bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

Nghiên cứu tính toán thiết kế và chế tạo
robot bay- flying robot

ngành : cơ học kỹ thuật
m số: 004021c79
Nguyễn toàn thắng

Ngời hớng dẫn khoa học: gs.tskh. nguyễn thiện phúc

Hà Nội 2010
-1-


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Nghiên cứu tính toán thiết kế và chế tạo
robot bay – flying robot ” là kết quả nghiên cứu của tôi. Các kết quả nghiên cứu
được tính toán là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố ở bất kỳ công trình
nào khác trước đây. Tất cả các thông tin mà tôi tham khảo để hoàn thành luận văn
này sẽ được liệt kê chi tiết trong phần tài liệu tham khảo.
Học viên

Nguyễn Toàn Thắng

-2-



2.5. Xây dựng chương trình tính toán cho RB2.3 bằng phần mềm
Maple10……………………………………………………………………….47
2.6. Tính toán khí động học trong trường hợp không phải cánh phẳng….48
Chương III: Thiết kế RB2.3……………………………………………………..53
3.1. Gới thiệu chung………………………………………………………….53
3.2. Xây dựng mô hình RB2.3 tổng quát……………………………………54
3.3. Các phương án kết cấu…………………………………………………56
3.4. Các bản vẽ lắp…………………………………………………………...59
3.5. Các bản vẽ chi tiết quan trọng………………………………………….59
3.6. Hệ thống các thiết bị kèm theo…………………………………………59
3.7. Hệ thống điều khiển……………………………………………………...62
3.8. Mạch điều khiển của RB2.3……………………………………………..64
Chương IV Hệ thống giữ thăng bằng dùng con quay hồi chuyển Gyroscope...65
4.1. Khái niệm về Gyroscope……………………………………………..….65
4.2. Nguyên lý hoạt động của gyroscope…………………………..………..67
4.3. Con quay vi cơ, Vibrating gyroscope (MEMS gyroscope)………….....69
4.4. Laser gyroscope…………………………………………………………..75
4.5. Sử lý số liệu đo sử dụng bộ lọc Kalman………...………………………87
4.6. Tính động lực học của robot bay sử dụng bánh thăng bằng (gyro) dạng
tổng quát……………………………………………………………………...82
4.6.1 Tính toán động học của cơ hệ trong trường hợp sử dụng một bánh thăng
bằng. ( Single Gyro System )…………………………………………83
4.6.2 Tính toán động học của cơ hệ trong trường hợp sử dụng hai bánh thăng
bằng. ( Double Gyro System )………………………………………..86
4.6.3 Áp dụng phép phân tích tuyến tính hoá gần đúng…………………….87
4.7. Áp dụng cụ thể vào mô hình 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-

Trong những năm gần đây, Robot bay đã trở thành đề tài được rất nhiều nước
quan tâm và có ảnh hưởng rất lớn trong rất nhiều khía cạnh của cuộc sống. Đây
cũng là đề tài hấp dẫn đối với các nghiên cứu sinh, các viện nghiên cứu và mang
tính ứng dụng rất lớn trong các ngành giao thông, an ninh và quân sự…
Robot bay có thể lên xuống tại chỗ như máy bay trực thăng đồng thời cũng có
thể bay tại chỗ, di chuyển tự động hoặc điểu khiển từ xa đồng thời có thể truyền tải
các dữ liệu bằng hình ảnh hoặc các tính hiệu khác về trạm điều khiển. Robot bay
cũng có thể được kết hợp với một số các thiết bị sau: Camera không dây, sensor
hồng ngoại, con quay vi cơ, GPS…
Tác giả đã nghiên cứu , thiết kế và chế tạo thành công bước đầu mẫu robot bay
RB.2.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mẫu robot này sẽ được nói kỹ trong
nội dung luận văn.

-7-


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN PHÂN TÍCH VỀ ROBOT BAY
FLYING ROBOT
1.1. Lịch sử ra đời máy bay
Trong các ghi chép của Leonardo da Vinci ở thế kỷ 15 người ta tìm thấy các
bản vẽ về thiết bị bay có nguyên tắc giống như máy bay trực thăng ngày nay với cơ
cấu quay cánh quạt bằng dây chun xoắn lại và có cả bản vẽ người nhảy dù. Từ thời
gian đó một số người táo bạo không chỉ ước mơ mà đã tin tưởng là có thể bay được.
Một loạt các nhà tiên phong hàng không đã có các thực nghiệm để bay vào không
trung. Nhưng tất cả họ cho đến thế kỷ 19 đều thực hiện việc bay bằng cơ chế “vỗ
cánh” mô phỏng động tác bay của chim và tất cả đều thực hiện việc bay bằng “sức
mạnh cơ bắp” (dùng tay vẫy cánh hoặc dùng chân đạp cơ cấu truyền lực như khi
đạp xe đạp), khi đó con người chưa có động cơ để thực hiện bay… Chỉ với sức
mạnh cơ bắp, con người lại gần như tin rằng không thể bay được.

