Nghiên cứu cải thiện khả năng tạo lực nâng của phương tiện bay kích cỡ nano, loại cánh đập
sachhaynendoccomvn
11 views
75 slides
Nov 03, 2024
Slide 1 of 75
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
About This Presentation
Nghiên cứu cải thiện khả năng tạo lực nâng của phương tiện bay kích cỡ nano, loại cánh đập
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 nhiề...
Slide Content
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: T2019-06-116
Chủ nhiệm đề tài: TS. ĐOÀN LÊ ANH
Đà Nẵng, 08/2020
https://sachhaynendoc.com.vn/
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: T2019-06-116
Chủ nhiệm đề tài: TS. ĐOÀN LÊ ANH
Đà Nẵng, 08/2020
https://sachhaynendoc.com.vn/
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: T2019-06-116
Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên)
https://sachhaynendoc.com.vn/
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: T2019-06-116
Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên)
https://sachhaynendoc.com.vn/
I
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
Hauts-de-France, 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 multi-array 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 Electronic Electrotechnic and
Automatic (EEA) Societies. https://sachhaynendoc.com.vn/
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
Hauts-de-France, 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 multi-array 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 Electronic Electrotechnic and
Automatic (EEA) Societies. https://sachhaynendoc.com.vn/
II
E Cattan, 55 years ([email protected]). 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, micro-transducers 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 bio-inspired
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.
https://sachhaynendoc.com.vn/
E Cattan, 55 years ([email protected]). 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, micro-transducers 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 bio-inspired
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.
https://sachhaynendoc.com.vn/
III
Mục lục:
Danh sách các thành viên tham gia nghiên cứu đề tài ................................................. I
Mục lục: .................................................................................................................... III
Danh mục hình vẽ: ..................................................................................................... V
Danh mục bảng biểu: ................................................................................................ IX
Danh sách chữ viết tắt ............................................................................................... X
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................................ XI
Phần mở đầu ............................................................................................................... 1
Chương 1 : Tổng quan tình hình nghiên cứu .............................................................. 4
1. Introduction ...................................................... Error! Bookmark not defined.
2. Lựa chọn dạng cánh ............................................................................................ 4
2.1 Cánh cố định ................................................................................................. 4
2.2 Cánh xoay ..................................................................................................... 6
2.3 Cánh đập ....................................................................................................... 9
3. Lựa chọn động học cánh và khí động học theo kèm ........................................ 12
4. Lựa chọn cơ chế truyền động cánh ................................................................... 14
5. Chế độ bay ........................................................................................................ 15
5.1 Bay lướt ...................................................................................................... 16
5.2 Đập cánh bay tới ......................................................................................... 18
5.3 Bay lượn ..................................................................................................... 21
Chương 2 :Xem xét lựa chọn thành phần cho phương tiện bay ............................... 24
1. Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động vỗ cánh .................................................... 24
2. Đuôi, cánh buồm, và không đuôi ...................................................................... 26
3. Number of wings .............................................. Error! Bookmark not defined.
4. Các phương án điều khiển thiết bị bay loại cánh đập ....................................... 29
5. Các phương pháp xoay cánh............................................................................. 31 https://sachhaynendoc.com.vn/
Mục lục:
Danh sách các thành viên tham gia nghiên cứu đề tài ................................................. I
Mục lục: .................................................................................................................... III
Danh mục hình vẽ: ..................................................................................................... V
Danh mục bảng biểu: ................................................................................................ IX
Danh sách chữ viết tắt ............................................................................................... X
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................................ XI
Phần mở đầu ............................................................................................................... 1
Chương 1 : Tổng quan tình hình nghiên cứu .............................................................. 4
1. Introduction ...................................................... Error! Bookmark not defined.
2. Lựa chọn dạng cánh ............................................................................................ 4
2.1 Cánh cố định ................................................................................................. 4
2.2 Cánh xoay ..................................................................................................... 6
2.3 Cánh đập ....................................................................................................... 9
3. Lựa chọn động học cánh và khí động học theo kèm ........................................ 12
4. Lựa chọn cơ chế truyền động cánh ................................................................... 14
5. Chế độ bay ........................................................................................................ 15
5.1 Bay lướt ...................................................................................................... 16
5.2 Đập cánh bay tới ......................................................................................... 18
5.3 Bay lượn ..................................................................................................... 21
Chương 2 :Xem xét lựa chọn thành phần cho phương tiện bay ............................... 24
1. Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động vỗ cánh .................................................... 24
2. Đuôi, cánh buồm, và không đuôi ...................................................................... 26
3. Number of wings .............................................. Error! Bookmark not defined.
4. Các phương án điều khiển thiết bị bay loại cánh đập ....................................... 29
5. Các phương pháp xoay cánh............................................................................. 31 https://sachhaynendoc.com.vn/
IV
6. Xác định khối lượng – chiều dài sải cánh và tần số đập cánh .......................... 32
Chương 3 : Mô phỏng và thực nghiệm ..................................................................... 35
1. GIỚI THIỆU ..................................................................................................... 35
2. Mô hình Bond Graph của OVMI ...................................................................... 35
2.1 Giới thiệu về nguyên mẫu .......................................................................... 35
2.2 Word Bond Graph của OVMI .................................................................... 37
2.3 Mô hình Bond Graph của các hệ thống con ............................................... 37
3. Mô phỏng .......................................................................................................... 41
3.1 Xác định thông số cánh .............................................................................. 41
3.2 Mô phỏng động học cánh ........................................................................... 43
4. Kết quả thực nghiệm ......................................................................................... 46
5. Sơ đồ mạch và phương pháp chế tạo tiêu bản .................................................. 48
5.1 Sơ đồ mạch ................................................................................................. 49
5.2 Mạch in ....................................................................................................... 50
5.3 Quy trình chế tạo ........................................................................................ 51
Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển ................................................................. 52
https://sachhaynendoc.com.vn/
6. Xác định khối lượng – chiều dài sải cánh và tần số đập cánh .......................... 32
Chương 3 : Mô phỏng và thực nghiệm ..................................................................... 35
1. GIỚI THIỆU ..................................................................................................... 35
2. Mô hình Bond Graph của OVMI ...................................................................... 35
2.1 Giới thiệu về nguyên mẫu .......................................................................... 35
2.2 Word Bond Graph của OVMI .................................................................... 37
2.3 Mô hình Bond Graph của các hệ thống con ............................................... 37
3. Mô phỏng .......................................................................................................... 41
3.1 Xác định thông số cánh .............................................................................. 41
3.2 Mô phỏng động học cánh ........................................................................... 43
4. Kết quả thực nghiệm ......................................................................................... 46
5. Sơ đồ mạch và phương pháp chế tạo tiêu bản .................................................. 48
5.1 Sơ đồ mạch ................................................................................................. 49
5.2 Mạch in ....................................................................................................... 50
5.3 Quy trình chế tạo ........................................................................................ 51
Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển ................................................................. 52
https://sachhaynendoc.com.vn/
V
Danh mục hình vẽ:
Hình 1. 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].
.................................................................................................................................... 5
Hình 1. 2: Các cấu hình của phương tiện bay loại cánh xoay: a) conventional, b)
ducted coaxial, c) conventional coaxial, d) side-by-side rotors, e) synchropter, f)
conventional tandem, g) quadrotor [20], [21]. ........................................................... 6
Hình 1. 3: Ví dụ MAV và NAV loại cánh xoay, (a) the Black Hornet, (b) Crazyflie,
(c) Mesicopter, (d) Picoflyer. ..................................................................................... 7
Hình 1. 4:Khoảng hệ số Reynolds cho các sinh vật cũng như phương tiện bay, hình
được tích hợp từ tài liệu tham khảo [26]. ................................................................... 9
Hình 1. 5: Mối quan hệ giữa trọng lượng và thời gian bay của các MAV hiện có (số
liệu năm 2014). Tên của các phương tiện có cánh cố định, quay và cánh đập có màu
lần lượt là tím, xanh lam và đỏ. Chỉ các kích thước chính tương ứng với từng loại
cánh được hiển thị để chỉ ra kích phương tiện. Ví dụ: sải cánh mô tả kích thước của
các MAV có cánh đập và cánh cố định, trong khi kích thước 3D của đường kính
quadrotor và rotor được sử dụng cho các phương tiện cánh quay khác ................... 10
Hình 1. 6: Xếp chồng nhiều khung ảnh để hiển thị các thao tác hạ cánh linh hoạt của
ong mật [30]. ............................................................................................................. 11
Hình 1. 7: Chuỗi video sử dụng lăng kính cho thấy cách ruồi nhảy thoát khỏi nguy
hiểm. Các chấm trắng trên hình ảnh đánh dấu các điểm trên đầu và bụng được dùng
để xác định khối tâm của ruồi (vòng tròn đen trắng) tại ba thời điểm: bắt đầu kích
thích (�0), ngay trước khi nhảy (����), và thời điểm cất cánh (���??????�). Dấu chấm
màu đỏ đánh dấu điểm tiếp xúc của phần đoạn cuối cùng của chân côn trùng với bề
mặt tại �0 [31]. .......................................................................................................... 12
Hình 1. 8: Động học cánh vỗ cơ bản: Đường đi của cánh được mô tả bởi quỹ đạo của
dây cung cánh; b) Ảnh chụp nhanh của hợp dây cung cánh này trong hành trình cánh
lên và xuống thể hiện chuyển động tịnh tiến và đảo chiều hành trình của nó tại cuối
các hành trình; [34] [10] ........................................................................................... 13
Hình 1. 9: a) bird flight apparatus [37], insects and their flight apparatus: b) direct and
c) indirect muscles [38] [40]. .................................................................................... 15 https://sachhaynendoc.com.vn/
Danh mục hình vẽ:
Hình 1. 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].
.................................................................................................................................... 5
Hình 1. 2: Các cấu hình của phương tiện bay loại cánh xoay: a) conventional, b)
ducted coaxial, c) conventional coaxial, d) side-by-side rotors, e) synchropter, f)
conventional tandem, g) quadrotor [20], [21]. ........................................................... 6
Hình 1. 3: Ví dụ MAV và NAV loại cánh xoay, (a) the Black Hornet, (b) Crazyflie,
(c) Mesicopter, (d) Picoflyer. ..................................................................................... 7
Hình 1. 4:Khoảng hệ số Reynolds cho các sinh vật cũng như phương tiện bay, hình
được tích hợp từ tài liệu tham khảo [26]. ................................................................... 9
Hình 1. 5: Mối quan hệ giữa trọng lượng và thời gian bay của các MAV hiện có (số
liệu năm 2014). Tên của các phương tiện có cánh cố định, quay và cánh đập có màu
lần lượt là tím, xanh lam và đỏ. Chỉ các kích thước chính tương ứng với từng loại
cánh được hiển thị để chỉ ra kích phương tiện. Ví dụ: sải cánh mô tả kích thước của
các MAV có cánh đập và cánh cố định, trong khi kích thước 3D của đường kính
quadrotor và rotor được sử dụng cho các phương tiện cánh quay khác ................... 10
Hình 1. 6: Xếp chồng nhiều khung ảnh để hiển thị các thao tác hạ cánh linh hoạt của
ong mật [30]. ............................................................................................................. 11
Hình 1. 7: Chuỗi video sử dụng lăng kính cho thấy cách ruồi nhảy thoát khỏi nguy
hiểm. Các chấm trắng trên hình ảnh đánh dấu các điểm trên đầu và bụng được dùng
để xác định khối tâm của ruồi (vòng tròn đen trắng) tại ba thời điểm: bắt đầu kích
thích (�0), ngay trước khi nhảy (����), và thời điểm cất cánh (���??????�). Dấu chấm
màu đỏ đánh dấu điểm tiếp xúc của phần đoạn cuối cùng của chân côn trùng với bề
mặt tại �0 [31]. .......................................................................................................... 12
Hình 1. 8: Động học cánh vỗ cơ bản: Đường đi của cánh được mô tả bởi quỹ đạo của
dây cung cánh; b) Ảnh chụp nhanh của hợp dây cung cánh này trong hành trình cánh
lên và xuống thể hiện chuyển động tịnh tiến và đảo chiều hành trình của nó tại cuối
các hành trình; [34] [10] ........................................................................................... 13
Hình 1. 9: a) bird flight apparatus [37], insects and their flight apparatus: b) direct and
c) indirect muscles [38] [40]. .................................................................................... 15 https://sachhaynendoc.com.vn/
VI
Hình 1. 10: Thiết bị tăng lực nâng của máy bay lấy cảm hứng từ các sinh vật bay,
[44], [45]. .................................................................................................................. 17
Hình 1. 11: Cơ cấu tạo luồng xoáy sử dụng trên máy bay (trái) lấy cảm hứng từ thiên
nhiên, a) Protruding digit on a bat wing, b) Serrated leading-edge feather of an owl,
c) Corrugated dragonfly wing, adapted from [44], [45]. .......................................... 18
Hình 1. 12: Hình chiếu cạnh của chuyển động đập cánh minh họa đường đi của đầu
cánh (vòng to) và cổ tay (vòng tròn mở) thích ứng với các tốc độ bay ổn định khác
nhau [46]. .................................................................................................................. 19
Hình 1. 13: Quỹ đạo đầu đầu cánh so với phần thân - được biểu diễn bằng mũi tên -
cho nhiều loại sinh vật bay khác nhau. a) chim hải âu, bay nhanh; b) chim bồ câu, bay
chậm; c) dơi móng ngựa, bay nhanh; d) dơi móng ngựa, bay chậm; e) đom đóm; f)
châu chấu; g) Bọ tháng sáu; h) ruồi giấm [47]. ........................................................ 20
Hình 1. 14: Cấu trúc dòng chảy cho a) bay tới đập cánh chậm và b) nhanh [46]. ... 20
Hình 1. 15: Cấu trúc xoáy ba chiều trong dòng chảy trong chu kỳ hành trình của chim
ruồi ruby, trong đó dấu thời gian từ (a) đến (d) là 0,37, 0,51, 0,58 và 0,78T (T là chu
kỳ hành trình). Các đường đứt nét đánh dấu vòng xoáy từ kỳ hạ cánh xuống. Mũi tên
dày trong (d) cho biết vị trí mà LEV bị chụm lại [50]. ............................................ 22
Hình 2. 1: Các thiết kế đuôi khác nhau: a) đuôi máy bay cơ bản [70], b) DelFly I đuôi
chữ V, và c) DelFly II đuôi chữ V ngược [28] ......................................................... 27
Hình 2. 2: MAV buồm: a) Mentor [2007]; b) Richter and Lipson [2011]; c) Robot sứa
[2014]. ....................................................................................................................... 27
Hình 2. 3: Các cấu hình cánh khác nhau: (I) cánh cơ bản, Robo Raven; (II)
BionicOpter Dragonfly; cánh không tiêu chuẩn DelFly II với cơ cấu tạo hiệu ứng
“clap and fling” (IIIa), Delfly Micro với cơ cấu tạo hai hiệu ứng “clap-and-fling”
(IIIb), và Mentor nhiều cơ cấu tạo hiệu ứng như vậy [28]. ...................................... 28
Hình 2. 4: Các thông số chuyển động của cánh theo chu kỳ: a) biên độ hành trình, tần
số nhịp đập của cánh đối xứng hoặc không đối xứng và góc lệch hành trình của cánh,
b) góc nghiêng mặt phẳng hành trình, c) và d) góc tấn giữa hành trình xuống và hành
trình lên. .................................................................................................................... 29
Hình 2. 5: Điều chế tần số chu kỳ không đổi theo chu kỳ, các chiến lược điều khiển
khi vỗ MAV: a) Dịch dọc, b) Dịch ngang, c) Chuyển động yaw và d) Chuyển động
roll từ Doman và Oppenheimer [2014]. ................................................................... 30 https://sachhaynendoc.com.vn/
Hình 1. 10: Thiết bị tăng lực nâng của máy bay lấy cảm hứng từ các sinh vật bay,
[44], [45]. .................................................................................................................. 17
Hình 1. 11: Cơ cấu tạo luồng xoáy sử dụng trên máy bay (trái) lấy cảm hứng từ thiên
nhiên, a) Protruding digit on a bat wing, b) Serrated leading-edge feather of an owl,
c) Corrugated dragonfly wing, adapted from [44], [45]. .......................................... 18
Hình 1. 12: Hình chiếu cạnh của chuyển động đập cánh minh họa đường đi của đầu
cánh (vòng to) và cổ tay (vòng tròn mở) thích ứng với các tốc độ bay ổn định khác
nhau [46]. .................................................................................................................. 19
Hình 1. 13: Quỹ đạo đầu đầu cánh so với phần thân - được biểu diễn bằng mũi tên -
cho nhiều loại sinh vật bay khác nhau. a) chim hải âu, bay nhanh; b) chim bồ câu, bay
chậm; c) dơi móng ngựa, bay nhanh; d) dơi móng ngựa, bay chậm; e) đom đóm; f)
châu chấu; g) Bọ tháng sáu; h) ruồi giấm [47]. ........................................................ 20
Hình 1. 14: Cấu trúc dòng chảy cho a) bay tới đập cánh chậm và b) nhanh [46]. ... 20
Hình 1. 15: Cấu trúc xoáy ba chiều trong dòng chảy trong chu kỳ hành trình của chim
ruồi ruby, trong đó dấu thời gian từ (a) đến (d) là 0,37, 0,51, 0,58 và 0,78T (T là chu
kỳ hành trình). Các đường đứt nét đánh dấu vòng xoáy từ kỳ hạ cánh xuống. Mũi tên
dày trong (d) cho biết vị trí mà LEV bị chụm lại [50]. ............................................ 22
Hình 2. 1: Các thiết kế đuôi khác nhau: a) đuôi máy bay cơ bản [70], b) DelFly I đuôi
chữ V, và c) DelFly II đuôi chữ V ngược [28] ......................................................... 27
Hình 2. 2: MAV buồm: a) Mentor [2007]; b) Richter and Lipson [2011]; c) Robot sứa
[2014]. ....................................................................................................................... 27
Hình 2. 3: Các cấu hình cánh khác nhau: (I) cánh cơ bản, Robo Raven; (II)
BionicOpter Dragonfly; cánh không tiêu chuẩn DelFly II với cơ cấu tạo hiệu ứng
“clap and fling” (IIIa), Delfly Micro với cơ cấu tạo hai hiệu ứng “clap-and-fling”
(IIIb), và Mentor nhiều cơ cấu tạo hiệu ứng như vậy [28]. ...................................... 28
Hình 2. 4: Các thông số chuyển động của cánh theo chu kỳ: a) biên độ hành trình, tần
số nhịp đập của cánh đối xứng hoặc không đối xứng và góc lệch hành trình của cánh,
b) góc nghiêng mặt phẳng hành trình, c) và d) góc tấn giữa hành trình xuống và hành
trình lên. .................................................................................................................... 29
Hình 2. 5: Điều chế tần số chu kỳ không đổi theo chu kỳ, các chiến lược điều khiển
khi vỗ MAV: a) Dịch dọc, b) Dịch ngang, c) Chuyển động yaw và d) Chuyển động
roll từ Doman và Oppenheimer [2014]. ................................................................... 30 https://sachhaynendoc.com.vn/
VII
Hình 2. 6: Mối quan hệ giữa a) chiều dài cánh và tổng khối lượng, b) chiều dài cánh
và tốc độ vỗ cánh, chỉnh sửa từ [81] ......................................................................... 34
Hình 3. 1: Nguyên mẫu OVMI với khối lượng 22 mg và sải cánh 22 mm. ............. 36
Hình 3. 2: a) sơ đồ của một cánh mềm dẻo với hai bậc tự do, b) chế độ uốn mô phỏng,
c) chế độ xoắn mô phỏng. ......................................................................................... 36
Hình 3. 3: Word Bond Graph của OVMI ................................................................. 37
Hình 3. 4: Mô hình Bond Graph của bộ tạo sóng ..................................................... 37
Hình 3. 5: Biểu diễn cơ cấu chấp hành điện từ, a) thông qua sơ đồ mạch điện tương
đương b) thông qua ngôn ngữ Bond Graph. ............................................................. 38
Hình 3. 6: Biểu diễn Bond Graph cho giá trị trung bình của từ trường. .................. 39
Hình 3. 7: Sơ đồ của “Cánh”, màu sắc được dùng để phân biệt các thanh liền kề. . 40
Hình 3. 8: Biểu diễn Bond Graph cho cánh .............................................................. 41
Hình 3. 9: Ảnh chụp một mẫu thử nghiệm được đặt trong một buồng chân không được
sử dụng để xác định ảnh hưởng của áp suất xung quanh lên hành vi động của nguyên
mẫu. .......................................................................................................................... 42
Hình 3. 10: Sự thay đổi của hệ số chất lượng theo áp suất. ..................................... 43
Hình 3. 11: Mô phỏng Bond Graph biên độ và đáp ứng tần số của nguyên mẫu. a)
biên độ của đầu tự do của tia 2 (1) và các thành phần tương ứng của nó bao gồm
chuyển động uốn (2) và xoắn (3); b) giai đoạn uốn (2) và xoắn (3) và sự khác biệt của
chúng (4) ................................................................................................................... 44
Hình 3. 12: Chế độ uốn (f = 132.5 Hz), chế độ xoắn (f = 151.4 Hz). ...................... 45
Hình 3. 13: Chế độ quadrature 1 (f = 135.5 Hz), chế độ quadrature 2 (f = 148.0 Hz).
.................................................................................................................................. 46
Hình 3. 14: Thí nghiệm độ biến dạng tại tần số cộng hưởng: (a) chế độ uốn; (b) chế
độ xoắn. (c) FRF của nguyên mẫu được lấy tại nam châm và đầu mút của cạnh dẫn
cánh bên trái, tại khoảng tần số khảo sát. (d) Đường cong đa thức xấp xỉ [10]. ...... 47
Hình 3. 15: Một số khung hình được chụp bằng camera tốc độ cao ở tần số chế độ
quadrature thứ hai (190,8 Hz). Đường đứt nét màu xanh lam: vị trí dây cung cánh ban
đầu; Đường đứt nét màu cam: vị trí dây cung cánh hiện tại. Đảo cánh xảy ra xung
quanh khung 4 [10]. .................................................................................................. 48
Hình 3. 16 Sơ đồ mạch phát triển cho phương tiện bay MAV ................................. 49
Hình 3. 17: Layout phát triển cho phương tiện bay MAV ....................................... 50 https://sachhaynendoc.com.vn/
Hình 2. 6: Mối quan hệ giữa a) chiều dài cánh và tổng khối lượng, b) chiều dài cánh
và tốc độ vỗ cánh, chỉnh sửa từ [81] ......................................................................... 34
Hình 3. 1: Nguyên mẫu OVMI với khối lượng 22 mg và sải cánh 22 mm. ............. 36
Hình 3. 2: a) sơ đồ của một cánh mềm dẻo với hai bậc tự do, b) chế độ uốn mô phỏng,
c) chế độ xoắn mô phỏng. ......................................................................................... 36
Hình 3. 3: Word Bond Graph của OVMI ................................................................. 37
Hình 3. 4: Mô hình Bond Graph của bộ tạo sóng ..................................................... 37
Hình 3. 5: Biểu diễn cơ cấu chấp hành điện từ, a) thông qua sơ đồ mạch điện tương
đương b) thông qua ngôn ngữ Bond Graph. ............................................................. 38
Hình 3. 6: Biểu diễn Bond Graph cho giá trị trung bình của từ trường. .................. 39
Hình 3. 7: Sơ đồ của “Cánh”, màu sắc được dùng để phân biệt các thanh liền kề. . 40
Hình 3. 8: Biểu diễn Bond Graph cho cánh .............................................................. 41
Hình 3. 9: Ảnh chụp một mẫu thử nghiệm được đặt trong một buồng chân không được
sử dụng để xác định ảnh hưởng của áp suất xung quanh lên hành vi động của nguyên
mẫu. .......................................................................................................................... 42
Hình 3. 10: Sự thay đổi của hệ số chất lượng theo áp suất. ..................................... 43
Hình 3. 11: Mô phỏng Bond Graph biên độ và đáp ứng tần số của nguyên mẫu. a)
biên độ của đầu tự do của tia 2 (1) và các thành phần tương ứng của nó bao gồm
chuyển động uốn (2) và xoắn (3); b) giai đoạn uốn (2) và xoắn (3) và sự khác biệt của
chúng (4) ................................................................................................................... 44
Hình 3. 12: Chế độ uốn (f = 132.5 Hz), chế độ xoắn (f = 151.4 Hz). ...................... 45
Hình 3. 13: Chế độ quadrature 1 (f = 135.5 Hz), chế độ quadrature 2 (f = 148.0 Hz).
.................................................................................................................................. 46
Hình 3. 14: Thí nghiệm độ biến dạng tại tần số cộng hưởng: (a) chế độ uốn; (b) chế
độ xoắn. (c) FRF của nguyên mẫu được lấy tại nam châm và đầu mút của cạnh dẫn
cánh bên trái, tại khoảng tần số khảo sát. (d) Đường cong đa thức xấp xỉ [10]. ...... 47
Hình 3. 15: Một số khung hình được chụp bằng camera tốc độ cao ở tần số chế độ
quadrature thứ hai (190,8 Hz). Đường đứt nét màu xanh lam: vị trí dây cung cánh ban
đầu; Đường đứt nét màu cam: vị trí dây cung cánh hiện tại. Đảo cánh xảy ra xung
quanh khung 4 [10]. .................................................................................................. 48
Hình 3. 16 Sơ đồ mạch phát triển cho phương tiện bay MAV ................................. 49
Hình 3. 17: Layout phát triển cho phương tiện bay MAV ....................................... 50 https://sachhaynendoc.com.vn/
VIII
Hình 3. 18: Sơ đồ quy trình quang khắc được sử dụng để sản xuất cấu trúc OVMI
(liên kết, khung của cánh và lồng ngực) [93]. .......................................................... 51
https://sachhaynendoc.com.vn/
Hình 3. 18: Sơ đồ quy trình quang khắc được sử dụng để sản xuất cấu trúc OVMI
(liên kết, khung của cánh và lồng ngực) [93]. .......................................................... 51
https://sachhaynendoc.com.vn/
IX
Danh mục bảng biểu:
Bảng 2. 1: Phân loại các loại cơ cấu chấp hành [57] [59] ........................................ 25
Bảng 3. 1: Thông số của cánh .................................................................................. 43
https://sachhaynendoc.com.vn/
Danh mục bảng biểu:
Bảng 2. 1: Phân loại các loại cơ cấu chấp hành [57] [59] ........................................ 25
Bảng 3. 1: Thông số của cánh .................................................................................. 43
https://sachhaynendoc.com.vn/
X
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
UAVs: phương tiện bay không người lái
https://sachhaynendoc.com.vn/
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
UAVs: phương tiện bay không người lái
https://sachhaynendoc.com.vn/
XI
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
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: T2019-06-116
- 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 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.
3. Tính mới và sáng tạo:
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: https://sachhaynendoc.com.vn/
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
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: T2019-06-116
- 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 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.
3. Tính mới và sáng tạo:
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: https://sachhaynendoc.com.vn/
XII
Hai bài báo khoa học đăng trên tạp chí uy tín và một phần mềm mô phỏng trên máy
tính.
Stt Tên sản phẩm Thông tin sản phẩm
Năm
công
bố
Chú thích
1
Kinematic analysis of a
resonant flexible-wing nano
air vehicle using a Bond
Graph approach
Tuyển tập hội nghị
quốc tế ICERA
2019 thuộc nhóm
Scopus – Lecture
Notes in Networks
and Systems
(Tr.455-461), ISSN:
2367-3370, Volume
104, Năm 2019.
