Đề tài Thiết kế hệ thống cơ điện recoved

MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU ................................................................................................................. 2 1. Giới thiệu: ................................................................................................................................... 3 Chương 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ................................................................. 4 VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ............................................................................................................ 4 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu và cơ sở hình thành đề tài ...................................................... 4 2.1.1 Các nghiên cứu đã thực hiện: ............................................................................................... 4 2.1.2 Cơ sở hình thành đề tài và mục tiêu nghiên cứu: .............................................................. 12 2.2 Cơ sở lý thuyết và phương án thiết kế: ..................................................................................... 13 2.2.1 Cơ sở lý thuyết: ................................................................................................................... 13 2.2.2 Phương án thiết kế:............................................................................................................. 13 Chương 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ..................................................................................................... 18 3. Thiết kế cơ khí: ......................................................................................................................... 18 3.1 Sơ đồ truyền động của máy bay và tính toán bộ truyền: ...................................................... 18 3.2 Thiết kế thân trên và thân dưới: ............................................................................................ 21 3.3 Thiết kế vỏ nhựa, chân đáp, đuôi và các phụ kiện ................................................................. 23 Chương 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT BỘ ĐIỀUKHIỂN CHO MÁY BAY .............................. 27 4. Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho máy bay: .............................................................. 27 4.1 Mô hình hóa: .......................................................................................................................... 27 4.2 Thiết kế bộ điều khiển: .......................................................................................................... 37 Chương 5: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN MẠCH ĐIỆN .............................................. 44 5. Giải thuật điều khiển và phần mạch điện: ............................................................................... 44 5.1 Giải thuật điều khiển tổng quát. ........................................................................................... 44 5.2 Mạch điện và lập trình: ......................................................................................................... 45 5.3 Mô hình mạch điều khiển: ..................................................................................................... 50 5.4 Mạch điện: ............................................................................................................................. 51 Chương 6: ĐÁNH GIÁ & NHẬN XÉT .......................................................................................... 54 Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT LỜI NÓI ĐẦU Để có được kiến thức như hôm nay, nhóm em xin chân thành cảm ơn các thầy trong bộ môn Cơ Điện tử - Khoa Cơ Khí, Đại học Bách Khoa, Thành phố Hồ Chí Minh. Tôi xin cảm ơn thầy Nguyễn Tấn Tiến - thầy hướng dẫn nhóm thực hiện báo cáo môn học này. Không chỉ học hỏi được kiến thức của thầy, nhóm còn học được ở thầy phương pháp nghiên cứu cũng như sự nhiệt tâm của người thầy với học trò. Cuối cũng, tôi xin cảm ơn các bạn học và người thân đã giúp đỡ để tôi có được ngày hôm nay. