Đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường: Nghiên cứu cải thiện khả năng tạo lực nâng của phương tiện bay kích cỡ nano, loại cánh đập

Chia sẻ: Mucnang000 Mucnang000 | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xây dựng một công cụ phù hợp để phân tích động học của phương tiện qua đó có thể tối ưu hóa lực nâng (lift) trên cánh. Nghiên cứu này được thực hiện trên một vật thể bay loại cánh đập có bộ khung mềm dẻo (flexible skeleton) và có kích thước theo tiêu chuẩn nano (Flapping wing Nano aerial vehicles-FWNAV). Dựa trên tính chất mềm dẻo của phương tiện, nguyên mẫu được nghiên cứu để kết hợp hai chế độ rung cộng hưởng - uốn và xoắn - để tái tạo quỹ đạo cánh côn trùng. Mô hình đề xuất sử dụng Bond Graph, một ngôn ngữ giao diện người dùng đồ họa vì nó rất phù hợp để mô phỏng một hệ đa vật lý như trong trường hợp này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường: Nghiên cứu cải thiện khả năng tạo lực nâng của phương tiện bay kích cỡ nano, loại cánh đập

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN KHẢ NĂNG TẠO LỰC NÂNG CỦA PHƯƠNG TIỆN BAY KÍCH CỠ NANO, LOẠI CÁNH ĐẬP Mã số: T201906116 Chủ nhiệm đề tài: TS. ĐOÀN LÊ ANH
Le Anh Doan, Eric Cattan, Sebastien Grondel 2 Đà Nẵng, 08/2020
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN KHẢ NĂNG TẠO LỰC NÂNG CỦA PHƯƠNG TIỆN BAY KÍCH CỠ NANO, LOẠI CÁNH ĐẬP Mã số: T201906116 Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên)
Le Anh Doan, Eric Cattan, Sebastien Grondel 4
Danh sách các thành viên tham gia nghiên cứu đề tài L.A. Doan received the B.S. degree in mechatronic engineering from Danang University of Technology, Danang, Vietnam, in 2008 and the M.S. degree in mechanical engineering from National Kaohsiung University of Applied Sciences, Kaohsiung, Taiwan, in 2012. He received the Ph.D. degree in micro and nanotechnologies, acoustics and telecommunications at Polytechnic University of HautsdeFrance, Valenciennes, France. From 2012 to 2014, he was a lecturer at the University of Technology and Education The University of Danang, Danang, Vietnam. His research interest includes the mobiles robots, micro and nano air vehicles. S. Grondel (IEMN) received the M.S. and Ph.D. degrees in electronical and acoustical Engineering from Valenciennes University, France, in 1997 and 2000, respectively. Between 2001 and 2010, he worked as a research Associate at the Electronic, Microelectronic and Nanoelectronic department of Valenciennes University, focusing on health monitoring of aeronautic structures using elastic guided waves and multiarray piezoelectric transducers. Since 2011, he is a Professor in the same department and teacher at the engineering school ENSIAME. His current research activities include modeling and control of macro and micro mechatronic systems through the use of the Bond Graph methodology. He contributes on the design and development of a nano flying insect called ``OVMI'' as well as on new ionic polymers actuators. He has authored more than 70 published journal and conference papers related to smart material, ultrasonic and mechatronic. He is an elected member of the national Research evaluation in Electronics field (CNU 63) and belongs to the Editorial Board of the Horizon Research Publishing Coorporation. He is also a fellow member of the French Acoustical(SFA) and 5
