bộ giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội - luận văn thạc sĩ khoa học Nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo robot bay- flying robot ngành : học kỹ thuật m số: 004021c79 Nguyễn toàn thắng Ngời hớng dẫn khoa học: gs.tskh nguyễn thiện phúc Hà Nội 2010 -1- LI CAM OAN Tụi xin cam oan ti lun Nghiờn cu tớnh toỏn thit k v ch to robot bay flying robot l kt qu nghiờn cu ca tụi Cỏc kt qu nghiờn cu c tớnh toỏn l hon ton trung thc v cha c cụng b bt k cụng trỡnh no khỏc trc õy Tt c cỏc thụng tin m tụi tham kho hon thnh lun ny s c lit kờ chi tit phn ti liu tham kho Hc viờn Nguyn Ton Thng -2- MC LC Trang ph bỡa Li cam oan Mc lc .3 Li cm n6 Li núi u Chng I:Tng quan phõn tớch v robot bay flying robot8 1.1 Lch s i mỏy bay 1.2 Cu to v nguyờn lý hot ng ca mỏy bay trc thng 11 1.3 nh ngha Robot bay14 1.4 Gii thiu cỏc loi Robot bay 14 1.4.1 Robot bay siờu nh: (mini flying robot) 14 1.4.2 Robot bay dng trc thng17 1.4.3 Robot bay dng khỏc24 1.5 Phõn tớch cỏc mụ hỡnh Robot bay dng trc thng, xng nghiờn cu mụ hỡnh RB2.3 dng tng quỏt26 Chng II: Tớnh toỏn ng lc hc mụ hỡnh Robot bay RB2.3 dng tng quỏt 28 2.1 Lc nõng Zhukovsky v nh lut Bernoulli 28 2.2 Gii thớch ca Newton 31 2.3 Tớnh toỏn ng lc hc mụ hỡnh robot bay RB2.3 dng tng quỏt 34 2.4 Cỏc trng hp c bit 42 2.4.1 Trng hp 142 2.4.2 Trng hp 243 2.4.3 Trng hp 344 2.4.4 Trng hp 4.45 2.4.5 Trng hp 545 -3- 2.5 Xõy dng chng trỡnh tớnh toỏn cho RB2.3 bng phn mm Maple10.47 2.6 Tớnh toỏn khớ ng hc trng hp khụng phi cỏnh phng.48 Chng III: Thit k RB2.3 53 3.1 Gi thiu chung.53 3.2 Xõy dng mụ hỡnh RB2.3 tng quỏt54 3.3 Cỏc phng ỏn kt cu56 3.4 Cỏc bn v lp 59 3.5 Cỏc bn v chi tit quan trng.59 3.6 H thng cỏc thit b kốm theo59 3.7 H thng iu khin 62 3.8 Mch iu khin ca RB2.3 64 Chng IV H thng gi thng bng dựng quay hi chuyn Gyroscope 65 4.1 Khỏi nim v Gyroscope .65 4.2 Nguyờn lý hot ng ca gyroscope 67 4.3 Con quay vi c, Vibrating gyroscope (MEMS gyroscope) 69 4.4 Laser gyroscope 75 4.5 S lý s liu o s dng b lc Kalman 87 4.6 Tớnh ng lc hc ca robot bay s dng bỏnh thng bng (gyro) dng tng quỏt 82 4.6.1 Tớnh toỏn ng hc ca c h trng hp s dng mt bỏnh thng bng ( Single Gyro System )83 4.6.2 Tớnh toỏn ng hc ca c h trng hp s dng hai bỏnh thng bng ( Double Gyro System ) 86 4.6.3 p dng phộp phõn tớch tuyn tớnh hoỏ gn ỳng.87 4.7 p dng c th vo mụ hỡnh RB2.3.2 91 Chng V: Ch to th nghim Robot bay RB2.3 92 5.1 Mụ t robot bay ch to th nghim 92 -4- 5.2 Cỏc nh chp robot bay RB2.3.2 94 Kt lun 98 Ti liu tham kho100 Ph lc101 -5- LI CM N Li u tiờn tỏc gi xin by t lũng bit n sõu sc ti GS TSKH Nguyn Thin Phỳc giỏo viờn hng dn, thy ó tn tỡnh ch bo v giỳp tụi rt nhiu sut quỏ trỡnh lm lun Qua thy tụi ó hc c rt nhiu nhng kin thc b ớch, thy ó truyn tụi lũng say mờ cng nh phng phỏp nghiờn cu khoa hc v nhng kinh nghim vụ giỏ Tỏc gi cng