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 12 năm 2013 Nhóm 1 thực hiện 2 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT Chương 1: GIỚI THIỆU 1. Giới thiệu: Máy bay (phi cơ): phương tiện vận tải hay chiến đấu bay trên không nhờ động cơ. Những máy bay đầu tiên được chế tạo để thực hiện ước mơ của con người di chuyển trên mặt đất, chinh phục không gian. Tuy nhiên, ngày nay máy bay đóng vai trò không thể thiếu trong kinh tế và quân sự. Mặt khác, giao thông vận tải hàng không là loại hình có độ an toàn cao, xác suất rủi ro cực thấp nếu so sánh với các loại hình giao thông vận tải khác. Vì vậy, hiện nay công nghiệp chế tạo máy bay là ngành công nghiệp mũi nhọn – công nghệ cao chỉ có các cường quốc kinh tế trên thế giới mới thực hiện được và là ngành định hướng công nghệ cho các ngành công nghiệp khác. Máy bay cố định và máy bay trực thăng là hai loại máy bay được nghiên cứu và chế tạo trên thế giới. Mỗi loại máy bay đều có ưu và nhược điểm riêng. Mà các nghiên cứu về máy bay trên thế giới được thực hiện rất nhiều và đa dạng. Trong nội dung nghiên cứu này chỉ tập trung vào một lĩnh vực máy bay trực thăng. Máy bay trực thăng (lên thẳng): là phương tiện bay có động cơ, hoạt động bay bằng cánh quạt, có thể cất cánh, hạ cánh thẳng đứng, có thể bay đứng trong không khí, điều khiển lên xuống, tiến lùi và qua trái phải. Trực thăng có rất nhiều công năng cả trong đời sống thường nhật, trong kinh tế quốc dân và trong quân sự. Các nghiên cứu về lý thuyết khí động học, kết cấu cơ khí, giải thuật điều khiển cho máy bay trực thăng đã được thực hiện rất nhiều. Tuy nhiên, nhưng nghiên cứu về máy bay trực thăng trên thế giới vẫn đang phát triển, hoàn thiện. Trong các nghiên cứu đó thường sử dụng máy bay mô hình để kiểm nghiệm các lý thuyết, giải thuật điều khiển cho máy bay. 3 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT Chương 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu và cơ sở hình thành đề tài 2.1.1 Các nghiên cứu đã thực hiện:  Ngoài nước Ngay từ xa xưa, loài người đã ước mơ bay lượn được trên không trung như loài chim, tuy đã có vô số lần thử và thất bại, người ta vẫn không từ bỏ giấc mơ này. Cho đến đầu thế kỉ 20, anh em nhà Later đã chế tạo và thử nghiệm máy bay đầu tiên vào ngày 17/12 /1903. Sự kiện này đánh dấu một bước ngoặt lịch sử cho ngành hàng không – loài người đã có chiếc máy bay đầu tiên điều khiển được. Hình 1: Máy bay đầu tiên Những năm sau đó, các nghiên cứu về máy bay liên tục được thực hiện. Trong đó, máy bay trực thăng được phát nghiên cứu song hành cùng máy bay cánh cố định ngay từ thế kỷ 19. Một loạt nhà kỹ thuật hàng không như Jan Bahyl, Oszkár Asbóth, Louis Breguet, Paul Cornu, Emile Berliner,Ogneslav Kostovic Stepanovic và Igor Ivanovich Sikorsky đã đưa ra thử nghiệm các mô hình máy bay trực thăng. Ngày 24 tháng 8 năm 1907 lần đầu tiên mô hình trực thăng bay lên được, nó do anh em Louis và Jacque 4 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT Breguet người Pháp chế tạo dưới sự cố vấn kỹ thuật của giáo sư Charles Richet. Mô hình này hoàn toàn không thể điều khiển nổi và không thể chở nổi người, chỉ có thể bay lên được 50 cm. Tại nước Nga Igor Ivanovich Sikorsky sau này trở thành nhà tiên phong trực thăng và nhà công nghiệp sản xuất trực thăng nổi tiếng thế giới đã thí nghiệm trực thăng đầu tiên của mình vào năm 1908. Những năm tiếp theo máy bay mô hình tiếp tục phát triển. Tuy nhiên, mô hình máy bay trực thăng tự cân bằng đầu tiên được chế tạo năm 1969 bởi Ms Penni. Cô đã chứng minh được tính ổn định và tính không ổn định trong hội nghị chuyên đề DC/ RC tháng 5 năm 1969. Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về máy bay trực thăng trên thế giới. Các nghiên cứu rất đa dạng từ kết cấu cơ khí, biên dạng cánh quạt, giải thuật điều khiển…. Có thể liệt kê một số mô hình nghiên cứu trên thế giới như sau: 1. Sơ đồ một cánh quạt nâng, một cánh quạt đuôi: Đây là sơ đồ cơ bản của máy bay trực thăng. Sơ đồ gồm một cánh quạt chính để nâng máy bay và một cánh quạt đuôi theo chiều thẳng đứng. Hình 2: Sơ đồ máy bay trực thăng một cánh quạt nâng, một cánh quạt đuôi 5 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT Khi cánh quạt chính quay, thân máy bay cũng quay theo trục của cánh quạt máy bay theo chiều ngược lại. Để chống lại hiện tượng tự quay này, máy bay có thêm một cánh quạt đuôi theo chiều thẳng đứng, gió thổi theo chiều ngang. Lực đẩy của cánh quạt đuôi tạo nên momen lực đuôi có cánh tay đòn dài bằng khoảng cách từ trục cánh quạt đuôi đến trục nâng quạt sẽ cân bằng và triệt tiêu sự quay của thân máy bay, giữ hướng cố định cho máy bay. Ưu điểm: - Rất đơn giản về kỹ thuật, độ tin cậy cao, độ tin cậy của các cơ cấu máy tốt. 95% số trực thăng trên thế giới dựa trên theo sơ đồ nguyên lý này. Nhược điểm: - Chỉ có một cánh quạt nâng nên chịu toàn bộ lực nâng của máy bay và lực đẩy ngang nên đường kính quạt và vận tốc phải lớn, dễ dẫn tới cộng hưởng, rung lắc gây gãy cánh quạt. - Công suất của cánh quạt đuôi lớn, chiếm khoảng 20 – 30 % công suất của máy bay, đây là công suất phí phạm, không giúp gì cho việc nâng máy bay và chuyển động thẳng. - Khi có gió mạnh thổi ngang thân làm vô hiệu hóa cánh quạt đuôi do đó thời tiết hoạt động thường ổn định. - Vì có đuôi làm cánh tay đòn cho momen cánh quạt đuôi nên độ dài máy bay bị kéo dài ở phần đuôi không cần thiết. 2. Sơ đồ chỉ một cánh quạt nâng. Sơ đồ này chỉ sử dụng một cánh quạt để nâng máy bay, không sử dụng cánh quạt đuôi. Máy bay cân bằng dựa theo hiệu ứng Coanda, dòng khí phụt ra có xu hướng bám dính vào vào thành vật cứng và tạo momen chống lại momen thân máy bay quay. Loại 6 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT máy không cánh quạt đuôi này có hệ thống bơm khí chạy ra đuôi và được phụt ra theo van tiết lưu. Sự tăng giảm lượng khí qua van tiết lưu này làm làm tăng giảm momen chống quay này và điều khiển máy bay qua trái phải. Hiện nay, máy bay này còn đang rất mới, chỉ có hãng MCDonnel Douglas áp dụng. Loại máy bay này còn được gọi là trực thăng MD, sơ đồ trực thăng này hiện chưa có số liệu để đánh giá ưu nhược của sơ đồ này. Hình 3: Sơ đồ một cánh quạt nâng, không cánh quạt đuôi 3. Sơ đồ hai cánh quạt nâng đồng trục. Sơ đồ này sử dụng hai cánh quạt nâng đồng trục, không sử dụng cánh quạt đuôi. Sơ đồ này còn có tên gọi Kamov theo tổ hợp thiết kế, chế tạo Kamov của Liên Xô. 7 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT Hình 4: Sơ đồ hai cánh quạt nâng, không sử dụng cánh quạt đuôi Đặc điểm của sơ đồ này là không sử dụng cánh quạt đuôi mà có hai bộ cánh quạt đồng trục, quay ngược chiều nhau để triệt tiêu momen quay thân máy bay. Thay đổi vận tốc hai cánh quạt để máy bay bay sang trái, phải, rẽ hướng. Ưu điểm: - Vì có hai cánh quạt nâng nên đường kính, vận tốc quay của cánh quạt không cần lớn, cho phép hoạt động hiệu suất cao. - Độ an toàn chống cộng hưởng, do có hai cánh quạt triệt tiêu lẫn nhau, chống rung giật cánh quạt tốt. - Tính cơ động cao, có thể rẽ hướng đột ngột, di chuyển lên, xuống, tiến lùi linh hoạt. - Vì không có cánh quạt đuôi nên hoạt động được trong thời tiết khắc nghiệt, đồng thời kích thước nhỏ gọn Nhược điểm: - Hệ thống cánh phức tạp. Bản thân cánh quạt với hệ thống biến bước dùng cho máy bay cân bằng đã phức tạp, kết hợp với hai cánh quạt đồng trục làm việc chế 8 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT tạo hệ thống trục cần độ chính xác cao. Bộ phận này cũng là bộ phận gặp rủi ri nhiêu nhất trong sơ đồ bố trí máy bay theo hướng này. 9 