2019 Scopus
2
Tối ưu hóa lực nâng của vật
thể bay khung mềm dẻo có
kích thước theo tiêu chuẩn
nano dựa trên phân tích cộng
hưởng uốn và xoắn
Kỷ yếu hội nghị
toàn quốc về Cơ khí
và Chế tạo năm
2019 (Tr.88-93),
ISBN: 978-604-73-
7275-1 năm 2020.
2019
Hội nghị Quốc
gia
3
Phần mềm mô phỏng máy
tính
Phần mềm cho phép
dự đoán quỹ đạo
chuyển động cánh
và lực nâng được
tạo ra
2019
Sử dụng trên
nền phần mềm
20SIM
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.
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
(ký, họ và tên)
Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)
XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS https://sachhaynendoc.com.vn/
Hai bài báo khoa học đăng trên tạp chí uy tín và một phần mềm mô phỏng trên máy
tính.
Stt Tên sản phẩm Thông tin sản phẩm
Năm
công
bố
Chú thích
1
Kinematic analysis of a
resonant flexible-wing nano
air vehicle using a Bond
Graph approach
Tuyển tập hội nghị
quốc tế ICERA
2019 thuộc nhóm
Scopus – Lecture
Notes in Networks
and Systems
(Tr.455-461), ISSN:
2367-3370, Volume
104, Năm 2019.
2019 Scopus
2
Tối ưu hóa lực nâng của vật
thể bay khung mềm dẻo có
kích thước theo tiêu chuẩn
nano dựa trên phân tích cộng
hưởng uốn và xoắn
Kỷ yếu hội nghị
toàn quốc về Cơ khí
và Chế tạo năm
2019 (Tr.88-93),
ISBN: 978-604-73-
7275-1 năm 2020.
2019
Hội nghị Quốc
gia
3
Phần mềm mô phỏng máy
tính
Phần mềm cho phép
dự đoán quỹ đạo
chuyển động cánh
và lực nâng được
tạo ra
2019
Sử dụng trên
nền phần mềm
20SIM
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.
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
(ký, họ và tên)
Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)
XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS https://sachhaynendoc.com.vn/
XIII
1. General information:
Project title: Optimize lift of a flexible nano air vehicle based on analysing of
bending and twisting resonances
Code number: T2019-06-116
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 flapping-wing nano air
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 flexible-wing 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 distributed-parameter model and is based on a
flexible micro-structure.
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: https://sachhaynendoc.com.vn/
1. General information:
Project title: Optimize lift of a flexible nano air vehicle based on analysing of
bending and twisting resonances
Code number: T2019-06-116
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 flapping-wing nano air
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 flexible-wing 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 distributed-parameter model and is based on a
flexible micro-structure.
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: https://sachhaynendoc.com.vn/
XIV
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.
https://sachhaynendoc.com.vn/
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.
https://sachhaynendoc.com.vn/
1
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: MAV
1
và NAV
2
.
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 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 https://sachhaynendoc.com.vn/
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: MAV
1
và NAV
2
.
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 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 https://sachhaynendoc.com.vn/
2
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 Nano-Air-Cánh 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.
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. https://sachhaynendoc.com.vn/
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 Nano-Air-Cánh 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.
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. https://sachhaynendoc.com.vn/
3
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. https://sachhaynendoc.com.vn/
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. https://sachhaynendoc.com.vn/
4
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.
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 https://sachhaynendoc.com.vn/
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.
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 https://sachhaynendoc.com.vn/
5
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.
Hình 1. 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. 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. https://sachhaynendoc.com.vn/
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.
Hình 1. 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. 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. https://sachhaynendoc.com.vn/
6
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 nhìn sâu
sắc về các tương tác cấu trúc chất lỏng. Để xác thực mô hình, chất lỏng bao quanh các
cánh máy bay, cánh và thân máy bay đã được nghiên cứu về các góc tấn công đến điểm
dừng (góc tới hạn). Đại học Florida đã phát triển một MAV cánh linh hoạt với sải cánh
12,7 cm và thời gian chạy là 15 phút ở tốc độ 24 đến 40 km / h, như trong Hình Hình 1.
1 b [13].
Theo DARPA, các phương tiện có cánh cố định là tốt nhất khi tính về kích thước và
trọng lượng [47]. Tuy nhiên, để bay được chúng cần liên tục di chuyển về phía trước để
tạo ra lực nâng và các phương tiện không thể lượn và cơ động trong không gian chật
hẹp. Do đó, chúng không phù hợp với mục tiêu của chúng tôi được xác định trong Phần
giới thiệu chung. Kiểu cánh được trình bày trong phần tiếp theo có thể là giải pháp cho
một MAV cơ động hơn.
2.2 Cánh xoay
Hình 1. 2: Các cấu hình của phương tiện bay loại cánh xoay: a) conventional, b) ducted
coaxial, c) conventional coaxial, d) side-by-side rotors, e) synchropter, f) conventional
tandem, g) quadrotor [20], [21].
https://sachhaynendoc.com.vn/
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 nhìn sâu
sắc về các tương tác cấu trúc chất lỏng. Để xác thực mô hình, chất lỏng bao quanh các
cánh máy bay, cánh và thân máy bay đã được nghiên cứu về các góc tấn công đến điểm
dừng (góc tới hạn). Đại học Florida đã phát triển một MAV cánh linh hoạt với sải cánh
12,7 cm và thời gian chạy là 15 phút ở tốc độ 24 đến 40 km / h, như trong Hình Hình 1.
1 b [13].
Theo DARPA, các phương tiện có cánh cố định là tốt nhất khi tính về kích thước và
trọng lượng [47]. Tuy nhiên, để bay được chúng cần liên tục di chuyển về phía trước để
tạo ra lực nâng và các phương tiện không thể lượn và cơ động trong không gian chật
hẹp. Do đó, chúng không phù hợp với mục tiêu của chúng tôi được xác định trong Phần
giới thiệu chung. Kiểu cánh được trình bày trong phần tiếp theo có thể là giải pháp cho
một MAV cơ động hơn.
2.2 Cánh xoay
Hình 1. 2: Các cấu hình của phương tiện bay loại cánh xoay: a) conventional, b) ducted
coaxial, c) conventional coaxial, d) side-by-side rotors, e) synchropter, f) conventional
tandem, g) quadrotor [20], [21].
https://sachhaynendoc.com.vn/
7
Khả năng cất cánh thẳng đứng, bay lơ lửng và bay chậm theo bất kỳ hướng nào khiến
các phương tiện cánh quay trở nên rất hấp dẫn, đặc biệt là để sử dụng trong môi trường
đô thị hạn chế hoặc trong nhà. Phạm vi ứng dụng rộng rãi: điều hướng trong nhà, trinh
sát dân sự, an ninh dân sự, lập bản đồ, khảo sát và giám sát, mô hình độ cao kỹ thuật số,
chụp ảnh nói chung, v.v. Dựa trên số lượng và vị trí của cánh quạt, các phương tiện cánh
quay có thể được chia thành các danh mục khác nhau, như minh họa trong Hình Hình
1. 2.
Mỗi loại có những đặc điểm cụ thể phù hợp với các nhiệm vụ cụ thể, do đó danh mục
được lựa chọn phụ thuộc vào nhiệm vụ. Ví dụ, nếu cần một MAV cánh quay có thể điều
khiển được thì động cơ bốn bánh sẽ phù hợp hơn, nhưng nếu yêu cầu phương tiện bay
có cấu hình phức tạp thấp thì động cơ bốn bánh không còn là lựa chọn tốt nhất. Trong
số các MAV cánh xoay có liên quan, trước tiên chúng ta có thể trích dẫn Black Hornet
(Hình Hình 1. 3a), một MAV quân sự được phát triển bởi Prox Dynamics AS của Na
Uy [22]. Thiết bị này có kích thước khoảng 10 cm x 2,5 cm - đủ nhỏ để vừa trong tay
bạn - và chỉ nặng hơn 16 g bao gồm cả pin. Phương tiện bay này sở hữu ba camera, một
hướng về phía trước, một hướng thẳng xuống và một hướng xuống 45 °, và hiện đang
được sử dụng trong các khu vực chiến đấu.
Hình 1. 3: Ví dụ MAV và NAV loại cánh xoay, (a) the Black Hornet, (b) Crazyflie, (c)
Mesicopter, (d) Picoflyer. https://sachhaynendoc.com.vn/
Khả năng cất cánh thẳng đứng, bay lơ lửng và bay chậm theo bất kỳ hướng nào khiến
các phương tiện cánh quay trở nên rất hấp dẫn, đặc biệt là để sử dụng trong môi trường
đô thị hạn chế hoặc trong nhà. Phạm vi ứng dụng rộng rãi: điều hướng trong nhà, trinh
sát dân sự, an ninh dân sự, lập bản đồ, khảo sát và giám sát, mô hình độ cao kỹ thuật số,
chụp ảnh nói chung, v.v. Dựa trên số lượng và vị trí của cánh quạt, các phương tiện cánh
quay có thể được chia thành các danh mục khác nhau, như minh họa trong Hình Hình
1. 2.
Mỗi loại có những đặc điểm cụ thể phù hợp với các nhiệm vụ cụ thể, do đó danh mục
được lựa chọn phụ thuộc vào nhiệm vụ. Ví dụ, nếu cần một MAV cánh quay có thể điều
khiển được thì động cơ bốn bánh sẽ phù hợp hơn, nhưng nếu yêu cầu phương tiện bay
có cấu hình phức tạp thấp thì động cơ bốn bánh không còn là lựa chọn tốt nhất. Trong
số các MAV cánh xoay có liên quan, trước tiên chúng ta có thể trích dẫn Black Hornet
(Hình Hình 1. 3a), một MAV quân sự được phát triển bởi Prox Dynamics AS của Na
Uy [22]. Thiết bị này có kích thước khoảng 10 cm x 2,5 cm - đủ nhỏ để vừa trong tay
bạn - và chỉ nặng hơn 16 g bao gồm cả pin. Phương tiện bay này sở hữu ba camera, một
hướng về phía trước, một hướng thẳng xuống và một hướng xuống 45 °, và hiện đang
được sử dụng trong các khu vực chiến đấu.
Hình 1. 3: Ví dụ MAV và NAV loại cánh xoay, (a) the Black Hornet, (b) Crazyflie, (c)
Mesicopter, (d) Picoflyer. https://sachhaynendoc.com.vn/
8
Một ví dụ khác là quadrotor Crazyflie 2.0 (Hình Hình 1. 3b), một nền tảng phát triển
máy bay cơ động mã nguồn mở, lý tưởng cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu. Có thể sửa đổi
bất kỳ phần nào của hệ thống để kiểm soát hoàn toàn và hoàn toàn linh hoạt. Phần cứng
mong muốn hoặc thậm chí các cảm biến mới nhất có thể được thêm vào thông qua các
cổng mở rộng. Quadrotor này chỉ nặng 27 g và có kích thước 92 mm x 92 mm x 29 mm,
đủ nhỏ để nằm gọn trong tay bạn. Thời gian bay của nó là khoảng 7 phút và trọng tải
khuyến nghị tối đa của nó là 15 g [23].
Hệ thống cánh quay có thể được sử dụng trong MAV và NAV. Tuy nhiên, MAV hiện
được ưa chuộng hơn do khả năng chịu tải cao hơn. Hai NAV quay được giới thiệu ở
đây: Mesicopter [24] và Picoflyer [25]. Mesicopter, một NAV quadrotor 3 g, là một
phần của nghiên cứu khả thi cho rôto quy mô rất nhỏ (Hình Hình 1. 3c). Sử dụng rôto
có đường kính 1,5 cm và nguồn điện bên ngoài, nguyên mẫu có thể bay lơ lửng khi bị
hạn chế vào bàn thử nghiệm. Tuy nhiên, thiết bị không thể duy trì chuyến bay thực vì
pin quá nặng và không có thiết bị điện tử điều khiển. Picoflyer cánh quạt đồng trục quay
ngược chiều 60 mm (Hình 1.4d) là máy bay trực thăng điều khiển bằng sóng vô tuyến
nhỏ nhất từng được giới thiệu, chỉ nặng 3,3 g và bay liên tục trong 30 s. Mặc dù nó ổn
định một cách thụ động nhưng nó đòi hỏi một người điều khiển có kinh nghiệm và nó
không có cảm biến.
Phân tích số liệu công suất (FM) trong tài liệu [54] cho thấy kết quả kém đối với rôto sử
dụng cho MAV dẫn đến thời gian bay ngắn. Ngoài ra, rất ít hệ phương tiện có trang bị
các cảm biến bổ sung. FM giảm từ 0,8 đối với phương tiện bay cánh xoay có người lái
thông thường xuống từ 0,45 đến 0,55 đối với các MAV hiện có. Hiệu suất khí động học
kém này là hậu quả của số Re hoạt động thấp và hiệu ứng nhớt tương đối cao hơn. Để
tăng thời gian bay, các nhà thiết kế hệ thống cánh quay đã tập trung nhiều hơn vào việc
tối ưu hóa hình dạng cánh gió, nền tảng cánh quạt và sự phân bố xoắn [55]. Cuối cùng
nhưng không kém phần quan trọng, không thể bỏ qua tiếng ồn do tần số kích hoạt đơn
lẻ của các cánh quạt hoặc rôto.
Kết luận, cả cánh cố định và cánh quay đã được nghiên cứu trong nhiều năm. Tuy nhiên,
tất cả đều có vấn đề khi ta cố gắng giảm kích phương tiện và hệ số Re. Điều này đã thúc
đẩy các nghiên cứu với loại cánh thứ ba: cánh đập.
https://sachhaynendoc.com.vn/
Một ví dụ khác là quadrotor Crazyflie 2.0 (Hình Hình 1. 3b), một nền tảng phát triển
máy bay cơ động mã nguồn mở, lý tưởng cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu. Có thể sửa đổi
bất kỳ phần nào của hệ thống để kiểm soát hoàn toàn và hoàn toàn linh hoạt. Phần cứng
mong muốn hoặc thậm chí các cảm biến mới nhất có thể được thêm vào thông qua các
cổng mở rộng. Quadrotor này chỉ nặng 27 g và có kích thước 92 mm x 92 mm x 29 mm,
đủ nhỏ để nằm gọn trong tay bạn. Thời gian bay của nó là khoảng 7 phút và trọng tải
khuyến nghị tối đa của nó là 15 g [23].
Hệ thống cánh quay có thể được sử dụng trong MAV và NAV. Tuy nhiên, MAV hiện
được ưa chuộng hơn do khả năng chịu tải cao hơn. Hai NAV quay được giới thiệu ở
đây: Mesicopter [24] và Picoflyer [25]. Mesicopter, một NAV quadrotor 3 g, là một
phần của nghiên cứu khả thi cho rôto quy mô rất nhỏ (Hình Hình 1. 3c). Sử dụng rôto
có đường kính 1,5 cm và nguồn điện bên ngoài, nguyên mẫu có thể bay lơ lửng khi bị
hạn chế vào bàn thử nghiệm. Tuy nhiên, thiết bị không thể duy trì chuyến bay thực vì
pin quá nặng và không có thiết bị điện tử điều khiển. Picoflyer cánh quạt đồng trục quay
ngược chiều 60 mm (Hình 1.4d) là máy bay trực thăng điều khiển bằng sóng vô tuyến
nhỏ nhất từng được giới thiệu, chỉ nặng 3,3 g và bay liên tục trong 30 s. Mặc dù nó ổn
định một cách thụ động nhưng nó đòi hỏi một người điều khiển có kinh nghiệm và nó
không có cảm biến.
Phân tích số liệu công suất (FM) trong tài liệu [54] cho thấy kết quả kém đối với rôto sử
dụng cho MAV dẫn đến thời gian bay ngắn. Ngoài ra, rất ít hệ phương tiện có trang bị
các cảm biến bổ sung. FM giảm từ 0,8 đối với phương tiện bay cánh xoay có người lái
thông thường xuống từ 0,45 đến 0,55 đối với các MAV hiện có. Hiệu suất khí động học
kém này là hậu quả của số Re hoạt động thấp và hiệu ứng nhớt tương đối cao hơn. Để
tăng thời gian bay, các nhà thiết kế hệ thống cánh quay đã tập trung nhiều hơn vào việc
tối ưu hóa hình dạng cánh gió, nền tảng cánh quạt và sự phân bố xoắn [55]. Cuối cùng
nhưng không kém phần quan trọng, không thể bỏ qua tiếng ồn do tần số kích hoạt đơn
lẻ của các cánh quạt hoặc rôto.
Kết luận, cả cánh cố định và cánh quay đã được nghiên cứu trong nhiều năm. Tuy nhiên,
tất cả đều có vấn đề khi ta cố gắng giảm kích phương tiện và hệ số Re. Điều này đã thúc
đẩy các nghiên cứu với loại cánh thứ ba: cánh đập.
https://sachhaynendoc.com.vn/
9
2.3 Cánh đập
Ý tưởng về phương tiện bay loại cánh đập được lấy cảm hứng từ các sinh vật bay bao
gồm chim và côn trùng, đập cánh để tạo lực nâng và lực đẩy. MAV nằm trong cùng
phạm vi với các loài chim nhỏ nhất và côn trùng lớn nhất. Ở kích thước nhỏ này, những
phương tiện bay phải chịu hiệu ứng nhớt tương đối cao do sự giảm số hệ số Re. Như
trong Hình 1. 4, các phương tiện hoặc động vật bay càng nhỏ thì số Re càng thấp. Hơn
nữa, cánh liên tục tăng và giảm tốc trong quá trình đảo chiều hành trình dẫn đến khí
động học không ổn định cao. May mắn thay, thiên nhiên đã có câu trả lời, đó là lý do tại
sao các nhà nghiên cứu đang cố gắng tái tạo trong phòng thí nghiệm kỹ thuật bay tương
tự như các loài chim và côn trùng được gọi là cánh đập.
Hình 1. 4:Khoảng hệ số Reynolds cho các sinh vật cũng như phương tiện bay, hình được
tích hợp từ tài liệu tham khảo [26].
Cần phải phân biệt kỹ thuật bay giống chim và giống côn trùng vì chúng dựa trên những
nguyên tắc hoàn toàn khác nhau. Nhóm thứ nhất vỗ cánh lên xuống với một sự thay đổi
nhỏ về góc tấn trong khi bay. Chuyển động của cánh này tạo ra lực nâng và lực đẩy cùng
một lúc. Tuy nhiên, lực đẩy được tạo ra nhỏ và cần tốc độ bay về phía trước, đó là lý do
tại sao các loài chim không thể bay lượn, ngoại trừ chim ruồi vì chúng thực chất sử dụng
động học côn trùng. Nhóm thứ hai vỗ cánh theo phương gần nằm ngang với những thay
đổi lớn và nhanh chóng về góc tấn [27]. Do sự thay đổi góc lớn này, các phương tiện
giống côn trùng có thể đạt tỷ lệ giữa trọng lượng và lực nâng cao hơn so với nhóm giống
chim và do đó có thể cất cánh và hạ cánh thẳng đứng cũng như bay lơ lửng. Ngoài ra, https://sachhaynendoc.com.vn/
2.3 Cánh đập
Ý tưởng về phương tiện bay loại cánh đập được lấy cảm hứng từ các sinh vật bay bao
gồm chim và côn trùng, đập cánh để tạo lực nâng và lực đẩy. MAV nằm trong cùng
phạm vi với các loài chim nhỏ nhất và côn trùng lớn nhất. Ở kích thước nhỏ này, những
phương tiện bay phải chịu hiệu ứng nhớt tương đối cao do sự giảm số hệ số Re. Như
trong Hình 1. 4, các phương tiện hoặc động vật bay càng nhỏ thì số Re càng thấp. Hơn
nữa, cánh liên tục tăng và giảm tốc trong quá trình đảo chiều hành trình dẫn đến khí
động học không ổn định cao. May mắn thay, thiên nhiên đã có câu trả lời, đó là lý do tại
sao các nhà nghiên cứu đang cố gắng tái tạo trong phòng thí nghiệm kỹ thuật bay tương
tự như các loài chim và côn trùng được gọi là cánh đập.
Hình 1. 4:Khoảng hệ số Reynolds cho các sinh vật cũng như phương tiện bay, hình được
tích hợp từ tài liệu tham khảo [26].
Cần phải phân biệt kỹ thuật bay giống chim và giống côn trùng vì chúng dựa trên những
nguyên tắc hoàn toàn khác nhau. Nhóm thứ nhất vỗ cánh lên xuống với một sự thay đổi
nhỏ về góc tấn trong khi bay. Chuyển động của cánh này tạo ra lực nâng và lực đẩy cùng
một lúc. Tuy nhiên, lực đẩy được tạo ra nhỏ và cần tốc độ bay về phía trước, đó là lý do
tại sao các loài chim không thể bay lượn, ngoại trừ chim ruồi vì chúng thực chất sử dụng
động học côn trùng. Nhóm thứ hai vỗ cánh theo phương gần nằm ngang với những thay
đổi lớn và nhanh chóng về góc tấn [27]. Do sự thay đổi góc lớn này, các phương tiện
giống côn trùng có thể đạt tỷ lệ giữa trọng lượng và lực nâng cao hơn so với nhóm giống
chim và do đó có thể cất cánh và hạ cánh thẳng đứng cũng như bay lơ lửng. Ngoài ra, https://sachhaynendoc.com.vn/
10
cùng với các kỹ năng bay lượn, bay lùi và phục hồi sau tác động đột ngột, côn trùng còn
có thời gian bay khá dài mà không phải tiêu tốn nhiều năng lượng hơn. Tuy nhiên, hiệu
suất của các thiết kế MAV cánh đập hiện có vẫn kém hơn so với các thiết kế cánh cố
định và cánh quay. Tuy nhiên, tiềm năng đạt được những hiệu suất bay đáng kinh ngạc
như các loại sinh vật trong thiên nhiên vẫn thúc đẩy nhiều nghiên cứu tích cực trong lĩnh
vực này.
Tóm lại, một số MAV hiện có (dữ liệu năm 2014) được vẽ biểu đồ dựa trên trọng lượng
và thời gian bay như trong Hình 1. 5. Để dễ mô tả, màu tím, xanh lam và đỏ lần lượt
được chọn cho chữ của tên của các phương tiện loại cánh cố định, quay và cánh đập.
Hình 1. 5: Mối quan hệ giữa trọng lượng và thời gian bay của các MAV hiện có (số liệu
năm 2014). Tên của các phương tiện có cánh cố định, quay và cánh đập có màu lần lượt
là tím, xanh lam và đỏ. Chỉ các kích thước chính tương ứng với từng loại cánh được
hiển thị để chỉ ra kích phương tiện. Ví dụ: sải cánh mô tả kích thước của các MAV có
cánh đập và cánh cố định, trong khi kích thước 3D của đường kính quadrotor và rotor
được sử dụng cho các phương tiện cánh quay khác
Rõ ràng là các MAV có cánh cố định như Micro Start và Black Widow [12] có thời gian
bay lâu hơn so với các loại cánh khác, tuy nhiên việc thiếu khả năng bay lơ lửng và khối
lượng lớn hơn khiến chúng kém thú vị đối với nghiên cứu của chúng tôi. MAV cánh
quay chẳng hạn như Crazyflie [23] và Lady Bird thành công khi bay lơ lửng, cất cánh
và hạ cánh thẳng đứng. Chúng có thể cơ động và thích hợp để ứng dụng trong nhà. Tuy https://sachhaynendoc.com.vn/
cùng với các kỹ năng bay lượn, bay lùi và phục hồi sau tác động đột ngột, côn trùng còn
có thời gian bay khá dài mà không phải tiêu tốn nhiều năng lượng hơn. Tuy nhiên, hiệu
suất của các thiết kế MAV cánh đập hiện có vẫn kém hơn so với các thiết kế cánh cố
định và cánh quay. Tuy nhiên, tiềm năng đạt được những hiệu suất bay đáng kinh ngạc
như các loại sinh vật trong thiên nhiên vẫn thúc đẩy nhiều nghiên cứu tích cực trong lĩnh
vực này.
Tóm lại, một số MAV hiện có (dữ liệu năm 2014) được vẽ biểu đồ dựa trên trọng lượng
và thời gian bay như trong Hình 1. 5. Để dễ mô tả, màu tím, xanh lam và đỏ lần lượt
được chọn cho chữ của tên của các phương tiện loại cánh cố định, quay và cánh đập.
Hình 1. 5: Mối quan hệ giữa trọng lượng và thời gian bay của các MAV hiện có (số liệu
năm 2014). Tên của các phương tiện có cánh cố định, quay và cánh đập có màu lần lượt
là tím, xanh lam và đỏ. Chỉ các kích thước chính tương ứng với từng loại cánh được
hiển thị để chỉ ra kích phương tiện. Ví dụ: sải cánh mô tả kích thước của các MAV có
cánh đập và cánh cố định, trong khi kích thước 3D của đường kính quadrotor và rotor
được sử dụng cho các phương tiện cánh quay khác
Rõ ràng là các MAV có cánh cố định như Micro Start và Black Widow [12] có thời gian
bay lâu hơn so với các loại cánh khác, tuy nhiên việc thiếu khả năng bay lơ lửng và khối
lượng lớn hơn khiến chúng kém thú vị đối với nghiên cứu của chúng tôi. MAV cánh
quay chẳng hạn như Crazyflie [23] và Lady Bird thành công khi bay lơ lửng, cất cánh
và hạ cánh thẳng đứng. Chúng có thể cơ động và thích hợp để ứng dụng trong nhà. Tuy https://sachhaynendoc.com.vn/
11
nhiên, thời gian bay của chúng ngắn và giảm đáng kể khi kích thước của chúng trở nên
nhỏ hơn như trong trường hợp của Picoflyer. Ở kích thước nhỏ, phương tiện cánh vỗ có
hiệu suất tốt hơn so với phương tiện cánh cố định và cánh quay. Với trọng lượng gần
như nhau, Delfly II [28] có thể bay nhiều hơn Crazyflie 8 phút và 9 phút khi so sánh với
trọng lượng chỉ bằng một phần hai của Lady Bird. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng
đúng rằng loại cánh vỗ sẽ hoạt động tốt hơn loại cánh đập. Ví dụ, Black Hornet [22] là
một ngoại lệ vì nó di chuyển hiệu quả hơn nhưng chỉ cùng trọng lượng với AV
Hummingbird [29].
Với mục đích phát triển một MAV có thể hoạt động trong môi trường trong nhà, hạn
chế, loại cánh cố định được trình bày trong Mục 2.1tất nhiên không phải là lựa chọn phù
hợp do không có khả năng bay lượn. Loại cánh thứ hai được giới thiệu trong Phần 2.2
(cánh quay) cho thấy khả năng cơ động tuyệt vời nhưng hiệu suất của nó, đặc biệt là
thời gian bay, giảm mạnh khi giảm kích thước phương tiện. Chỉ có loại cuối cùng được
trình bày trong phần này với động học cánh giống côn trùng dường như đáp ứng cả tính
linh hoạt và thời gian bay. Do đó, kết luận lại, rõ ràng là loại cuối cùng là loại duy nhất
thích nghi hoàn hảo với mục tiêu của chúng tôi.
Hình 1. 6: Xếp chồng nhiều khung ảnh để hiển thị các thao tác hạ cánh linh hoạt của
ong mật [30]. https://sachhaynendoc.com.vn/
nhiên, thời gian bay của chúng ngắn và giảm đáng kể khi kích thước của chúng trở nên
nhỏ hơn như trong trường hợp của Picoflyer. Ở kích thước nhỏ, phương tiện cánh vỗ có
hiệu suất tốt hơn so với phương tiện cánh cố định và cánh quay. Với trọng lượng gần
như nhau, Delfly II [28] có thể bay nhiều hơn Crazyflie 8 phút và 9 phút khi so sánh với
trọng lượng chỉ bằng một phần hai của Lady Bird. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng
đúng rằng loại cánh vỗ sẽ hoạt động tốt hơn loại cánh đập. Ví dụ, Black Hornet [22] là
một ngoại lệ vì nó di chuyển hiệu quả hơn nhưng chỉ cùng trọng lượng với AV
Hummingbird [29].