mạnh, lại gọn nhẹ thì việc bay được đã trở thành hiện thực trước mắt. Năm 1903
đánh dấu cho lịch sử Hàng không bằng chuyến bay của anh em nhà Wright người
Mỹ, máy bay của họ có động cơ khả dĩ duy trì bay trong một khoảng cách vài trăm
mét, tuy rằng chưa thể tự cất cánh mà vẫn phải bằng thiết bị phóng bằng vật nặng
cho thả rơi và khi cất cánh, hạ cánh phải lựa theo chiều gió, nhưng thành công của
-9-


họ cho thấy máy bay là hoàn toàn hiện thực và đã gây tiếng vang lớn trong dư luận,
tạo động lực cho việc nghiên cứu phát triển ngành Hàng không.

Hình 1.2 Máy bay và động cơ máy bay của anh em nhà Wright 1908
Ngày 13 tháng 9 năm 1906 Alberto Santos-Dumont tại Paris đã thực hiện
chuyến bay trình diễn của máy bay 14 Bis, máy bay này đã tự cất cánh, tự bay và tự
hạ cánh không cần thiết bị phóng, chiều gió hoặc các phương tiện phụ trợ từ bên
ngoài, nhiều người coi đây thật sự là chuyến bay đầu tiên của máy bay theo đúng
nghĩa. Sau đó các cá nhân tiên phong đua nhau sản xuất máy bay, tăng kích thước,
tăng công suất, hoàn thiện kết cấu: thời kỳ này máy bay chưa có thân vỏ chỉ có
khung xương bằng gỗ, cánh là khung gỗ căng vải, cánh quạt đẩy đặt sau cánh và
người lái, thổi gió về phía sau.
Ngày 13 tháng 11 năm 1907 nhà sáng chế người Pháp Paul Cornu tự chế máy
bay trực thăng bay lên được độ cao nửa mét và giữ được trong không khí 20 giây.
Trong khi máy bay thông thường từ đây phát triển rất nhanh mạnh thì máy bay trực
thăng tiến bộ chậm chạp hơn rất nhiều vì sự phức tạp kỹ thuật của nó. Chỉ đến sau
thế chiến II các khó khăn này mới được giải quyết và trực thăng mới có cơ hội phát
triển mạnh.

- 10 -



Vì vậy máy bay trực thăng có thể bay đứng treo một chỗ và thậm chí bay lùi.

A: Lực nâng (Lift)
C: Trọng lực (Weight)

B: Lực đẩy (Thrust)
D: Lực cản (Drag)

Hình 1.4 Mô hình lực nâng khí động học
Máy bay trực thăng cũng như máy bay thông thường thắng được trọng lực và
bay lên được là nhờ lực nâng khí động học hay còn gọi là lực nâng Zhukovski. Đó
là kết quả của sự chênh lệch áp suất không khí tại mặt trên và mặt dưới của vật thể
(cánh nâng) khi dòng khí chuyển động tương đối chảy bao bọc qua vật thể. Để có
lực nâng khí động học thì thiết diện vật thể (cánh nâng) phải không đối xứng qua
trục chính và đường biên của mặt trên phải lớn hơn của mặt dưới, những vật thể có
hình dạng thiết diện như vậy được gọi là có hình dạng cánh khí động học. Khi
- 12 -


không khí chảy bao quanh hình cánh khí động sẽ có lực nâng khí động học và đồng
thời xuất hiện lực cản. Hình khí động học nào cho hiệu ứng lực nâng càng cao mà
lực cản càng ít thì được coi là có hiệu suất khí động học càng tốt.
Khi không khí chảy qua hình khí động là cánh nâng, tại mặt dưới sẽ có áp suất cao
hơn so với mặt trên và hệ quả là sẽ xuất hiện một lực tác động từ dưới lên vuông
góc với cánh. Lực nâng đó có độ lớn bằng tổng diện tích các cánh nhân với chênh
lệch áp suất hai mặt. Độ chênh lệch áp suất phụ thuộc vào hình dạng thiết diện cánh
tức là phụ thuộc vào hiệu suất khí động học của cánh, góc tấn “angle of attack” –
góc chảy của không khí tương đối với vật khí động, và vận tốc dòng chảy (đồng
nghĩa với vận tốc quay của cánh quạt nâng). Như vậy khi cánh quạt nâng đạt đến
vận tốc quay nào đó thì chênh lệch áp suất (đồng nghĩa với lực nâng) sẽ đủ để thắng

