ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƢƠNG ĐÌNH QUẾ

THIẾT KẾ MÁY BAY TRỰC THĂNG BỐN CHONG CHĨNG
ỨNG DỤNG LAU KÍNH

Chun ngành: Kỹ Thuật Hàng Khơng
Mã số: 60520110

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2020


Cơng trình được hồn thành tại Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Trần Tiến Anh
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS Nguyễn Quốc Chí
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trương Quang Tri
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM
ngày 28 tháng 08 năm 2020.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Nguyễn Thiện Tống

Chủ tịch hội đồng

2. TS. Lê Thị Hồng Hiếu

Thư ký

3. PGS. TS Nguyễn Quốc Chí

Ủy viên Phản biện 1

4. TS. Trương Quang Tri

Ủy viên Phản biện 2

5. PGS.TS Vũ Ngọc Ánh

Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LVThS và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA

– ii –


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trƣơng Đình Quế


MSHV: 1670319

Ngày, tháng, năm sinh: 05/08/1993

Nơi sinh: Tp.HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hàng Không

Mã số: 60520110

I. TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế máy bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng lau kính.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Thiết kế cấu hình máy bay trực thăng bốn chong chóng.
 Tính tốn, mơ phỏng khí động học để lựa chọn được loại chong chóng tối ưu và
tính tốn giá trị lực cản tương ứng với từng giai đoạn bay.
 Tính tốn, mơ phỏng sức bền kết cấu khung sườn máy bay.
 Tiến hành chế tạo và bay thử nghiệm để nghiệm thu kết quả.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/2020 .......................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/2020 .......................................................
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS.TRẦN TIẾN ANH

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

– iii –



Lời cảm ơn
Tôi xin cảm ơn quý thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật Hàng Không – Đại học Bách
Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ và dạy cho tơi rất nhiều kiến thức bổ ích, tạo tiền đề
để tơi có thể thực hiện được luận văn tốt nghiệp này.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc của mình tới thầy hướng dẫn TS. Trần Tiến Anh,
giáo viên hướng dẫn của tôi. Thầy đã chỉ dẫn và giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện
đề tài.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến gia đình, những người thân u nhất, đã
ln u thương, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn Nguyễn Mạnh Cường và Trần Khắc Phong người đã
giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn.
Một lần nữa tơi xin chân thành cảm ơn tất cả!

Trương Đình Quế

– iv –


Tóm tắt luận văn
Ngày nay, lĩnh vực hàng khơng thế giới được áp dụng công nghệ tiên tiến, kỹ thuật
số và tự động. Chính vì thế mà cơng nghệ máy bay trực thăng bốn chong chóng ngày
càng phát triển và phục vụ nhiều trong cuộc sống hằng ngày (phun thuốc trừ sâu, quay
phim, lau kính,…)
Những cơng nghệ tiên tiến này giúp ích con người tương tác trong mơi trường khó
khăn và độc hại mà có thể đảm bảo sức khỏe, an tồn. Điển hình là việc ứng dụng máy
bay trực thăng bốn chong chóng (quadrotor) trong việc vệ sinh kính ở các hộ dân hay tòa
nhà cao tầng. Trong đề tài này tập trung nghiên cứu đối tượng chính đó là thiết kế máy
bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng cho việc lau kính phục vụ đời sống hằng ngày.
Mục đích của đề tài là thiết kế một sản phẩm đơn giản, tiết kiệm và hiệu quả cao, đồng

thời hy vọng sẽ là bước tiến lớn cho phát triển cơng nghệ này ở Việt Nam.
Trên thế giới có rất nhiều máy bay dạng này tùy thuộc vào số lượng cánh, tuy nhiên
nguyên lý điều khiển chung là tương tự nhau. Luận văn tập trung nghiên cứu động lực
học để tính tốn cơng suất động cơ, tiến hành mơ phỏng CFD để lựa chọn cấu hình chong
chóng phù hợp và tính tốn sự ảnh hưởng của lực cản ứng với từng giai đoạn bay. Ngồi
ra, phân tích kết cấu bền vật liệu của bộ khung máy bay được thực hiện để từ đó lựa chọn
được sản phẩm kết cấu ổn định. Sau khi hồn thành thì mơ hình 2D và 3D được phác
thảo bằng phần mềm mô phỏng Solidworks, làm cơ sở cho việc lắp ráp, chế tạo và bay
thử nghiệm đáp ứng cho mục đích thiết kế.
Từ khóa: quadrotor, động lực học, độ bền vật liệu

–v–


Abstract
Nowadays, digital and automatic technology have become an essential part of
human life. In last few decades, small-scale unmanned aerial vehicles have been used for
many applications. The need for aircraft with greater maneuverability and hovering
ability has led to a rise in quadcopter research. Quadrotor is one of the oustanding model
of the quadcopter. It can be used in many industries and fields, such as agriculture,
photography, cleaning services,…
The application of quadrotor can help us to operate in a difficult, dangerous or toxic
environment without affecting our health, such as cleaning window’s glasses in
apartments or buildings. This thesis focuses on designing a quadrotor aircraft with
window- cleaning function. The purpose of this topic is to design a simple, economical
model that brings high efficiency, contributing to the development of quadrotor in Viet
Nam.
There are variation of quadrotor models but the general control principle is the
same. The thesis focuses on aerodynamic research by CFD method in order to select the
suitable propeller configuration and computes the drag of flight phase. It is accompanied

by an analysis of the material durability of the frame, from which a stable strength of
structure model is selected. After completing, I will outline the 2D and 3D model with
Solidworks, as a foundation for manufacturing, asembling the model and perform test
flight for design purpose.
Keywords: cleaning quadrotor, strength of structure, aerodynamics.

– vi –


Lời cam kết
Tôi cam kết:
-

Đây là luận văn tốt nghiệp do tôi thực hiện.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Các đoạn trích dẫn và số liệu kết quả sử dụng để so sánh trong luận văn này đều
được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tơi.