Electronic Electrotechnic and Automatic (EEA) Societies. E Cattan, 55 years (eric.cattan@uphf.fr). In 1993, he obtained a PhD in optics and photonics at the University of Paris Sud (Orsay), and in 1994, he became a University lecturer in section 28 and was assigned to the laboratory of Advanced Ceramic Materials (UPHF). He has published one hundred and fifty papers in the field of piezoelectric thin film, microtransducers and NAV. After obtaining an accreditation to supervise research in 2001, he was appointed University Professor in 2002 at the University of Polytechnic Hauts de France Since 2002, he has been conducting research at the Institute of Electronics, Microelectronics and Nanotechnology, and since September 2005, his research has focused on bioinspired microsystems. Before that, his research activities concerned the growth and characterization of ferroelectric piezoelectric thin films, as well as their integration in microsystems. In 2011, he took over the management of a research group made up of thirteen professors and university lecturers. He is leader of the OVMI project (Object Volant Mimant l'Insecte), which was awarded with a golden micron in Besançon in 2014. 6
Mục lục: Danh mục hình vẽ: 7
Danh mục bảng biểu: 8
Danh sách chữ viết tắt MAV: phương tiện bay theo tiêu chuẩn kích cỡ micro NAV: phương tiện bay theo tiêu chuẩn kích cỡ nano 9
UAVs: phương tiện bay không người lái 10
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập Tự do Hạnh phúc THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: Tên đề tài: nghiên cứu cải thiện khả năng tạo lực nâng của phương tiện bay kích cỡ nano, loại cánh đập Mã số: T201906116 Chủ nhiệm: TS. Đoàn Lê Anh Thành viên tham gia: Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng Thời gian thực hiện: 12 tháng 2. Mục tiêu: Trong những thập kỉ gần đây, viễn cảnh có được những khả năng bay đặc biệt của các loại chim nhỏ hay côn trùng đã thúc đẩy rất nhiều những nghiên cứu về vật thể bay loại cánh đập (flapping wings). Tuy nhiên, khi thiết kế một nguyên mẫu như vậy, các nhà thiết kế phải trải qua một loạt các giải pháp thiết kế phản ánh sự đa dạng của côn trùng để xác định sự kết hợp chính xác của các tham số mà có thể đáp ứng yêu cầu của họ. Để giảm bớt gánh nặng này, mục đích của bài báo là xây dựng một công cụ phù hợp để phân tích động học của phương tiện qua đó có thể tối ưu hóa lực nâng (lift) trên cánh. Nghiên cứu này được thực hiện trên một vật thể bay loại cánh đập có bộ khung mềm dẻo (flexible skeleton) và có kích thước theo tiêu chuẩn nano (Flapping wing Nano aerial vehiclesFWNAV). Dựa trên tính chất mềm dẻo của phương tiện, nguyên mẫu được nghiên cứu để kết hợp hai chế độ rung cộng hưởng uốn và xoắn để tái tạo quỹ đạo cánh côn trùng. Mô hình đề xuất sử dụng Bond Graph, một ngôn ngữ giao diện người dùng đồ họa vì nó rất phù hợp để mô phỏng một hệ đa vật lý như trong trường hợp này. 3. Tính mới và sáng tạo: 11
Bản thân mô hình là điểm sáng tạo vì nó là một mô hình tham số phân tán và dựa trên một cấu trúc micro mềm dẻo. 4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu: Trong nghiên cứu này này, chúng ta đã xây dựng thành công một mô hình Bond Graph dành cho một FWNAV. Mô hình được trình bày mang tính mới bởi vì được xây dựng cho một vật thể bay kích cỡ rất nhỏ lại còn là loại có khung xương mềm dẻo. Từ mô hình này bốn chế độ hoạt động đã được tìm thấy. Thông qua phân tích, hai trong số chúng kh thích hợp cho việc tạo lực nâng, hai chế độ còn lại thì thành công trong việc tái tạo quỹ đạo cánh côn trùng qua đó có thể thấy được khả năng cải tạo lực nâng của chúng. 5. Tên sản phẩm: Hai bài báo khoa học đăng trên tạp chí uy tín và một phần mềm mô phỏng trên máy tính. Năm Stt Tên sản phẩm Thông tin sản phẩm công Chú thích bố Tuyển tập hội nghị quốc tế ICERA 2019 thuộc nhóm Kinematic analysis of a Scopus – Lecture resonant flexiblewing nano 1 Notes in Networks 2019 Scopus air vehicle using a Bond Graph approach and Systems (Tr.455461), ISSN: 23673370, Volume 104, Năm 2019. Kỷ yếu hội nghị Tối ưu hóa lực nâng của vật toàn quốc về Cơ thể bay khung mềm dẻo có khí và Chế tạo năm Hội nghị 2 kích thước theo tiêu chuẩn 2019 nano dựa trên phân tích cộng 2019 (Tr.8893), Quốc gia hưởng uốn và xoắn ISBN: 97860473 72751 năm 2020. Phần mềm cho phép dự đoán quỹ Sử dụng trên Phần mềm mô phỏng máy 3 đạo chuyển động 2019 nền phần tính cánh và lực nâng mềm 20SIM được tạo ra 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Làm nền tảng cho những nghiên cứu tiếp sau. 12
7. Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính Thông tin cụ thể có thể được tìm thấy trong tài liệu đính kèm Ngày tháng năm Hội đồng KH&ĐT đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Optimize lift of a flexible nano air vehicle based on analysing of bending and twisting resonances Code number: T201906116 Coordinator: Dr. Đoàn Lê Anh Implementing institution: University of Technology and Education – University of Danang Duration: from 08/2019 to 08/2020 2. Objective(s): In recent decades, the prospect of exploiting the exceptional flying capacities of insects has prompted much research on the elaboration of flappingwing nano air 13
vehicles (FWNAV). However, when designing such a prototype, designers have to wade through a vast array of design solutions that reflects the wide variety of flying insects to identify the correct combination of parameters to meet their requirements. To alleviate this burden, the purpose of this paper is to develop a suitable tool to analyze the kinematic of a resonant flexiblewing nano air vehicle. The proposed tool uses a Bond Graph formalism because it is well suited to simulating multi physical systems. Moreover, the prototype studied combines two resonant vibration modes – bending and twisting – to reproduce insect wing kinematics. This could be considered as the key to optimize the generated lift. 1. Creativeness and innovativeness: The model itself is original as it is a distributedparameter model and is based on a flexible microstructure. 5. Research results: In this study, we have successfully built a Bond Graph model for a FWNAV. The model presented is novel because it is built for a very small flying object but also has a flexible skeleton. From this model four operating modes were found. Through analysis, two of them are not suitable for lift generation, the other two are successful in reproducing the insect wing trajectories through which their ability to lift can be seen. 6. Products: Two paper published on prestigious proceeding. One is with Scopus index. A simulation program works with 20SIM software. 7. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: As the foundation for further research. 14
15
Phần mở đầu Con người luôn bị thu hút bởi thiên nhiên được định nghĩa chung là thực vật, động vật, cảnh quan, và các đặc điểm và sản phẩm khác của trái đất [1]. Đặc biệt, các kỹ năng đặc biệt được sử dụng bởi các loài để thích nghi hoàn hảo với môi trường đã thu hút được rất nhiều sự chú ý. Không có gì đáng ngạc nhiên khi rất nhiều sáng kiến và đổi mới của con người được lấy cảm hứng từ sự đa dạng và hiệu quả đáng kinh ngạc của thiên nhiên. Công việc được trình bày ở đây góp phần vào xu hướng này và đề cập đến máy bay không người lái. Ngành máy bay không người lái ngày càng thu hút được nhiều sự chú ý [2], tên tiếng anh là (UAV), được làm phong phú hơn bởi các ý tưởng lấy cảm hứng từ thiên nhiên để giúp nâng cao hiệu quả. Đối mặt với nhu cầu về các phương tiện bay có khả năng hoạt động trong môi trường kín và hạn chế, các UAV đã trở nên ngày càng nhỏ nhỏ. Hơn nữa, các cơ chế bay đã phát triển từ cánh cố định hoặc cánh quay sang cánh đập và cánh rung tương ứng bắt chước các loài chim và côn trùng nhỏ. Tùy thuộc vào kích thước và trọng lượng của chúng, các UAV thu nhỏ này thường được phân thành hai loại: MAV1 và NAV2. Mặc dù đã đạt được nhiều tiến bộ [3], [4], vẫn có sự chênh lệch đáng kể về hiệu suất giữa MAV và NAV hiện có và các sinh vật trong tự nhiên về khả năng tải trọng, khả năng cơ động và quan trọng nhất là thời gian bay. Có ba lý do chính cho những hạn chế này. Đầu tiên, sao chép chuyển động cánh của những sinh vật bay trong tự nhiên