Với mục đích phát triển một MAV có thể hoạt động trong môi trường trong nhà, hạn
chế, loại cánh cố định được trình bày trong Mục 2.1tất nhiên không phải là lựa chọn phù
hợp do không có khả năng bay lượn. Loại cánh thứ hai được giới thiệu trong Phần 2.2
(cánh quay) cho thấy khả năng cơ động tuyệt vời nhưng hiệu suất của nó, đặc biệt là
thời gian bay, giảm mạnh khi giảm kích thước phương tiện. Chỉ có loại cuối cùng được
trình bày trong phần này với động học cánh giống côn trùng dường như đáp ứng cả tính
linh hoạt và thời gian bay. Do đó, kết luận lại, rõ ràng là loại cuối cùng là loại duy nhất
thích nghi hoàn hảo với mục tiêu của chúng tôi.
Hình 1. 6: Xếp chồng nhiều khung ảnh để hiển thị các thao tác hạ cánh linh hoạt của
ong mật [30]. https://sachhaynendoc.com.vn/
12
Hình 1. 7: Chuỗi video sử dụng lăng kính cho thấy cách ruồi nhảy thoát khỏi nguy hiểm.
Các chấm trắng trên hình ảnh đánh dấu các điểm trên đầu và bụng được dùng để xác
định khối tâm của ruồi (vòng tròn đen trắng) tại ba thời điểm: bắt đầu kích thích (�
0),
ngay trước khi nhảy (�
??????????????????), và thời điểm cất cánh (�
���??????). Dấu chấm màu đỏ đánh dấu
điểm tiếp xúc của phần đoạn cuối cùng của chân côn trùng với bề mặt tại �
0 [31].
3. Lựa chọn động học cánh và khí động học theo kèm
Khả năng bay tuyệt vời của côn trùng và chim chủ yếu là do động học của cánh và các
lực khí động học gây ra. Trong tự nhiên, côn trùng và chim có hai hình thức bay khác
nhau dựa trên cách vỗ cánh của chúng. Trong một chu kỳ vỗ cánh, trong khi hầu hết các
loài chim vỗ cánh lên xuống trong một mặt phẳng thẳng đứng với những thay đổi nhỏ
về góc tấn của cánh, thì côn trùng vỗ theo một mặt phẳng gần như nằm ngang với những
thay đổi lớn về góc độ của cánh [32].
So với chim, động học của cánh côn trùng phức tạp hơn. Có rất nhiều biến thể nhưng
các yếu tố cơ bản có thể được tìm thấy trong Hình 1. 8, bao gồm bốn chuyển động chính:
hành trình đi xuống, đảo chiều, hành trình lên và lại đảo chiều. Trong khi hành trình đi
xuống và hành trình hướng lên chủ yếu là chuyển động tịnh tiến dọc theo mặt phẳng
hành trình, hai chuyển động cơ bản còn lại là chuyển động quay dọc theo trục cánh. Khi
đến cuối mỗi lần vỗ, cánh đảo ngược hướng để có góc tấn dương cho lần vỗ tiếp theo.
Ngay cả trong trạng thái tịnh tiến, góc tấn liên tục thay đổi để đạt giá trị trung bình
thường là 35 ° ở vị trí 70% của sải cánh [33]. Trong chu kỳ vỗ cánh, đầu cánh sẽ vẽ hình
giống quả chuối hoặc hình số tám trong mặt phẳng vỗ cánh. Bằng cách nghiêng mặt
phẳng vỗ cánh và phá vỡ sự đối xứng giữa hai nửa chu ký, côn trùng có thể bay tới hoặc https://sachhaynendoc.com.vn/
Hình 1. 7: Chuỗi video sử dụng lăng kính cho thấy cách ruồi nhảy thoát khỏi nguy hiểm.
Các chấm trắng trên hình ảnh đánh dấu các điểm trên đầu và bụng được dùng để xác
định khối tâm của ruồi (vòng tròn đen trắng) tại ba thời điểm: bắt đầu kích thích (�
0),
ngay trước khi nhảy (�
??????????????????), và thời điểm cất cánh (�
���??????). Dấu chấm màu đỏ đánh dấu
điểm tiếp xúc của phần đoạn cuối cùng của chân côn trùng với bề mặt tại �
0 [31].
3. Lựa chọn động học cánh và khí động học theo kèm
Khả năng bay tuyệt vời của côn trùng và chim chủ yếu là do động học của cánh và các
lực khí động học gây ra. Trong tự nhiên, côn trùng và chim có hai hình thức bay khác
nhau dựa trên cách vỗ cánh của chúng. Trong một chu kỳ vỗ cánh, trong khi hầu hết các
loài chim vỗ cánh lên xuống trong một mặt phẳng thẳng đứng với những thay đổi nhỏ
về góc tấn của cánh, thì côn trùng vỗ theo một mặt phẳng gần như nằm ngang với những
thay đổi lớn về góc độ của cánh [32].
So với chim, động học của cánh côn trùng phức tạp hơn. Có rất nhiều biến thể nhưng
các yếu tố cơ bản có thể được tìm thấy trong Hình 1. 8, bao gồm bốn chuyển động chính:
hành trình đi xuống, đảo chiều, hành trình lên và lại đảo chiều. Trong khi hành trình đi
xuống và hành trình hướng lên chủ yếu là chuyển động tịnh tiến dọc theo mặt phẳng
hành trình, hai chuyển động cơ bản còn lại là chuyển động quay dọc theo trục cánh. Khi
đến cuối mỗi lần vỗ, cánh đảo ngược hướng để có góc tấn dương cho lần vỗ tiếp theo.
Ngay cả trong trạng thái tịnh tiến, góc tấn liên tục thay đổi để đạt giá trị trung bình
thường là 35 ° ở vị trí 70% của sải cánh [33]. Trong chu kỳ vỗ cánh, đầu cánh sẽ vẽ hình
giống quả chuối hoặc hình số tám trong mặt phẳng vỗ cánh. Bằng cách nghiêng mặt
phẳng vỗ cánh và phá vỡ sự đối xứng giữa hai nửa chu ký, côn trùng có thể bay tới hoặc https://sachhaynendoc.com.vn/
13
lùi hoặc bay lơ lửng. Tóm lại, phương tiện bay lấy cảm hứng từ sinh học dựa trên côn
trùng có thể là một giải pháp có triển vọng cho một MAV có khả năng bay lượn cơ động.
Hình 1. 8: Động học cánh vỗ cơ bản: Đường đi của cánh được mô tả bởi quỹ đạo của
dây cung cánh; b) Ảnh chụp nhanh của hợp dây cung cánh này trong hành trình cánh
lên và xuống thể hiện chuyển động tịnh tiến và đảo chiều hành trình của nó tại cuối các
hành trình; [34] [10]
Cùng với động học cánh côn trùng, có rất nhiều cơ chế khí động học có khả năng được
sử dụng cho MAV. Ngoài ra, các hiệu ứng độc đáo rất phức tạp để mô hình hóa và tái
tạo vì vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được giải đáp nhưng ưu điểm của chúng là không thể
(a) https://sachhaynendoc.com.vn/
lùi hoặc bay lơ lửng. Tóm lại, phương tiện bay lấy cảm hứng từ sinh học dựa trên côn
trùng có thể là một giải pháp có triển vọng cho một MAV có khả năng bay lượn cơ động.
Hình 1. 8: Động học cánh vỗ cơ bản: Đường đi của cánh được mô tả bởi quỹ đạo của
dây cung cánh; b) Ảnh chụp nhanh của hợp dây cung cánh này trong hành trình cánh
lên và xuống thể hiện chuyển động tịnh tiến và đảo chiều hành trình của nó tại cuối các
hành trình; [34] [10]
Cùng với động học cánh côn trùng, có rất nhiều cơ chế khí động học có khả năng được
sử dụng cho MAV. Ngoài ra, các hiệu ứng độc đáo rất phức tạp để mô hình hóa và tái
tạo vì vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được giải đáp nhưng ưu điểm của chúng là không thể
(a) https://sachhaynendoc.com.vn/
14
bác bỏ. Ví dụ, việc lựa chọn phù hợp chi tiết có độ đàn hồi cho cánh vỗ thụ động dẫn
đến việc xoay cánh nâng cao dẫn đến tăng lực nâng [35] do hiệu ứng Kramer. Một ví dụ
khác là cơ chế “clap–and-fling” được sử dụng trong Delfly [28] hoặc Mentor [36] để
tăng thêm lực. Để biết thêm thông tin, vui lòng tham khảo [6]. Trong phần tiếp theo,
chúng tôi tìm kiếm câu trả lời cho câu hỏi sau: làm thế nào để đạt được động học của
cánh cụ thể ?.
4. Lựa chọn cơ chế truyền động cánh
Côn trùng và chim sử dụng các cơ bắp mạnh mẽ để kích hoạt cánh của chúng nhưng cấu
hình khác nhau tùy thuộc vào kích thước của chúng. Vì chim lớn hơn nhiều so với côn
trùng, nên có nhiều không gian hơn để kết hợp các cơ, lông và các bộ phận chuyển động
khác trong cánh của chúng. Cánh của một con chim bao gồm ba khớp ở vai, khuỷu tay
và cổ tay. Các cơ ngực tạo lực cho nhịp đập của cánh và các cơ khác điều chỉnh hình
dạng cánh trong khi bay. Do đó, chim có thể kiểm soát cả hình dạng và sải cánh để thích
nghi với các chế độ bay khác nhau [37].
Ngược lại, cánh côn trùng tương đối đơn giản chỉ có màng và các đường gân, và hình
dạng cánh hầu như không thay đổi trong quá trình vỗ cánh. Tuy nhiên, sự độc đáo bắt
nguồn từ cách mà các cơ bay được kết nối với cánh. Trong tự nhiên, chuyển động vỗ
cánh được tạo ra theo hai cách [38]. Cách thứ nhất bao gồm côn trùng sử dụng các cơ
trực tiếp điều khiển cánh. Đây là đặc trưng của côn trùng bốn cánh như chuồn chuồn.
Sự đơn giản của truyền động trực tiếp cho phép bay nhanh nhưng hạn chế tần số vỗ.
Nhóm thứ hai sử dụng cơ bay gián tiếp [39], được tìm thấy ở các loài côn trùng cao cấp
hơn như ong hoặc ruồi. Với cấu hình này, các cơ bay cùng với lồng ngực hoạt động như
một cấu trúc cộng hưởng. Do đó, côn trùng có thể vỗ ở tần số cao hơn nhiều, với biên
độ lớn hơn, và các cánh luôn đồng bộ. https://sachhaynendoc.com.vn/
bác bỏ. Ví dụ, việc lựa chọn phù hợp chi tiết có độ đàn hồi cho cánh vỗ thụ động dẫn
đến việc xoay cánh nâng cao dẫn đến tăng lực nâng [35] do hiệu ứng Kramer. Một ví dụ
khác là cơ chế “clap–and-fling” được sử dụng trong Delfly [28] hoặc Mentor [36] để
tăng thêm lực. Để biết thêm thông tin, vui lòng tham khảo [6]. Trong phần tiếp theo,
chúng tôi tìm kiếm câu trả lời cho câu hỏi sau: làm thế nào để đạt được động học của
cánh cụ thể ?.
4. Lựa chọn cơ chế truyền động cánh
Côn trùng và chim sử dụng các cơ bắp mạnh mẽ để kích hoạt cánh của chúng nhưng cấu
hình khác nhau tùy thuộc vào kích thước của chúng. Vì chim lớn hơn nhiều so với côn
trùng, nên có nhiều không gian hơn để kết hợp các cơ, lông và các bộ phận chuyển động
khác trong cánh của chúng. Cánh của một con chim bao gồm ba khớp ở vai, khuỷu tay
và cổ tay. Các cơ ngực tạo lực cho nhịp đập của cánh và các cơ khác điều chỉnh hình
dạng cánh trong khi bay. Do đó, chim có thể kiểm soát cả hình dạng và sải cánh để thích
nghi với các chế độ bay khác nhau [37].
Ngược lại, cánh côn trùng tương đối đơn giản chỉ có màng và các đường gân, và hình
dạng cánh hầu như không thay đổi trong quá trình vỗ cánh. Tuy nhiên, sự độc đáo bắt
nguồn từ cách mà các cơ bay được kết nối với cánh. Trong tự nhiên, chuyển động vỗ
cánh được tạo ra theo hai cách [38]. Cách thứ nhất bao gồm côn trùng sử dụng các cơ
trực tiếp điều khiển cánh. Đây là đặc trưng của côn trùng bốn cánh như chuồn chuồn.
Sự đơn giản của truyền động trực tiếp cho phép bay nhanh nhưng hạn chế tần số vỗ.
Nhóm thứ hai sử dụng cơ bay gián tiếp [39], được tìm thấy ở các loài côn trùng cao cấp
hơn như ong hoặc ruồi. Với cấu hình này, các cơ bay cùng với lồng ngực hoạt động như
một cấu trúc cộng hưởng. Do đó, côn trùng có thể vỗ ở tần số cao hơn nhiều, với biên
độ lớn hơn, và các cánh luôn đồng bộ. https://sachhaynendoc.com.vn/
15
Hình 1. 9: a) bird flight apparatus [37], insects and their flight apparatus: b) direct and
c) indirect muscles [38] [40].
5. Chế độ bay
Bây giờ để hiểu rõ hơn về các hiện tượng khí động học, chúng ta sẽ nhìn vào bản chất
để xác định các phương thức bay khác nhau. Một số cơ cấu được lấy cảm hứng từ những
sinh vật bay tự nhiên có thể được quan sát thấy trên các máy bay hiện tại.
a)
b) c) https://sachhaynendoc.com.vn/
Hình 1. 9: a) bird flight apparatus [37], insects and their flight apparatus: b) direct and
c) indirect muscles [38] [40].
5. Chế độ bay
Bây giờ để hiểu rõ hơn về các hiện tượng khí động học, chúng ta sẽ nhìn vào bản chất
để xác định các phương thức bay khác nhau. Một số cơ cấu được lấy cảm hứng từ những
sinh vật bay tự nhiên có thể được quan sát thấy trên các máy bay hiện tại.
a)
b) c) https://sachhaynendoc.com.vn/
16
5.1 Bay lướt
Bay theo cách lướt là phương thức bay ít tốn năng lượng. Với cách bay này, cánh chỉ
cần duỗi ra mà không cần vỗ. Khi di chuyển trong không khí, cánh làm lệch hướng
không khí đi xuống, tạo ra một lực nâng giữ đủ để giữ cho sinh vật bay không rơi xuống.
Để bay về phía trước, sinh vật bay hay máy bay có thể nghiêng về phía trước một chút
để lực nâng do cánh tạo ra hơi nghiêng về phía trước và giúp chúng tăng tốc.
Thế năng bù đắp tổn thất năng lượng do lực cản khí động học dẫn đến chuyến bay giảm
dần độ cao về phía trước. Chim thích bay lượn để tiết kiệm năng lượng. Các loài chim
lớn như chim hải âu, kền kền, kền kền và đại bàng có khả năng lượn đặc biệt tuyệt vời
[41]. Các loài côn trùng như chuồn chuồn, cào cào và bướm cũng có cách lượn để giảm
tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, việc không thể thay đổi sải cánh hoặc diện tích bề mặt
khiến côn trùng ít kiểm soát được hiệu suất lướt của chúng, và điều này có thể giải thích
tại sao việc lượn không phổ biến cho chúng [42]. Vì các cánh ở vị trí trong chế độ bay
này, vì vậy lý thuyết về phương tiện bay cánh cố định có thể được sử dụng để mô tả khí
động học của tàu lượn. Ví dụ, tỷ lệ lướt là tỷ số giữa chuyển động tịnh tiến và lao xuống
của một con chim và nó về mặt số học bằng tỷ lệ L: D (tỷ lệ lực nâng trên lực kéo) [43].
Lấy cảm hứng từ cấu trúc của cánh chim, một số thiết bị nâng cao lực nâng nhân tạo
được chế tạo để tăng tỷ lệ này. Thiết bị nâng cao là một bộ phận hoặc cơ cấu trên cánh
máy bay làm tăng hệ số nâng của máy bay cánh cố định. Hình 1. 10 trình bày các thiết
bị nâng cao có thể di chuyển được phổ biến bao gồm “flap” và “slat” và các thiết bị
tương đương của chúng ở động vật bay [44].
Các “flap” gắn trên mép kéo của cánh được sử dụng để nâng cao hệ số nâng và độ trễ
của máy bay nhằm giảm tốc độ tối thiểu mà máy bay có thể bay an toàn, cũng như để
tăng góc hạ cánh khi hạ cánh. Các cánh thường được thu lại trong chuyến bay bình
thường để giảm thiểu lực cản. Dơi có cánh theo mép sau và có thể chủ động điều khiển
độ khum của cánh để thay đổi diện tích bề mặt của cánh sau (Hình 1. 10 a). Chim có
đuôi chẻ dài có thể mở rộng đuôi để kéo dài thời gian gắn kết dòng chảy, do đó, hiện
tượng chòng chành xảy ra ở góc tấn lớn hơn. Con người bắt chước cơ chế này với các
“flap” mép có rãnh (Hình 1. 10c). Để tăng góc lượn và tránh nhiễu động ở phía sau máy
bay trong quá trình hạ cánh, một số loài chim vén lông che (Hình 1. 10d). Một cơ chế
tương tự do con người tạo ra là “flap” tách. https://sachhaynendoc.com.vn/
5.1 Bay lướt
Bay theo cách lướt là phương thức bay ít tốn năng lượng. Với cách bay này, cánh chỉ
cần duỗi ra mà không cần vỗ. Khi di chuyển trong không khí, cánh làm lệch hướng
không khí đi xuống, tạo ra một lực nâng giữ đủ để giữ cho sinh vật bay không rơi xuống.
Để bay về phía trước, sinh vật bay hay máy bay có thể nghiêng về phía trước một chút
để lực nâng do cánh tạo ra hơi nghiêng về phía trước và giúp chúng tăng tốc.
Thế năng bù đắp tổn thất năng lượng do lực cản khí động học dẫn đến chuyến bay giảm
dần độ cao về phía trước. Chim thích bay lượn để tiết kiệm năng lượng. Các loài chim
lớn như chim hải âu, kền kền, kền kền và đại bàng có khả năng lượn đặc biệt tuyệt vời
[41]. Các loài côn trùng như chuồn chuồn, cào cào và bướm cũng có cách lượn để giảm
tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, việc không thể thay đổi sải cánh hoặc diện tích bề mặt
khiến côn trùng ít kiểm soát được hiệu suất lướt của chúng, và điều này có thể giải thích
tại sao việc lượn không phổ biến cho chúng [42]. Vì các cánh ở vị trí trong chế độ bay
này, vì vậy lý thuyết về phương tiện bay cánh cố định có thể được sử dụng để mô tả khí
động học của tàu lượn. Ví dụ, tỷ lệ lướt là tỷ số giữa chuyển động tịnh tiến và lao xuống
của một con chim và nó về mặt số học bằng tỷ lệ L: D (tỷ lệ lực nâng trên lực kéo) [43].
Lấy cảm hứng từ cấu trúc của cánh chim, một số thiết bị nâng cao lực nâng nhân tạo
được chế tạo để tăng tỷ lệ này. Thiết bị nâng cao là một bộ phận hoặc cơ cấu trên cánh
máy bay làm tăng hệ số nâng của máy bay cánh cố định. Hình 1. 10 trình bày các thiết
bị nâng cao có thể di chuyển được phổ biến bao gồm “flap” và “slat” và các thiết bị
tương đương của chúng ở động vật bay [44].
Các “flap” gắn trên mép kéo của cánh được sử dụng để nâng cao hệ số nâng và độ trễ
của máy bay nhằm giảm tốc độ tối thiểu mà máy bay có thể bay an toàn, cũng như để
tăng góc hạ cánh khi hạ cánh. Các cánh thường được thu lại trong chuyến bay bình
thường để giảm thiểu lực cản. Dơi có cánh theo mép sau và có thể chủ động điều khiển
độ khum của cánh để thay đổi diện tích bề mặt của cánh sau (Hình 1. 10 a). Chim có
đuôi chẻ dài có thể mở rộng đuôi để kéo dài thời gian gắn kết dòng chảy, do đó, hiện
tượng chòng chành xảy ra ở góc tấn lớn hơn. Con người bắt chước cơ chế này với các
“flap” mép có rãnh (Hình 1. 10c). Để tăng góc lượn và tránh nhiễu động ở phía sau máy
bay trong quá trình hạ cánh, một số loài chim vén lông che (Hình 1. 10d). Một cơ chế
tương tự do con người tạo ra là “flap” tách. https://sachhaynendoc.com.vn/
17
Hình 1. 10: Thiết bị tăng lực nâng của máy bay lấy cảm hứng từ các sinh vật bay, [44],
[45].
Các cánh đệm mép trước ngăn chặn sự giảm lực nâng bằng cách hút nhiều không khí từ
bên dưới, nơi có khe lớn (Hình 1. 10 b), làm tăng tốc không khí trong khe hình phễu và
thổi luồng không khí nhanh này theo phương tiếp tuyến qua bề mặt cánh phía trên qua
nhiều khe nhỏ hơn. Hạn chế của cơ chế này là không khí được tăng tốc trong khe cần
năng lượng, đồng nghĩa với lực cản cao hơn. Vì thiết bị này chỉ cần thiết cho những lúc
cần bay chậm như cất cánh và hạ cánh, tốt hơn nên đóng nó ở tốc độ cao để giảm lực
cản. Các loài chim có thể đạt được hiệu ứng tương tự bằng cách nâng cao "ngón tay cái"
của chúng với một số lông ở mép trước (Hình 1. 10 b). https://sachhaynendoc.com.vn/
Hình 1. 10: Thiết bị tăng lực nâng của máy bay lấy cảm hứng từ các sinh vật bay, [44],
[45].
Các cánh đệm mép trước ngăn chặn sự giảm lực nâng bằng cách hút nhiều không khí từ
bên dưới, nơi có khe lớn (Hình 1. 10 b), làm tăng tốc không khí trong khe hình phễu và
thổi luồng không khí nhanh này theo phương tiếp tuyến qua bề mặt cánh phía trên qua
nhiều khe nhỏ hơn. Hạn chế của cơ chế này là không khí được tăng tốc trong khe cần
năng lượng, đồng nghĩa với lực cản cao hơn. Vì thiết bị này chỉ cần thiết cho những lúc
cần bay chậm như cất cánh và hạ cánh, tốt hơn nên đóng nó ở tốc độ cao để giảm lực
cản. Các loài chim có thể đạt được hiệu ứng tương tự bằng cách nâng cao "ngón tay cái"
của chúng với một số lông ở mép trước (Hình 1. 10 b). https://sachhaynendoc.com.vn/
18
Hình 1. 11: Cơ cấu tạo luồng xoáy sử dụng trên máy bay (trái) lấy cảm hứng từ thiên
nhiên, a) Protruding digit on a bat wing, b) Serrated leading-edge feather of an owl, c)
Corrugated dragonfly wing, adapted from [44], [45].
Một cách khác để ngăn chặn sự phân tách dòng chảy trên cánh máy bay là sử cơ cấu tạo
dòng xoáy đặt dọc theo những phần dày nhất của sải cánh (Hình 1. 11). Các cơ cấu này
giúp duy trì sự trao đổi động lượng giữa các lớp chậm ở gần cánh và dòng chảy tự do
bằng cách tạo ra sự hỗn loạn trong lớp biên trên bề mặt cánh trên; do đó, sự phân tách
dòng chảy xảy ra ở các góc tấn công cao hơn. Phần nhô ra trên cánh dơi, lông cánh có
răng cưa ở mép cánh của cú và cánh lượn sóng của chuồn chuồn có cùng mục đích, xem
Hình 1. 11 (bên phải). Ngoài ra, cơ chế này còn giảm tiếng ồn khi bay.
5.2 Đập cánh bay tới
Đập cánh bay tới sử dụng nhiều năng lượng hơn so với bay lượn vì những sinh vật bay
phải vỗ cánh liên tục. Trong quá trình chuyển động này, các cánh tiếp tục tạo ra lực
nâng, giống như khi lướt, nhưng lực nâng được chuyển hướng về phía trước để cung cấp
lực đẩy; điều này bù lại lực cản và cung cấp tốc độ bay tới. Lực nâng cũng chống lại
trọng lượng của con chim cho phép nó duy trì độ cao hoặc bay cao lên lên [87].
Để làm điều đó, sinh vật bay bay phải nghiêng mặt phẳng đập cánh xuống và về phía
trước trong hành trình đập cánh xuống, lên và lùi lại trong hành trình rút hướng lên. https://sachhaynendoc.com.vn/
Hình 1. 11: Cơ cấu tạo luồng xoáy sử dụng trên máy bay (trái) lấy cảm hứng từ thiên
nhiên, a) Protruding digit on a bat wing, b) Serrated leading-edge feather of an owl, c)
Corrugated dragonfly wing, adapted from [44], [45].
Một cách khác để ngăn chặn sự phân tách dòng chảy trên cánh máy bay là sử cơ cấu tạo
dòng xoáy đặt dọc theo những phần dày nhất của sải cánh (Hình 1. 11). Các cơ cấu này
giúp duy trì sự trao đổi động lượng giữa các lớp chậm ở gần cánh và dòng chảy tự do
bằng cách tạo ra sự hỗn loạn trong lớp biên trên bề mặt cánh trên; do đó, sự phân tách
dòng chảy xảy ra ở các góc tấn công cao hơn. Phần nhô ra trên cánh dơi, lông cánh có
răng cưa ở mép cánh của cú và cánh lượn sóng của chuồn chuồn có cùng mục đích, xem
Hình 1. 11 (bên phải). Ngoài ra, cơ chế này còn giảm tiếng ồn khi bay.
5.2 Đập cánh bay tới
Đập cánh bay tới sử dụng nhiều năng lượng hơn so với bay lượn vì những sinh vật bay
phải vỗ cánh liên tục. Trong quá trình chuyển động này, các cánh tiếp tục tạo ra lực
nâng, giống như khi lướt, nhưng lực nâng được chuyển hướng về phía trước để cung cấp
lực đẩy; điều này bù lại lực cản và cung cấp tốc độ bay tới. Lực nâng cũng chống lại
trọng lượng của con chim cho phép nó duy trì độ cao hoặc bay cao lên lên [87].
Để làm điều đó, sinh vật bay bay phải nghiêng mặt phẳng đập cánh xuống và về phía
trước trong hành trình đập cánh xuống, lên và lùi lại trong hành trình rút hướng lên. https://sachhaynendoc.com.vn/
19
Ngoài ra, tốc độ bay còn phụ thuộc vào góc của mặt phẳng hành trình. Để bay nhanh
hơn, sinh vật bay phải làm cho mặt phẳng đập cánh thẳng đứng hơn bằng cách tăng biên
độ lên và xuống. Ở tốc độ cao, thân sinh vật bay bay có xu hướng nghiêng mũi xuống,
và cuối cùng trở thành nằm ngang, do đó giảm thiểu lực cản gây ra do hình dáng của cơ
thể [88]. Ngược lại, vỗ cánh nhiều hơn theo chiều ngang làm giảm tốc độ bay. Hình 1.