xin chõn thnh cm n cỏc thy v bn bố TT T ng hoỏ, trng i hc Bỏch Khoa HN v cỏc thnh viờn lp C hc k thut 2007-2009 Cui cựng tụi xin cm n gia ỡnh luụn quan tõm, ng viờn, giỳp tụi rt nhiu thi gian thc hin ti ny -6- LI NểI U Vi s phỏt trin mnh m ca cụng ngh in t v tin hc vi thp k gn õy, cỏc Robot ngy cng tr lờn thụng minh hn, ỏp ng dn dn cỏc nhu cu a dng ca ngi Trong phm vi nghiờn cu ca ti, tỏc gi xin cp n mt loi robot mi ú l Robot bay (Flying Robot) Trong nhng nm gn õy, Robot bay ó tr thnh ti c rt nhiu nc quan tõm v cú nh hng rt ln rt nhiu khớa cnh ca cuc sng õy cng l ti hp dn i vi cỏc nghiờn cu sinh, cỏc vin nghiờn cu v mang tớnh ng dng rt ln cỏc ngnh giao thụng, an ninh v quõn s Robot bay cú th lờn xung ti ch nh mỏy bay trc thng ng thi cng cú th bay ti ch, di chuyn t ng hoc iu khin t xa ng thi cú th truyn ti cỏc d liu bng hỡnh nh hoc cỏc tớnh hiu khỏc v trm iu khin Robot bay cng cú th c kt hp vi mt s cỏc thit b sau: Camera khụng dõy, sensor hng ngoi, quay vi c, GPS Tỏc gi ó nghiờn cu , thit k v ch to thnh cụng bc u mu robot bay RB.2.3.2 Cu to v nguyờn lý hot ng ca mu robot ny s c núi k ni dung lun -7- CHNG I TNG QUAN PHN TCH V ROBOT BAY FLYING ROBOT 1.1 Lch s i mỏy bay Trong cỏc ghi chộp ca Leonardo da Vinci th k 15 ngi ta tỡm thy cỏc bn v v thit b bay cú nguyờn tc ging nh mỏy bay trc thng ngy vi c cu quay cỏnh qut bng dõy chun xon li v cú c bn v ngi nhy dự T thi gian ú mt s ngi tỏo bo khụng ch c m m ó tin tng l cú th bay c Mt lot cỏc nh tiờn phong hng khụng ó cú cỏc thc nghim bay vo khụng trung Nhng tt c h cho n th k 19 u thc hin vic bay bng c ch v cỏnh mụ phng ng tỏc bay ca chim v tt c u thc hin vic bay bng sc mnh c bp (dựng tay vy cỏnh hoc dựng chõn p c cu truyn lc nh p xe p), ú ngi cha cú ng c thc hin bay Ch vi sc mnh c bp, ngi li gn nh tin rng khụng th bay c Hỡnh1.1 Jean-Marie Le Bris trờn lng mỏy bay LAlbatros artificial 1868 Vo th k 19 vi cỏch mng khoa hc k thut bựng n chõu u v M ngi ó cú cỏc nn tng bay vo khụng khớ: ú l lý thuyt v thu khớ ng -8- hc vi cỏc nh khoa hc i u nh Daniel Bernoulli, George Cayley, Nikolai Yegorovichtrong ú liờn quan trc tip bay c l cỏc lý thuyt v tớnh toỏn v lc nõng khớ ng hc hay cũn gi l lc nõng Zhukovski ó c Zhukovski trỡnh by rt rừ rng sỏng lp ngnh khoa hc thu khớ ng hc V s phỏt minh ng c nhit cú th sn sinh cụng sut ln gp hng chc, hng trm, hng nghỡn ln sc ngi m trin vng thng trng lc bay thc s vo khụng khớ T u n cui th k 19 mt lot cỏc nh tiờn phong hng khụng ó tin hnh cỏc thớ nghim bay thnh cụng vi lc nõng khớ ng hc bng tu ln nh Otto Liliental ngi c ó bay c bng thit b vi cỏc c cu bay v lỏi ging nh diu Delta (Deltaplane) m ngy l mt ngnh th thao rt phỏt trin Huõn tc George Cayley ngi Anh ó dựng thit b cú ng c bay c nhng khụng th t ct cỏnh m phi dựng nga kộo Mt ngi Phỏp l Jean-Marie Le Bris vi mỏy bay LAlbatros