TP.HCM, ngày

tháng

Trương Đình Quế

– vii –

năm 2020



Mục lục
Lời cảm ơn ........................................................................................................................iv
Tóm tắt luận văn ................................................................................................................v
Abstract .............................................................................................................................vi
Lời cam kết ..................................................................................................................... vii
Mục lục .......................................................................................................................... viii
Chú giải ký hiệu ................................................................................................................xi
Ký hiệu ....................................................................................................................xi
Ký hiệu Hy Lạp ..................................................................................................... xii
Viết tắt ................................................................................................................... xii
Danh mục hình ảnh ........................................................................................................ xiii
Danh mục bảng biểu .................................................................................................... xviii

Chƣơng 1 ............................................................................................................... 1
Giới thiệu đề tài .................................................................................................................1
1.1 Tổng quan nghiên cứu trong, ngồi nước ......................................................1
1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước .......................................................... 1
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................... 2
1.2 Ý tưởng khoa học, tính cấp thiết và tính mới ................................................2
1.3 Mục tiêu, nội dung và kế hoạch nghiên cứu ..................................................4
1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu ..............................................................................4
1.3.2 Nội dung và phương pháp & kế hoạch nghiên cứu ............................... 4
1.3.3 Tóm tắt và phân cơng cơng việc ............................................................ 5

Chƣơng 2 ............................................................................................................... 6
Thiết kế sơ bộ máy bay......................................................................................................6
2.1 Lịch sử phát triển ........................................................................................... 6
2.2 Nguyên lý hoạt động .....................................................................................9
2.3 Một số mẫu máy bay trên thế giới ............................................................... 11
2.4 Thiết kế sơ bộ máy bay................................................................................12

2.4.1 Điều kiện tự nhiên ...............................................................................12
2.4.2 Phương thức hoạt động ........................................................................13
2.4.3 Thiết kế công suất và vận tốc bay ....................................................... 15
2.4.4 Khung lau kính ....................................................................................24
2.4.5 Lựa chọn bộ dụng cụ máy bay............................................................. 24
2.5 Thiết kế bộ khung lau kính ..........................................................................25
2.5.1 Thiết kế ống nhơm ...............................................................................25
2.5.2 Thanh nhơm chữ L và bơng lau kính ...................................................26
2.5.3 Khối vng nhơm ................................................................................27
2.5.4 Bơng lau kính ...................................................................................... 28
2.5.5 Tổng khối lượng của bộ khung lau kính ..............................................28
2.5.6 Vật liệu ứng dụng cho máy bay ........................................................... 29
2.5.7 Hệ số an toàn và hệ số tải ....................................................................29
2.5.8 Thiết kế điện-điện tử............................................................................30
2.5.9 Thiết kế cấu hình máy bay...................................................................34

Chƣơng 3 ............................................................................................................. 35
Tính tốn và mơ phỏng khí động ..................................................................................... 35
3.1 Cơ sở lý thuyết ............................................................................................. 35
3.1.1 Thuyết động lượng thẳng ứng dụng trong trường hợp bay tại chỗ......35
3.1.2 Bay lên thẳng đứng và bay xuống ....................................................... 40

– viii –


3.1.3 Trường hợp bay tới ..............................................................................44
3.2 Tính tốn cơng suất lực đẩy .........................................................................45
3.2.1 Biên dạng chong chóng .......................................................................45
3.2.2 Tính tốn công suất động cơ trong các trường hợp ............................. 47
3.3 Khảo sát khí động học chong chóng ............................................................ 50

3.3.1 Phương pháp mơ phỏng .......................................................................50
3.3.2 Giải thuật ............................................................................................. 51
3.3.3 Mơ hình rối .......................................................................................... 51
3.3.4 Khoảng cách tường không thứ nguyên (y+).........................................53
3.3.5 Tiến hành mô phỏng ............................................................................54
3.4 Hiện tượng hiệu ứng mặt đất .......................................................................61
3.4.1 Giới thiệu ............................................................................................. 61
3.4.2 Giải thích hiện tượng ...........................................................................61
3.4.3 Đánh giá kết quả ..................................................................................63
3.5 Tính tốn lực cản của máy bay ....................................................................64
3.5.1 Cơ sở lý thuyết ..................................................................................... 64
3.5.2 Tính tốn lực cản .................................................................................65
3.6 Tổng kết .......................................................................................................75

Chƣơng 4 ............................................................................................................. 77
Tính tốn và mơ phỏng kết cấu ....................................................................................... 77
4.1 Tính tốn lý thuyết ....................................................................................... 77
4.1.1 Đặc tính vật liệu ...................................................................................77
4.1.2 Tính tốn kích thước bộ khung lau kính ..............................................78
4.2 Phân tích kết cấu khung bằng phương pháp phần tử hữu hạn ..................... 82
4.2.1 Mơ tả phân tích phần tử hữu hạn ......................................................... 82
4.2.2 Lý thuyết bền ....................................................................................... 82
4.3 Mô phỏng kết cấu khung bằng cơng cụ phân tích phần tử hữu hạn ............84
4.3.1 Tải và điều kiện biên ...........................................................................84
4.3.2 Chia lưới .............................................................................................. 85
4.3.3 Kết quả.................................................................................................85
4.4 Tổng kết .......................................................................................................91

Chƣơng 5 ............................................................................................................. 92
Chế tạo và lắp ráp máy bay thực tế .................................................................................92

5.1 Quá trình lắp ráp máy bay ...........................................................................92
5.1.1 Thiết kế cơ khí ..................................................................................... 92
5.1.2 Thiết kế điện tử ....................................................................................93
5.1.3 Phân bố khối lượng máy bay ............................................................... 94
5.1.4 Thời gian bay của máy bay..................................................................94
5.2 Đáp ứng điều khiển...................................................................................... 95
5.3 Bay thử nghiệm thực tế ...............................................................................97