12 giới thiệu sự thích ứng của hành trình cánh của chim bồ câu đối với các tốc độ tiến
khác nhau.
Hình 1. 12: Hình chiếu cạnh của chuyển động đập cánh minh họa đường đi của đầu
cánh (vòng to) và cổ tay (vòng tròn mở) thích ứng với các tốc độ bay ổn định khác nhau
[46].
Để trình bày hành trình cánh này, đầu cánh và cổ tay được theo dõi trong suốt nhịp đập
cánh. Mặt phẳng đập cánh trong hành trình đập cánh xuống gần như thẳng đứng ở tốc
độ cao nhưng lại nghiêng về phía sau ở tốc độ thấp. Ở chim bồ câu (Hình 1. 12), các đầu
cánh tạo ra hình số 8 ở 6 m/s và 8 m/s và hình elip từ 10 đến 20 m/s. Ở tốc độ trên 10
m/s, đường đi của đầu cánh di chuyển theo chiều dọc với tốc độ tăng dần.
Các quỹ đạo đầu cánh này khác nhau giữa các loài chim và côn trùng và phụ thuộc vào
tốc độ và chế độ bay. Những sinh vật bay lớn hơn như chim hải âu có quỹ đạo tương đối
đơn giản so với những con nhỏ hơn, như trong Hình 1. 13. Nói chung, côn trùng áp dụng
một mô hình phức tạp hơn so với chim và dơi. https://sachhaynendoc.com.vn/
Ngoài ra, tốc độ bay còn phụ thuộc vào góc của mặt phẳng hành trình. Để bay nhanh
hơn, sinh vật bay phải làm cho mặt phẳng đập cánh thẳng đứng hơn bằng cách tăng biên
độ lên và xuống. Ở tốc độ cao, thân sinh vật bay bay có xu hướng nghiêng mũi xuống,
và cuối cùng trở thành nằm ngang, do đó giảm thiểu lực cản gây ra do hình dáng của cơ
thể [88]. Ngược lại, vỗ cánh nhiều hơn theo chiều ngang làm giảm tốc độ bay. Hình 1.
12 giới thiệu sự thích ứng của hành trình cánh của chim bồ câu đối với các tốc độ tiến
khác nhau.
Hình 1. 12: Hình chiếu cạnh của chuyển động đập cánh minh họa đường đi của đầu
cánh (vòng to) và cổ tay (vòng tròn mở) thích ứng với các tốc độ bay ổn định khác nhau
[46].
Để trình bày hành trình cánh này, đầu cánh và cổ tay được theo dõi trong suốt nhịp đập
cánh. Mặt phẳng đập cánh trong hành trình đập cánh xuống gần như thẳng đứng ở tốc
độ cao nhưng lại nghiêng về phía sau ở tốc độ thấp. Ở chim bồ câu (Hình 1. 12), các đầu
cánh tạo ra hình số 8 ở 6 m/s và 8 m/s và hình elip từ 10 đến 20 m/s. Ở tốc độ trên 10
m/s, đường đi của đầu cánh di chuyển theo chiều dọc với tốc độ tăng dần.
Các quỹ đạo đầu cánh này khác nhau giữa các loài chim và côn trùng và phụ thuộc vào
tốc độ và chế độ bay. Những sinh vật bay lớn hơn như chim hải âu có quỹ đạo tương đối
đơn giản so với những con nhỏ hơn, như trong Hình 1. 13. Nói chung, côn trùng áp dụng
một mô hình phức tạp hơn so với chim và dơi. https://sachhaynendoc.com.vn/
20
Hình 1. 13: Quỹ đạo đầu đầu cánh so với phần thân - được biểu diễn bằng mũi tên - cho
nhiều loại sinh vật bay khác nhau. a) chim hải âu, bay nhanh; b) chim bồ câu, bay chậm;
c) dơi móng ngựa, bay nhanh; d) dơi móng ngựa, bay chậm; e) đom đóm; f) châu chấu;
g) Bọ tháng sáu; h) ruồi giấm [47].
Xem xét khí động học, có thể quan sát thấy các cấu trúc dòng chảy không ổn định cao
xung quanh các cánh do dòng xoáy ràng buộc bị bóp méo. Hiện tượng mất ổn định trở
nên nghiêm trọng hơn khi tốc độ bay về phía trước giảm so với tốc độ vỗ, xem Hình 1.
14.
Hình 1. 14: Cấu trúc dòng chảy cho a) bay tới đập cánh chậm và b) nhanh [46].
Trong cách bay tới chậm, lực nâng trên một cánh phụ thuộc vào độ mạnh của xoáy xung
quanh cánh. Tại điểm bắt đầu hoặc kết thúc của động tác đi xuống, một xoáy ngang
(xoáy bắt đầu hoặc dừng) được tạo ra ở mép sau, và theo định lý tuần hoàn Kelvin, hai
xoáy này nối hai đầu xoáy và tạo ra xoáy vòng, xem Hình 1. 14 a) [43]. Trong cách bay
tới nhanh (lướt-vỗ), cánh tạo một cặp xoáy dòng nhấp nhô liên tục phía sau đầu cánh,
xem Hình 1. 14 b).
a)
b) https://sachhaynendoc.com.vn/
Hình 1. 13: Quỹ đạo đầu đầu cánh so với phần thân - được biểu diễn bằng mũi tên - cho
nhiều loại sinh vật bay khác nhau. a) chim hải âu, bay nhanh; b) chim bồ câu, bay chậm;
c) dơi móng ngựa, bay nhanh; d) dơi móng ngựa, bay chậm; e) đom đóm; f) châu chấu;
g) Bọ tháng sáu; h) ruồi giấm [47].
Xem xét khí động học, có thể quan sát thấy các cấu trúc dòng chảy không ổn định cao
xung quanh các cánh do dòng xoáy ràng buộc bị bóp méo. Hiện tượng mất ổn định trở
nên nghiêm trọng hơn khi tốc độ bay về phía trước giảm so với tốc độ vỗ, xem Hình 1.
14.
Hình 1. 14: Cấu trúc dòng chảy cho a) bay tới đập cánh chậm và b) nhanh [46].
Trong cách bay tới chậm, lực nâng trên một cánh phụ thuộc vào độ mạnh của xoáy xung
quanh cánh. Tại điểm bắt đầu hoặc kết thúc của động tác đi xuống, một xoáy ngang
(xoáy bắt đầu hoặc dừng) được tạo ra ở mép sau, và theo định lý tuần hoàn Kelvin, hai
xoáy này nối hai đầu xoáy và tạo ra xoáy vòng, xem Hình 1. 14 a) [43]. Trong cách bay
tới nhanh (lướt-vỗ), cánh tạo một cặp xoáy dòng nhấp nhô liên tục phía sau đầu cánh,
xem Hình 1. 14 b).
a)
b) https://sachhaynendoc.com.vn/
21
5.3 Bay lượn
Bay lượn là một chế độ bay mà ở đó sinh vật bay có thể ở nguyên một vị trí. Bay lượn
chủ yếu được quan sát thấy ở côn trùng, ngoài ra chỉ một số loài chim sử dụng kiểu bay
này, vì hầu hết trọng lượng, mômen quán tính, chuyển động linh hoạt và hình dạng cánh
không thích hợp [48]. Một số loài chim, như kestrel Mỹ, sử dụng gió thổi tới để tạo ra
đủ lực nâng để giữ nguyên vị trí, trong khi những loài chim khác, như Ospreys, lơ lửng
trong giây lát khi kiếm ăn [49].
Nevertheless, hummingbirds are the only true hoverers, since they are able to maintain
their position in still air as long as they wish. The key is the ability to generate lift with
both wing strokes, just like insects. A ball-and-socket joint in the shoulder of the
hummingbird makes its wing movement symmetric and free to rotate in all directions.
The stroke plane is horizontal while the wing tip forms a figure-eight pattern. As a result,
25% to 35% of lift is generated during the upstroke. Insects are even more flexible
because their wings actually turn inside out at each half-stroke. The stroke plane inclines
slightly, but the upstroke generates 50% of lift nevertheless [43].
Tuy nhiên, chim ruồi là loài chin duy nhất có thể thật sự bay lượn, chúng có thể duy trì
vị trí của mình trong không khí miễn là chúng muốn. Điều quan trọng là khả năng tạo
ra lực nâng trong cả hai kỳ chuyển động cánh, giống như côn trùng. Một khớp ở vai của
chim ruồi làm cho chuyển động cánh của nó đối xứng và tự do xoay theo mọi hướng.
Mặt phẳng đập cánh nằm ngang trong khi đầu cánh tạo thành mô hình số tám. Kết quả
là, 25% đến 35% lực nâng được tạo ra trong quá trình đi lên. Côn trùng thậm chí còn
linh hoạt hơn vì đôi cánh của chúng thực sự quay từ trong ra ngoài ở mỗi nửa động tác.
Tuy nhiên, mặt phẳng hành trình hơi nghiêng, nhưng tuy nhiên, kỳ nâng cánh hướng lên
tạo ra 50% lực nâng [84].
Chim ruồi tương tác với không khí xung quanh một cách tinh vi hơn. Do có đôi cánh
tương đối mỏng (không có hình dạng cánh quạt), những con chim này không thể khai
thác nguyên lý Bernoulli. Khi con chim bay lượn, các xoáy khí hình thành và bám vào
mép trước của cánh. Cánh và các xoáy về cơ bản hoạt động giống như cánh quét tạo ra
lực nâng áp suất thấp giống như cánh của các loài chim khác. Hình 1. 15 cho thấy cách
thức không khí tích tụ và tràn ra khỏi cánh của một con chim ruồi hồng ngọc. LEV là https://sachhaynendoc.com.vn/
5.3 Bay lượn
Bay lượn là một chế độ bay mà ở đó sinh vật bay có thể ở nguyên một vị trí. Bay lượn
chủ yếu được quan sát thấy ở côn trùng, ngoài ra chỉ một số loài chim sử dụng kiểu bay
này, vì hầu hết trọng lượng, mômen quán tính, chuyển động linh hoạt và hình dạng cánh
không thích hợp [48]. Một số loài chim, như kestrel Mỹ, sử dụng gió thổi tới để tạo ra
đủ lực nâng để giữ nguyên vị trí, trong khi những loài chim khác, như Ospreys, lơ lửng
trong giây lát khi kiếm ăn [49].
Nevertheless, hummingbirds are the only true hoverers, since they are able to maintain
their position in still air as long as they wish. The key is the ability to generate lift with
both wing strokes, just like insects. A ball-and-socket joint in the shoulder of the
hummingbird makes its wing movement symmetric and free to rotate in all directions.
The stroke plane is horizontal while the wing tip forms a figure-eight pattern. As a result,
25% to 35% of lift is generated during the upstroke. Insects are even more flexible
because their wings actually turn inside out at each half-stroke. The stroke plane inclines
slightly, but the upstroke generates 50% of lift nevertheless [43].
Tuy nhiên, chim ruồi là loài chin duy nhất có thể thật sự bay lượn, chúng có thể duy trì
vị trí của mình trong không khí miễn là chúng muốn. Điều quan trọng là khả năng tạo
ra lực nâng trong cả hai kỳ chuyển động cánh, giống như côn trùng. Một khớp ở vai của
chim ruồi làm cho chuyển động cánh của nó đối xứng và tự do xoay theo mọi hướng.
Mặt phẳng đập cánh nằm ngang trong khi đầu cánh tạo thành mô hình số tám. Kết quả
là, 25% đến 35% lực nâng được tạo ra trong quá trình đi lên. Côn trùng thậm chí còn
linh hoạt hơn vì đôi cánh của chúng thực sự quay từ trong ra ngoài ở mỗi nửa động tác.
Tuy nhiên, mặt phẳng hành trình hơi nghiêng, nhưng tuy nhiên, kỳ nâng cánh hướng lên
tạo ra 50% lực nâng [84].
Chim ruồi tương tác với không khí xung quanh một cách tinh vi hơn. Do có đôi cánh
tương đối mỏng (không có hình dạng cánh quạt), những con chim này không thể khai
thác nguyên lý Bernoulli. Khi con chim bay lượn, các xoáy khí hình thành và bám vào
mép trước của cánh. Cánh và các xoáy về cơ bản hoạt động giống như cánh quét tạo ra
lực nâng áp suất thấp giống như cánh của các loài chim khác. Hình 1. 15 cho thấy cách
thức không khí tích tụ và tràn ra khỏi cánh của một con chim ruồi hồng ngọc. LEV là https://sachhaynendoc.com.vn/
22
viết tắt của dòng xoáy cạnh hàng đầu, không khí tích tụ dọc theo mặt trước của cánh.
Các xoáy ở đầu (TV) đi ra khỏi đầu cánh và xoáy ở cạnh sau (TEV) tràn ra sau.
Hình 1. 15: Cấu trúc xoáy ba chiều trong dòng chảy trong chu kỳ hành trình của chim
ruồi ruby, trong đó dấu thời gian từ (a) đến (d) là 0,37, 0,51, 0,58 và 0,78T (T là chu kỳ
hành trình). Các đường đứt nét đánh dấu vòng xoáy từ kỳ hạ cánh xuống. Mũi tên dày
trong (d) cho biết vị trí mà LEV bị chụm lại [50].
Tóm lại, mỗi phương thức bay đều có những ưu và nhược điểm phù hợp với những thiết
kế khác nhau trong những tình huống cụ thể. Lướt cho phép những con chim lớn di
chuyển quãng đường dài mà vẫn tiết kiệm năng lượng. Chế độ này, tuy nhiên, phụ thuộc
vào năng lượng thế năng và chim phải tìm kiếm các luồng không khí đang tăng ("nhiệt")
để duy trì độ cao. Nếu không có hiện tượng này, chim thường phải kết hợp bay lượn với
phương thức bay thứ hai gọi là bay vỗ về phía trước. Những con chim lớn đôi khi vẫn
cần có khả năng bay lượn nhưng chỉ trong một thời gian ngắn như trường hợp chim ưng
bay lượn gần như trực tiếp phía trên và sau đó lặn gần như thẳng đứng về phía cá để bắt
nó. Tuy nhiên, các loài chim và côn trùng quy mô nhỏ có kỹ năng bay lượn thực sự, vì
chúng rất cơ động và hiệu quả cao trong chế độ bay này. Ví dụ, ruồi giấm có thể bay
lượn trong thời gian dài mà không cần phải tiêu tốn nhiều năng lượng hơn. Đối với https://sachhaynendoc.com.vn/
viết tắt của dòng xoáy cạnh hàng đầu, không khí tích tụ dọc theo mặt trước của cánh.
Các xoáy ở đầu (TV) đi ra khỏi đầu cánh và xoáy ở cạnh sau (TEV) tràn ra sau.
Hình 1. 15: Cấu trúc xoáy ba chiều trong dòng chảy trong chu kỳ hành trình của chim
ruồi ruby, trong đó dấu thời gian từ (a) đến (d) là 0,37, 0,51, 0,58 và 0,78T (T là chu kỳ
hành trình). Các đường đứt nét đánh dấu vòng xoáy từ kỳ hạ cánh xuống. Mũi tên dày
trong (d) cho biết vị trí mà LEV bị chụm lại [50].
Tóm lại, mỗi phương thức bay đều có những ưu và nhược điểm phù hợp với những thiết
kế khác nhau trong những tình huống cụ thể. Lướt cho phép những con chim lớn di
chuyển quãng đường dài mà vẫn tiết kiệm năng lượng. Chế độ này, tuy nhiên, phụ thuộc
vào năng lượng thế năng và chim phải tìm kiếm các luồng không khí đang tăng ("nhiệt")
để duy trì độ cao. Nếu không có hiện tượng này, chim thường phải kết hợp bay lượn với
phương thức bay thứ hai gọi là bay vỗ về phía trước. Những con chim lớn đôi khi vẫn
cần có khả năng bay lượn nhưng chỉ trong một thời gian ngắn như trường hợp chim ưng
bay lượn gần như trực tiếp phía trên và sau đó lặn gần như thẳng đứng về phía cá để bắt
nó. Tuy nhiên, các loài chim và côn trùng quy mô nhỏ có kỹ năng bay lượn thực sự, vì
chúng rất cơ động và hiệu quả cao trong chế độ bay này. Ví dụ, ruồi giấm có thể bay
lượn trong thời gian dài mà không cần phải tiêu tốn nhiều năng lượng hơn. Đối với https://sachhaynendoc.com.vn/
23
phương tiện bay quy mô siêu nhỏ, không khó để các nhà thiết kế nhận ra rằng chế độ
bay cuối phù hợp hơn với mục tiêu của họ.
https://sachhaynendoc.com.vn/
phương tiện bay quy mô siêu nhỏ, không khó để các nhà thiết kế nhận ra rằng chế độ
bay cuối phù hợp hơn với mục tiêu của họ.
https://sachhaynendoc.com.vn/
24
Chương 2 :Xem xét lựa chọn thành phần cho phương tiện bay
1. Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động vỗ cánh
Một trong những giải pháp phổ biến nhất được sử dụng để thay thế các cơ bay mạnh mẽ
của động vật là động cơ DC [28], [45], [51], [52]. Cách này đã được sử dụng thành công
trong MAV giúp phương tiện tạo ra góc đầu ra lớn với điện áp truyền động thấp. Mặc
dù động cơ DC mạnh mẽ, dễ vận hành và có sẵn các phiên bản với kích cỡ theo tiêu
chuẩn micro, nhưng lực điện từ sẽ kém hiệu quả hơn khi thu nhỏ [53].
Một hạn chế khác của động cơ là trọng lượng của chúng. Trọng lượng của động cơ điện
một chiều hạn chế khả năng giảm trọng lượng của phương tiện bay. Ví dụ, với đường
kính ngoài 3 mm và chiều dài 8 mm, động cơ DC không chổi than Smoovy Series 0308
được ngành công nghiệp chấp nhận là động cơ nhỏ nhất và nhẹ nhất (0,35g) [54]. Do
đó, nếu một chiếc xe sử dụng động cơ này làm thiết bị truyền động, thì không thể đạt
được trọng lượng của NAV như Robobee (80 mg) hoặc OVMI (22 mg) [55].
Do đó, việc phát triển một robot với kích cỡ côn trùng đòi hỏi các loại thiết bị truyền
động khác. Bảng 1.1 trình bày các bộ truyền động tiềm năng theo các đặc điểm chính
của chúng bao gồm biến dạng tối đa, ứng suất, mật độ năng lượng biến dạng, hiệu suất
và tốc độ phản hồi tương đối. Sinh vật bay càng nhỏ và nhẹ thì tần số vỗ càng cao [56]và
do đó thiết bị truyền động NAV lấy cảm hứng từ côn trùng bay cần phải hoạt động ở tần
số vỗ cao.
Như được trình bày trong Bảng 2. 1: Phân loại các loại cơ cấu chấp hành [57] [59], năm
loại cơ cấu truyền động cuối bảng có thể tạo ra ứng suất hoặc biến dạng lớn. Tuy nhiên,
chúng phản hồi chậm và không hiệu quả khiến chúng không thích hợp cho NAV. Ngược
lại, chất áp điện, chất đàn hồi điện môi, chất dẫn động tĩnh điện và điện từ cho thấy phản
ứng nhanh và do đó có thể thích ứng với chuyển động vỗ nhanh của côn trùng. Các yêu
cầu cụ thể đối với việc sử dụng bộ truyền động được trích dẫn trong đoạn tiếp theo.
Chất đàn hồi điện môi có phản ứng cơ điện lớn đối với điện trường đặt vào [57]. Chúng
thường hoạt động ở điện áp rất cao (1-10 kV) và có thể cung cấp biến dạng truyền động
lớn ở mật độ làm việc cao. Cơ chế cánh vỗ thường yêu cầu một khung để hỗ trợ chất
đàn hồi điện môi được cuộn căng trước [58].
https://sachhaynendoc.com.vn/
Chương 2 :Xem xét lựa chọn thành phần cho phương tiện bay
1. Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động vỗ cánh
Một trong những giải pháp phổ biến nhất được sử dụng để thay thế các cơ bay mạnh mẽ
của động vật là động cơ DC [28], [45], [51], [52]. Cách này đã được sử dụng thành công
trong MAV giúp phương tiện tạo ra góc đầu ra lớn với điện áp truyền động thấp. Mặc
dù động cơ DC mạnh mẽ, dễ vận hành và có sẵn các phiên bản với kích cỡ theo tiêu
chuẩn micro, nhưng lực điện từ sẽ kém hiệu quả hơn khi thu nhỏ [53].
Một hạn chế khác của động cơ là trọng lượng của chúng. Trọng lượng của động cơ điện
một chiều hạn chế khả năng giảm trọng lượng của phương tiện bay. Ví dụ, với đường
kính ngoài 3 mm và chiều dài 8 mm, động cơ DC không chổi than Smoovy Series 0308
được ngành công nghiệp chấp nhận là động cơ nhỏ nhất và nhẹ nhất (0,35g) [54]. Do
đó, nếu một chiếc xe sử dụng động cơ này làm thiết bị truyền động, thì không thể đạt
được trọng lượng của NAV như Robobee (80 mg) hoặc OVMI (22 mg) [55].
Do đó, việc phát triển một robot với kích cỡ côn trùng đòi hỏi các loại thiết bị truyền
động khác. Bảng 1.1 trình bày các bộ truyền động tiềm năng theo các đặc điểm chính
của chúng bao gồm biến dạng tối đa, ứng suất, mật độ năng lượng biến dạng, hiệu suất
và tốc độ phản hồi tương đối. Sinh vật bay càng nhỏ và nhẹ thì tần số vỗ càng cao [56]và
do đó thiết bị truyền động NAV lấy cảm hứng từ côn trùng bay cần phải hoạt động ở tần
số vỗ cao.
Như được trình bày trong Bảng 2. 1: Phân loại các loại cơ cấu chấp hành [57] [59], năm
loại cơ cấu truyền động cuối bảng có thể tạo ra ứng suất hoặc biến dạng lớn. Tuy nhiên,
chúng phản hồi chậm và không hiệu quả khiến chúng không thích hợp cho NAV. Ngược
lại, chất áp điện, chất đàn hồi điện môi, chất dẫn động tĩnh điện và điện từ cho thấy phản
ứng nhanh và do đó có thể thích ứng với chuyển động vỗ nhanh của côn trùng. Các yêu
cầu cụ thể đối với việc sử dụng bộ truyền động được trích dẫn trong đoạn tiếp theo.
Chất đàn hồi điện môi có phản ứng cơ điện lớn đối với điện trường đặt vào [57]. Chúng
thường hoạt động ở điện áp rất cao (1-10 kV) và có thể cung cấp biến dạng truyền động
lớn ở mật độ làm việc cao. Cơ chế cánh vỗ thường yêu cầu một khung để hỗ trợ chất
đàn hồi điện môi được cuộn căng trước [58].
https://sachhaynendoc.com.vn/
25
Bảng 2. 1: Phân loại các loại cơ cấu chấp hành [57] [59]
Actuator Category
Maxim
um
Strain
(%)
Maximum
Pressure
(MPa)
Specific elastic
energy density
(J/g)
Efficien
cy
(%)
Relativ
e speed
Dielectric elastomer
Acrylic [58]
Silicone
380
63
7.2
3.0
3.4
0.75
60-80
90
Mediu
m
Fast
Electrostatic [60],
[61]
50 0.03 0.0015 >90 Fast
Electromagnetic [10],
[62]
50 0.10 0.003 >90 Fast
Piezoelectric
Ceramic (PZT) [63],
[64]
Single Crystal (PZN-
PT)
Polymer (PVDF)
0.2
1.7
0.1
110
131
4.8
0.013
0.13
0.0013
90
90
80 est.
Fast
Fast
Fast
Shape Memory Alloy
(TiNi)
>5 >200 >15 <10 Slow
Shape Memory
Polymer
100 4 2 <10 Slow
Thermal (Expansion) 1 78 0.15 <10 Slow https://sachhaynendoc.com.vn/
Bảng 2. 1: Phân loại các loại cơ cấu chấp hành [57] [59]
Actuator Category
Maxim
um
Strain
(%)
Maximum
Pressure
(MPa)
Specific elastic
energy density
(J/g)
Efficien
cy
(%)
Relativ
e speed
Dielectric elastomer
Acrylic [58]
Silicone
380
63
7.2
3.0
3.4
0.75
60-80
90
Mediu
m
Fast
Electrostatic [60],
[61]
50 0.03 0.0015 >90 Fast
Electromagnetic [10],
[62]
50 0.10 0.003 >90 Fast
Piezoelectric
Ceramic (PZT) [63],
[64]
Single Crystal (PZN-
PT)
Polymer (PVDF)
0.2
1.7
0.1
110
131
4.8
0.013
0.13
0.0013
90
90
80 est.
Fast
Fast
Fast
Shape Memory Alloy
(TiNi)
>5 >200 >15 <10 Slow
Shape Memory
Polymer
100 4 2 <10 Slow
Thermal (Expansion) 1 78 0.15 <10 Slow https://sachhaynendoc.com.vn/
26
Electrochemomechan
ical Conducting
Polymer
10 450 23
<5%
est.
Slow
Mechano-chemical
Polymer
>40 0.3 0.06 30 Slow
Thiết bị truyền động tĩnh điện cũng hoạt động ở điện áp rất cao (3-5 kV). Tuy nhiên, lực
ra không đủ của chúng (0,03 MPa) không phù hợp với MAV. Tuy nhiên, khả năng phản
hồi nhanh và hiệu suất năng lượng cao (> 90) khiến chúng phù hợp với các rô bốt kích
thước microgram với yêu cầu năng lượng thấp. NAV 3,1 mg trong [61] đã chứng minh
khả năng cất cánh. Cơ cấu công xôn áp điện [65], [66] hoạt động với mật độ công suất
lớn ở tần số cao (sử dụng điện áp cao) với tổn thất truyền tải thấp. Hơn nữa, chúng đã
được chứng minh là có hiệu quả cho thiết bị truyền động của phương tiện cánh vỗ quy
mô nhỏ (<1 g). Lực nâng và khả năng bay lượn ổn định đã được chứng minh thành công
trong [63], [64] [67]. Cuối cùng, thiết bị truyền động điện từ, ngược lại, có yêu cầu điện
áp truyền động thấp (0 đến 24 V). Cấu trúc của chúng rất đơn giản, dễ chế tạo và điều
khiển. Dargent [55] và Bontemps [68] đã bắt chước lồng ngực cộng hưởng của côn trùng
bằng cách sử dụng thiết bị truyền động điện từ. Cũng sử dụng thiết bị truyền động điện
từ, Goosen et al. [69] đã cố gắng tối ưu hóa độ cứng của cấu trúc cộng hưởng tuân thủ
hoàn toàn trên xe của họ. Trong một nghiên cứu khác [109], NAV 80 mg có thể cất
cánh.
Để kết luận, tùy thuộc vào kích thước và trọng lượng phương tiện, các cơ cấu truyền
động chính có thể được lựa chọn. Trong trường hợp của chúng tôi, nó phải là một động
cơ DC cho MAV. Bốn giải pháp, bao gồm chất đàn hồi điện môi, áp điện tĩnh điện và
thiết bị truyền động điện từ, có thể sử dụng cho NAV.
2. Đuôi, cánh buồm, và không đuôi
Các phương tiện bay cánh đập có thể đạt đến trạng thái ổn định thụ động mà không cần
sự trợ giúp của các đơn vị đo lường quán tính hoặc chế độ lái tự động bằng cách sử dụng
đuôi và cánh buồm. Các bộ phận này đóng vai trò là bộ giảm chấn cho động lực quay https://sachhaynendoc.com.vn/
Electrochemomechan
ical Conducting
Polymer
10 450 23
<5%
est.