artificial cú ng c vi tr lc sc nga kộo ó ct cỏnh v bay lờn c cao 100 m v xa 200 m Tt c cỏc nguyờn nhõn chớnh ngn cn phỏt trin ca hng khụng thi k ny l cha cú mt ng c tt va nh nh li va phỏt huy c cụng sut ln vỡ thi k ú ngi ch dựng ng c hi nc rt nng n, cú ch s cụng sut riờng (mó lc/kg) thp v cha cú nghiờn cu chuyờn ngnh v khớ ng hc nờn cỏc nh tin phong ca Hng khụng ch lm theo kinh nghim mũ mm, hiu sut lc nõng khụng cao ũi hi din tớch cỏnh phi rt ln, nng n v cha cú hỡnh dng thớch hp bo m va cú lc nõng tt va cú vng chc ca kt cu cỏnh u th k 20 vi s xut hin ca ụ tụ vi ng c t chy xng mnh, li gn nh thỡ vic bay c ó tr thnh hin thc trc mt Nm 1903 ỏnh du cho lch s Hng khụng bng chuyn bay ca anh em nh Wright ngi M, mỏy bay ca h cú ng c kh d trỡ bay mt khong cỏch vi trm một, rng cha th t ct cỏnh m phi bng thit b phúng bng vt nng cho th ri v ct cỏnh, h cỏnh phi la theo chiu giú, nhng thnh cụng ca -9- h cho thy mỏy bay l hon ton hin thc v ó gõy ting vang ln d lun, to ng lc cho vic nghiờn cu phỏt trin ngnh Hng khụng Hỡnh 1.2 Mỏy bay v ng c mỏy bay ca anh em nh Wright 1908 Ngy 13 thỏng nm 1906 Alberto Santos-Dumont ti Paris ó thc hin chuyn bay trỡnh din ca mỏy bay 14 Bis, mỏy bay ny ó t ct cỏnh, t bay v t h cỏnh khụng cn thit b phúng, chiu giú hoc cỏc phng tin ph tr t bờn ngoi, nhiu ngi coi õy tht s l chuyn bay u tiờn ca mỏy bay theo ỳng ngha Sau ú cỏc cỏ nhõn tiờn phong ua sn xut mỏy bay, tng kớch thc, tng cụng sut, hon thin kt cu: thi k ny mỏy bay cha cú thõn v ch cú khung xng bng g, cỏnh l khung g cng vi, cỏnh qut y t sau cỏnh v ngi lỏi, thi giú v phớa sau Ngy 13 thỏng 11 nm 1907 nh sỏng ch ngi Phỏp Paul Cornu t ch mỏy bay trc thng bay lờn c cao na v gi c khụng khớ 20 giõy Trong mỏy bay thụng thng t õy phỏt trin rt nhanh mnh thỡ mỏy bay trc thng tin b chm chp hn rt nhiu vỡ s phc k thut ca nú Ch n sau th chin II cỏc khú khn ny mi c gii quyt v trc thng mi cú c hi phỏt trin mnh - 10 - Thit lp f(x) = ta thu c giỏ tr ca v vi (M2 = 0) ti trng thỏi cõn bng nh sau: &k n = (4.46) k g &I G 33 n = n K K + &I G 33 (4.47) Phng trỡnh trng thỏi vit di dng ma trn nh sau: 0 x&= a f 0 0 c d &k x+ b k + k e M k5 (4.48) Vi: a= (k g &I G 33 ) (k9 + k ) b= I G 33 (k9 + k ) c= ( K &I G 33 ) k5 d= I G 33 k5 e= C k5 f = (4.49) K k5 iu kin cn thit cho s n nh ca h thng (48) l vi mi s: det (sI A) = s es (db + c + a )s + (ae bf )s + ac = - 88 - (4.50) T ú ta cú cỏc iu kin sau: e < 0: C > (4.51) db + c+ a < 0: k k g (I G 33 ) (k + k + k )I G 33& (k9 + k ) ac > 0: K > &I G33 < min( K , k g ) Chỳ ý rng &= thỡ yờu cu K < K > (4.52) (4.53) ae bf > 0: C (k g &I G 33 ) I G 33 (4.54) B H s dng hai bỏnh gyro Tớnh tng t nh h s dng mt bỏnh gyro & (k + k ) &k + &I = k g & G 33 & & k & I G 33 = M u Phng trỡnh trng thỏi: x&= f (x ) vi: & & (k g &I G 33 + &k ) f (x ) = (k + k ) & ( ) I G 33 