gi a máy
     
bay và dòng khí xung quanh máy bay. N u không có gió, t i không b ng t
  
   c
  
hành trình t máy bay so v .
i m 
 t)
Trc yw vuông góc vi trc xw và zw t o thành h t thu n.
   
Trc zw n m trong m t ph
    
i x ng c a máy bay.
H t t n s ng c a l n chuy ng c a máy
   th hi  nh     
bay vì th h t này thu n ti n cho vi c gi
   
    ng.
Các t c t c ch ra trên Hình 2.9 c xác
    
 
nh b i[6]:
W
tan
U
 (2.6)
sin
T
V
V

(2.7)
 2 2 2
W
T
V U V
  
(2.8)
T
V ng t c a máy bay.
là t  
Hình 2.9
Hiu ng h c phân lo a vào [7]:
c  i d
T
V
M
a

(2.9)

30. 30
    
n t c c a âm thanh trong không khí nhi 200
C trên
m t bi n.
 
B 5: B ng phân lo i các m máy bay
ng 2.   c t 

  
i t  âm thanh M<1
X p x t âm thanh
   
 
V n t c siêu thanh
  1<M<5
  
t t  siêu thanh M>5
Ma tr n quay h t t t cân b
    
 i vi h  ng
       
u tiên, h t liên k t quay theo chi u âm m t góc c z. H
t m c t c quay m t góc b ng góc t c y m
      i
c a nó và k t qu là chi u c a tr c x ch ng c ng t máy bay.
         
     
nh h t t trong khi phép quay th nh
h t cân b u này có th [7]:
  
   
( ) ( ) 0
, ( ) ( ) 0
0 0 1
wind stab stab
z
cos sin
p p sin cos p

 
 

 
 
  
 
 
 
R
(2.10)
,
( ) 0 ( )
0 1 0
( ) 0 ( )
stab body body
y
cos sin
p p p
sin cos

 
 
 
 
 
 
 

 
R
(2.11)
Ma tr n quay tr thành:
 
, ,
wind
body z y
 


R R R
(2.12)

.
wind wind body
body
p p
 R
(2.13)

( ) ( ) 0 ( ) 0 ( )
( ) ( ) 0 0 1 0
0 0 1 ( ) 0 ( )
wind body
cos sin cos sin
p sin cos p
sin cos
   
 
 
   
   
 
   
   

    (2.14)

( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) 0 ( )
wind body
cos cos sin sin cos
p cos sin cos sin sin p
sin cos
    
    
 
 
 
  
 
 

  (2. )
15
Công thc  hi gi
 
n quan h  
n t c máy bay và v n t c gió:
 

31. 31
, ,
( ) ( )
( ) . 0 ( )
0 ( ) ( )
T T
body wind T wind T T
body y z T
T
U V V cos cos
V R v R R V sin
W V sin cos
 
 

 

    
    
   
    
    
    
v
(2. )
16
Vì v y, v n t c máy bay trên h t liên k t (h t
        c

( ) ( )
( )
( ) (
W )
T
T
T
U V cos cos
V V sin
V sin cos
 

 



(2. )
17
2.2.2. o sát ng h c cho UAV
Kh  
 
ng h c chuy ng t nh ti n
  
       
ng t nh ti n và chuy ng quay c a h t liên k t
          
i v i h t m t (NED) có th bi u di n b ng các s h ng và góc
RPY [6]:
sau
, , ,
E
NED
E ABC z y x
E
X U U
Y V V
Z W W
  
    
    
 
    
    
  
 
R R R R
(2. )
18
      
RPY  c th c hi n b ng cách nhân ba ma tr n quay v i
   
bi i h t liên k h t m t theo th t :
t v    
  
- Quay m t góc xung quanh tr
  c z,
- Quay ti p m
   
t góc xung quanh tr c y,
- i cùng quay m t góc xung quanh tr c x.
Cu   
Trong phép quay RPY, n u th c hi n theo th t c l i k t qu
        
  
. Vì v y khai tri n (2. ) ta có:
18
( ) ( ) 0 ( ) 0 ( ) 1 0 0
( ) ( ) 0 0 1 0 0 ( ) ( )
0 0 1 ( ) 0 ( ) 0 ( ) ( )
E
E
E
X cos sin cos sin U
Y sin cos cos sin V
Z sin cos sin cos W
      
     
       
     
       
       
    
     
 

E
E
E
X c s c c s s sin sin c c s U
Y s c c c s s s c s s s c V
Z s c s c c W
              
  
    
               
    
    
     