Slow
Mechano-chemical
Polymer
>40 0.3 0.06 30 Slow
Thiết bị truyền động tĩnh điện cũng hoạt động ở điện áp rất cao (3-5 kV). Tuy nhiên, lực
ra không đủ của chúng (0,03 MPa) không phù hợp với MAV. Tuy nhiên, khả năng phản
hồi nhanh và hiệu suất năng lượng cao (> 90) khiến chúng phù hợp với các rô bốt kích
thước microgram với yêu cầu năng lượng thấp. NAV 3,1 mg trong [61] đã chứng minh
khả năng cất cánh. Cơ cấu công xôn áp điện [65], [66] hoạt động với mật độ công suất
lớn ở tần số cao (sử dụng điện áp cao) với tổn thất truyền tải thấp. Hơn nữa, chúng đã
được chứng minh là có hiệu quả cho thiết bị truyền động của phương tiện cánh vỗ quy
mô nhỏ (<1 g). Lực nâng và khả năng bay lượn ổn định đã được chứng minh thành công
trong [63], [64] [67]. Cuối cùng, thiết bị truyền động điện từ, ngược lại, có yêu cầu điện
áp truyền động thấp (0 đến 24 V). Cấu trúc của chúng rất đơn giản, dễ chế tạo và điều
khiển. Dargent [55] và Bontemps [68] đã bắt chước lồng ngực cộng hưởng của côn trùng
bằng cách sử dụng thiết bị truyền động điện từ. Cũng sử dụng thiết bị truyền động điện
từ, Goosen et al. [69] đã cố gắng tối ưu hóa độ cứng của cấu trúc cộng hưởng tuân thủ
hoàn toàn trên xe của họ. Trong một nghiên cứu khác [109], NAV 80 mg có thể cất
cánh.
Để kết luận, tùy thuộc vào kích thước và trọng lượng phương tiện, các cơ cấu truyền
động chính có thể được lựa chọn. Trong trường hợp của chúng tôi, nó phải là một động
cơ DC cho MAV. Bốn giải pháp, bao gồm chất đàn hồi điện môi, áp điện tĩnh điện và
thiết bị truyền động điện từ, có thể sử dụng cho NAV.
2. Đuôi, cánh buồm, và không đuôi
Các phương tiện bay cánh đập có thể đạt đến trạng thái ổn định thụ động mà không cần
sự trợ giúp của các đơn vị đo lường quán tính hoặc chế độ lái tự động bằng cách sử dụng
đuôi và cánh buồm. Các bộ phận này đóng vai trò là bộ giảm chấn cho động lực quay https://sachhaynendoc.com.vn/
27
[28]. Hơn nữa, phần đuôi có thể được sử dụng để điều khiển hướng bay, như đối với
máy bay cánh cố định thông thường.
Hình 2. 1: Các thiết kế đuôi khác nhau: a) đuôi máy bay cơ bản [70], b) DelFly I đuôi
chữ V, và c) DelFly II đuôi chữ V ngược [28]
Thiết kế không đuôi là gần nhất với côn trùng bay. Tuy nhiên, nó làm cho phương tiện
bị ổn định một cách bị động. Do đó, một hệ thống điều khiển phức tạp hơn bao gồm đơn
vị đo lường quán tính, cơ chế điều khiển và sơ đồ điều khiển chuyển động của cánh cần
phải được tích hợp để ổn định trạng thái phương tiện. Nano Hummingbird [71] là thiết
kế MAV không đuôi đầu tiên thực sự đạt được khả năng bay có kiểm soát.
Hình 2. 2: MAV buồm: a) Mentor [2007]; b) Richter and Lipson [2011]; c) Robot sứa
[2014].
a)
c)
b)
a) b) c) https://sachhaynendoc.com.vn/
[28]. Hơn nữa, phần đuôi có thể được sử dụng để điều khiển hướng bay, như đối với
máy bay cánh cố định thông thường.
Hình 2. 1: Các thiết kế đuôi khác nhau: a) đuôi máy bay cơ bản [70], b) DelFly I đuôi
chữ V, và c) DelFly II đuôi chữ V ngược [28]
Thiết kế không đuôi là gần nhất với côn trùng bay. Tuy nhiên, nó làm cho phương tiện
bị ổn định một cách bị động. Do đó, một hệ thống điều khiển phức tạp hơn bao gồm đơn
vị đo lường quán tính, cơ chế điều khiển và sơ đồ điều khiển chuyển động của cánh cần
phải được tích hợp để ổn định trạng thái phương tiện. Nano Hummingbird [71] là thiết
kế MAV không đuôi đầu tiên thực sự đạt được khả năng bay có kiểm soát.
Hình 2. 2: MAV buồm: a) Mentor [2007]; b) Richter and Lipson [2011]; c) Robot sứa
[2014].
a)
c)
b)
a) b) c) https://sachhaynendoc.com.vn/
28
Tiếp theo, Harvard RoboBee [66] là phương tiện NAV nhỏ nhất và nhẹ nhất bay lơ lửng
với điều khiển bên ngoài. BionicOpter, mô phỏng con chuồn chuồn, được Festo chế tạo
như một trình diễn công nghệ [72].
3. Số lượng cánh
Các thiết kế ‘truyền thống’ nhất là những thiết kế mô phỏng cánh chim, như trong trường
hợp của Robo Raven hoặc Robobee [63], [67], [73]. MAV loại này có hai cánh có thể
được kích hoạt phụ thuộc hoặc độc lập tùy theo sự lựa chọn của đuôi. Các thiết kế khác
mô phỏng chuồn chuồn với hai cặp cánh hoạt động trên hai mặt phẳng song song, như
với BionicOpter của Festo [72]. Một số thiết kế khác không tồn tại trong tự nhiên. Ví
dụ, DelFly có hai cặp cánh vỗ trong cùng một mặt phẳng hành trình. Cấu hình này tăng
cường lực nâng bằng cách khai thác cơ chế vỗ tay và đập.
Hình 2. 3: Các cấu hình cánh khác nhau: (I) cánh cơ bản, Robo Raven; (II) BionicOpter
Dragonfly; cánh không tiêu chuẩn DelFly II với cơ cấu tạo hiệu ứng “clap and fling”
(IIIa), Delfly Micro với cơ cấu tạo hai hiệu ứng “clap-and-fling” (IIIb), và Mentor nhiều
cơ cấu tạo hiệu ứng như vậy [28].
https://sachhaynendoc.com.vn/
Tiếp theo, Harvard RoboBee [66] là phương tiện NAV nhỏ nhất và nhẹ nhất bay lơ lửng
với điều khiển bên ngoài. BionicOpter, mô phỏng con chuồn chuồn, được Festo chế tạo
như một trình diễn công nghệ [72].
3. Số lượng cánh
Các thiết kế ‘truyền thống’ nhất là những thiết kế mô phỏng cánh chim, như trong trường
hợp của Robo Raven hoặc Robobee [63], [67], [73]. MAV loại này có hai cánh có thể
được kích hoạt phụ thuộc hoặc độc lập tùy theo sự lựa chọn của đuôi. Các thiết kế khác
mô phỏng chuồn chuồn với hai cặp cánh hoạt động trên hai mặt phẳng song song, như
với BionicOpter của Festo [72]. Một số thiết kế khác không tồn tại trong tự nhiên. Ví
dụ, DelFly có hai cặp cánh vỗ trong cùng một mặt phẳng hành trình. Cấu hình này tăng
cường lực nâng bằng cách khai thác cơ chế vỗ tay và đập.
Hình 2. 3: Các cấu hình cánh khác nhau: (I) cánh cơ bản, Robo Raven; (II) BionicOpter
Dragonfly; cánh không tiêu chuẩn DelFly II với cơ cấu tạo hiệu ứng “clap and fling”
(IIIa), Delfly Micro với cơ cấu tạo hai hiệu ứng “clap-and-fling” (IIIb), và Mentor nhiều
cơ cấu tạo hiệu ứng như vậy [28].
https://sachhaynendoc.com.vn/
29
4. Các phương án điều khiển thiết bị bay loại cánh đập
Do chuyển động của xe khá chậm so với chuyển động của cánh, nên chuyển động xe bị
chi phối bởi các lực và mômen trung bình theo thời gian do hai cánh tạo ra. Bằng cách
kiểm soát một số tham số quy định chuyển động tuần hoàn của hai cánh, các lực và
mômen trung bình có thể được điều khiển trực tiếp. Một số tham số chuyển động của
cánh có thể được sử dụng làm biến điều khiển bao gồm biên độ hành trình cánh, tần số
nhịp đập của cánh đối xứng và không đối xứng, độ lệch hành trình cánh, góc tấn và góc
nghiêng mặt phẳng hành trình, như thể hiện trong Hình 2. 4.
Hình 2. 4: Các thông số chuyển động của cánh theo chu kỳ: a) biên độ hành trình, tần
số nhịp đập của cánh đối xứng hoặc không đối xứng và góc lệch hành trình của cánh,
b) góc nghiêng mặt phẳng hành trình, c) và d) góc tấn giữa hành trình xuống và hành
trình lên.
Ví dụ, các góc vỗ và góc tấn công vẫn giữ nguyên cho cả hai cánh; cánh vỗ nhanh hơn
sẽ tạo ra nhiều lực nâng hơn. Độ lệch hành trình làm thay đổi vị trí của trọng tâm của
lực nâng so với trọng tâm của xe tạo ra mômen nghiêng như Hình 2. 4 a). Nếu mặt phẳng
hành trình nghiêng, lực nâng do các cánh tạo ra sẽ nghiêng về phía sau hoặc về phía
a) c)
b) d) https://sachhaynendoc.com.vn/
4. Các phương án điều khiển thiết bị bay loại cánh đập
Do chuyển động của xe khá chậm so với chuyển động của cánh, nên chuyển động xe bị
chi phối bởi các lực và mômen trung bình theo thời gian do hai cánh tạo ra. Bằng cách
kiểm soát một số tham số quy định chuyển động tuần hoàn của hai cánh, các lực và
mômen trung bình có thể được điều khiển trực tiếp. Một số tham số chuyển động của
cánh có thể được sử dụng làm biến điều khiển bao gồm biên độ hành trình cánh, tần số
nhịp đập của cánh đối xứng và không đối xứng, độ lệch hành trình cánh, góc tấn và góc
nghiêng mặt phẳng hành trình, như thể hiện trong Hình 2. 4.
Hình 2. 4: Các thông số chuyển động của cánh theo chu kỳ: a) biên độ hành trình, tần
số nhịp đập của cánh đối xứng hoặc không đối xứng và góc lệch hành trình của cánh,
b) góc nghiêng mặt phẳng hành trình, c) và d) góc tấn giữa hành trình xuống và hành
trình lên.
Ví dụ, các góc vỗ và góc tấn công vẫn giữ nguyên cho cả hai cánh; cánh vỗ nhanh hơn
sẽ tạo ra nhiều lực nâng hơn. Độ lệch hành trình làm thay đổi vị trí của trọng tâm của
lực nâng so với trọng tâm của xe tạo ra mômen nghiêng như Hình 2. 4 a). Nếu mặt phẳng
hành trình nghiêng, lực nâng do các cánh tạo ra sẽ nghiêng về phía sau hoặc về phía
a) c)
b) d) https://sachhaynendoc.com.vn/
30
trước, xem Hình 2. 4 b). Thay đổi góc tấn chắc chắn dẫn đến thay đổi lực nâng (Hình 2.
4 c) và d)). Việc sử dụng linh hoạt hoặc kết hợp các thông số chuyển động của cánh ở
trên sẽ tạo ra một MAV vỗ cánh có thể cơ động được. Một ví dụ thông minh về việc sử
dụng tần số vỗ đối xứng và không đối xứng để điều khiển một MAV vỗ với 5 bậc tự do
(DOF) được thể hiện trong Hình 1.22.
Hình 2. 5: Điều chế tần số chu kỳ không đổi theo chu kỳ, các chiến lược điều khiển khi
vỗ MAV: a) Dịch dọc, b) Dịch ngang, c) Chuyển động yaw và d) Chuyển động roll từ
Doman và Oppenheimer [2014].
Điều thú vị là số bậc tự do của xe có thể vượt quá số cơ cấu chấp hành tồn tại trên
phương tiện. Về mặt lý thuyết, có thể điều khiển 6 bậc tự do cho xe chỉ với hai cơ cấu
chấp hành. Ví dụ, một phương tiện có cánh vỗ bao gồm hai cánh và mỗi cánh được dẫn
động trực tiếp bởi một bộ truyền động áp điện, như thể hiện trong Hình 2. 5. Sự thay đổi
đối xứng trong tốc độ hành trình tạo ra lực nâng như nhau trên cả hai cánh có thể được
sử dụng để điều khiển chuyển dịch lên và xuống (Hình 2. 5 a)). Động tác lên nhanh và
xuống chậm trên mỗi cánh tạo ra lực cản trung bình theo chu kỳ hữu hạn có thể được sử
a) c)
b)
d) https://sachhaynendoc.com.vn/
trước, xem Hình 2. 4 b). Thay đổi góc tấn chắc chắn dẫn đến thay đổi lực nâng (Hình 2.
4 c) và d)). Việc sử dụng linh hoạt hoặc kết hợp các thông số chuyển động của cánh ở
trên sẽ tạo ra một MAV vỗ cánh có thể cơ động được. Một ví dụ thông minh về việc sử
dụng tần số vỗ đối xứng và không đối xứng để điều khiển một MAV vỗ với 5 bậc tự do
(DOF) được thể hiện trong Hình 1.22.
Hình 2. 5: Điều chế tần số chu kỳ không đổi theo chu kỳ, các chiến lược điều khiển khi
vỗ MAV: a) Dịch dọc, b) Dịch ngang, c) Chuyển động yaw và d) Chuyển động roll từ
Doman và Oppenheimer [2014].
Điều thú vị là số bậc tự do của xe có thể vượt quá số cơ cấu chấp hành tồn tại trên
phương tiện. Về mặt lý thuyết, có thể điều khiển 6 bậc tự do cho xe chỉ với hai cơ cấu
chấp hành. Ví dụ, một phương tiện có cánh vỗ bao gồm hai cánh và mỗi cánh được dẫn
động trực tiếp bởi một bộ truyền động áp điện, như thể hiện trong Hình 2. 5. Sự thay đổi
đối xứng trong tốc độ hành trình tạo ra lực nâng như nhau trên cả hai cánh có thể được
sử dụng để điều khiển chuyển dịch lên và xuống (Hình 2. 5 a)). Động tác lên nhanh và
xuống chậm trên mỗi cánh tạo ra lực cản trung bình theo chu kỳ hữu hạn có thể được sử
a) c)
b)
d) https://sachhaynendoc.com.vn/
31
dụng để tịnh tiến và tịnh tiến (Hình 2. 5 b)). Sự khác biệt về thời gian đập của cánh giữa
cánh trái và cánh phải tạo ra mômen yaw, vì lực nâng lên chúng là khác nhau (Hình 2.
5c)). Sự khác biệt về tốc độ hành trình lên và xuống xảy ra trong mỗi giai đoạn đập của
cánh tạo ra mômen lăn (Hình 2. 5 d)).
Kỹ thuật điều khiển máy bay có cánh vỗ này được gọi là điều chế tần số chu kỳ không
đổi theo chu kỳ tách. Phương pháp này sử dụng tần số đối xứng và không đối xứng làm
biến điều khiển ảo, giữ nguyên các tham số đã đề cập trước đó là cố định.
5. Các phương pháp xoay cánh
Tiếp theo, vẫn còn câu hỏi về nguyên lý quay của cánh. Thay đổi góc tấn công thay đổi
lực nâng được tạo ra. Trong tự nhiên, cấu trúc cánh của các loài chim và côn trùng cho
phép chúng chủ động thực hiện các thao tác xoay cánh. Trong [45], [71], các nhà nghiên
cứu đã bắt chước thành công điều này một cách cơ học bằng cách kiểm soát không chỉ
góc tấn mà còn cả độ xoắn màng cánh. Tuy nhiên, các cơ chế hiện có rất phức tạp và
đòi hỏi các kỹ sư cơ khí khéo léo để chế tạo chúng. Hơn nữa, cơ chế này làm tăng đáng
kể khối lượng phương tiện. Do đó, một nguyên lý khác được gọi là thay đổi góc xoay
cánh bị động đã được đưa ra để khắc phục vấn đề này. Cơ chế này được quan sát thấy
trong chuyển động cánh của chuồn chuồn, Libellula pulchella, ruồi giấm và diều hâu
[74]. Mặc dù những loài côn trùng có nhóm cơ để kiểm soát góc quay của cánh trong
khi bay, nhưng khí động lực học và lực quán tính của cánh vẫn đủ để quay cánh mà
không cần sự hỗ trợ của cơ. Cơ chế này được áp dụng thành công trong nhiều FWMAV
hiện có [52], [75]–[80]. Trong hầu hết các trường hợp, một chi tiết đàn hồi được thêm
vào cánh để góp phần vào chuyển động quay của cánh. Một sự lựa chọn khác khai thác
tính linh hoạt của cạnh đầu để tạo ra chuyển động xoắn của mép trước cánh, như trong
[76].
In some cases, the wing can rotate passively at a specific angle limited by a stopper fixed
to one end of the wing leading-edge spar [79], [78]. In the last approach, the wings
collide with the stopper and are, therefore, vulnerable to vibrational flaws and breaking.
To sum up, active wing pitch brings more control but significantly increases the vehicle
mass. Therefore, until now, this concept is applied majorly on MAVs with the higher
payload. On the contrary, lightweight passive wing pitch could be found on both MAV
and NAV. https://sachhaynendoc.com.vn/
dụng để tịnh tiến và tịnh tiến (Hình 2. 5 b)). Sự khác biệt về thời gian đập của cánh giữa
cánh trái và cánh phải tạo ra mômen yaw, vì lực nâng lên chúng là khác nhau (Hình 2.
5c)). Sự khác biệt về tốc độ hành trình lên và xuống xảy ra trong mỗi giai đoạn đập của
cánh tạo ra mômen lăn (Hình 2. 5 d)).
Kỹ thuật điều khiển máy bay có cánh vỗ này được gọi là điều chế tần số chu kỳ không
đổi theo chu kỳ tách. Phương pháp này sử dụng tần số đối xứng và không đối xứng làm
biến điều khiển ảo, giữ nguyên các tham số đã đề cập trước đó là cố định.
5. Các phương pháp xoay cánh
Tiếp theo, vẫn còn câu hỏi về nguyên lý quay của cánh. Thay đổi góc tấn công thay đổi
lực nâng được tạo ra. Trong tự nhiên, cấu trúc cánh của các loài chim và côn trùng cho
phép chúng chủ động thực hiện các thao tác xoay cánh. Trong [45], [71], các nhà nghiên
cứu đã bắt chước thành công điều này một cách cơ học bằng cách kiểm soát không chỉ
góc tấn mà còn cả độ xoắn màng cánh. Tuy nhiên, các cơ chế hiện có rất phức tạp và
đòi hỏi các kỹ sư cơ khí khéo léo để chế tạo chúng. Hơn nữa, cơ chế này làm tăng đáng
kể khối lượng phương tiện. Do đó, một nguyên lý khác được gọi là thay đổi góc xoay
cánh bị động đã được đưa ra để khắc phục vấn đề này. Cơ chế này được quan sát thấy
trong chuyển động cánh của chuồn chuồn, Libellula pulchella, ruồi giấm và diều hâu
[74]. Mặc dù những loài côn trùng có nhóm cơ để kiểm soát góc quay của cánh trong
khi bay, nhưng khí động lực học và lực quán tính của cánh vẫn đủ để quay cánh mà
không cần sự hỗ trợ của cơ. Cơ chế này được áp dụng thành công trong nhiều FWMAV
hiện có [52], [75]–[80]. Trong hầu hết các trường hợp, một chi tiết đàn hồi được thêm
vào cánh để góp phần vào chuyển động quay của cánh. Một sự lựa chọn khác khai thác
tính linh hoạt của cạnh đầu để tạo ra chuyển động xoắn của mép trước cánh, như trong
[76].
In some cases, the wing can rotate passively at a specific angle limited by a stopper fixed
to one end of the wing leading-edge spar [79], [78]. In the last approach, the wings
collide with the stopper and are, therefore, vulnerable to vibrational flaws and breaking.
To sum up, active wing pitch brings more control but significantly increases the vehicle
mass. Therefore, until now, this concept is applied majorly on MAVs with the higher
payload. On the contrary, lightweight passive wing pitch could be found on both MAV
and NAV. https://sachhaynendoc.com.vn/
32
Trong một số trường hợp, cánh có thể quay thụ động theo một góc cụ thể được giới hạn
bởi một cơ cấu chặn được gắn cố định vào một đầu của trục biên đầu cánh [37], [36].
Trong cách tiếp cận cuối cùng, cánh sẽ va chạm với cơ cấu chặn chặn và do đó, dễ bị
rung và gãy. Tóm lại, quay cánh chủ động mang lại nhiều khả năng kiểm soát hơn nhưng
lại làm tăng đáng kể khối lượng phương tiện. Do đó, cho đến nay, khái niệm này được
áp dụng chủ yếu trên các MAV có trọng tải cao hơn. Ngược lại, quay cánh cánh bị động
thì nhẹ và có thể được tìm thấy trên cả MAV và NAV.
Tổng kết lại, động cơ DC được ưu tiên làm thiết bị truyền động chính cho MAV. Tiếp
theo, việc lựa chọn đuôi, không đuôi hay buồm phụ thuộc vào nhà thiết kế. Sử dụng
buồm giúp đơn giản hóa việc điều khiển, nhưng phương tiện kém linh hoạt hơn và trông
nó cũng không tự nhiên. Loại có đuôi được điều khiển chủ động dẫn đến khả năng cơ
động cao hơn nhưng nó cũng làm tăng độ phức tạp của các cơ cấu liên kết và do đó làm
tăng khối lượng phương tiện. Thiết kế không đuôi với hai hoặc bốn cánh gần giống với
ruồi sinh học. Tuy nhiên, chuyến bay của chúng rất không ổn định do đó đòi hỏi thuật
toán điều khiển cũng như mạch điện tử phức tạp hơn. Cuối cùng, quay cánh bị động phù
hợp hơn với MAV và MAV của chúng tôi.
6. Xác định khối lượng – chiều dài sải cánh và tần số đập cánh
Từ sự so sánh trước đó của các loại phương tiện bay dựa trên cấu hình cánh trong
Chương 1.2, chúng ta nhận thấy rằng các phương tiện cánh đập có tiềm năng vượt xa
các loại khác về hiệu suất bay, đặc biệt là các cho phương tiện cỡ nhỏ. Động học của
cánh côn trùng và cơ cấu chấp hành tương ứng đã được chọn trong Chương 1.3. Những
khó khăn to lớn của các hiện tượng khí động học không ổn định mà các nhà nghiên cứu
gặp phải khi thiết kế các phương tiện bay cỡ nhỏ cũng được đề cao. Tuy nhiên, từ các
khó khăn ta phát hiện ra nhiều khả năng nâng cao sức nâng như khai thác cơ chế “clap
and fling” hoặc tăng giới hạn góc tấn. Phần Chương 2 xem xét các MAV hiện có. Bằng
cách chia chúng thành các nhóm tùy thuộc vào bộ truyền động và cấu hình hình học của
chúng, chúng ta đã thu thập thêm thông tin từ các nghiên cứu khác. Bây giờ, chúng ta
tổng hợp tất cả kiến thức tích lũy được để suy ra thiết kế cuối cùng của MAV của chúng
tôi.
Kết luận, một MAV giống côn trùng chắc chắn là sự lựa chọn hoàn hảo. Sự lựa chọn
này rõ ràng có liên quan đến Chim ruồi, vì kích thước và trọng lượng của loài chim này https://sachhaynendoc.com.vn/
Trong một số trường hợp, cánh có thể quay thụ động theo một góc cụ thể được giới hạn
bởi một cơ cấu chặn được gắn cố định vào một đầu của trục biên đầu cánh [37], [36].
Trong cách tiếp cận cuối cùng, cánh sẽ va chạm với cơ cấu chặn chặn và do đó, dễ bị
rung và gãy. Tóm lại, quay cánh chủ động mang lại nhiều khả năng kiểm soát hơn nhưng
lại làm tăng đáng kể khối lượng phương tiện. Do đó, cho đến nay, khái niệm này được
áp dụng chủ yếu trên các MAV có trọng tải cao hơn. Ngược lại, quay cánh cánh bị động
thì nhẹ và có thể được tìm thấy trên cả MAV và NAV.
Tổng kết lại, động cơ DC được ưu tiên làm thiết bị truyền động chính cho MAV. Tiếp
theo, việc lựa chọn đuôi, không đuôi hay buồm phụ thuộc vào nhà thiết kế. Sử dụng
buồm giúp đơn giản hóa việc điều khiển, nhưng phương tiện kém linh hoạt hơn và trông
nó cũng không tự nhiên. Loại có đuôi được điều khiển chủ động dẫn đến khả năng cơ
động cao hơn nhưng nó cũng làm tăng độ phức tạp của các cơ cấu liên kết và do đó làm
tăng khối lượng phương tiện. Thiết kế không đuôi với hai hoặc bốn cánh gần giống với
ruồi sinh học. Tuy nhiên, chuyến bay của chúng rất không ổn định do đó đòi hỏi thuật
toán điều khiển cũng như mạch điện tử phức tạp hơn. Cuối cùng, quay cánh bị động phù
hợp hơn với MAV và MAV của chúng tôi.
6. Xác định khối lượng – chiều dài sải cánh và tần số đập cánh
Từ sự so sánh trước đó của các loại phương tiện bay dựa trên cấu hình cánh trong
Chương 1.2, chúng ta nhận thấy rằng các phương tiện cánh đập có tiềm năng vượt xa
các loại khác về hiệu suất bay, đặc biệt là các cho phương tiện cỡ nhỏ. Động học của
cánh côn trùng và cơ cấu chấp hành tương ứng đã được chọn trong Chương 1.3. Những
khó khăn to lớn của các hiện tượng khí động học không ổn định mà các nhà nghiên cứu
gặp phải khi thiết kế các phương tiện bay cỡ nhỏ cũng được đề cao. Tuy nhiên, từ các
khó khăn ta phát hiện ra nhiều khả năng nâng cao sức nâng như khai thác cơ chế “clap
and fling” hoặc tăng giới hạn góc tấn. Phần Chương 2 xem xét các MAV hiện có. Bằng
cách chia chúng thành các nhóm tùy thuộc vào bộ truyền động và cấu hình hình học của
chúng, chúng ta đã thu thập thêm thông tin từ các nghiên cứu khác. Bây giờ, chúng ta
tổng hợp tất cả kiến thức tích lũy được để suy ra thiết kế cuối cùng của MAV của chúng
tôi.
Kết luận, một MAV giống côn trùng chắc chắn là sự lựa chọn hoàn hảo. Sự lựa chọn
này rõ ràng có liên quan đến Chim ruồi, vì kích thước và trọng lượng của loài chim này https://sachhaynendoc.com.vn/
33
nằm trong phạm vi MAV. Ngoài ra, đây là loài chim duy nhất có thể bay lượn với động
học cánh giống côn trùng.
Với ý tưởng phát triển một MAV cánh vỗ cánh lấy cảm hứng từ loài chim ruồi, bây giờ
cần thiết lập hai thông số kỹ thuật quan trọng, có liên quan mật thiết với phương tiện
bay: sải cánh và tổng khối lượng. Như có thể thấy trong Hình 2. 6 a), mối quan hệ giữa
trọng lượng và chiều dài cánh của những sinh vật bay trong tự nhiên là tuyến tính.