này các vệ tinh nhân tạo tiên tiến cũng khó mà làm được. Cũng như có thể phát hiện
và theo dõi các đối tượng khả nghi trong các cuộc bạo động hoặc biểu tình bằng
cách ghi hình, chụp ảnh từ trên không rồi gủi về trung tâm điều khiển.
Các thiết bị đi kèm thông dụng của robot bay là: Camera không dây, sensor
hồng ngoại, con quay vi cơ (MEMS Gyroscope), GPS…
1.4. Giới thiệu các loại robot bay .
Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều loại robot bay được nghiên cứu và ứng
dụng rộng rãi, đặc biệt là ở các nước tiên tiến như Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Nga …
Có thể thống kê một số loại robot bay như sau:
1.4.1. Robot bay siêu nhỏ: (mini flying robot):
Hãng điện từ Seiko Epson của Nhật vừa tuyên bố đã phát triển một loại robot
bay mini có trọng lượng nhẹ nhất so với các thiết bị cùng loại từ trước tới nay. Nó
có thể được sử dụng trong việc giám sát, theo dõi an ninh và cứu trợ.
- 14 -


Hình 1.5 Robot bay siêu nhỏ II “iFR-II”
Đây là chiếc máy bay trực thăng nhẹ nhất thế giới mang tên Robot bay siêu
nhỏ II “iFR-II” cao 85 mm, đường kính 136 mm, nặng chỉ 8,6 g do hãng điện tử
khổng lồ Seiko Epson sản xuất. Người phát ngôn của hãng điện tử Seiko Epson cho
biết, chiếc robot bay này được trang bị một máy chụp ảnh và có thể truyền về các
hình ảnh tĩnh. “iFR-II” có trọng lượng chỉ 12gram kèm một viên pin. Robot này
giống như một chiếc trực thăng nhỏ xíu rộng 136mm, cao 85mm được điều khiển từ
xa và được cải tiến từ mô hình robot iFR đã được chế tạo năm ngoái.
Robot trực thăng ”iFR-II” này được trang bị những động cơ siêu nhỏ để quay
cánh quạt, thiết bị quay cảm biến để ổn định độ thăng bằng máy bay và một máy ghi
hình CMOS để truyền phát những hình ảnh về quang cảnh xung quanh.
Robot trực thăng ”iFR-II” to hơn kẻ tiền nhiệm là iFR, nhưng lại nặng không
quá 8,6gram chưa kể pin polymer-lithium, so với iFR là 10gram. Theo Seiko Epson,
chiếc robot bay này có trọng lượng nhẹ như vậy là do họ đã phát triển một cảm biến

1.4.2. Robot bay dạng trực thăng
Đây là dạng robot bay được khá nhiều nước nghiên cứu và ứng dụng nhờ vào
khả năng bay linh hoạt giống như máy bay trực thăng.
Robot bay an ninh mới nhất của Anh mang tên “Police Drone” đang được
nước này sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực an ninh dân dụng cũng như quân sự.

Hình 1.7 Police Drone, Robot bay của cảnh sát Anh.
Police Drone có khối lượng 900g và đường kính bao là 1m. Có khả năng bay
lên xuống thẳng đứng cũng như có thể bay cố định trẻn không. Đồng thời Police
Drone còn có thể bay linh hoạt theo bất kỳ hướng nào ngay lập tức khi có tín hiệu
điều khiển.
Police Drone gắn camera không dây có khả năng truyền hình ảnh về người
điều khiển từ độ cao 500m. Hình ảnh được truyền về trạm điều khiển và chiếc kính
chuyên dụng của người điều khiển.

- 17 -


Hình 1.8 Các thiết bị chủ yếu của Police Drone.
Robot bay này được sủ dụng rất hiệu quả trong lĩnh vực điều phối giao thông
cũng như trong việc thu thập chứng cứ, phát hiện các cuộc bạo động, biểu tình.
Các thông số kỹ thuật của Police Drone như sau:
¾ Hệ thống cánh quạt: Đường kính 37cm cánh làm bằng carbon
¾ Ăng ten: truyền tín hiệu từ thiết bị điều khiển bằng tay tới robot và dữ liệu
hình ảnh thu được về trạm điều khiển.
¾ Camera: Có thể truyền tín hiệu hình ảnh từ độ cao 500m.
¾ Cảm biến cân bằng gyroscope.
¾ Thiết bị trung tâm: Hệ thống định vị GPS và các trạm sạc nhiên liệu.
¾ Điều khiển bằng tay: Sử dụng để điều khiển Robot
¾ Kính chuyên dụng: Thu hình ảnh trực tiếp từ Police Drone.