không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Trên thực tế, động học cánh của côn trùng và chim nhỏ rất phức tạp. Bằng cách định thời gian đảo chiều hành trình của cánh một cách độc lập hoặc đồng thời, những sinh vật này có thể kiểm soát hướng của chúng cũng như cải thiện lực nâng và lực đẩy [5]. Thứ hai, được coi là thử thách khó khăn nhất, hệ số Reynolds (Re) thấp dẫn đến khí động học không ổn định ảnh hưởng đến quá trình bay của các phương tiện bay cỡ nhỏ [6], [7]. Cuối cùng, do kích thước nhỏ hơn, cần phải đập cánh nhanh hơn và nhiều năng lượng hơn để duy trì chuyến bay, điều này cũng đòi hỏi mật độ năng lượng cao hơn. Rõ ràng là vẫn còn nhiều chỗ để cải thiện và vì vậy, đối với đề tài 16
này, người ta quyết định phát triển một MAV có kích thước bằng một con chim nhỏ và một NAV có kích thước bằng một con côn trùng. Hai nguyên mẫu được phát triển chủ yếu tại Viện Điện tử, Vi điện tử và Công nghệ nano (IEMN) [8] nơi các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và mạch điện tử có thể được chế tạo bằng các phương tiện có sẵn. MAV bắt chước con chim ruồi [9], đây là loài chim duy nhất có thể bay lượn. Cánh của nó được điều khiển bởi một động cơ dòng điện một chiều (DC) được cung cấp bởi điện áp đối ứng để tạo ra một chuyển động đập. NAV bao gồm một cấu trúc linh hoạt ba chiều được chế tạo bằng công nghệ MEMS kết hợp với bộ truyền động điện từ cho phép toàn bộ phương tiện rung với tần số cao hơn MAV. Mục tiêu của công việc này là phát triển một phương tiện bay NanoAirCánh đập cánh tự động, lấy cảm hứng từ sinh học. Tuy nhiên, mục tiêu cuối cùng của việc giảm kích thước phương tiện và sản xuất NAV là vô cùng khó khăn vì đây là NAV hoàn toàn linh hoạt đầu tiên [10]. Do đó, chúng tôi đã quyết định làm việc với MAV trước để hiểu về chuyến bay, phát triển bảng điện tử và đảm bảo chuyến bay ổn định. Một số kiến thức và kinh nghiệm thu được sau đó có thể được chuyển sang việc phát triển NAV. Báo cáo này được tổ chức như sau: Chương 1 giới thiệu các nghiên cứu trong quá khứ và hiện tại về UAV nhưng tập trung nhiều hơn vào MAV và NAV. Thông qua việc so sánh các khái niệm thiết kế khác nhau, chúng tôi cho thấy rằng thiết kế cánh đập là phù hợp nhất với ứng dụng của chúng tôi. Sau đó, chúng tôi trình bày các nguyên tắc cơ bản của chuyến bay đập cánh, bao gồm động học của cánh và cơ chế khí động học không ổn định. Chúng tôi đề xuất động học cánh cho các phương tiện của chúng tôi gần với chim ruồi và côn trùng và tìm thấy một số cơ chế nâng cao khí động học như hiệu ứng Wagner và hiệu ứng khối lượng được thêm vào. Cuối cùng, việc xem xét các MAV và NAV đập hiện có theo cơ cấu truyền động và cấu trúc của chúng giúp chúng tôi lựa chọn thiết kế của MAV và NAV của mình. 17
Chương 2 quay trở lại NAV loại cánh đập. Đầu tiên, khái niệm nâng cao lực nâng mới do D. Faux và các đồng nghiệp của ông phát triển được giới thiệu [10]. Tiếp theo, cách tiếp cận Bond Graph được điều chỉnh cho phù hợp với khái niệm này và được sử dụng để mô phỏng động lực học của phương tiện NAV, sau đó trong bước tối ưu hóa ta tìm được tần số hoạt động mà tại đó lực nâng đạt được là lớn nhất. Cuối cùng, phần kết luận của báo cáo này đã chỉ ra những đóng góp chính của công trình này và đưa ra một số khuyến nghị cho các hướng nghiên cứu trong tương lai. 1. MAV: Phương tiện bay kích cỡ Micro, do Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) khởi xướng vào những năm 1990, là một loại UAV thu nhỏ với kích thước tối đa là 15 cm và nặng tới 100 g, cũng như phạm vi hoạt động 10 km và tự trị trong khoảng từ 20 đến 60 phút. 2. NAV: Các phương tiện bay kích cỡ Nano (NAV), chương trình do Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) khởi xướng vào năm 2005, là một loại UAV thu nhỏ với kích thước tối đa 7,5 cm và tổng trọng lượng cất cánh dưới 10 g. Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu 1. Giới thiệu Máy bay không người lái, tên tiếng anh là unmanned aerial vehicles (UAVs), là một phương tiện bay mà không có người ngồi trên máy bay. So với máy bay có người lái, UAV ban đầu được triển khai cho các nhiệm vụ quá "buồn tẻ, bẩn thỉu hoặc nguy hiểm" [11] đối với con người. Phương tiện hàng không kích cỡ Micro (MAV), do Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) bắt đầu vào năm 1990, là một loại UAV được thu nhỏ bị giới hạn về kích thước, có kích thước tối đa là 15 cm và trọng lượng lên đến 100 gram. Trước đây chỉ giới hạn cho những người yêu thích mô hình và đồ chơi trong tay trẻ em, MAV đã sớm nhận được sự quan tâm của cả quân đội và dân sự vì chúng dễ dàng di chuyển, kín đáo hơn và ít nguy hiểm hơn trong trường hợp va chạm. Kết quả là, một lượng lớn MAV bay dựa trên các khái niệm cánh cố định, quay và đập đã có mặt ở nhiều lĩnh vực. 18
Với sự hạn chế về kích thước này, nghiên cứu phải đối mặt với nhiều vấn đề. Được coi là thử thách khó khăn nhất, hệ số Reynolds thấp (Re) dẫn đến khí động học không ổn định ảnh hưởng đến quá trình bay của các phương tiện bay cỡ nhỏ [6]. Ngoài ra, do kích thước nhỏ hơn, mật độ năng lượng cao hơn được yêu cầu. Do đó, mặc dù đã đạt được nhiều tiến bộ [3], [4], vẫn còn rất nhiều dư địa để cải thiện về khả năng tải trọng, khả năng cơ động và quan trọng nhất là độ bền của chuyến bay. Đối với công việc này, chúng tôi sẽ nghiên cứu trước đây và hiện tại về UAV để có thể xác định được thiết kế của MAV cỡ chim nhỏ có thể hoạt động trong môi trường kín, hạn chế. 2. Lựa chọn dạng cánh Các MAV hiện tại có thể được chia thành ba loại chính dựa trên cách chúng tạo ra lực nâng: cánh cố định, cánh quay và cánh đập và được mô tả trong các đoạn sau. 2.1 Cánh cố định UAV cánh cố định tương tự như máy bay. Do tỷ lệ giữa lực đẩy và lực nâng không đổi, việc điều khiển bay tương đối đơn giản và khung toán học đã được phát triển hoàn thiện, UAV cánh cố định được trình bày đầu tiên. MAV cánh cố định thích hợp cho các ứng dụng ngoài trời, nơi ưu tiên thời gian bay tối đa. Một hoặc một số cánh quạt thường tạo ra lực đẩy về phía trước. MAV thường yêu cầu một bộ vi điều khiển tích hợp để tăng độ ổn định. 19
Hình 1. Cánh cố định loại cứng và mềm dẻo, (a) Black Widow trong suốt chế tạo bởi AeroVironment [12], (b) cánh mềm dẻo phát triển bởi University of Florida [13]. Một số nguyên mẫu tồn tại nhưng không có nguyên mẫu nào thuộc phạm vi NAV. Các phương tiện hiện có có sải cánh lớn hơn 7,5 cm và do đó được coi là MAV. Một ví dụ nổi tiếng là AeroVironment Black Widow với sải cánh 15,2 cm [12], được phát triển như một phần của chương trình DARPA’s MAV (xem Hình Hình 1. .a). Nó nặng khoảng 80 g tổng cộng, một nửa trong trọng lượng đó là pin. Được phát triển trong 4 năm, Black Widow có thời gian hoạt động trong 30 phút và có thể bay không ngừng trong 17 km với tốc độ từ 38 đến 53 km / h. Cuối cùng, nó cũng có một camera màu trên bo mạch và một bộ truyền video để truyền tải các video trực tiếp đến phi công. Một vấn đề quan trọng cánh cố định xảy ra khi tăng góc tấn tới hạn. Ở góc này, lực nâng cực đại đạt được và không khí chạy trên cánh quạt bắt đầu tách khỏi bề mặt phía trên. Tuy nhiên, nếu góc tấn tiếp tục tăng hơn nữa, dòng chảy trở nên tách biệt hoàn toàn khỏi bề mặt phía trên và do đó, cánh tạo ra sự sụt giảm về lực nâng. Người ta cũng đã chứng minh rằng các cánh mềm dẻo phù hợp với MAV [14] vì chúng có thể biến đổi hình dạng để phản ứng với môi trường, và góc tới hạn có thể tăng lên nhờ khả năng điều khiển thụ động này [15]. Tài liệu tham khảo [13], [16]–[19] giới thiệu một số UAVs với cánh linh hoạt có thể thích ứng trong quá trình bay để nâng cao hệ số lực kéo bằng cách đẩy điểm dừng lên góc tấn cao hơn. Các nghiên cứu cũng cung cấp các mô phỏng số Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) bằng cách sử dụng các bộ giải dòng chảy như Navier Stokes để cung cấp cái 20