Chƣơng 6 ........................................................................................................... 100
Kết luận ......................................................................................................................... 100
6.1 Kết quả nghiên cứu .................................................................................... 100
6.1.1 Các sản phẩm mềm ............................................................................100
6.1.2 Các sản phẩm cứng ............................................................................100
6.2 Đóng góp của đề tài cho đào tạo ............................................................... 101
6.3 Ý nghĩa khoa học ....................................................................................... 101
6.4 Ý nghĩa thực tiễn ....................................................................................... 102
6.5 Khả năng chuyển giao kết quả nghiên cứu ................................................102

– ix –


Tài liệu tham khảo .........................................................................................................103
Phụ lục ........................................................................................................................... 105

–x–


Chú giải ký hiệu
Ký hiệu
A


Diện tích đĩa chong chóng

m2

c

Dây cung cánh

m

C

Dung lượng pin

mAh

Cd 0

Hệ số lực cản cảm ứng

-

CD

Hệ số lực cản

-

Cl


Độ dốc đường lực nâng

CP

Hệ số công suất

-

CQ

Hệ số mơ-men xoắn

-

CT

Hệ số lực đẩy

-

D

Đường kính

m

k

Hệ số an tồn


-

l

Chiều dài

m

N

Tốc độ vịng quay

rpm

Nb

Số lá chong chóng

-

P

Cơng suất chong chóng

Q

Mơ-men xoắn

r


Vị trí phần tử cánh theo phương bán kính

m

R

Bán kính chong chóng

m

Re

Số Reynold

-

T

Lực đẩy

N

t

Thời gian bay

s

V


Vận tốc

Vn

Điện áp danh định

Vtip

Vận tốc đầu mũi cánh

W

Trọng lượng

E

Hệ số mô-đunYoung

GPa

G

Hệ số mô-đun trượt

GPa

Mx

Mô-men uốn


Nm

Ix, Iy Mơ-men qn tính

mm4

y

rad -1

Nm

m/s
V
m/s
N

Độ lệch

mm
– xi –


t

Bề dày

mm


V

Thể tích

m3

Ký hiệu Hy Lạp


Góc tới



Hệ số trở kháng ma sát

i

Tỉ lệ dịng vào

-



Hiệu suất

-



Góc ngóc chúc


deg



Góc dịng vào

deg



Hệ số dày đặc

-



Độ nhớt động học

m2 /s

Vi

Vận tốc cảm ứng

m/s



Khối lượng riêng


kg/m3



Hệ số trở kháng cục bộ



Tốc độ góc

deg

rad/s

Viết tắt
BET

Blade Element Theory

Thuyết phần tử cánh

BEMT Blade Element Momentum Theory

Thuyết động lượng phần tử cánh

VTOL Vertical Take-off Landing

Thiết bị bay lên/xuống thẳng đứng


UAV

Unmaned Aerial Vehicle

Thiết bị bay không người lái

CFD

Computational Fluid Dynamics

Mô phỏng động lực học lưu chất

LF

Load Factor

Hệ số tải

SF

Safety Factor

Hệ số an toàn

ESC

Electronic Speed Controller

Bộ điều tốc


IMU

Inertial Measurement Unit

Khối đo lường quán tính

I2C

Inter-Intergrated Circuit

Giao tiếp nối tiếp hai dây

– xii –


Danh mục hình ảnh
Hình 1-1. Một số ứng dụng trên thế giới [8] ....................................................................... 1
Hình 1-2. Máy bay trực thăng bốn chong chóng lau kính [8] ............................................. 3
Hình 1-3. Cơng nhân vệ sinh kính [8] ................................................................................. 3
Hình 1-4. Máy bay vệ sinh kính [8] .................................................................................... 3
Hình 2-1. Con quay thời cổ đại [10] .................................................................................... 6
Hình 2-2. Mơ hình của Archimedes và Leonardo da Vinci [10] ......................................... 6
Hình 2-3. Mơ hình chong chóng của M. V. Lomonosov [10] ............................................. 7
Hình 2-4. Mơ hình chong chóng của Launoy và Bienvenu [10] ......................................... 7
Hình 2-5. Chiếc trực thăng của anh em nhà Breguet [10] ................................................... 8
Hình 2-6. Thiết kế máy bay của Etienne Oemichene [10] .................................................. 8
Hình 2-7. Mơ hình của Bothezat và Ivan Jerome [10] ........................................................ 8
Hình 2-8. Điều khiển bay thẳng đứng [9]............................................................................ 9
Hình 2-9. Điều khiển lăn [9]................................................................................................ 9
Hình 2-10. Điều khiển xoay [9] ......................................................................................... 10

Hình 2-11. Điều khiển ngóc chúc [9] ................................................................................ 10
Hình 2-12. Điều khiển máy bay bay tới [9]....................................................................... 10
Hình 2-13. Máy bay lau kính thiết kế bởi ESF ở Dresden, Đức [8].................................. 11
Hình 2-14. Máy bay lau kính thiết kế bởi Aerones ở San Francisco, Mỹ [8] ................... 11
Hình 2-15. Máy bay lau pin bởi Cleanquadrotor ở Tây Ban Nha [8] ............................... 12
Hình 2-16. Máy bay phá băng thiết kế bởi Latvian-Aerone, Mỹ [8] ................................ 12
Hình 2-17. Phương thức hoạt động lau kính [8]................................................................ 13
Hình 2-18. Thơng số kích thước kính và dụng cụ lau kính [8] ......................................... 13
Hình 2-19. Bộ dụng cụ thí nghiệm đo lực tác động bề mặt kính [13] ............................... 14
Hình 2-20. Phân bố lực khi đi xuống của máy bay ........................................................... 14
Hình 2-21. Phân bố lực khi đi lên của máy bay ................................................................ 15
– xiii –