Devantech SRF08, một thiết bị đo độ cao bằng tần số siêu âm (Sodar), và
MicroStrain 3DM-G, một IMU 3 trục hoàn chỉnh để dò sóng. GPS cập nhật tại 1Hz,
và phạm vi sai sót tiêu chuẩn là 1-2m trên mặt phẳng ngang. Một Sodar có một tỷ lệ
lấy mẫu 12Hz và phạm vi 2m và độ chính xác trong khoảng 5-10cm.
Thiết bị điều khiển là một máy tính Laptop tiêu chuẩn chạy chương trình
Microsoft Window XP và National Instruments Labview 7, sẽ xử lý tất cả các liên
kết dạng chuỗi tới robot bay và thiết bị GPS.

- 20 -


Hình 1.11 Sơ đồ hoạt động của STARMAC.
Lý do thiết kế 4 rotor là để triệt tiêu các lực quán tính của từng cánh quạt.
Các Rotor có thể được nhóm lại trong một cặp trước-sau, và cặp trái-phải. Các cặp
này quay theo chiều ngược nhau, có 2 rotor quay theo chiều kim đồng hồ và 2 rotor
quay ngược chiều kim đồng hồ. Các mômen được tạo ra bởi những rotor này sẽ triệt
tiêu bằng 0.

Hình 1.12 Draganflyer X6. robot bay của cảnh sát Mỹ.
- 21 -


Draganflyer X6 là mẫu robot bay mới nhất ở Mỹ sử dụng 6 cánh quạt chia
làm 3 module, mỗi module gồm 2 cánh quạt được lắp đồng trục và quay ngược
chiều nhau để khử moment quay. Các module này được lắp ở cuối 3 cánh tay tạo
thành với nhau một góc 1200. Ưu điểm của Draganflyer là khả năng bay rất ổn định
và linh hoạt, đặc biệt là nó còn cỏ thể sử dụng được trong điều kiện thời tiết khắc
nghiệt và trong điều kiện có gió mạnh mà ở các loại robot bay khác còn hạn chế.
Draganflyer X6 còn có thể thu gọn kích thước để cất và mang đi một cách dễ
dàng. Kích thước thu gọn tối thiểu của Draganflyer X6 là 30x68 cm. Trọng lượng


Hình 1.16 Đồ chơi dạng robot bay của Trung Quốc.
Tưởng như một món đồ chơi, các robot ngộ nghĩnh này thực ra chứa các
webcam để thu hình ảnh và truyền về thiết bị điều khiển từ xa (như máy tính,
ĐTDĐ...) qua mạng Wi-Fi. Chúng có thể bay quanh nhà để theo dõi mọi hoạt động.
Nhờ thiết bị định vị GPS gắn trong, robot có thể biết mình đang ở đâu. Ngoài ra nó
còn có gắn cảm ứng hồng ngoại để phát hiện vật thể đằng sau chướng ngại vật. Giá
từ 50 đến vài trăm USD.
1.4.3 Robot bay dạng khác

Hình 1.17 Robot bay Spy Drones
- 24 -


Cảnh sat bang Miami của Mỹ cũng chuẩn bị đưa vào sử dụng loại robot bay
Spy Drones. Robot này sử dụng động cơ phản lực có thể bay trên không ghi hình và
gủi các thông tin về trạm điều khiển. Nó có thể được lập trình bay theo 100 lộ trình
cho trước với vận tốc 57MPH và độc cao 10 đến 500 foot.

Hình 1.18 Robot bay Cyclogyro của Nhật
Tập thể nghiên cứu gồm Naohiro Hara, Kazuo Tanaka, and Hiroshi Ohtake
thuộc đại học Electro-Communications ở Nhật Bản, và Hua O. Wang đại học
Boston hoa kỳ, đã nghiên cứu chế tạo robot bay cyclogyro với hệ thống cánh kiểu
mới. Robot này sử dụng các hệ thống hình bình hành “pantograph”, hệ thống này đã
được nghiên cứu phát triển từ thế kỷ 17 và đã được thay đổi, cải tiến thêm.

Hình 1.19 Cyclogyro trong quá trình bay

- 25 -