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT 4. Sơ đồ hai cánh quạt nâng trước sau. Hai cánh quạt nâng được gắn ở đầu và đuôi máy bay Hình 5: Sơ đồ hai cánh quạt nâng trước sau Hai cánh quạt quay ngược chiều nhằm triệt tiêu mô men tự quay thân. Khi muốn rẽ hướng ta chỉ cần làm chênh lệch vận tốc quay của hai đĩa cánh quạt và thân máy bay quay tương ứng theo chiều cánh quạt quay chậm hơn. Ưu điểm: - Hiệu suất cao, độ an toàn cộng hưởng, chống rung lắc tốt, không có công suất phí phạm, sức nâng rất tốt nên thường được dùng làm cần cẩu bay. Nhược điểm: - Rất khó điều khiển và tính cơ động kém 10 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT 5. Sơ đồ cánh quạt xoay hướng: Cấu tạo giống máy bay cánh cố định chỉ khác là trục cánh quạt đẩy ngang có thể xoay một góc 90° để thổi gió xuống phía dưới theo chiều thẳng đứng. Khi máy bay cất cánh, hạ cánh thì cánh quạt quay hướng thổi gió xuống dưới tạo lực nâng cho máy bay cất cánh, hạ cánh thẳng đứng. Khi đã lên đến độ cao cánh quạt lại quay về vị trí bình thường tạo lực đẩy, máy bay chuyển động thẳng theo chiều ngang và lực nâng do cánh cố định tạo. Hình 6: Trực thăng có cánh quạt xoay hướng Nhược điểm: cánh quạt vừa làm nhiệm vụ cánh quạt đẩy ngang vừa làm nhiệm vụ cánh quạt nâng, mà hai loại cánh này có tính chất và cấu tạo khác nhau nên cánh quạt và máy bay này có hiệu suất thấp. - Trên đây là một số loại sơ đồ nguyên tắc chính được áp dụng trong chế tạo trực thăng. Ngoài ra còn rất nhiều kiểu sơ đồ khác nữa, mỗi một phát minh thường đi kèm với một loại sơ đồ mới. Tuy nhiên, chúng chưa có ứng dụng rộng rãi và chưa chứng minh được hiệu quả kỹ thuật hàng không. 11 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT  Trong nước: Ở Việt Nam, nghiên cứu về lĩnh vực máy bay trực thăng còn khá mới mẻ. Ở lĩnh vực dân sự, một số câu lạc bộ cũng thiết kế, chế tạo, thử nghiệm máy bay mô hình. Tuy nhiên, các mô hình này được tập trung chủ yếu vào mảng máy bay cố định ( máy bay sử dụng đường băng để cất cất). Các dạng nghiên cứu về quadcopter được thực hiện nhiều. Tuy nhiên, nghiên về máy bay trực thăng rất hạn chế . Mặt khác, các mô hình này cũng không chứng minh được phương án sử dụng, tính ổn định, giải thuật điều khiển cân bằng. 2.1.2 Cơ sở hình thành đề tài và mục tiêu nghiên cứu: Máy bay trực thăng đã được nghiên cứu rất nhiều trên thế giới và hiện nay đang phát triển. Những nghiên cứu này cũng đang bắt đầu thực hiện ở Việt Nam. Mỗi phương án thiết kế đều có ưu và nhược điểm riêng không thể thay thế. Tuy nhiên, bất kì phương án thiết kế nào thì vấn đề đầu tiên cần giải quyết là tính cân bằng của máy bay. Để thực hiện yêu cầu này cần có một giải thuật để điều khiển máy bay cân bằng và được kiểm nghiệm bằng mô hình thực tế. Ở Việt Nam hiện nay chưa có báo cáo nào về kiểm nghiệm tính cân bằng của máy bay trực thăng. Nhằm nghiên cứu và học hỏi cách điều khiển một máy bay mô hình dựa trên các kiến thức về mô hình hóa, khí động lực học, và các giải thuật điều khiển. Nhóm chúng tôi quyết định chọn đề tài: nghiên cứu, thử nghiệm giải thuật điều khiển máy bay mô hình. Mục đích thực hiện đề tài: thực hiện đề tài là công việc nhằm tạo ra một sản phẩm được xem như là mô hình phục vụ cho học tập và nghiên cứu. Đồng thời, còn là việc vận dụng các kiến thức để thử nghiệm trên một mô hình thực tế. Mục tiêu của đề tài: là thực nghiệm giải thuật điều khiển trên một máy bay mô hình thực tế thỏa mãn các điều kiện sau:  Ổn định hóa ba bậc tự do góc của máy bay trong điều kiện phòng thí nghiệm.  Điều khiển bằng tay các tác vụ đơn giản: tới, lui, lên cao, hạ xuống. 