Hình 2-22. Quan hệ giữa lực đẩy và đường kính chong chóng......................................... 17
Hình 2-23. Quan hệ cơng suất chong chóng và vận tốc bay lên chậm.............................. 19
Hình 2-24. Quan hệ cơng suất chong chóng và vận tốc bay lên ....................................... 20
Hình 2-25. Quan hệ vận tốc cảm ứng và vận tốc bay xuống [10] ..................................... 21
Hình 2-26. Quan hệ cơng suất chong chóng và vận tốc bay xuống .................................. 22
Hình 2-27. Quan hệ cơng suất chong chóng và vận tốc bay tới ........................................ 23
Hình 2-28. Phương án thiết kế sơ bộ khung sườn [8] ....................................................... 24
Hình 2-29. Đường kính của bộ dụng cụ máy bay [8] ........................................................ 25
Hình 2-30. Kích thước ống nhơm [14] .............................................................................. 26
Hình 2-31. Kết nối thanh chữ L vào ống nhơm ................................................................. 26
Hình 2-32. Kích thước thanh nhơm chữ L ........................................................................ 26
Hình 2-33. Kích thước của bơng lau kính ......................................................................... 27
Hình 2-34. Kích thước thanh chữ L................................................................................... 27
Hình 2-35. Cách làm việc của vải polymer [15] ............................................................... 28
Hình 2-36. Động cơ Emax RS2205 và ESC [13] .............................................................. 30
Hình 2-37. Thơng số chi tiết động cơ Emax RS2205 [13] ................................................ 31

Hình 2-38. Mơ phỏng cấu hình máy bay ........................................................................... 34
Hình 2-39. Hình chiếu theo các phương của máy bay ...................................................... 34
Hình 3-1. Mơ hình dịng khi bay tại chỗ [10] .................................................................... 35
Hình 3-2. Quan hệ giữa CT và Cp khi hiệu chỉnh [10]....................................................... 39
Hình 3-3. Mơ hình dịng khi bay lên thẳng đứng [10]....................................................... 40
Hình 3-4. Mơ hình dịng khi bay xuống thẳng đứng [10] ................................................. 41
Hình 3-5. Quan hệ giữa vận tốc cảm ứng và vận tốc thẳng đứng [10] ............................. 43
Hình 3-6. Biên dạng cánh chong chóng AG26 [17] .......................................................... 46
Hình 3-7. Đồ thị lực nâng theo góc tấn của AG26 [17] .................................................... 46
Hình 3-8. Đồ thị lực cản theo góc tấn của AG26 [17] ...................................................... 46
– xiv –


Hình 3-9. Quan hệ giữa cơng suất và vận tốc bay lên ....................................................... 48
Hình 3-10. Quan hệ giữa vận tốc cảm ứng và vận tốc bay lên.......................................... 49
Hình 3-11. Quan hệ giữa công suất và vận tốc bay xuống thẳng đứng ............................. 50
Hình 3-12. Miền động của mơ hình chong chóng [18] ..................................................... 54
Hình 3-13. Miền tĩnh của mơ hình chong chóng [18] ....................................................... 54
Hình 3-14. Chất lượng lưới thơng qua độ lệch kích thước tối ưu [18] ............................. 55
Hình 3-15. Chất lượng lưới theo độ lệch góc chuẩn hóa [18] ........................................... 55
Hình 3-16. Lưới áp dụng cho chong chóng 3 cánh ........................................................... 56
Hình 3-17. Lưới áp dụng cho chong chóng 2 cánh ........................................................... 56
Hình 3-18. Vịng lặp hội tụ ................................................................................................ 56
Hình 3-19. Phân bố áp suất chong chóng 2 cánh với tỷ số tiến J = 0,1............................. 57
Hình 3-20. Phân bố vận tốc chong chóng 2 cánh với tỷ số tiến J = 0,1 ............................ 57
Hình 3-21. Phân bố đường dịng chong chóng 2 cánh với tỷ số tiến J = 0,1 .................... 58
Hình 3-22. Phân bố áp suất chong chóng 3 cánh với tỷ số tiến J = 0,1............................. 58
Hình 3-23. Phân bố vận tốc chong chóng 3 cánh với tỷ số tiến J = 0,1 ............................ 59
Hình 3-24. Phân bố đường dịng chong chóng 3 cánh với tỉ số tiến J = 0,1 ..................... 59
Hình 3-25. So sánh kết quả lực đẩy của 2 loại cánh từ CFD ............................................ 60

Hình 3-26. So sánh lực đẩy của chóng chóng 3 cánh từ CFD và thực nghiệm [22] ......... 60
Hình 3-27. Mơ hình dịng của hiệu ứng mặt đất [19] ........................................................ 61
Hình 3-28. Ảnh hưởng hiệu ứng mặt đất tới lực đẩy [19] ................................................. 61
Hình 3-29. Quan hệ lực đẩy và độ cao theo hiệu ứng mặt đất .......................................... 63
Hình 3-30. Mơ hình tính lực cản [19]................................................................................ 64
Hình 3-31. Sơ đồ quá trình hoạt động của máy bay .......................................................... 65
Hình 3-32. Phân loại thành phần chịu lực cản................................................................... 65
Hình 3-33. Trường hợp bay lên thẳng đứng ...................................................................... 66
Hình 3-34. Quan hệ giữa lực cản và vận tốc bay lên thẳng đứng ..................................... 68
– xv –