Phương tiện bay nặng hơn có đôi cánh dài hơn và ngược lại. Từ mối tương quan này, có
thể chọn chiều dài cánh thích hợp theo tổng khối lượng của phương tiện lấy cảm hứng
từ thiên nhiên. Xem xét các vật liệu hiện có, tổng khối lượng của chiếc xe bao gồm cả
mạch điện và pin sẽ vào khoảng 10 g. Lấy Hummingbirds (nét đứt màu đỏ) làm chuẩn,
khối lượng này tương ứng với chiều dài cánh là 8 cm. Tiếp theo, trong Hình 2. 6 b) chiều
dài cánh được vẽ dựa trên quan hệ với tần suất vỗ của những sinh vật bay tự nhiên và
được sử dụng để dự đoán tần suất đập cánh. Có thể thấy, côn trùng luôn vỗ cánh nhanh
hơn chim và tần suất đập càng tăng khi chiều dài cánh càng giảm. Một số MAV thành
công được trình bày trong sơ đồ này để xác nhận sự lựa chọn lấy cảm hứng từ sinh học
này. Trong khi RoboBee và OVMI nằm trong phạm vi côn trùng, DelFly Micro và Nano
Hummingbird nằm trong phạm vi tương tự như chim và chính xác hơn là chim ruồi. Với
chiều dài cánh 8 cm, mục tiêu 10 g của chúng ta nằm trong phạm vi của chim ruồi, vì
vậy theo tự nhiên tần số vỗ của nó phải gần 20 Hz.
Từ thông tin này về tần suất đập cánh và khối lượng xe mong muốn, có thể chọn một bộ
truyền động phù hợp. Như đã thảo luận trong Chương 2.1, động cơ là một lựa chọn tốt
cho MAV vỗ. Ngoài ra, có nhiều khả năng trên thị trường có nhiều loại công suất đầu
vào. Hơn nữa, việc sử dụng động cơ làm bộ truyền động giúp tiết kiệm thời gian và giảm
các vấn đề liên quan đến việc chế tạo và lắp ráp MAVhttps://sachhaynendoc.com.vn/
nằm trong phạm vi MAV. Ngoài ra, đây là loài chim duy nhất có thể bay lượn với động
học cánh giống côn trùng.
Với ý tưởng phát triển một MAV cánh vỗ cánh lấy cảm hứng từ loài chim ruồi, bây giờ
cần thiết lập hai thông số kỹ thuật quan trọng, có liên quan mật thiết với phương tiện
bay: sải cánh và tổng khối lượng. Như có thể thấy trong Hình 2. 6 a), mối quan hệ giữa
trọng lượng và chiều dài cánh của những sinh vật bay trong tự nhiên là tuyến tính.
Phương tiện bay nặng hơn có đôi cánh dài hơn và ngược lại. Từ mối tương quan này, có
thể chọn chiều dài cánh thích hợp theo tổng khối lượng của phương tiện lấy cảm hứng
từ thiên nhiên. Xem xét các vật liệu hiện có, tổng khối lượng của chiếc xe bao gồm cả
mạch điện và pin sẽ vào khoảng 10 g. Lấy Hummingbirds (nét đứt màu đỏ) làm chuẩn,
khối lượng này tương ứng với chiều dài cánh là 8 cm. Tiếp theo, trong Hình 2. 6 b) chiều
dài cánh được vẽ dựa trên quan hệ với tần suất vỗ của những sinh vật bay tự nhiên và
được sử dụng để dự đoán tần suất đập cánh. Có thể thấy, côn trùng luôn vỗ cánh nhanh
hơn chim và tần suất đập càng tăng khi chiều dài cánh càng giảm. Một số MAV thành
công được trình bày trong sơ đồ này để xác nhận sự lựa chọn lấy cảm hứng từ sinh học
này. Trong khi RoboBee và OVMI nằm trong phạm vi côn trùng, DelFly Micro và Nano
Hummingbird nằm trong phạm vi tương tự như chim và chính xác hơn là chim ruồi. Với
chiều dài cánh 8 cm, mục tiêu 10 g của chúng ta nằm trong phạm vi của chim ruồi, vì
vậy theo tự nhiên tần số vỗ của nó phải gần 20 Hz.
Từ thông tin này về tần suất đập cánh và khối lượng xe mong muốn, có thể chọn một bộ
truyền động phù hợp. Như đã thảo luận trong Chương 2.1, động cơ là một lựa chọn tốt
cho MAV vỗ. Ngoài ra, có nhiều khả năng trên thị trường có nhiều loại công suất đầu
vào. Hơn nữa, việc sử dụng động cơ làm bộ truyền động giúp tiết kiệm thời gian và giảm
các vấn đề liên quan đến việc chế tạo và lắp ráp MAVhttps://sachhaynendoc.com.vn/
34
Hình 2. 6: Mối quan hệ giữa a) chiều dài cánh và tổng khối lượng, b) chiều dài cánh và
tốc độ vỗ cánh, chỉnh sửa từ [81]
b)
a) https://sachhaynendoc.com.vn/
Hình 2. 6: Mối quan hệ giữa a) chiều dài cánh và tổng khối lượng, b) chiều dài cánh và
tốc độ vỗ cánh, chỉnh sửa từ [81]
b)
a) https://sachhaynendoc.com.vn/
35
Chương 3 : Mô phỏng và thực nghiệm
1. GIỚI THIỆU
Mục tiêu chương này là phát triển một mô hình toán cho phép phân tích hiệu suất của
một FWNAV, có khung đàn hồi và có khả năng hoạt động ở chế độ cộng hưởng. Nghiên
cứu này có tính độc đáo bởi nó dựa trên mô hình tham số phân tán (distributed-parameter
model) xây dựng cho một phương tiện bay có cấu trúc micro mềm dẻo. Phương tiện
được xử dụng trong nghiên cứu này có tên là “object volant mimant l’insecte” (OVMI)
[10], được chế tạo bằng công nghệ micro với vật liệu dẻo. Sự rung động của toàn bộ cấu
trúc được duy trì bởi một cơ cấu chấp hành điện từ trường.
Bởi vì chúng ta quan tâm đến việc phân tích động lực học của một hệ thống đa vật lý,
ngôn ngữ Bond Graph thì hoàn toàn phù hợp [82]. Là một dạng ngôn nghữ đồ họa, Bond
Graph giúp cho mô hình trở nên rõ ràng và rành mạch. Thêm vào đó khi cần cập nhật
hay nâng cấp mô hình, ta chỉ cần thêm vào các thành phần vật lý phù hợp với yêu cầu
đề ra mà không cần phải xây dựng mô hình lại từ đầu.
Mặc dù có những lợi thế như vậy, mô hình Bond Graph cho đến nay phần lớn chỉ dược
áp dụng cho phương tiện bay loại cánh xoay (rotary-wing) [83]–[86]. Dupont et al. [87]
và Jahanbin et al. [88], [89] gần đây đã phát triển một mô hình Bond Graph để xác định
giá trị của các tham số để phân tích hiệu suất bay của một FWMAV. Hơn thế nữa,
Jahanbin et al. còn tính tới biến dạng uốn của cạnh trước (leading edge) của cánh. Rõ
ràng rằng mô hình được phát triển trong đề tài này đã còn mở rộng sự mềm dẻo ra toàn
bộ cấu trúc của phương tiện.
2. Mô hình Bond Graph của OVMI
2.1 Giới thiệu về nguyên mẫu
Nguyên mẫu được cấu thành chính từ một khung xương 3D làm từ nhiều lớp SU-8, một
loại vật liệu cản quang [90] (Hình 3. 1). Tùy vào số lượng cũng như độ dày của các lớp,
độ cứng của khung 3D được xác định. Một lớp parylene mỏng (0.4 µm) được phủ trên
các đường gân tạo thành lớp màng cho cánh. Sải cánh có chiều dài là 22 mm. Một bộ
truyền động điện từ được cố định tại trung tâm tạo ra và duy trì giao động. Các nối mềm
đóng vai trò tryền dẫn những giao động này đến cánh. Khối lượng tổng của nguyên mẫu
là 22 mg, không bao gồm mạch điện tử hay pin. Rõ ràng nguyên mẫu này nằm trong
giới hạn về kích thước và khối lượng của côn trùng. Động học của cấu trúc mềm dẻo https://sachhaynendoc.com.vn/
Chương 3 : Mô phỏng và thực nghiệm
1. GIỚI THIỆU
Mục tiêu chương này là phát triển một mô hình toán cho phép phân tích hiệu suất của
một FWNAV, có khung đàn hồi và có khả năng hoạt động ở chế độ cộng hưởng. Nghiên
cứu này có tính độc đáo bởi nó dựa trên mô hình tham số phân tán (distributed-parameter
model) xây dựng cho một phương tiện bay có cấu trúc micro mềm dẻo. Phương tiện
được xử dụng trong nghiên cứu này có tên là “object volant mimant l’insecte” (OVMI)
[10], được chế tạo bằng công nghệ micro với vật liệu dẻo. Sự rung động của toàn bộ cấu
trúc được duy trì bởi một cơ cấu chấp hành điện từ trường.
Bởi vì chúng ta quan tâm đến việc phân tích động lực học của một hệ thống đa vật lý,
ngôn ngữ Bond Graph thì hoàn toàn phù hợp [82]. Là một dạng ngôn nghữ đồ họa, Bond
Graph giúp cho mô hình trở nên rõ ràng và rành mạch. Thêm vào đó khi cần cập nhật
hay nâng cấp mô hình, ta chỉ cần thêm vào các thành phần vật lý phù hợp với yêu cầu
đề ra mà không cần phải xây dựng mô hình lại từ đầu.
Mặc dù có những lợi thế như vậy, mô hình Bond Graph cho đến nay phần lớn chỉ dược
áp dụng cho phương tiện bay loại cánh xoay (rotary-wing) [83]–[86]. Dupont et al. [87]
và Jahanbin et al. [88], [89] gần đây đã phát triển một mô hình Bond Graph để xác định
giá trị của các tham số để phân tích hiệu suất bay của một FWMAV. Hơn thế nữa,
Jahanbin et al. còn tính tới biến dạng uốn của cạnh trước (leading edge) của cánh. Rõ
ràng rằng mô hình được phát triển trong đề tài này đã còn mở rộng sự mềm dẻo ra toàn
bộ cấu trúc của phương tiện.
2. Mô hình Bond Graph của OVMI
2.1 Giới thiệu về nguyên mẫu
Nguyên mẫu được cấu thành chính từ một khung xương 3D làm từ nhiều lớp SU-8, một
loại vật liệu cản quang [90] (Hình 3. 1). Tùy vào số lượng cũng như độ dày của các lớp,
độ cứng của khung 3D được xác định. Một lớp parylene mỏng (0.4 µm) được phủ trên
các đường gân tạo thành lớp màng cho cánh. Sải cánh có chiều dài là 22 mm. Một bộ
truyền động điện từ được cố định tại trung tâm tạo ra và duy trì giao động. Các nối mềm
đóng vai trò tryền dẫn những giao động này đến cánh. Khối lượng tổng của nguyên mẫu
là 22 mg, không bao gồm mạch điện tử hay pin. Rõ ràng nguyên mẫu này nằm trong
giới hạn về kích thước và khối lượng của côn trùng. Động học của cấu trúc mềm dẻo https://sachhaynendoc.com.vn/
36
này được định nghĩa là sự kết hợp của hai chuyển đổng chính, bao gồm chuyển động
uốn và xoắn.
Hình 3. 1: Nguyên mẫu OVMI với khối lượng 22 mg và sải cánh 22 mm.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi xem xét một cánh mềm dẻo mà động học của nó được
xác định bằng sự kết hợp của hai chuyển động cơ bản: chuyển động uốn, được mô tả
bởi một góc θ và chuyển động xoắn, được mô tả bởi một góc φ, như được thể hiện trong
Hình 3. 2a) .
Hình 3. 2: a) sơ đồ của một cánh mềm dẻo với hai bậc tự do, b) chế độ uốn mô phỏng,
c) chế độ xoắn mô phỏng.
Các chuyển động này đạt tới biên độ cực đại khi cộng hưởng, tương ứng được đặt tên là
chế độ uốn (Hình 3. 2 b)) và chế độ xoắn (Hình 3. 2 c)). Tuy nhiên, động học cánh của
a)
b) c) https://sachhaynendoc.com.vn/
này được định nghĩa là sự kết hợp của hai chuyển đổng chính, bao gồm chuyển động
uốn và xoắn.
Hình 3. 1: Nguyên mẫu OVMI với khối lượng 22 mg và sải cánh 22 mm.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi xem xét một cánh mềm dẻo mà động học của nó được
xác định bằng sự kết hợp của hai chuyển động cơ bản: chuyển động uốn, được mô tả
bởi một góc θ và chuyển động xoắn, được mô tả bởi một góc φ, như được thể hiện trong
Hình 3. 2a) .
Hình 3. 2: a) sơ đồ của một cánh mềm dẻo với hai bậc tự do, b) chế độ uốn mô phỏng,
c) chế độ xoắn mô phỏng.
Các chuyển động này đạt tới biên độ cực đại khi cộng hưởng, tương ứng được đặt tên là
chế độ uốn (Hình 3. 2 b)) và chế độ xoắn (Hình 3. 2 c)). Tuy nhiên, động học cánh của
a)
b) c) https://sachhaynendoc.com.vn/
37
hai chế độ không giống như côn trùng [91], như được giải thích trong Chương 1.3. Độ
dốc của cánh trong mỗi hành trình gần như không có đối với chế độ uốn, trong khi độ
dốc của chế độ xoắn không được bảo toàn trong suốt hành trình. Đối với các chế độ uốn
và xoắn này, về mặt lý thuyết sẽ không tạo ra lực nâng. Để giải quyết vấn đề này, trong
nguyên mẫu [10] đã kết hợp hai chế độ trên lại ở một chế độ có tên là Quadrature. Qua
đó, tăng biên độ chuyển động và lực nâng được tạo ra. Chính trên cơ sở đó mà mô hình
Bond Graph của ta được phát triển.
2.2 Word Bond Graph của OVMI
Word Bond Graph dùng để biểu diễn hệ thống chính thông qua các hệ thống con và
dòng năng lượng chảy qua chúng (Hình 3. 3). Nguyên mẫu OVMI gồm có ba hệ thống
con chính: bộ tạo sóng, cơ cấu chấp hành điện từ và “cánh”. Hệ thống con thứ nhất tạo
ra sóng sin để điều khiển cơ cấu chấp hành điện từ qua đó tạo ra giao động cho cả hệ
thống. Hệ thống con cuối cùng được đặt trong dấu ngoặc kép bởi vì nó được đặt tên là
cánh tuy nhiên nó đại diện cho cả khung xương 3D mềm dẻo. Những hệ thống con này
được kết nối bằng “bonds” (hình mũi tên), biểu diễn sự trao đổi năng lượng hai chiều.
Mỗi “bond” đại diện cho một cặp biến năng lượng, được gọi là “flow” và “effort”. Tích
của hai biến số này cho ta thông tin về năng lượng tức thời chảy qua một điểm trong hệ
thống.
Hình 3. 3: Word Bond Graph của OVMI
2.3 Mô hình Bond Graph của các hệ thống con
Bộ tạo sóng: Bộ tạo sóng được mô phỏng một cách đơn giản bằng một phần tử MSf và
một nguồn sóng (Hình 3. 4). Biên độ và tần số sóng có thể được tùy chỉnh bằng cách
thay thế thông số đầu vào của nguồn.
Hình 3. 4: Mô hình Bond Graph của bộ tạo sóng https://sachhaynendoc.com.vn/
hai chế độ không giống như côn trùng [91], như được giải thích trong Chương 1.3. Độ
dốc của cánh trong mỗi hành trình gần như không có đối với chế độ uốn, trong khi độ
dốc của chế độ xoắn không được bảo toàn trong suốt hành trình. Đối với các chế độ uốn
và xoắn này, về mặt lý thuyết sẽ không tạo ra lực nâng. Để giải quyết vấn đề này, trong
nguyên mẫu [10] đã kết hợp hai chế độ trên lại ở một chế độ có tên là Quadrature. Qua
đó, tăng biên độ chuyển động và lực nâng được tạo ra. Chính trên cơ sở đó mà mô hình
Bond Graph của ta được phát triển.
2.2 Word Bond Graph của OVMI
Word Bond Graph dùng để biểu diễn hệ thống chính thông qua các hệ thống con và
dòng năng lượng chảy qua chúng (Hình 3. 3). Nguyên mẫu OVMI gồm có ba hệ thống
con chính: bộ tạo sóng, cơ cấu chấp hành điện từ và “cánh”. Hệ thống con thứ nhất tạo
ra sóng sin để điều khiển cơ cấu chấp hành điện từ qua đó tạo ra giao động cho cả hệ
thống. Hệ thống con cuối cùng được đặt trong dấu ngoặc kép bởi vì nó được đặt tên là
cánh tuy nhiên nó đại diện cho cả khung xương 3D mềm dẻo. Những hệ thống con này
được kết nối bằng “bonds” (hình mũi tên), biểu diễn sự trao đổi năng lượng hai chiều.
Mỗi “bond” đại diện cho một cặp biến năng lượng, được gọi là “flow” và “effort”. Tích
của hai biến số này cho ta thông tin về năng lượng tức thời chảy qua một điểm trong hệ
thống.
Hình 3. 3: Word Bond Graph của OVMI
2.3 Mô hình Bond Graph của các hệ thống con
Bộ tạo sóng: Bộ tạo sóng được mô phỏng một cách đơn giản bằng một phần tử MSf và
một nguồn sóng (Hình 3. 4). Biên độ và tần số sóng có thể được tùy chỉnh bằng cách
thay thế thông số đầu vào của nguồn.
Hình 3. 4: Mô hình Bond Graph của bộ tạo sóng https://sachhaynendoc.com.vn/
38
Cơ cấu chấp hành điện từ: Cơ cấu chấp hành điện từ là một thiết bị dùng để chuyển
năng lượng điện thành năng lượng cơ. Dòng điện đầu vào (�
�) được kiểm soat để cho ra
lực điện từ (�
??????) mong muốn. Sơ đồ điện tương đương của cơ cấu chấp hành này được
miêu tả như trong Hình 3. 5 a). Tỉ lệ giữa hai đại lượng này là �
??????�(??????). Giá trị này phụ
thuộc vào độ dịch chuyển của nam châm. Mối quan hệ này được miêu tả trong công
thức 1.
{
??????
??????=�
0∗�
�
�
??????=�
??????�
(??????).�
�=??????
�
(??????).2�.�.??????.�
�
(1)
Trong đó ??????
?????? là điện áp trên điện trở cuộn dây (�
0), � là bán kính của của cuộn dây và
N là số vòng dây cuốn. �
??????�(??????) tương đương với độ dài của cuộn dây (2�.�.??????) nhân với
giá trị trung bình của mật độ từ thông trên cuộn dây (Bm). Bm lại phụ thuộc vào độ dịch
chuyển của nam châm và có thể biểu diễn thông qua một đa thức bậc 8 như trong công
thức 2.
??????
���??????????????????
(??????)=�1.??????
8
+�2.??????
7
+�3.??????
6
+�4.??????
5
+�5.??????
4
+�6.??????
3
+�7.??????
2
+�8.??????+�
(2)
Trong Bond Graph, một cơ cấu chấp hành điện từ có thể được biểu diễn bởi ba phần tử.
Một phần tử R, một phần tử nối 1, và một phần tử MGY, như miêu tả trong Error! R
eference source not found. b). Phần tử R đại diện cho điện trở cuộn dây R0. Phần tử
mối nối 1 biểu diễn cho việc mắc nối tiếp nguồn đầu vào, điện trở cuộn dây và phần tử
MGY. Phần tử cuối cùng đóng vai trò là bộ chuyển đổi năng lượng, biểu diễn cho mối
quan hệ giữa dòng điện đầu vào (ii) và lực điện từ đầu ra (Fe). Thêm vào đó tỉ số, �
??????�
(??????),
được biểu diễn bởi giản đồ khối như trong Hình 3. 6 theo công thức 2. Ngoài ra, bởi vì
giá trị trung bình của từ thông phụ thuộc vào vị trí của nam châm, một cảm biến q được
đưa vào để theo dõi thông số này.
Hình 3. 5: Biểu diễn cơ cấu chấp hành điện từ, a) thông qua sơ đồ mạch điện tương
đương b) thông qua ngôn ngữ Bond Graph.
R
0
P
R0
�
??????�(??????)
??????(�)
�
??????
??????ሶ(�)
�
� ??????
�
�
0 �
�
�
??????
b
??????
�
a) b) https://sachhaynendoc.com.vn/
Cơ cấu chấp hành điện từ: Cơ cấu chấp hành điện từ là một thiết bị dùng để chuyển
năng lượng điện thành năng lượng cơ. Dòng điện đầu vào (�
�) được kiểm soat để cho ra
lực điện từ (�
??????) mong muốn. Sơ đồ điện tương đương của cơ cấu chấp hành này được
miêu tả như trong Hình 3. 5 a). Tỉ lệ giữa hai đại lượng này là �
??????�(??????). Giá trị này phụ
thuộc vào độ dịch chuyển của nam châm. Mối quan hệ này được miêu tả trong công
thức 1.
{
??????
??????=�
0∗�
�
�
??????=�
??????�
(??????).�
�=??????
�
(??????).2�.�.??????.�
�
(1)
Trong đó ??????
?????? là điện áp trên điện trở cuộn dây (�
0), � là bán kính của của cuộn dây và
N là số vòng dây cuốn. �
??????�(??????) tương đương với độ dài của cuộn dây (2�.�.??????) nhân với
giá trị trung bình của mật độ từ thông trên cuộn dây (Bm). Bm lại phụ thuộc vào độ dịch
chuyển của nam châm và có thể biểu diễn thông qua một đa thức bậc 8 như trong công
thức 2.
??????
���??????????????????
(??????)=�1.??????
8
+�2.??????
7
+�3.??????
6
+�4.??????
5
+�5.??????
4
+�6.??????
3
+�7.??????
2
+�8.??????+�
(2)
Trong Bond Graph, một cơ cấu chấp hành điện từ có thể được biểu diễn bởi ba phần tử.
Một phần tử R, một phần tử nối 1, và một phần tử MGY, như miêu tả trong Error! R
eference source not found. b). Phần tử R đại diện cho điện trở cuộn dây R0. Phần tử
mối nối 1 biểu diễn cho việc mắc nối tiếp nguồn đầu vào, điện trở cuộn dây và phần tử
MGY. Phần tử cuối cùng đóng vai trò là bộ chuyển đổi năng lượng, biểu diễn cho mối
quan hệ giữa dòng điện đầu vào (ii) và lực điện từ đầu ra (Fe). Thêm vào đó tỉ số, �
??????�
(??????),
được biểu diễn bởi giản đồ khối như trong Hình 3. 6 theo công thức 2. Ngoài ra, bởi vì
giá trị trung bình của từ thông phụ thuộc vào vị trí của nam châm, một cảm biến q được
đưa vào để theo dõi thông số này.
Hình 3. 5: Biểu diễn cơ cấu chấp hành điện từ, a) thông qua sơ đồ mạch điện tương
đương b) thông qua ngôn ngữ Bond Graph.
R
0
P
R0
�
??????�(??????)
??????(�)
�
??????
??????ሶ(�)
�
� ??????
�
�
0 �
�
�
??????
b
??????
�
a) b) https://sachhaynendoc.com.vn/
39
Hình 3. 6: Biểu diễn Bond Graph cho giá trị trung bình của từ trường.
Mô hình Bond Graph của cánh Mô hình “Cánh” thực chất bao gồm toàn bộ tất cả các
thanh của khung xương nhưng không bao gồm màng cánh. Hiệu ứng của màng cánh
thay vào đó được biểu diển thông qua hiệu ứng của khí động học. Giả thuyết này dựa
trên thực tế là màng cánh rất mòng so với độ dày đường gân cánh. Công cụ toán học
thường được dùng để phân tích hệ các thanh mềm dẻo như vậy là lý thuyết Euler
Bernoulli.
Như trong Hình 3. 7, khung mềm dẻo của phương tiện được miêu tả bằng 13 thanh Euler
Bernoulli. Giao động uốn và xoắn trong từng thanh có thể được biểu diễn thông qua hai
phương trình đạo hàm như sau:
{
��
��
�
′′′′
(�
�,�)+��
��̈
�(�
�,�)=0
��
�??????
�
′′
(�
�,�)−��
�??????̈
�(�
�,�)=0
(3)
Trong đó �
�(�
�,�) và ??????
�(�
�,�) lần lượt là chuyển vị ngang (gây ra do uốn) và góc xoắn
(độ xoay của mặt cắt xung quanh trục thanh) của thanh �, tại vị trí �
� và thời gian �. Đạo
hàm theo không gian và thời gian được biểu diễn bởi by �
�
′
=��
�/��
� và �ሶ
�=��
�/��.
E và � là mô đun Young và mật độ của vật liệu (SU-8). �=�/(2(1+??????)) là mô đun
cắt; �
�, �
� và �
� lần lượt là diện tích mặt cắt, mô men quán tính uốn và xoắn của thanh �.
Động học của cấu trúc được tính bằng cách phân tách chuyển vị ngang và góc xoắn theo
thành phần không gian và thành phần thời gian:
??????
�
https://sachhaynendoc.com.vn/
Hình 3. 6: Biểu diễn Bond Graph cho giá trị trung bình của từ trường.
Mô hình Bond Graph của cánh Mô hình “Cánh” thực chất bao gồm toàn bộ tất cả các
thanh của khung xương nhưng không bao gồm màng cánh. Hiệu ứng của màng cánh
thay vào đó được biểu diển thông qua hiệu ứng của khí động học. Giả thuyết này dựa
trên thực tế là màng cánh rất mòng so với độ dày đường gân cánh. Công cụ toán học
thường được dùng để phân tích hệ các thanh mềm dẻo như vậy là lý thuyết Euler
Bernoulli.
Như trong Hình 3. 7, khung mềm dẻo của phương tiện được miêu tả bằng 13 thanh Euler
Bernoulli. Giao động uốn và xoắn trong từng thanh có thể được biểu diễn thông qua hai
phương trình đạo hàm như sau:
{
��
��
�
′′′′
(�
�,�)+��
��̈
�(�
�,�)=0
��
�??????
�
′′
(�
�,�)−��
�??????̈
�(�
�,�)=0
(3)
Trong đó �
�(�
�,�) và ??????
�(�
�,�) lần lượt là chuyển vị ngang (gây ra do uốn) và góc xoắn
(độ xoay của mặt cắt xung quanh trục thanh) của thanh �, tại vị trí �
� và thời gian �. Đạo
hàm theo không gian và thời gian được biểu diễn bởi by �
�
′
=��
�/��
� và �ሶ
�=��
�/��.
E và � là mô đun Young và mật độ của vật liệu (SU-8). �=�/(2(1+??????)) là mô đun
cắt; �
�, �
� và �
� lần lượt là diện tích mặt cắt, mô men quán tính uốn và xoắn của thanh �.
Động học của cấu trúc được tính bằng cách phân tách chuyển vị ngang và góc xoắn theo
thành phần không gian và thành phần thời gian:
??????
�
https://sachhaynendoc.com.vn/
40
{
�
�
(�
�,�)=∑??????
�(�)(�
�)�
�(�)
??????
�=1
??????
�
(�
�,�)=∑??????
�(�)(�
�)�
�(�)
??????
�=1
(4)
trong đó �
�
(�) là thành phần theo thời gian của chế độ thứ n, ??????
�(�)(�
�), ??????