K C + K + M k (4.55) (4.56) (4.57) Thit lp f(x) = ta thu c giỏ tr ca v vi (M2 = 0) ti trng thỏi cõn bng nh sau: - 89 - n = & n = n (4.58) g K (4.59) K Phng trỡnh trng thỏi vit di dng ma trn nh (4.48) vi cỏc h s sau: a= k7 g (k9 + k ) b= I G 33 (k9 + k ) c= K k5 d= I G 33 k5 e= C k5 f = (4.60) K k5 iu kin cn thit cho s n nh ca h thng (4.48) l (4.50) vi mi s: T ú ta cú cỏc iu kin sau: e < 0: C > db + c+ a < 0: k k g (I G 33 ) K > (k9 + k ) ac > 0: K < ae bf > 0: (4.61) (4.62) (4.63) - 90 - K > C (k g &I G 33 ) I G 33 (4.64) 4.7 p dng c th vo mụ hỡnh RB2.3.2: T mc 4.4 ta thy giỏ tr thc t ca l hon ton cú th tớnh c da vo v cỏc thụng s u vo nh tc, hỡnh dng, cu to ca RB2.3.2 tng thi im t c th Bng cỏch o ta hon ton cú th xỏc nh c thc t, v so sỏnh vi LT lý thuyt c tớnh t (3.1, 3.2, 3.3) sau ú iu chnh li cỏc thụng s ng c phự hp h t trng thỏi cõn bng (4.58 & 4.59) S nguyờn lý ca phng phỏp trờn: Tớn hiu iu khin ti thi im: t Vn tc cỏc cỏnh vi (2.45) iu chnh li Lc fi tng ng (3.1, 3.2 & 3.3) Fx, Fy, Fz (4.58, 4.59) = LT t=t+1 ỳng - 91 - Sai CHNG V CH TO TH NGHIM ROBOT BAY RB2.3.2 5.1 Mụ t robot bay ch to th nghim Hỡnh 5.1 Mụ hỡnh 3D ca RB2.3.2 Sau thi gian khỏ di v u t nhiu cụng sc tỏc gi ó ch to thnh cụng Robot bay RB2.3.2 Robot ny c thit k theo phng ỏn nờn c ký hiu l RB2.3.2 RB2.3.2 cú th bay lờn, h xung thng ng ng thi cú th bay ti v trớ mong mun v bay tng i c nh ti v trớ ú v truyn cỏc tớn hiu bng hỡnh nh v trm iu khin thụng qua h thng camera khụng dõy Cỏc thụng s k thut ca RB2.3.2 l: ắ ng kớnh cỏnh qut ln: 350mm ắ ng kớnh cỏnh qut nh: 30mm - 92 - ắ Cõn nng: 918g ắ ng kớnh bao ca robot: 800mm ắ ng c Brushless Motor 3550 Kv hiu in th 3.7V Vn tc cú th t 0~13135vũng/phỳt Cỏc ph kin s dng kốm theo gm cú: ắ Camera khụng dõy: 50mW 208C ắ H thng ốn LED gn trờn thõn robot ắ Thit b iu khin t xa ắ Ngun: c quy cell 3.7v 1000mAh Li-Po Cỏc thit b cú th gn thờm: ắ H thng nh v GPS ắ Sensor hng ngoi ắ Sensor cnh bỏo chỏy, khớ gas, khớ c ắ H thng t cõn bng MEMS gyroscope - 93 - 5.2 Cỏc nh chp robot bay RB2.3.2 Hỡnh 5.2 nh robot bay RB2.3.2 c chp t trờn xung - 94 - Hỡnh 5.3 nh chp RB2.3.2 - 95 - Hỡnh 5.4 Module motor cỏnh qut - 96 - Hỡnh 5.5 nh chp RB2.3.2 quỏ trỡnh bay th nghim - 97 - KT LUN HNG PHT TRIN CA ROBOT BAY RB2.3 Nhn xột u, khuyt im RB2.3.2 l mu robot bay u tiờn c ch to th nghim u im ca robot ny nh sau: ắ RB2.3.2 cú kh nng bay lờn , xung ti ch v bay tt nhng iu kin khụng gian cht hp ắ Ngoi RB2.3.2 cũn cú kh nng ghi hỡnh t trờn khụng bng camera khụng dõy v gi v trung tõm iu khin ắ Kt cu ca RB2.3.2 c chia thnh cỏc module riờng bit nờn rt thun tin cho vic thỏo lp, thay th v nõng cp ắ RB2.3.2 hot ng khụng gõy ting n ắ Cú th tn dng nhiu chi tit bỏn sn trờn th trng ắ Hỡnh dỏng tng i bt mt, cú th ch to thnh thng phm Tuy nhiờn RB2.3.2 cng cú nhng hn ch cn phi khc