Hình 3-35. Trường hợp bay tới tiếp cận ............................................................................ 68
Hình 3-36. Quan hệ giữa lực cản và vận tốc bay tới tiếp cận ........................................... 71
Hình 3-37. Trường hợp bay xuống lau kính của máy bay ................................................ 71
Hình 3-38. Quan hệ giữa lực cản và vận tốc bay xuống lau kính ..................................... 73
Hình 3-39. Trường hợp bay lùi .......................................................................................... 73
Hình 3-40. Trường hợp bay ngang .................................................................................... 74
Hình 3-41. Quan hệ giữa lực cản và vận tốc bay ngang .................................................... 75
Hình 4-1. Bộ khung lau kính ............................................................................................. 77
Hình 4-2. Liên kết khung nhơm và khớp nối .................................................................... 78
Hình 4-3. Thành phần lực trên ống nhơm ......................................................................... 79
Hình 4-4. Mặt cắt ngang của ống nhơm [16] .................................................................... 79
Hình 4-5. Biểu đồ nội lực và mơ-men ............................................................................... 80
Hình 4-6. Lực phân bố trên ống nhơm .............................................................................. 81
Hình 4-7. Điều kiện biên của khung khi bay lên thẳng đứng ............................................ 84
Hình 4-8. Điều kiện biên của khung khi va chạm vào kính .............................................. 84
Hình 4-9. Chia lưới trên bộ khung thiết kế........................................................................ 85
Hình 4-10. Chuyển vị của khung nhơm (t = 0,5 mm) ....................................................... 85
Hình 4-11. Ứng suất của khung nhôm (t = 0,5 mm) ......................................................... 86

Hình 4-12. Chuyển vị của khung nhơm (t = 1 mm) .......................................................... 86
Hình 4-13. Ứng suất của khung nhơm (t = 1 mm) ............................................................ 87
Hình 4-14. Chuyển vị của khung nhơm khi va chạm (t = 1 mm)...................................... 87
Hình 4-15. Ứng suất của khung nhôm khi va chạm (t = 1 mm)........................................ 88
Hình 4-16. Chuyển vị của khung ứng với dạng 1 ............................................................. 88
Hình 4-17. Chuyển vị của khung ứng với dạng 2 ............................................................. 89
Hình 4-18. Chuyển vị của khung ứng với dạng 3 ............................................................. 89
Hình 4-19. Chuyển vị của khung ứng với dạng 4 ............................................................. 89
– xvi –


Hình 4-20. Điều kiện biên ................................................................................................. 90
Hình 4-21. Ứng suất của tồn bộ máy bay ........................................................................ 90
Hình 4-22. Chuyển vị của tồn bộ máy bay ...................................................................... 91
Hình 5-1. Khung bộ dụng cụ máy bay ZMR250 ............................................................... 92
Hình 5-2. Bộ khung lau kính ............................................................................................. 93
Hình 5-3. Bộ khung sườn máy bay hồn chỉnh ................................................................. 93
Hình 5-4. Q trình lắp ráp mạch điện-điện tử ................................................................. 93
Hình 5-5. Sản phẩm máy bay hồn chỉnh.......................................................................... 94
Hình 5-6. Trạng thái bay của máy bay .............................................................................. 95
Hình 5-7. Tốc độ vịng quay và chiều quay của chong chóng .......................................... 96
Hình 5-8. Q trình hạ cánh an tồn.................................................................................. 96
Hình 5-9. Tín hiệu điều khiển từ tay cầm đến cảm biến ................................................... 96
Hình 5-10. Đồ thị xung vận tốc góc và gia tốc góc ........................................................... 97
Hình 5-11. Máy bay khởi động động cơ............................................................................ 97
Hình 5-12. Máy bay bay tại chỗ ........................................................................................ 98
Hình 5-13. Máy bay thực hiện lau kính ............................................................................. 98
Hình 5-14. Máy bay hồn thành nhiệm vụ ........................................................................ 99
Hình 6-1. Sản phẩm máy bay hồn chỉnh........................................................................ 101


– xvii –


Danh mục bảng biểu
Bảng 1-1. Biểu đồ Gantt thể hiện kế hoạch và theo dõi tiến độ công việc ......................... 5
Bảng 1-2. Bảng phân cơng cơng việc trong nhóm thiết kế máy bay................................... 5
Bảng 2-1. Vận tốc gió trung bình theo từng tháng trong năm [11] ................................... 12
Bảng 2-2. Giá trị thiết kế ban đầu...................................................................................... 15
Bảng 2-3. Thống kê khối lượng một số mẫu trên thế giới [12] ......................................... 16
Bảng 2-4. Tính tốn khối lượng máy bay .......................................................................... 16
Bảng 2-5. Thống kê đường kính chong chóng một số mẫu [12] ....................................... 16
Bảng 2-6. Ước lượng đường kính chong chóng ................................................................ 17
Bảng 2-7. Trường hợp bay lên chậm ................................................................................. 19
Bảng 2-8. Trường hợp bay lên với vận tốc bình thường ................................................... 20
Bảng 2-9. Trường hợp bay xuống với vận tốc thấp........................................................... 22
Bảng 2-10. Trường hợp bay tới ......................................................................................... 23
Bảng 2-11. Giá trị vận tốc và công suất thiết kế theo trạng thái bay ................................ 24
Bảng 2-12. So sánh bộ dụng cụ máy bay [13] ................................................................... 25
Bảng 2-13. Thông số trụ nhôm [13] .................................................................................. 27
Bảng 2-14. So sánh vải tổng hợp và vải bông ................................................................... 28
Bảng 2-15. Thành phần bộ khung lau kính ....................................................................... 28
Bảng 2-16. Đặc tính của carbon/epoxy [16]...................................................................... 29
Bảng 2-17. Hệ số an toàn ứng với tải [16] ........................................................................ 30
Bảng 2-18. Thông số động cơ và ESC [13] ....................................................................... 30
Bảng 2-19. Chong chóng máy bay [13]............................................................................. 32
Bảng 2-20. Thơng số pin Li-Po [13] ................................................................................. 32
Bảng 2-21. Mạch vi điều khiển [13] .................................................................................. 32
Bảng 2-22. Mạch OmnibusF3 [13] .................................................................................... 33
Bảng 3-1. Công suất động cơ khi bay lên.......................................................................... 48
– xviii –