�(�)(�
�) là hình
dáng của thanh � tại vị trí �
� của chế độ thứ n lần lượt cho uốn và xoắn. �
� là tần số góc
tự nhiên của chế độ thứ n. Để giải tìm các giá trị này, ta thay (3) vào (4) và áp dụng các
điều kiện biên cho tất cả các thanh. Trong các các chế độ được tìm thấy, chúng ta quan
tâm đến chế độ 1 và 3 vì nó liên quan đến cộng hưởng uốn và xoắn. Hai chế độ này, vì
vậy được đặt tên là chế độ uốn và chế độ xoắn.
Hình 3. 7: Sơ đồ của “Cánh”, màu sắc được dùng để phân biệt các thanh liền kề.
Để có thể tích hợp lý thuyết Euler Bernoulli cho Bond Graph, mỗi chế độ hoạt động
được biểu diễn bằng một hệ khối lượng-lò xo-giảm chấn [82]. Giá trị tương ứng của độ
cứng �
� và khối lượng ??????
� của chế độ thứ n được xác định thông qua (5).
m
n=∑∫[��
�??????
�(�)
2
(�)+��
�??????
�(�)
2
(�)]
??????
??????
0
13
�=1
��
�
�=∑∫[��
�??????
�(�)
′′′′
(�)??????
�(�)(�)+��
�??????
�(�)
′′
(�)??????
�(�)(�)]��
??????
??????
0
13
�=1
(5)
trong đó ??????
� là độ dài của thanhh thứ �. Theo lý thuyết dao động cổ điển [92], thành phần
theo thời gian �
�
(�) thỏa mãn phương trình đạo hàm sau:
??????
n�̈
n
(�)+�
n�ሶ
n
(�)+�
n�
n
(�)=??????
7(n)(
??????
7
2
)�
?????? (6)
1
2
3
4 5
6
7 8
9
10
11
12
13 https://sachhaynendoc.com.vn/
{
�
�
(�
�,�)=∑??????
�(�)(�
�)�
�(�)
??????
�=1
??????
�
(�
�,�)=∑??????
�(�)(�
�)�
�(�)
??????
�=1
(4)
trong đó �
�
(�) là thành phần theo thời gian của chế độ thứ n, ??????
�(�)(�
�), ??????
�(�)(�
�) là hình
dáng của thanh � tại vị trí �
� của chế độ thứ n lần lượt cho uốn và xoắn. �
� là tần số góc
tự nhiên của chế độ thứ n. Để giải tìm các giá trị này, ta thay (3) vào (4) và áp dụng các
điều kiện biên cho tất cả các thanh. Trong các các chế độ được tìm thấy, chúng ta quan
tâm đến chế độ 1 và 3 vì nó liên quan đến cộng hưởng uốn và xoắn. Hai chế độ này, vì
vậy được đặt tên là chế độ uốn và chế độ xoắn.
Hình 3. 7: Sơ đồ của “Cánh”, màu sắc được dùng để phân biệt các thanh liền kề.
Để có thể tích hợp lý thuyết Euler Bernoulli cho Bond Graph, mỗi chế độ hoạt động
được biểu diễn bằng một hệ khối lượng-lò xo-giảm chấn [82]. Giá trị tương ứng của độ
cứng �
� và khối lượng ??????
� của chế độ thứ n được xác định thông qua (5).
m
n=∑∫[��
�??????
�(�)
2
(�)+��
�??????
�(�)
2
(�)]
??????
??????
0
13
�=1
��
�
�=∑∫[��
�??????
�(�)
′′′′
(�)??????
�(�)(�)+��
�??????
�(�)
′′
(�)??????
�(�)(�)]��
??????
??????
0
13
�=1
(5)
trong đó ??????
� là độ dài của thanhh thứ �. Theo lý thuyết dao động cổ điển [92], thành phần
theo thời gian �
�
(�) thỏa mãn phương trình đạo hàm sau:
??????
n�̈
n
(�)+�
n�ሶ
n
(�)+�
n�
n
(�)=??????
7(n)(
??????
7
2
)�
?????? (6)
1
2
3
4 5
6
7 8
9
10
11
12
13 https://sachhaynendoc.com.vn/
41
trong đó ??????
7(�)(
??????7
2
) là biên độ uốn tại điểm giữa của thanh số 7 khi chế độ n đang được
sử dụng. �
?????? là lực điện từ tác động lên điểm giữa của thanh thứ 7. (6) có dạng của phương
trình định luật Newton 2. Bởi vì chúng ta quan tâm đến hai chế độ 1 và 3, chỉ có hai
nhóm (m
1, �
1,�
1) và (m
3,�
3, �
3) được sử dụng. Trong đó giá trị �
� được suy ra từ hệ
số chất lượng (quality factor) đạt được trong thí nghiệm. Trong ngôn ngữ Bond Graph,
phương trình (6) có thể được biểu diễn bởi một nối 1 đại diện cho sự cân bằng lực. Một
phần tử C, một phần tử I và một phần tử R lần lượt đại điện cho khối lượng, lò xo và
giảm chấn. Hình 3. 8 biểu diễn mô hình Bond Graph của cánh. Nối tất cả các mô hình
đã trình bày ở trên tại các mỗi nối chung ta sẽ có mô hình Bond Graph cuối cùng cho
toàn bộ phương tiện.
Hình 3. 8: Biểu diễn Bond Graph cho cánh
3. Mô phỏng
3.1 Xác định thông số cánh
Độ cứng và khối lượng tương đương tương ứng với mỗi chế độ cộng hưởng có thể được
suy ra về mặt lý thuyết từ Công thức 5. Do đó, tần số hoạt động tương ứng được xác
định bởi �
�=
1
2??????
√�
�/??????
�. Tuy nhiên, giảm chấn tương đương, bao gồm cả tác dụng
làm giảm độ đàn hồi của các lực đàn hồi, được đánh giá bằng thực nghiệm thông qua
tác động của áp suất không khí lên hành vi động lực học của phương tiện.
Các thí nghiệm được tiến hành bằng cách đặt nguyên mẫu trong một buồng chân không,
như trong Hình 3. 9, để kiểm soát áp suất xung quanh. Buồng chân không được sử dụng
�
�
??????ሶ(t)
1/??????
7(1)(
??????
7
2
)
1/ϕ
7(3)(
L
7
2
)
??????
1
1/�
1
�
1
�
3
??????
1(1)(??????
1)
??????
1(3)(??????
1)
1/�
3
??????
3
�ሶ
1
(�)
�ሶ
3
(�)
�
1(??????
1,�)
�ሶ
1(1)(??????
1,�)
�ሶ
1(3)(??????
1,�)
https://sachhaynendoc.com.vn/
trong đó ??????
7(�)(
??????7
2
) là biên độ uốn tại điểm giữa của thanh số 7 khi chế độ n đang được
sử dụng. �
?????? là lực điện từ tác động lên điểm giữa của thanh thứ 7. (6) có dạng của phương
trình định luật Newton 2. Bởi vì chúng ta quan tâm đến hai chế độ 1 và 3, chỉ có hai
nhóm (m
1, �
1,�
1) và (m
3,�
3, �
3) được sử dụng. Trong đó giá trị �
� được suy ra từ hệ
số chất lượng (quality factor) đạt được trong thí nghiệm. Trong ngôn ngữ Bond Graph,
phương trình (6) có thể được biểu diễn bởi một nối 1 đại diện cho sự cân bằng lực. Một
phần tử C, một phần tử I và một phần tử R lần lượt đại điện cho khối lượng, lò xo và
giảm chấn. Hình 3. 8 biểu diễn mô hình Bond Graph của cánh. Nối tất cả các mô hình
đã trình bày ở trên tại các mỗi nối chung ta sẽ có mô hình Bond Graph cuối cùng cho
toàn bộ phương tiện.
Hình 3. 8: Biểu diễn Bond Graph cho cánh
3. Mô phỏng
3.1 Xác định thông số cánh
Độ cứng và khối lượng tương đương tương ứng với mỗi chế độ cộng hưởng có thể được
suy ra về mặt lý thuyết từ Công thức 5. Do đó, tần số hoạt động tương ứng được xác
định bởi �
�=
1
2??????
√�
�/??????
�. Tuy nhiên, giảm chấn tương đương, bao gồm cả tác dụng
làm giảm độ đàn hồi của các lực đàn hồi, được đánh giá bằng thực nghiệm thông qua
tác động của áp suất không khí lên hành vi động lực học của phương tiện.
Các thí nghiệm được tiến hành bằng cách đặt nguyên mẫu trong một buồng chân không,
như trong Hình 3. 9, để kiểm soát áp suất xung quanh. Buồng chân không được sử dụng
�
�
??????ሶ(t)
1/??????
7(1)(
??????
7
2
)
1/ϕ
7(3)(
L
7
2
)
??????
1
1/�
1
�
1
�
3
??????
1(1)(??????
1)
??????
1(3)(??????
1)
1/�
3
??????
3
�ሶ
1
(�)
�ሶ
3
(�)
�
1(??????
1,�)
�ሶ
1(1)(??????
1,�)
�ሶ
1(3)(??????
1,�)
https://sachhaynendoc.com.vn/
42
bao gồm một buồng kín được nối với bơm chân không sơ cấp để đạt áp suất chân không
6.10
−3
mbar. Nguyên mẫu được định vị trên một giá đỡ bên trong buồng kín khí này
trước một cửa sổ trong suốt để đo sự dịch chuyển tại tâm của khung trên cơ cấu truyền
động điện từ bằng cách sử dụng máy đo rung laser. Do đó, đáp ứng tần số (FRF) tại các
điểm cụ thể trên nguyên mẫu “Wings” có thể được thiết lập cho các áp suất khác nhau.
Các FRF này giúp bạn có thể đánh giá giảm chấn khí động học ở các áp suất khác nhau
bằng cách xác định băng thông ở mức -3 dB dưới mức đỉnh cộng hưởng. Do đó ta có
thể thu được hệ số chất lượng Q (�=�
0/∆�)) của cánh theo áp suất bên trong buồng
chân không, như trong Hình 3. 10.
Hình 3. 9: Ảnh chụp một mẫu thử nghiệm được đặt trong một buồng chân không được
sử dụng để xác định ảnh hưởng của áp suất xung quanh lên hành vi động của nguyên
mẫu.
Hệ số chất lượng giảm một cách hợp lý với sự gia tăng áp suất tương ứng với sự gia tăng
của hệ số giảm chấn là ??????=1/2�. Ở áp suất khí quyển, hệ số chất lượng là �=10 và
??????=0.05, trong khi ở áp suất 6.10
−3
mbar, �=60 and ??????=0.0083. Giá trị giảm xóc
sau đó được ước tính là �
�=2??????√�
�??????
� cho mỗi chế độ trong điều kiện áp suất mong
muốn. Kết quả được tóm tắt trong Bảng 3. 1 để làm rõ hơn.
Prototype
Support Porthole
Laser spot
Vacuum chamber https://sachhaynendoc.com.vn/
bao gồm một buồng kín được nối với bơm chân không sơ cấp để đạt áp suất chân không
6.10
−3
mbar. Nguyên mẫu được định vị trên một giá đỡ bên trong buồng kín khí này
trước một cửa sổ trong suốt để đo sự dịch chuyển tại tâm của khung trên cơ cấu truyền
động điện từ bằng cách sử dụng máy đo rung laser. Do đó, đáp ứng tần số (FRF) tại các
điểm cụ thể trên nguyên mẫu “Wings” có thể được thiết lập cho các áp suất khác nhau.
Các FRF này giúp bạn có thể đánh giá giảm chấn khí động học ở các áp suất khác nhau
bằng cách xác định băng thông ở mức -3 dB dưới mức đỉnh cộng hưởng. Do đó ta có
thể thu được hệ số chất lượng Q (�=�
0/∆�)) của cánh theo áp suất bên trong buồng
chân không, như trong Hình 3. 10.
Hình 3. 9: Ảnh chụp một mẫu thử nghiệm được đặt trong một buồng chân không được
sử dụng để xác định ảnh hưởng của áp suất xung quanh lên hành vi động của nguyên
mẫu.
Hệ số chất lượng giảm một cách hợp lý với sự gia tăng áp suất tương ứng với sự gia tăng
của hệ số giảm chấn là ??????=1/2�. Ở áp suất khí quyển, hệ số chất lượng là �=10 và
??????=0.05, trong khi ở áp suất 6.10
−3
mbar, �=60 and ??????=0.0083. Giá trị giảm xóc
sau đó được ước tính là �
�=2??????√�
�??????
� cho mỗi chế độ trong điều kiện áp suất mong
muốn. Kết quả được tóm tắt trong Bảng 3. 1 để làm rõ hơn.
Prototype
Support Porthole
Laser spot
Vacuum chamber https://sachhaynendoc.com.vn/
43
Bảng 3. 1: Thông số của cánh
Chế độ uốn Chế độ xoắn Đơn vị
??????
� 7.215e-5 1.052e-4 N/m
�
� 1.043e-10 1.163e-10 kg
??????
� in air 8.675e-09 1.106e-08
f 132.5 151.4 Hz
Hình 3. 10: Sự thay đổi của hệ số chất lượng theo áp suất.
3.2 Mô phỏng động học cánh
Với các giá trị cho trong Bảng 3. 1, mô hình hiện đã hoàn thành đầy đủ. Sử dụng mô
hình này, chúng ta đã tìm kiếm sự tồn tại của các chế độ “quadrature” bằng cách sử dụng
đáp ứng tần số. Động học cánh cụ thể của các chế độ có thể được hình dung bằng cách
theo dõi một số điểm trên cánh OVMI.
Đáp ứng tần số thể hiện trong Hình 3. 11 được suy ra từ hàm truyền biểu thị tỷ số giữa
chuyển động của cánh ở đầu tự do của cạnh trước (thanh 11) và dòng điện (�
�). Chuyển
động (1) (trên Hình 3. 11) là tổng hợp của chế độ uốn (2) và xoắn (3). Trong Hình 3. 11
a), các cực đại cục bộ của (1) xảy ra gần với tần số cộng hưởng của (2) và (3) tại đó các
pha của chúng giao nhau ở 90 °, như được mô tả trong Hình 3. 11 b). Chế độ quadrature
được tìm thấy khi quan sát sự chuyển pha giữa (2) và (3). Nhìn vào Hình 3. 11 b), có hai
tần số (135,5 Hz và 148 Hz) mà độ lệch pha (4) là 90 °. Chúng tương ứng với các chuyển
động học với chuyển động uốn và xoắn theo phương vuông góc. https://sachhaynendoc.com.vn/
Bảng 3. 1: Thông số của cánh
Chế độ uốn Chế độ xoắn Đơn vị
??????
� 7.215e-5 1.052e-4 N/m
�
� 1.043e-10 1.163e-10 kg
??????
� in air 8.675e-09 1.106e-08
f 132.5 151.4 Hz
Hình 3. 10: Sự thay đổi của hệ số chất lượng theo áp suất.
3.2 Mô phỏng động học cánh
Với các giá trị cho trong Bảng 3. 1, mô hình hiện đã hoàn thành đầy đủ. Sử dụng mô
hình này, chúng ta đã tìm kiếm sự tồn tại của các chế độ “quadrature” bằng cách sử dụng
đáp ứng tần số. Động học cánh cụ thể của các chế độ có thể được hình dung bằng cách
theo dõi một số điểm trên cánh OVMI.
Đáp ứng tần số thể hiện trong Hình 3. 11 được suy ra từ hàm truyền biểu thị tỷ số giữa
chuyển động của cánh ở đầu tự do của cạnh trước (thanh 11) và dòng điện (�
�). Chuyển
động (1) (trên Hình 3. 11) là tổng hợp của chế độ uốn (2) và xoắn (3). Trong Hình 3. 11
a), các cực đại cục bộ của (1) xảy ra gần với tần số cộng hưởng của (2) và (3) tại đó các
pha của chúng giao nhau ở 90 °, như được mô tả trong Hình 3. 11 b). Chế độ quadrature
được tìm thấy khi quan sát sự chuyển pha giữa (2) và (3). Nhìn vào Hình 3. 11 b), có hai
tần số (135,5 Hz và 148 Hz) mà độ lệch pha (4) là 90 °. Chúng tương ứng với các chuyển
động học với chuyển động uốn và xoắn theo phương vuông góc. https://sachhaynendoc.com.vn/
44
Hình 3. 11: Mô phỏng Bond Graph biên độ và đáp ứng tần số của nguyên mẫu. a) biên
độ của đầu tự do của tia 2 (1) và các thành phần tương ứng của nó bao gồm chuyển
động uốn (2) và xoắn (3); b) giai đoạn uốn (2) và xoắn (3) và sự khác biệt của chúng
(4)
Với mô hình đã được hoàn thiện, chúng ta theo dấu đầu mút của các thanh 1, 2 và 3 để
minh họa quỹ đạo cánh tại các hai chế độ hoạt động uốn và xoắn (Hình 3. 12). Có thể
thấy rằng, hai chế cộng hưởng uốn và xoắn này mang lại biên độ lớn cho hai chuyển
động chính. Tuy nhiên, chúng lại không thích hợp cho việc tạo lực nâng. Ở chế độ uốn
(Hình 3. 12 a)), góc tấn lớn vì thế sẽ có nhiều lực kéo được tạo ra hơn là lực nâng (Hình
3. 12 b)). Ví dụ, ngay ở điểm giữa của của quỹ đạo cánh, góc tấn gần như bằng 90
o
.
Thêm vào đó, sự thay đổi của góc tấn của chế độ hoạt động này và ngay cả chế độ xoắn
(Hình 3. 12 c)) tạo ra lực nâng âm trong nửa đầu của những lần đập cánh (Hình 3. 12
d)). Kết quả là tổng lực nâng trong mỗi lần đập cánh là bé. Nguyên nhân của vấn đề nằm
ở chỗ, hai chế độ hoạt động này chỉ tập trung cho hoặc là xoắn hoặc là uốn. Chúng thiếu
đi sự phối kết hợp của cả hai loại chuyển động. Để giải quyết vấn đề này, ta sử dụng đáp https://sachhaynendoc.com.vn/
Hình 3. 11: Mô phỏng Bond Graph biên độ và đáp ứng tần số của nguyên mẫu. a) biên
độ của đầu tự do của tia 2 (1) và các thành phần tương ứng của nó bao gồm chuyển
động uốn (2) và xoắn (3); b) giai đoạn uốn (2) và xoắn (3) và sự khác biệt của chúng
(4)
Với mô hình đã được hoàn thiện, chúng ta theo dấu đầu mút của các thanh 1, 2 và 3 để
minh họa quỹ đạo cánh tại các hai chế độ hoạt động uốn và xoắn (Hình 3. 12). Có thể
thấy rằng, hai chế cộng hưởng uốn và xoắn này mang lại biên độ lớn cho hai chuyển
động chính. Tuy nhiên, chúng lại không thích hợp cho việc tạo lực nâng. Ở chế độ uốn
(Hình 3. 12 a)), góc tấn lớn vì thế sẽ có nhiều lực kéo được tạo ra hơn là lực nâng (Hình
3. 12 b)). Ví dụ, ngay ở điểm giữa của của quỹ đạo cánh, góc tấn gần như bằng 90
o
.
Thêm vào đó, sự thay đổi của góc tấn của chế độ hoạt động này và ngay cả chế độ xoắn
(Hình 3. 12 c)) tạo ra lực nâng âm trong nửa đầu của những lần đập cánh (Hình 3. 12
d)). Kết quả là tổng lực nâng trong mỗi lần đập cánh là bé. Nguyên nhân của vấn đề nằm
ở chỗ, hai chế độ hoạt động này chỉ tập trung cho hoặc là xoắn hoặc là uốn. Chúng thiếu
đi sự phối kết hợp của cả hai loại chuyển động. Để giải quyết vấn đề này, ta sử dụng đáp https://sachhaynendoc.com.vn/
45
ứng tần số của hệ thống để tìm kiếm các chế độ hoạt động khác phù hợp hơn. Tại 135.5
Hz và 148 Hz, tồn tại hai chế độ mà có sự lệch pha 90
o
giữa uốn và xoắn, ta đặt tên cho
chúng là chế độ quadrature 1 và 2. Động học của hai chế độ này được miêu tả trong
Error! Reference source not found.. Ở hai chế độ hoạt động này, cả uốn và xoắn đều đ
ược kích hoạt. Uốn thì nhiều hơn xoắn ở chế độ thứ 1, bởi vì chế độ này gần với vị trí
xảy ra cộng hưởng uốn. Giải thích tương tự có thể sử dụng cho xoắn ở chế độ quadrature
2. Có thể thấy rằng hai chế độ này mang lại quỹ đạo cánh cơ bản của côn trùng bao gồm
đập cánh, xoay cánh và lùi cánh. Tóm lại, với hai chế độ quadrature này, ta có thể tin
rằng quỹ đạo cánh nhận được là phù hợp cho việc tạo lực nâng.
Hình 3. 12: Chế độ uốn (f = 132.5 Hz), chế độ xoắn (f = 151.4 Hz). https://sachhaynendoc.com.vn/
ứng tần số của hệ thống để tìm kiếm các chế độ hoạt động khác phù hợp hơn. Tại 135.5
Hz và 148 Hz, tồn tại hai chế độ mà có sự lệch pha 90
o
giữa uốn và xoắn, ta đặt tên cho
chúng là chế độ quadrature 1 và 2. Động học của hai chế độ này được miêu tả trong
Error! Reference source not found.. Ở hai chế độ hoạt động này, cả uốn và xoắn đều đ
ược kích hoạt. Uốn thì nhiều hơn xoắn ở chế độ thứ 1, bởi vì chế độ này gần với vị trí
xảy ra cộng hưởng uốn. Giải thích tương tự có thể sử dụng cho xoắn ở chế độ quadrature
2. Có thể thấy rằng hai chế độ này mang lại quỹ đạo cánh cơ bản của côn trùng bao gồm
đập cánh, xoay cánh và lùi cánh. Tóm lại, với hai chế độ quadrature này, ta có thể tin
rằng quỹ đạo cánh nhận được là phù hợp cho việc tạo lực nâng.
Hình 3. 12: Chế độ uốn (f = 132.5 Hz), chế độ xoắn (f = 151.4 Hz). https://sachhaynendoc.com.vn/
46
Hình 3. 13: Chế độ quadrature 1 (f = 135.5 Hz), chế độ quadrature 2 (f = 148.0 Hz).
4. Kết quả thực nghiệm
Khái niệm đề xuất đã được xác nhận thông qua các kết quả thực nghiệm thu được trong
một nghiên cứu trước đây [10]. Trong phần này, chúng tôi chỉ tóm tắt các bằng chứng
chứng minh sự tồn tại của hai chế độ cộng hưởng và lợi ích của việc vận hành ở chế độ
quadrature. Tốt hơn nên nhắc rằng hai thí nghiệm cụ thể đã được phát triển để theo dõi
sự thay đổi của lực nâng theo động học của cánh như được mô tả trong [10].
Hai FRFs của độ lệch của khung (một tại nam châm và and một tại cạnh dẫn của cánh
trái được miêu tả trong Hình Hình 3. 14 (c) cho ta thấy hai đỉnh tại 140 Hz và 195 Hz.
Thông qua mô hình hóa lại thực nghiệm hình dạng độ võng, người ta chứng minh rằng
hai đỉnh này ứng với chế độ uốn và xoắn. Ảnh chụp nhanh của hai hình dạng biến dạng
như trong Hình Hình 3. 14 a) và b), rõ ràng là củng cố xác nhận đó. Tiếp theo, liên quan
đến phép đo lực nâng trung bình Hình 3. 14 d), nó cũng tồn tại hai cực đại cục bộ ở
133,5 Hz và 190,8 Hz. Cả hai đều xảy ra ngoài tần số cộng hưởng. Bằng cách quan sát
chuyển động của cánh bằng camera tốc độ cao, như minh họa trong Hình 3. 15, hai giá
trị lớn nhất này tương ứng với chuyển động của cánh dự kiến với các cạnh dẫn và mép
sau cánh theo phương vuông góc pha, tương tự như dự đoán của lý thuyết (Hình 3. 13). https://sachhaynendoc.com.vn/
Hình 3. 13: Chế độ quadrature 1 (f = 135.5 Hz), chế độ quadrature 2 (f = 148.0 Hz).
4. Kết quả thực nghiệm
Khái niệm đề xuất đã được xác nhận thông qua các kết quả thực nghiệm thu được trong
một nghiên cứu trước đây [10]. Trong phần này, chúng tôi chỉ tóm tắt các bằng chứng
chứng minh sự tồn tại của hai chế độ cộng hưởng và lợi ích của việc vận hành ở chế độ
quadrature. Tốt hơn nên nhắc rằng hai thí nghiệm cụ thể đã được phát triển để theo dõi
sự thay đổi của lực nâng theo động học của cánh như được mô tả trong [10].
Hai FRFs của độ lệch của khung (một tại nam châm và and một tại cạnh dẫn của cánh
trái được miêu tả trong Hình Hình 3. 14 (c) cho ta thấy hai đỉnh tại 140 Hz và 195 Hz.
Thông qua mô hình hóa lại thực nghiệm hình dạng độ võng, người ta chứng minh rằng
hai đỉnh này ứng với chế độ uốn và xoắn. Ảnh chụp nhanh của hai hình dạng biến dạng
như trong Hình Hình 3. 14 a) và b), rõ ràng là củng cố xác nhận đó. Tiếp theo, liên quan
đến phép đo lực nâng trung bình Hình 3. 14 d), nó cũng tồn tại hai cực đại cục bộ ở
133,5 Hz và 190,8 Hz. Cả hai đều xảy ra ngoài tần số cộng hưởng. Bằng cách quan sát
chuyển động của cánh bằng camera tốc độ cao, như minh họa trong Hình 3. 15, hai giá
trị lớn nhất này tương ứng với chuyển động của cánh dự kiến với các cạnh dẫn và mép
sau cánh theo phương vuông góc pha, tương tự như dự đoán của lý thuyết (Hình 3. 13). https://sachhaynendoc.com.vn/
47
Hình 3. 14: Thí nghiệm độ biến dạng tại tần số cộng hưởng: (a) chế độ uốn; (b) chế độ
xoắn. (c) FRF của nguyên mẫu được lấy tại nam châm và đầu mút của cạnh dẫn cánh
bên trái, tại khoảng tần số khảo sát. (d) Đường cong đa thức xấp xỉ [10].
Tóm lại, sự tồn tại của hai chế độ quadrature đã được chứng minh bằng cách sử dụng
máy ảnh tốc độ cao. Trong đoạn video được ghi lại, chuyển động của cạnh đầu và cạnh
sau theo phương vuông góc với pha tương tự như dự đoán của lý thuyết (Hình 3. 13),
nhưng có sự khác biệt về tần số làm việc thu được bằng thực nghiệm và thông qua mô
phỏng. Những khác biệt này có thể được giải thích bởi thực tế là các hiệu ứng khối lượng
thêm vào bị bỏ qua trong mô hình, điều này làm thay đổi tần số cộng hưởng. https://sachhaynendoc.com.vn/
Hình 3. 14: Thí nghiệm độ biến dạng tại tần số cộng hưởng: (a) chế độ uốn; (b) chế độ
xoắn. (c) FRF của nguyên mẫu được lấy tại nam châm và đầu mút của cạnh dẫn cánh
bên trái, tại khoảng tần số khảo sát. (d) Đường cong đa thức xấp xỉ [10].