phc ú l: ắ Vic iu khin RB2.3.2 cũn cha d dng ch to v lp rỏp cũn nhiu sai s Nhng nguyờn nhõn quan trng nht l vỡ cha cú b phn cõn bng Gyroscope ắ Thi gian s dng ngn pin cha t yờu cu Cỏc hng m rng phỏt trin robot bay RB2.3.2 Trong tng lai gn cú iu kin u t thi gian, kinh phớ v cụng sc s nõng cp mc t ng cho h thng iu khin gi thng bng dựng quay vi c (MEMS gyroscope) v gn thờm cỏc thit b khỏc nh cỏc sensor hng ngoi, - 98 - sensor cnh bỏo chỏy, khớ gas, khớ c thỡ robot bay RB2.3.2 ngoi vic truyn tớn hiu nh v trung tõm iu khin cũn cú th lm cỏc nhim v cnh bỏo khỏc Hn th, nu c u t thớch ỏng cú th tin hnh xõy dng c phng ỏn robot bay RB2.3 theo phng thc mụun hoỏ Ngoi cỏc mụun c khớ, s mụun hoỏ h thng sensor v iu khin ng thi i sõu nõng cao phn lý thuyt theo phng thc tớch hp h thng c in t kt hp gia phn c khớ chp hnh, thit b v phn mm iu khin to cỏc mu sn phm phự hp vi yờu cu s dng v kh nng u t Theo phng thc mụun hoỏ ú, cú th ngh ti s u t cụng nghip sn xut robot bay vi cỏc mu hỡnh a dng - 99 - TI LIU THAM KHO [I] Wolfram S Analytical robotics and mechatronics New York: McGraw-Hill, 1995 [II] Balancing control of Bicyrobo by particle swarm optimization-based structure-specified H loop shaping control Bui Trung Thanh, Manukid Parnichkun [III] Gyroscopic stabilization of unstable vehicles: configurations, dynamics, and control Stephen C.Spry and Anouck R.Girard [IV] Murata Boy Robot Available from http://www.murataboy.com/en/index.html [V] Gallaspy JM Gyroscopic stabilization of an unmanned bicycle, M.S Thesis, Auburn University, 1999 [VI] http://www.cs.unc.edu/~welch/kalman/ [VII] www.draganfly.com [VIII] S Bouabdallah et al 2006, Design and control of an indoor micro quadrotor, in Proc.(IEEE) International Conference on robotics and automation (ICRA04) New Orleans, USA, 2004 [IX] P.Pounds et al 2006, A practical quad_rotor robot, in Proc Australasian Conference on Robotics and Automation (ACRA06),(Auckland, NewZealand) Dec.2006 [X] Time Domain Modeling of Unsteady Aerodynamic Forces on a Flapping Airfoil Eric Durand Sep.1998 - 100 - PH LC Ph lc I: Cỏc bn v lp - 101 - Ph lc II: Cỏc bn v chi tit quan trng - 102 - ... CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn Nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo robot bay – flying robot ” kết nghiên cứu Các kết nghiên cứu tính toán hoàn toàn trung thực chưa công bố công... RB2.3.2………………………………… 91 Chương V: Chế tạo thử nghiệm Robot bay RB2.3…………………………… 92 5.1 Mô tả robot bay chế tạo thử nghiệm………………………………… 92 -4 - 5.2 Các ảnh chụp robot bay RB2.3.2…… ………………………………94 Kết luận…………………………………………………………………………... khiển Robot bay kết hợp với số thiết bị sau: Camera không dây, sensor hồng ngoại, quay vi cơ, GPS… Tác giả nghiên cứu , thiết kế chế tạo thành công bước đầu mẫu robot bay RB.2.3.2 Cấu tạo nguyên