Bảng 3-2. Công suất động cơ khi bay xuống thẳng đứng ................................................. 49
Bảng 3-3. Một số mơ hình rối [18] .................................................................................... 52
Bảng 3-4. Giá trị lực đẩy trong hiệu ứng mặt đất .............................................................. 63
Bảng 3-5. Thành phần tính lực cản phần I ........................................................................ 66
Bảng 3-6. Lực cản khi bay lên của phần I theo Vc ............................................................ 66
Bảng 3-7. Thành phần tính lực cản phần II ....................................................................... 67
Bảng 3-8. Lực cản khi bay lên của phần II theo Vc........................................................... 67
Bảng 3-9. Lực cản tổng hợp tác động lên máy bay khi bay lên ........................................ 67
Bảng 3-10. Lực cản khi bay tới của phần I theo Vc .......................................................... 69
Bảng 3-11. Lực cản khi bay tới của phần II theo Vc ......................................................... 69
Bảng 3-12. Lực cản tổng hợp theo phương 1 khi bay tới .................................................. 69
Bảng 3-13. Thành phần tính lực cản theo phương 2 ......................................................... 70
Bảng 3-14. Lực cản khi bay tới theo phương 2 ................................................................. 70
Bảng 3-15. Lực cản tổng hợp khi bay tới .......................................................................... 70
Bảng 3-16. Lực cản tổng hợp khi xuống lau kính ............................................................. 72
Bảng 3-17. Thành phần tính lực cản theo phương 2 khi bay ngang.................................. 74
Bảng 3-18. Lực cản tổng hợp khi bay ngang .................................................................... 74
Bảng 4-1. Thơng số đặc tính của nhơm 6061 [14] ............................................................ 77
Bảng 4-2. Thông số của ống nhôm .................................................................................... 80
Bảng 4-3. Đặc tính vật liệu hỗn hợp [16] .......................................................................... 90
Bảng 5-1. Thơng số bay thực nghiệm và mục tiêu ban đầu .............................................. 99
Bảng 6-1. Thành phần cấu tạo chính của máy bay .......................................................... 100

– xix –


Chương 1


Giới thiệu đề tài
Chương này nêu ra khái quát thực trạng hiện nay, đặt ra vấn đề thực tiễn cũng như
mục đích, phương pháp và nội dung nghiên cứu.

1.1 Tổng quan nghiên cứu trong, ngồi nƣớc
1.1.1

Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc

Ngành cơng nghiệp máy bay khơng người lái trên thế giới đang phát triển nhanh
chóng và dự báo sẽ gia tăng trong giai đoạn từ 2019 – 2024, riêng ở thị trường Hoa Kỳ
dự báo sẽ có tới hơn 600,000 đơn vị ghi nhận vào năm 2020. Trong đó các ngành sử dụng
tăng trưởng nhiều nhất lần lượt là: xây dựng (239%), khai khống (198%), nơng nghiệp
(172%), thăm dị (171%),…Các ngành này chủ yếu sử dụng để tạo lập bản đồ chính xác,
xây dựng mơ hình 3D của đối tượng lớn (như nhà cửa, kho bãi), kiểm tra tiến độ công
việc xây dựng,…Các nước dẫn đầu trong tăng trưởng trong ngành này là Hoa Kỳ và
Trung Quốc. Tuy nhiên khu vực có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất lại là Đơng Nam Á.

Hình 1-1. Một số ứng dụng trên thế giới [8]
Riêng đối với máy bay trực thăng bốn chong chong chóng ứng dụng cho vệ sinh
kính thì trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và chế tạo thành công các mẫu máy bay
phục vụ cho việc này. Một vài nghiên cứu trên thế giới liên quan đến đề tài bao gồm:


“Modelling and control of quadcopter” [1] của tác giả Teppo Luukkone đã trình
bày phương pháp thiết kế và điều khiển máy bay trực thăng bốn chong chóng ở
Trường Đại học Aalto, Phần Lan.
 “Design and realization of a glass-curtain wall-cleaning robot” [2] của tác giả
Xin Wang và các cộng sự đã trình bày nghiên cứu về khả năng ứng dụng lau kính
Trương Đình Quế


1


các tòa nhà cao tầng của máy bay trực thăng bốn chong chóng ở Trường Đại học
Kỹ thuật Thâm Quyến, Trung Quốc.
 “Development of a wall-climbing drone capable of vertical soft landing using a
tilt-rotor mechanism” [3] của tác giả Wancheol Myeong và Hyun Myung đã
nghiên cứu và chế tạo chiếc máy bay trực thăng bốn chong chóng phục vụ cho
việc lau kính tịa nhà, vệ sinh pin mặt trời ở phịng thí nghiệm robot, viện nghiên
cứu Khoa học và Kỹ thuật, Hàn Quốc.
 “Hoppingduster: seft-adaptive cleaning robot based on aerial vehicle” [4] của tác
giả Kazuya Aizawa và các cộng sự ở Trường Đại học Waseda, Nhật Bản đã
nghiên cứu chế tạo máy bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng để lau kính và
vệ sinh các thiết bị nội thất trong nhà.