  
  (2. )
19
  
ng h c chuy ng

32. 32
B ng vi c s d ng phép quay v i các ma tr n quay các góc RPY, ta xác
    RPY  
              
n t nh
 
ng c a máy bay[6]:
, , ,
0 0
0 0
0 0
T T T
x x y
P
Q
R
  
 

    
 
    
   
 
    
 
    

    
 
R R R
(2.20)
1
0
0 / /
s t c t P
c s Q
s c c c R
 
    
  
    
    
    
    
    
  
  (2.21)
Hình 2.10 .
Vi 
i d
  
ng h c trên h t liên k
 
 t:
sin
cos cos sin
sin cos cos
P
Q
R
     

     


     
 (2.22)
  
ng h c trên h t m
 
  
 t:
sin
cos sin
cos sin
cos cos
P
Q R
R Q

    

    

  

  
 
 (2.23)

33. 33
2.2.3. Kh ng l c cho UAV
 c h
        
t v t r n có kh ng m, là t
F ng h p các l c m r ng tác
d ng lên máy bay, u di n t ng momen xo n, ng. L
 M bi    H  c
m r có ba thành ph n: L ng h c, Tr ng l c, L
 ng F      
v y, chúng ta áp d nh lu t Newton II:
  
 
d
m
dt
 T
F V
 
d
dt

M H
 
ng h c v n có th u di n b i công th
t r  bi   c sau [6]:
1 2 1 1
2 2 2 2
(
(
)
)
CG CG
m   


  
v v v τ
I v v I v τ
(2.24)
       
1 2 1 2
, , , , , , , , , , ,
T T T T
U V W P Q R X Y Z L M N
   
v v τ τ
Gi      
thi t r ng các h tr c t  t tr
    
ng tâm c a máy bay (CG). K t qu

( )
RB RB RB
 
M C ν ν τ
(2.25)

3 3 3 3 2 3 3
3 3 3 3 2
( )
, ( )
( )
RB RB
CG CG
m m
  
 
  
 
   
  
I O S v O
M C ν
O I O S I ν
(2.26)
  
thi t r ng 0
xy yz
I I
  ng v i m t ph
   ng
xz:
0
0 0
0
x xz
CG y
xz z
I I
I
I I

 
 

 
 

 
I
(2.27)
L c và momen ho ng trên máy bay có th u th b ng:
  
  bi  
( )
RB

  
τ g τ
(2. )
28
     
 là m ng bao g m các l ng h c và các l u
khi ng
  
n. L c tr  
0 0
T
G mg

f t t i tr ng tâm CG (g c c a h t
      
       
c bi u di n trên h t  m  t (NED):

34. 34
3 1
( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
0
0
0
G
NED T
ABC
mgsin
mgcos sin
mgcos cos



 
 
  
 
 
  
 
  
 
 
   
 
 
 
f
g R
O
(2. )
29
 
h vii d 
ng ma tr
( ) (η)
RB RB RB
  
M ν C ν ν g τ (2.30)
hoi d 
ng các công th c thành phn:
2 2
( ( ))
( ( ) ( ))
( ( ) ( ))
( ) ( )
( ) ( )
( )
x xz z y
y xz x z
z xz y x xz
m U QW RV gsin X
m V UR WP gcos sin Y
m W VP QU gcos cos Z
I P I R PQ I I QR L
I Q I P R I I PR M
I R I P I I PQ I QR N
     

     

      

     

     

     
 (2.31)
Bài toán thuận: Cho các v n t c góc c a máy (P, Q, R, U, V, W...), d a vào các
   
  
c tính k thu t máy bay, tính toán các giá tr l c và momen.
 
Bài toán ngh ch:
ị Cho l c và momen (X, Y, Z, L, M, N), d c tích k
  
thu a máy bay, tính toán các giá tr
t c    
v n t c góc c a máy bay.
Nhận xét: H ng l c h c v t r n máy bay ch a các thành ph n vi
       
phân b c m t, vì v y vi c gi y r
     
th         
c nghi m thích h p. Vi c s d ng thuy t tuy n tính hóa s giúp tách các
    
ng l c h c thành các thành ph n tuy n tính và các thành
ph   
n nhi u và gi i chúng m t cách d dàng.

     
i tuy n c a chuy c tuy s
d ng trong phân tích cân b u khi n máy bay. Thuy t nhi u lo n gi s
       
chuy ng c a máy bay bao g m các nhi u lo n nh t u ki n tham chi u c
          a
m t chuy ng bay nh. Vi c s d ng thuy t nhi u lo n có th c m
           t
s k t qu t t trong th
    c t  
c áp d ng thành công b i vì:
- Trong nhi ng h p, hi ng h c chính g n gi ng m t hàm tuy
  u      n
tính c a nhi
 u.