12 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT 2.2 Cơ sở lý thuyết và phương án thiết kế: 2.2.1 Cơ sở lý thuyết: Cơ sở lý thuyết về khí động lực học: Trực thăng bay được là nhờ chênh áp giữa mặt trên và dưới của cánh chính. Do đường biên của mặt bên phải lớn hơn của mặt dưới nên vận tốc khí tại mặt dưới nhỏ hơn, áp suất tĩnh lớn hơn mặt trên, lực nâng sẽ bằng tích của sự chênh áp với diện tích mặt dưới cánh. Hình 7: Áp suất khí giữa mặt trên và mặt dưới của máy bay Vấn đề cân bằng momen động lượng Máy bay là một vật thể cân bằng, nên khi cánh quạt chính quay sẽ sinh ra momen động lượng, làm cho máy bay sẽ quay theo chiều ngược lại để cân bằng momen. Do đó, để tránh hiện tượng trên, ta cần thiết kế hệ thống cân bằng nhằm triệt tiêu momen tác động lên thân máy bay. 2.2.2 Phương án thiết kế: Có rất nhiều phương án thiết kế được sử dụng trong máy bay trực thăng. Mỗi phương án đều có ưu và nhược điểm riêng. Tuy nhiên, trong phần thiết kế máy bay trực thăng phương án sử dụng và bố trí cánh quạt ảnh hưởng lớn đến tính dễ điều khiển, tính cân bằng và khả năng linh hoạt của máy bay. Trong nội dung nghiên cứu này nhóm tác giả tập trung vào các phương án thiết kế, bố trí cánh quạt cho máy bay. Mặt khác, mục 13 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT tiêu của đề tài này tạo ra một mô hình phục vụ học tập và nghiên cứu nên ưu tiên lựa chọn mô đơn giản nhưng vẫn đảm bảo kiểm được các lý thuyết, giải thuật điều khiển. Sau đây, nhóm chúng tôi tiến hành phân tích hai phương án sử dụng phổ biến hiện nay để mô phỏng, điều khiển bay mô hình.  Phương án 1: máy bay 1 tầng cánh có đĩa swashplate. Hình 8: Cơ cấu swashplate. Nguyên lý bay và cân bằng: - Bay lên, hạ xuống: Độ nghiêng của toàn bộ cánh quạt bị thay đổi để tăng, giảm độ cao. - Bay tới: Cánh quạt khi quay sang phía sau trực thăng (hình 2. ở trên) sẽ có độ nghiêng dốc hơn so với độ nghiêng của cánh quạt phía trước, làm cho lực nâng phía sau mạnh hơn lực nâng ở phía trước máy bay. Kết quả là máy bay được đẩy đi về phía trước. - Bay lùi: Tương tự như trên, chỉ khác chỗ độ nghiêng cánh quạt phía trước sẽ dốc hơn, lực nâng phía trước mạnh hơn nên trực thăng sẽ bay lùi. 14 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT - Bay ngang sang phải: Cũng giống như nguyên lý trên, cánh quạt khi quay sang phía bên trái trực thăng sẽ được làm nghiêng đi để tạo ra lực nâng mạnh hơn so với cánh quạt phía bên phải. Kết quả là trực thăng sẽ bay ngang sang phải. - Bay ngang sang trái: Tương tự như trên, nhưng cánh quạt bên phải sẽ được làm nghiêng hơn. Ưu điểm: - Máy bay đổi hướng linh hoạt. - Điều khiển dễ dàng. Nhược điểm: - Chế tạo đĩa swashplate quá phức tạp, ở mục đích mô hình đồ chơi thì không khả thi. - Giá thành cao.  Phương án 2: Sử dụng hai cánh quạt nâng đồng trục kết hợp cánh tay đòn tay đòn cân bằng và quạt đuôi để di chuyển. Như đã nêu trong phần tổng quan, loại máy bay 2 cánh quạt nâng đồng trục ngoài thực tế được biến thể khi chế tạo mô hình. Nó thêm một cánh quạt nâng nhỏ phía sau cùng một thanh cân bằng bên trên ( gọi là tay đòn Bell Hiller ), 2 cánh quạt chính được lắp đồng trục. Hai cánh quạt này được điều khiển bằng 2 motor độc lập có chiều quay ngược nhau với cùng vận tốc tạo lực đẩy nâng máy bay lên. Muốn bay lên cao thì tăng tốc độ của hai cánh quạt chính, muốn giảm tốc độ thì ta từ từ giảm tốc độ hai cánh quạt chính. Trong hình bên dưới, ta thấy hai motor độc lập được dẫn động qua hai bánh răng tăng tốc cho hai cánh quạt chính. Trục cánh bên trên trong, trục cánh dưới bên ngoài. Nhờ chuyển động quay ngược chiều này mà máy bay luôn cân bằng mà không cần người dùng điều khiển quá nhiều. Đây cũng mẫu điều khiển máy bay dễ điều khiển nhất và cân bằng tốt nhất. 15 GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhóm HNTT Hình 9: Cơ cấu máy bay sử dụng hai quạt nâng đồng trục kết hợp cánh tay đòn cân bằng và quạt đuôi để di chuyển. Khi muốn thay đổi hướng của máy bay, ta sẽ điều chỉnh vận tốc tương đối của hai cánh quạt chính. Lúc này, sự chênh lệch momen sẽ khiến máy bay qua trái, phải. Tầng cánh trên còn có thể thay đổi góc tấn thông qua tay đòn Bell Hiller nhằm tạo cân bằng cho máy bay cũng như bù trừ sai số chế tạo. Hình 10: Cơ cấu Bell Hiller 1