1.1.2

Tình hình nghiên cứu trong nƣớc

Quá trình phát triển máy bay trực thăng bốn chong chóng ở Việt Nam hiện nay vẫn
chỉ tập trung vào lĩnh vực truyền thông, giải trí với rất nhiều mẫu khác nhau ở đủ mức giá
được bày bán trên thị trường. Một số công ty, viện nghiên cứu đã ứng dụng máy bay trực
thăng bốn chong chóng vào cải tiến nơng nghiệp với các ứng dụng như tưới tiêu, phun
thuốc trừ sâu. Trong đó, cũng có một vài nhóm sinh viên trong trường Đại học Bách
Khoa đã và đang nghiên cứu ứng dụng phục vụ cho nơng nghiệp. Ngồi ra một số nhóm
nghiên cứu cũng sử dụng thiết bị này để thu thập không ảnh phục vụ nghiên cứu,…
Một vài nghiên cứu trong nước bao gồm:
 “Ứng dụng không ảnh máy bay đánh giá hiện trạng sử dụng tài ngun ở Hịn
Ơng, vịnh Vân Phong” [5] của tác giả Phan Minh Thụ và các cộng sự đã trình bày

nghiên cứu về ứng dụng của UAV (Unmaned Aerial Vehicle) trong việc thu thập
hình ảnh, dữ liệu để đánh giá hiện trạng sử dụng tài nguyên biển.
 “Thiết kế quadrotor để thu thập không ảnh” [6] của nhóm tác giả Nguyễn Chánh
Nhiệm và cộng sự ở Đại học Cần Thơ đã thiết kế máy bay trực thăng bốn chong
chóng có giá đỡ cho máy ảnh kỹ thuật số để thu thập không ảnh.
 “Thiết kế sơ bộ máy bay phun thuốc trừ sâu sử dụng động cơ LAL” [7] của tác giả
Nguyễn Ngọc Tùng được hướng dẫn bởi PGS. TS Vũ Ngọc Ánh tại Trường Đại
học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp. HCM. Sau ba năm nghiên cứu, họ đã tạo
ra chiếc máy bay khơng người lái phục vụ nơng nghiệp nhằm mục đích phun thuốc
trừ sâu trên lúa và có thể hoạt động ổn định trong thời tiết khắc nghiệt.
Mục đích sử dụng máy bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng lau kính vẫn chưa
được hình thành và đây là một đề tài rất mới ở Việt Nam. Ngoài ra, việc sử dụng thiết bị
này ở Việt Nam vẫn cần đến các phi công kinh nghiệm để điều khiển.

1.2 Ý tƣởng khoa học, tính cấp thiết và tính mới
Máy bay trực thăng bốn chong chóng đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực như quân sự, dân dụng, nghiên cứu,… cùng với sự phát triển các thiết bị bay
không người lái. Với ưu điểm là cấu tạo cơ khí đơn giản và khả năng vận hành linh hoạt,
việc sử dụng những máy bay loại này khá hiệu quả cho các nhiệm vụ trong không gian
hẹp hoặc cần chuyển động chậm và cân bằng như quay phim trên khơng, tìm kiếm cứu
hộ, lau kính,… Đề tài nghiên cứu và chế tạo máy bay bốn chong chóng là một đề tài đòi
hỏi kiến thức tổng hợp của rất nhiều lĩnh vực như là thiết kế cơ khí, khí động lực học, sức
bền vật liệu, mạch điều khiển, giao tiếp máy tính, truyền nhận tín hiệu,...
Trương Đình Quế

2


Hình 1-2. Máy bay trực thăng bốn chong chóng lau kính [8]
Hiện nay, nhiều tồ nhà cao tầng ở Việt Nam ln phải lau chùi kính để giữ được

sạch sẽ. Cơng việc đó địi hỏi những người cơng nhân vệ sinh ln phải đối mặt với nguy
hiểm khi treo mình giữa không trung, mang theo những vật dụng cồng kềnh khi làm
việc,…Công việc của họ không chỉ đơn giản là làm sạch bụi bẩn mà còn phải giữ mọi thứ
an tồn bên mình nhưng tai nạn hi hữu vẫn có thể xảy ra bất cứ lúc nào.

Hình 1-3. Cơng nhân vệ sinh kính [8]
Nền cơng nghiệp - khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển trên thế giới đã thúc đẩy
các nhà khoa học và công ty chế tạo ra nhiều máy bay bốn chong chóng ứng dụng trong
các lĩnh vực lau kính tịa nhà, lau chùi tấm pin năng lượng mặt trời,…Những phát minh
này sẽ phục vụ thay thế cho sức người và đem lại sự an toàn, hiệu quả cho công việc.
Những máy bay này tuy đã được phát triển ở một số quốc gia nhưng vẫn còn rất hạn
chế ở Việt Nam vì:
 Thời gian bay bị giới hạn và giá thành thường khá mắc.
 Quá trình ổn định và điều khiển phức tạp vì nếu khơng thì chong chóng bị va
chạm với bề mặt vật thể và làm giảm hiệu năng làm việc.
 Điều kiện thời tiết bất thường cũng là trở ngại lớn khi hoạt động.
Đây chính là lý do để nhóm thực hiện nghiên cứu đề tài máy bay trực thăng bốn
chong chóng ứng dụng lau kính nhằm khắc phục những khó khăn trên.

Hình 1-4. Máy bay vệ sinh kính [8]
Trương Đình Quế

3


1.3 Mục tiêu, nội dung và kế hoạch nghiên cứu
1.3.1

Mục tiêu nghiên cứu


Luận văn: “Thiết kế máy bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng lau kính” được
thực hiện nhằm mục đích khảo sát mơ hình vật lý, tính tốn khí động và tối ưu hóa kết
cấu. Từ đó đưa ra cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc thiết kế sản phẩm thực tế. Mục tiêu
của luận văn tập trung vào các vấn đề sau:
 Thiết kế cấu hình máy bay trực thăng bốn chong chóng.
 Tính tốn, mơ phỏng khí động học để lựa chọn được loại chong chóng tối ưu và
tính tốn giá trị lực cản tương ứng với từng giai đoạn bay.
 Tính tốn, mơ phỏng sức bền kết cấu khung sườn máy bay.
 Tiến hành chế tạo và bay thử nghiệm để nghiệm thu kết quả.

1.3.2

Nội dung và phƣơng pháp & kế hoạch nghiên cứu

Nhiệm vụ chính của học viên trong đề tài: “Thiết kế máy bay trực thăng bốn chong
chóng ứng dụng lau kính” với sự hướng dẫn của TS. Trần Tiến Anh gồm những nội dung
chính:

















Nội dung 1: Tìm hiểu ý tưởng và đặt mục tiêu thiết kế.
Nội dung 2: Lịch sử phát triển và tìm hiểu nguyên lý hoạt động.
Nội dung 3: Thiết kế sơ bộ các giá trị đầu vào.
Nội dung 4: Thiết kế bộ khung máy bay.
Nội dung 5: Tính tốn sơ bộ cơng suất bay theo từng trạng thái bay.
Nội dung 6: Tìm hiểu lý thuyết phần tử cánh của chong chóng.
Nội dung 7: Tính tốn cơng suất động cơ theo từng trạng thái bay.
Nội dung 8: Mô phỏng khảo sát chong chóng bằng CFD.
Nội dung 9: Tính tốn hiện tượng hiệu ứng mặt đất.
Nội dung 10: Tính tốn lực cản máy bay theo từng trạng thái bay.
Nội dung 11: Tìm hiểu lý thuyết sức bền vật liệu.
Nội dung 12: Tính tốn kết cấu máy bay theo lý thuyết.
Nội dung 13: Mô phỏng kết cấu khung bằng phần mềm mô phỏng.
Nội dung 14: Chế tạo và lắp ráp máy bay thực tế.
Nội dung 15: Thực hiện bay thử nghiệm.

Trương Đình Quế

4


Bảng 1-1. Biểu đồ Gantt thể hiện kế hoạch và theo dõi tiến độ công việc
Công việc

Tháng 2 Tháng 3 Tháng 4 Tháng 5 Tháng 6 Tháng 7

Nội dung 1

Nội dung 2
Nội dung 3
Nội dung 4
Nội dung 5
Nội dung 6
Nội dung 7
Nội dung 8
Nội dung 9
Nội dung 10
Nội dung 11
Nội dung 12
Nội dung 13
Nội dung 14
Nội dung 15

1.3.3

Tóm tắt và phân công công việc

Chủ đề nghiên cứu:” Thiết kế chế tạo, thử nghiệm và hoàn thiện tối ưu máy bay trực
thăng bốn chong chóng ứng dụng cho lĩnh vực lau kính” được triển khai thực hiện trong
giai đoạn làm đề cương luận văn thạc sĩ và bốn tháng triển khai thực hiện luận văn để
hồn thành chương trình thạc sĩ.
Các nội dung công việc cụ thể được triển khai trong sự phối hợp cùng với trợ giúp
của hai sinh viên đại học đam mê lĩnh vực nghiên cứu này là Nguyễn Mạnh Cường và
Trần Khắc Phong dưới sự điều phối của giáo viên hướng dẫn. Để triển khai thực hiện dự
án nghiên cứu này, nhiệm vụ công việc của các thành viên được phân chia như bảng điều
phối công việc dưới đây:
Bảng 1-2. Bảng phân cơng cơng việc trong nhóm thiết kế máy bay
Thành viên


Trương Đình Quế

Trần Khắc Phong
Nguyễn Mạnh Cường

Trương Đình Quế

Nội dung cơng việc
 Xây dựng cấu hình 2D, 3D bằng phần mềm mô phỏng.
 Khảo sát đặc tính chong chóng bằng CFD.
 Tính tốn cơng suất lực đẩy động cơ và lực cản của máy
bay theo từng trạng thái bay.
 Tối ưu hóa kết cấu máy bay bằng lý thuyết và mô phỏng
ảnh hưởng va chạm khi làm việc của máy bay.
 Tiến hành lắp ráp và bay thử nghiệm.
Khảo sát đặc tính chong chóng và lựa chọn động cơ cho máy
bay.
 Đo đạc kích thước bộ dụng cụ máy bay.
 Xây dựng cấu hình 2D, 3D bằng phần mềm mơ phỏng.
 Tính tốn và mơ phỏng kết cấu máy bay.

5


Chương 2

Thiết kế sơ bộ máy bay
Chương này bao gồm ba phần:
-


Phần đầu là giới thiệu lịch sử phát triển.
Phần tiếp theo mô tả khái quát nguyên lý hoạt động, phương thức di chuyển và
điều hướng.
Phần cuối cùng là thiết kế cấu hình máy bay.

2.1 Lịch sử phát triển
Thời xa xưa, con người có ý tưởng đưa một vật thể nặng hơn khơng khí có thể bay
lên thẳng trực tiếp từ mặt đất. Ý tưởng này xuất hiện đầu tiên khoảng năm 400 trước công
nguyên, từ một đồ chơi con quay của người Trung Quốc.

Hình 2-1. Con quay thời cổ đại [10]
Tại châu Âu, ý tưởng tạo ra thiết bị có thể nâng lên khỏi mặt đất xuất phát khoảng
thế kỷ XV từ một họa sĩ nổi tiếng Leona De Vince. Từ một cỗ máy chuyển nước từ dưới
lên cao của Archimedes, ông dùng một cổ máy khoan vào không khí thì có thể nâng vật
lên khỏi mặt đất. Lúc này ơng nhận ra khối lượng riêng khơng khí nhẹ hơn khối lượng
riêng nước nên kích thước của thiết bị trên lớn hơn và có biên dạng hình số 8. Rõ ràng
những suy nghĩ của ơng thì khơng thực hiện được nhưng đây cũng là một ý tưởng lớn lúc
bấy giờ.

Hình 2-2. Mơ hình của Archimedes và Leonardo da Vinci [10]
Thế kỷ 18, Mikhail Lomonosov, nhà khoa học người Nga đã phát triển ra một
chong chóng nhỏ gồm bốn cánh quạt quay đồng trục với nhau. Chúng được gia cố bên
ngồi bởi một khung trịn. Phát minh của ơng đã tạo nên nền tảng cho sự phát triển của
chong chóng sau này.

Trương Đình Quế

6