Tóm lại, sự tồn tại của hai chế độ quadrature đã được chứng minh bằng cách sử dụng
máy ảnh tốc độ cao. Trong đoạn video được ghi lại, chuyển động của cạnh đầu và cạnh
sau theo phương vuông góc với pha tương tự như dự đoán của lý thuyết (Hình 3. 13),
nhưng có sự khác biệt về tần số làm việc thu được bằng thực nghiệm và thông qua mô
phỏng. Những khác biệt này có thể được giải thích bởi thực tế là các hiệu ứng khối lượng
thêm vào bị bỏ qua trong mô hình, điều này làm thay đổi tần số cộng hưởng. https://sachhaynendoc.com.vn/
48
Hình 3. 15: Một số khung hình được chụp bằng camera tốc độ cao ở tần số chế độ
quadrature thứ hai (190,8 Hz). Đường đứt nét màu xanh lam: vị trí dây cung cánh ban
đầu; Đường đứt nét màu cam: vị trí dây cung cánh hiện tại. Đảo cánh xảy ra xung quanh
khung 4 [10].
5. Sơ đồ mạch và phương pháp chế tạo tiêu bản https://sachhaynendoc.com.vn/
Hình 3. 15: Một số khung hình được chụp bằng camera tốc độ cao ở tần số chế độ
quadrature thứ hai (190,8 Hz). Đường đứt nét màu xanh lam: vị trí dây cung cánh ban
đầu; Đường đứt nét màu cam: vị trí dây cung cánh hiện tại. Đảo cánh xảy ra xung quanh
khung 4 [10].
5. Sơ đồ mạch và phương pháp chế tạo tiêu bản https://sachhaynendoc.com.vn/
49
5.1 Sơ đồ mạch
Hình 3. 16 Sơ đồ mạch phát triển cho phương tiện bay MAV https://sachhaynendoc.com.vn/
5.1 Sơ đồ mạch
Hình 3. 16 Sơ đồ mạch phát triển cho phương tiện bay MAV https://sachhaynendoc.com.vn/
50
5.2 Mạch in
Hình 3. 17: Layout phát triển cho phương tiện bay MAV https://sachhaynendoc.com.vn/
5.2 Mạch in
Hình 3. 17: Layout phát triển cho phương tiện bay MAV https://sachhaynendoc.com.vn/
51
5.3 Quy trình chế tạo
Quá trình chế tạo cánh SU-8 phụ thuộc chủ yếu vào kỹ thuật quay phủ và in thạch bản.
Một ví dụ về quy trình quang khắc được sử dụng để sản xuất cấu trúc OVMI (liên kết,
khung của cánh và lồng ngực) được mô tả trong Hình 3.18.
Hình 3. 18: Sơ đồ quy trình quang khắc được sử dụng để sản xuất cấu trúc OVMI (liên
kết, khung của cánh và lồng ngực) [93].
Lấy một tấm wafer và lắp một lớp nhôm lên nó, SU-8 được lắng đọng và tráng quay đến
độ dày mong muốn. Sau đó, nó được cách nhiệt với tia cực tím thông qua một mặt nạ
thích hợp đại diện cho cấu trúc của chúng ta. SU-8 sẽ liên kết chéo nơi phần tiếp xúc và
không liên kết chéo sẽ bị hòa tan khi ngâm vào dung môi. Bằng cách lặp lại các bước
này nhiều lần cho các độ dày và hình dạng mặt nạ khác nhau, cấu trúc SU-8 (cánh, ngực,
v.v.) có thể được chế tạo dễ dàng. Độ dày có thể từ 1 μm đến 400 μm và hình dạng mặt
nạ lên đến 7,5 cm [94].
https://sachhaynendoc.com.vn/
5.3 Quy trình chế tạo
Quá trình chế tạo cánh SU-8 phụ thuộc chủ yếu vào kỹ thuật quay phủ và in thạch bản.
Một ví dụ về quy trình quang khắc được sử dụng để sản xuất cấu trúc OVMI (liên kết,
khung của cánh và lồng ngực) được mô tả trong Hình 3.18.
Hình 3. 18: Sơ đồ quy trình quang khắc được sử dụng để sản xuất cấu trúc OVMI (liên
kết, khung của cánh và lồng ngực) [93].
Lấy một tấm wafer và lắp một lớp nhôm lên nó, SU-8 được lắng đọng và tráng quay đến
độ dày mong muốn. Sau đó, nó được cách nhiệt với tia cực tím thông qua một mặt nạ
thích hợp đại diện cho cấu trúc của chúng ta. SU-8 sẽ liên kết chéo nơi phần tiếp xúc và
không liên kết chéo sẽ bị hòa tan khi ngâm vào dung môi. Bằng cách lặp lại các bước
này nhiều lần cho các độ dày và hình dạng mặt nạ khác nhau, cấu trúc SU-8 (cánh, ngực,
v.v.) có thể được chế tạo dễ dàng. Độ dày có thể từ 1 μm đến 400 μm và hình dạng mặt
nạ lên đến 7,5 cm [94].
https://sachhaynendoc.com.vn/
52
Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển
Trong báo cáo 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.
Trong nhưng nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi sẽ tiếp tục tìm hiểu các phương pháp để có
thể nâng cao lực nâng như cải thiện cơ cấu truyền động hay lựa chọn các cấu trúc tối ưu
hơn nữa để có thể khiến vật thể bay kích cỡ NAV bay được.
https://sachhaynendoc.com.vn/
Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển
Trong báo cáo 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.
Trong nhưng nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi sẽ tiếp tục tìm hiểu các phương pháp để có
thể nâng cao lực nâng như cải thiện cơ cấu truyền động hay lựa chọn các cấu trúc tối ưu
hơn nữa để có thể khiến vật thể bay kích cỡ NAV bay được.
https://sachhaynendoc.com.vn/
53
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] “nature | Definition of nature in English by Oxford Dictionaries,” Oxford
Dictionaries | English. https://en.oxforddictionaries.com/definition/nature
(accessed Sep. 26, 2018).
[2] Unmanned aircraft systems: (UAS). Montréal: International Civil Aviation
Organization, 2011.
[3] J. W. Gerdes and S. K. Gupta, “A REVIEW OF BIRD-INSPIRED FLAPPING
WING MINIATURE AIR VEHICLE DESIGNS,” p. 16.
[4] L. Petricca, P. Ohlckers, and C. Grinde, “Micro- and Nano-Air Vehicles: State of
the Art,” Int. J. Aerosp. Eng., vol. 2011, pp. 1–17, 2011, doi: 10.1155/2011/214549.
[5] S. K. Banala, Y. Karakaya, S. McIntosh, Z. Khan, and S. K. Agrawal, “Design and
Optimization of a Mechanism for Out of Plane Insect Wing Like Motion With
Twist,” p. 7, 2004.
[6] S. P. Sane, “The aerodynamics of insect flight,” J. Exp. Biol., vol. 206, no. 23, pp.
4191–4208, Dec. 2003, doi: 10.1242/jeb.00663.
[7] M. H. Dickinson and K. G. Götz, “Unsteady aerodynamic performance of model
wings at low reynolds numbers,” p. 21.
[8] “IEMN – Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie.”
https://www.iemn.fr/ (accessed Sep. 26, 2018).
[9] C. H. Greenewalt, Hummingbirds. Dover Publication, INC., New York, 1990.
[10] D. Faux, O. Thomas, E. Cattan, S. Grondel, and L. A. Doan, “Two modes resonant
combined motion for insect wings kinematics reproduction and lift generation,”
EPL Europhys. Lett., vol. 121, no. 6, p. 66001, Mar. 2018, doi: 10.1209/0295-
5075/121/66001.
[11] “UNMANNED AERIAL VEHICLES,” Jul. 24, 2009.
https://web.archive.org/web/20090724015052/http://www.airpower.maxwell.af.m
il/airchronicles/apj/apj91/spr91/4spr91.htm (accessed Jun. 18, 2017).
[12] J. Grasmeyer and M. Keennon, “Development of the Black Widow Micro Air
Vehicle,” Jan. 2001, doi: 10.2514/6.2001-127.
[13] D. Gyllhem, K. Mohseni, D. Lawrence, and P. Geuzaine, “Numerical simulation
of flow around the Colorado micro aerial vehicle,” in AIAA Fluid Dynamics
Conference and Exhibit, 2005, pp. 6–9, Accessed: Jul. 09, 2017. [Online].
Available: https://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/6.2005-4757.
[14] W. Shyy, B. Mats, and L. Daniel, “Flapping and fexible wings for biological and
micro air vehicles,” Prog. Aerosp. Sci., vol. 35, no. 5, pp. 455–506, 1999.
[15] M. R. Waszak, L. N. Jenkins, and P. Ifju, “Stability and control properties of an
aeroelastic fixed wing micro aerial vehicle,” AIAA Pap., vol. 4005, p. 2001, 2001.
[16] V. Brion, M. Aki, and S. Shkarayev, “Numerical simulation of low Reynolds
number flows around micro air vehicles and comparison against wind tunnel data,”
in AIAA Applied Aerodynamics Conference, 2006, pp. 5–8, Accessed: Jul. 09, 2017.
[Online]. Available: https://arc.aiaa.org/doi/pdfplus/10.2514/6.2006-3864.
[17] Y. Lian and W. Shyy, “Numerical Simulations of Membrane Wing Aerodynamics
for Micro Air Vehicle Applications,” J. Aircr., vol. 42, no. 4, pp. 865–873, Jul.
2005, doi: 10.2514/1.5909.
[18] B. Stanford, D. Viieru, R. Albertani, W. Shyy, and P. Ifju, “A numerical and
experimental investigation of flexible micro air vehicle wing deformation,” 2006, https://sachhaynendoc.com.vn/
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] “nature | Definition of nature in English by Oxford Dictionaries,” Oxford
Dictionaries | English. https://en.oxforddictionaries.com/definition/nature
(accessed Sep. 26, 2018).
[2] Unmanned aircraft systems: (UAS). Montréal: International Civil Aviation
Organization, 2011.
[3] J. W. Gerdes and S. K. Gupta, “A REVIEW OF BIRD-INSPIRED FLAPPING
WING MINIATURE AIR VEHICLE DESIGNS,” p. 16.
[4] L. Petricca, P. Ohlckers, and C. Grinde, “Micro- and Nano-Air Vehicles: State of
the Art,” Int. J. Aerosp. Eng., vol. 2011, pp. 1–17, 2011, doi: 10.1155/2011/214549.
[5] S. K. Banala, Y. Karakaya, S. McIntosh, Z. Khan, and S. K. Agrawal, “Design and
Optimization of a Mechanism for Out of Plane Insect Wing Like Motion With
Twist,” p. 7, 2004.
[6] S. P. Sane, “The aerodynamics of insect flight,” J. Exp. Biol., vol. 206, no. 23, pp.
4191–4208, Dec. 2003, doi: 10.1242/jeb.00663.
[7] M. H. Dickinson and K. G. Götz, “Unsteady aerodynamic performance of model
wings at low reynolds numbers,” p. 21.
[8] “IEMN – Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie.”
https://www.iemn.fr/ (accessed Sep. 26, 2018).
[9] C. H. Greenewalt, Hummingbirds. Dover Publication, INC., New York, 1990.
[10] D. Faux, O. Thomas, E. Cattan, S. Grondel, and L. A. Doan, “Two modes resonant
combined motion for insect wings kinematics reproduction and lift generation,”
EPL Europhys. Lett., vol. 121, no. 6, p. 66001, Mar. 2018, doi: 10.1209/0295-
5075/121/66001.
[11] “UNMANNED AERIAL VEHICLES,” Jul. 24, 2009.
https://web.archive.org/web/20090724015052/http://www.airpower.maxwell.af.m
il/airchronicles/apj/apj91/spr91/4spr91.htm (accessed Jun. 18, 2017).
[12] J. Grasmeyer and M. Keennon, “Development of the Black Widow Micro Air
Vehicle,” Jan. 2001, doi: 10.2514/6.2001-127.
[13] D. Gyllhem, K. Mohseni, D. Lawrence, and P. Geuzaine, “Numerical simulation
of flow around the Colorado micro aerial vehicle,” in AIAA Fluid Dynamics
Conference and Exhibit, 2005, pp. 6–9, Accessed: Jul. 09, 2017. [Online].
Available: https://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/6.2005-4757.
[14] W. Shyy, B. Mats, and L. Daniel, “Flapping and fexible wings for biological and
micro air vehicles,” Prog. Aerosp. Sci., vol. 35, no. 5, pp. 455–506, 1999.
[15] M. R. Waszak, L. N. Jenkins, and P. Ifju, “Stability and control properties of an
aeroelastic fixed wing micro aerial vehicle,” AIAA Pap., vol. 4005, p. 2001, 2001.
[16] V. Brion, M. Aki, and S. Shkarayev, “Numerical simulation of low Reynolds
number flows around micro air vehicles and comparison against wind tunnel data,”
in AIAA Applied Aerodynamics Conference, 2006, pp. 5–8, Accessed: Jul. 09, 2017.
[Online]. Available: https://arc.aiaa.org/doi/pdfplus/10.2514/6.2006-3864.
[17] Y. Lian and W. Shyy, “Numerical Simulations of Membrane Wing Aerodynamics
for Micro Air Vehicle Applications,” J. Aircr., vol. 42, no. 4, pp. 865–873, Jul.
2005, doi: 10.2514/1.5909.
[18] B. Stanford, D. Viieru, R. Albertani, W. Shyy, and P. Ifju, “A numerical and
experimental investigation of flexible micro air vehicle wing deformation,” 2006, https://sachhaynendoc.com.vn/
54
Accessed: Jul. 09, 2017. [Online]. Available:
https://arc.aiaa.org/doi/pdfplus/10.2514/6.2006-440.
[19] D. Viieru, R. Albertani, W. Shyy, and P. G. Ifju, “Effect of Tip Vortex on Wing
Aerodynamics of Micro Air Vehicles,” J. Aircr., vol. 42, no. 6, pp. 1530–1536,
Nov. 2005, doi: 10.2514/1.12805.
[20] A. Datta, “The martian autonomous rotary-wing vehicle (MARV).” Tech. Rep.,
University of Maryland, College Park, Md, USA, 2000.
[21] L. Petricca, P. Ohlckers, and C. Grinde, “Micro- and Nano-Air Vehicles: State of
the Art,” Int. J. Aerosp. Eng., vol. 2011, pp. 1–17, 2011, doi: 10.1155/2011/214549.
[22] “Black Hornet Nano,” Wikipedia. Aug. 23, 2018, Accessed: Sep. 18, 2018.
[Online]. Available:
https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Black_Hornet_Nano&oldid=8562210
24.
[23] “Crazyflie 2.0.” https://www.seeedstudio.com/Crazyflie-2.0-p-2103.html
(accessed Jul. 12, 2017).
[24] I. Kroo et al., “The Mesicopter: A Miniature Rotorcraft Concept Phase II Final
Report,” p. 138.
[25] P. Muren, “Picoflyer description,” 2005. http://www.proxflyer.com/pi_meny.htm.
[26] H. Dong, A. T. Bode-Oke, and C. Li, “Learning from Nature: Unsteady Flow
Physics in Bioinspired Flapping Flight,” in Flight Physics - Models, Techniques
and Technologies, K. Volkov, Ed. InTech, 2018.
[27] C. Galiński and R. Żbikowski, “Some problems of micro air vehicles
development,” Bull. Pol. Acad. Sci. Tech. Sci., vol. 55, no. 1, 2007, Accessed: Jul.
15, 2017. [Online]. Available: http://www.ippt.gov.pl/~bulletin/(55-1)91.pdf.
[28] G. C. H. E. de Croon, M. Perçin, B. D. W. Remes, R. Ruijsink, and C. De Wagter,
The DelFly. Dordrecht: Springer Netherlands, 2016.
[29] J. W. Kruyt, E. M. Quicazan-Rubio, G. F. van Heijst, D. L. Altshuler, and D.
Lentink, “Hummingbird wing efficacy depends on aspect ratio and compares with
helicopter rotors,” J. R. Soc. Interface, vol. 11, no. 99, pp. 20140585–20140585,
Jul. 2014, doi: 10.1098/rsif.2014.0585.
[30] C. Evangelista, P. Kraft, M. Dacke, J. Reinhard, and M. V. Srinivasan, “The
moment before touchdown: landing manoeuvres of the honeybee Apis mellifera,”
J. Exp. Biol., vol. 213, no. 2, pp. 262–270, Jan. 2010, doi: 10.1242/jeb.037465.
[31] G. Card and M. H. Dickinson, “Visually Mediated Motor Planning in the Escape
Response of Drosophila,” Curr. Biol., vol. 18, no. 17, pp. 1300–1307, Sep. 2008,
doi: 10.1016/j.cub.2008.07.094.
[32] B. Singh, M. Ramasamy, I. Chopra, and J. G. Leishman, “Experimental studies on
insect-based flapping wings for micro hovering air vehicles,” AIAA Pap., vol. 2293,
p. 2005, 2005.
[33] S. A. Ansari, R. Żbikowski, and K. Knowles, “Aerodynamic modelling of insect-
like flapping flight for micro air vehicles,” Prog. Aerosp. Sci., vol. 42, no. 2, pp.
129–172, Feb. 2006, doi: 10.1016/j.paerosci.2006.07.001.
[34] P. Seshadri, M. Benedict, and I. Chopra, “A novel mechanism for emulating insect
wing kinematics,” Bioinspir. Biomim., vol. 7, no. 3, p. 036017, Sep. 2012, doi:
10.1088/1748-3182/7/3/036017.
[35] V. Arabagi and M. Sitti, “Simulation and analysis of a passive pitch reversal
flapping wing mechanism for an aerial robotic platform,” in Intelligent Robots and
Systems, 2008. IROS 2008. IEEE/RSJ International Conference on, 2008, pp. https://sachhaynendoc.com.vn/
Accessed: Jul. 09, 2017. [Online]. Available:
https://arc.aiaa.org/doi/pdfplus/10.2514/6.2006-440.
[19] D. Viieru, R. Albertani, W. Shyy, and P. G. Ifju, “Effect of Tip Vortex on Wing
Aerodynamics of Micro Air Vehicles,” J. Aircr., vol. 42, no. 6, pp. 1530–1536,
Nov. 2005, doi: 10.2514/1.12805.
[20] A. Datta, “The martian autonomous rotary-wing vehicle (MARV).” Tech. Rep.,
University of Maryland, College Park, Md, USA, 2000.
[21] L. Petricca, P. Ohlckers, and C. Grinde, “Micro- and Nano-Air Vehicles: State of
the Art,” Int. J. Aerosp. Eng., vol. 2011, pp. 1–17, 2011, doi: 10.1155/2011/214549.
[22] “Black Hornet Nano,” Wikipedia. Aug. 23, 2018, Accessed: Sep. 18, 2018.
[Online]. Available:
https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Black_Hornet_Nano&oldid=8562210
24.
[23] “Crazyflie 2.0.” https://www.seeedstudio.com/Crazyflie-2.0-p-2103.html
(accessed Jul. 12, 2017).
[24] I. Kroo et al., “The Mesicopter: A Miniature Rotorcraft Concept Phase II Final
Report,” p. 138.
[25] P. Muren, “Picoflyer description,” 2005. http://www.proxflyer.com/pi_meny.htm.
[26] H. Dong, A. T. Bode-Oke, and C. Li, “Learning from Nature: Unsteady Flow
Physics in Bioinspired Flapping Flight,” in Flight Physics - Models, Techniques
and Technologies, K. Volkov, Ed. InTech, 2018.
[27] C. Galiński and R. Żbikowski, “Some problems of micro air vehicles
development,” Bull. Pol. Acad. Sci. Tech. Sci., vol. 55, no. 1, 2007, Accessed: Jul.
15, 2017. [Online]. Available: http://www.ippt.gov.pl/~bulletin/(55-1)91.pdf.
[28] G. C. H. E. de Croon, M. Perçin, B. D. W. Remes, R. Ruijsink, and C. De Wagter,
The DelFly. Dordrecht: Springer Netherlands, 2016.
[29] J. W. Kruyt, E. M. Quicazan-Rubio, G. F. van Heijst, D. L. Altshuler, and D.
Lentink, “Hummingbird wing efficacy depends on aspect ratio and compares with
helicopter rotors,” J. R. Soc. Interface, vol. 11, no. 99, pp. 20140585–20140585,
Jul. 2014, doi: 10.1098/rsif.2014.0585.
[30] C. Evangelista, P. Kraft, M. Dacke, J. Reinhard, and M. V. Srinivasan, “The
moment before touchdown: landing manoeuvres of the honeybee Apis mellifera,”
J. Exp. Biol., vol. 213, no. 2, pp. 262–270, Jan. 2010, doi: 10.1242/jeb.037465.
[31] G. Card and M. H. Dickinson, “Visually Mediated Motor Planning in the Escape
Response of Drosophila,” Curr. Biol., vol. 18, no. 17, pp. 1300–1307, Sep. 2008,
doi: 10.1016/j.cub.2008.07.094.
[32] B. Singh, M. Ramasamy, I. Chopra, and J. G. Leishman, “Experimental studies on
insect-based flapping wings for micro hovering air vehicles,” AIAA Pap., vol. 2293,
p. 2005, 2005.
[33] S. A. Ansari, R. Żbikowski, and K. Knowles, “Aerodynamic modelling of insect-
like flapping flight for micro air vehicles,” Prog. Aerosp. Sci., vol. 42, no. 2, pp.
129–172, Feb. 2006, doi: 10.1016/j.paerosci.2006.07.001.
[34] P. Seshadri, M. Benedict, and I. Chopra, “A novel mechanism for emulating insect
wing kinematics,” Bioinspir. Biomim., vol. 7, no. 3, p. 036017, Sep. 2012, doi:
10.1088/1748-3182/7/3/036017.
[35] V. Arabagi and M. Sitti, “Simulation and analysis of a passive pitch reversal
flapping wing mechanism for an aerial robotic platform,” in Intelligent Robots and
Systems, 2008. IROS 2008. IEEE/RSJ International Conference on, 2008, pp. https://sachhaynendoc.com.vn/
55
1260–1265, Accessed: Feb. 12, 2016. [Online]. Available:
http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=4651003.
[36] P. Zdunich et al., “Development and Testing of the Mentor Flapping-Wing Micro
Air Vehicle,” J. Aircr., vol. 44, no. 5, pp. 1701–1711, Sep. 2007, doi:
10.2514/1.28463.
[37] “Inside a wing,” DK Find Out! https://www.dkfindout.com/us/animals-and-
nature/birds/inside-wing/ (accessed Nov. 01, 2018).
[38] C. T. Bolsman, B. Palsson, H. Goosen, R. Schmidt, and F. van Keulen, “The use of
resonant structures for miniaturizing FMAVs,” 2007, Accessed: Jul. 20, 2017.
[Online]. Available:
http://aeromav.free.fr/MAV07/session/plenary/SESSION%203/MAV07-
PLEN%203-2%20Bolsman/Bolsman.pdf.
[39] S. M. Walker et al., “In Vivo Time-Resolved Microtomography Reveals the
Mechanics of the Blowfly Flight Motor,” PLoS Biol., vol. 12, no. 3, p. e1001823,
Mar. 2014, doi: 10.1371/journal.pbio.1001823.
[40] “Animal Physiology 4e.” https://animalphys4e.sinauer.com/boxex2002.html
(accessed Nov. 01, 2018).
[41] “Gliding flight,” Wikipedia. Sep. 15, 2018, Accessed: Sep. 26, 2018. [Online].
Available:
https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Gliding_flight&oldid=859696363.
[42] J. M. Wakeling and C. P. Ellington, “Dragonfly flight i. Gliding flight and steady-
state aerodynamic forces,” p. 14.
[43] W. Shyy, H. Aono, C. Kang, and H. Liu, An introduction to flapping wing
aerodynamics. Cambridge ; New York: Cambridge University Press, 2013.
[44] U. M. Lindhe Norberg, “Structure, form, and function of flight in engineering and
the living world,” J. Morphol., vol. 252, no. 1, pp. 52–81, Apr. 2002, doi:
10.1002/jmor.10013.
[45] M. Karasek and A. Preumont, “Robotic hummingbird: Design of a control
mechanism for a hovering flapping wing micro air vehicle,” PhD Thesis Univ.,
2014, Accessed: Jul. 20, 2017. [Online]. Available:
https://www.researchgate.net/profile/Matej_Karasek/publication/271077692_Rob
otic_hummingbird_Design_of_a_control_mechanism_for_a_hovering_flapping_
wing_micro_air_vehicle/links/54bd8e660cf218da9391b3c5/Robotic-
hummingbird-Design-of-a-control-mechanism-for-a-hovering-flapping-wing-
micro-air-vehicle.pdf.
[46] B. Tobalske and K. Dial, “Flight kinematics of black-billed magpies and pigeons
over a wide range of speeds,” J. Exp. Biol., vol. 199, no. 2, pp. 263–280, 1996.
[47] Alexander, “Nature’s flyers: birds, insects, and the biomechanics of flight,” Choice
Rev. Online, vol. 40, no. 02, pp. 40-0906-40–0906, Oct. 2002, doi:
10.5860/CHOICE.40-0906.
[48] W. Shyy, Y. Lian, J. Tang, D. Viieru, and H. Liu, “Aerodynamics of Low Reynolds
Number Flyers,” p. 213, 2007.
[49] Wild West Nature, Osprey hovers like a hummingbird hunting in Yellowstone
National Park. 2013.
[50] J. Song, H. Luo, and T. L. Hedrick, “Three-dimensional flow and lift characteristics
of a hovering ruby-throated hummingbird,” J. R. Soc. Interface, vol. 11, no. 98, pp.
20140541–20140541, Jul. 2014, doi: 10.1098/rsif.2014.0541. https://sachhaynendoc.com.vn/
1260–1265, Accessed: Feb. 12, 2016. [Online]. Available:
http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=4651003.
[36] P. Zdunich et al., “Development and Testing of the Mentor Flapping-Wing Micro
Air Vehicle,” J. Aircr., vol. 44, no. 5, pp. 1701–1711, Sep. 2007, doi:
10.2514/1.28463.
[37] “Inside a wing,” DK Find Out! https://www.dkfindout.com/us/animals-and-
nature/birds/inside-wing/ (accessed Nov. 01, 2018).
[38] C. T. Bolsman, B. Palsson, H. Goosen, R. Schmidt, and F. van Keulen, “The use of
resonant structures for miniaturizing FMAVs,” 2007, Accessed: Jul. 20, 2017.
[Online]. Available:
http://aeromav.free.fr/MAV07/session/plenary/SESSION%203/MAV07-
PLEN%203-2%20Bolsman/Bolsman.pdf.
[39] S. M. Walker et al., “In Vivo Time-Resolved Microtomography Reveals the
Mechanics of the Blowfly Flight Motor,” PLoS Biol., vol. 12, no. 3, p. e1001823,
Mar. 2014, doi: 10.1371/journal.pbio.1001823.
[40] “Animal Physiology 4e.” https://animalphys4e.sinauer.com/boxex2002.html
(accessed Nov. 01, 2018).
[41] “Gliding flight,” Wikipedia. Sep. 15, 2018, Accessed: Sep. 26, 2018. [Online].
Available:
https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Gliding_flight&oldid=859696363.
[42] J. M. Wakeling and C. P. Ellington, “Dragonfly flight i. Gliding flight and steady-
state aerodynamic forces,” p. 14.
[43] W. Shyy, H. Aono, C. Kang, and H. Liu, An introduction to flapping wing
aerodynamics. Cambridge ; New York: Cambridge University Press, 2013.
[44] U. M. Lindhe Norberg, “Structure, form, and function of flight in engineering and
the living world,” J. Morphol., vol. 252, no. 1, pp. 52–81, Apr. 2002, doi:
10.1002/jmor.10013.
[45] M. Karasek and A. Preumont, “Robotic hummingbird: Design of a control
mechanism for a hovering flapping wing micro air vehicle,” PhD Thesis Univ.,
2014, Accessed: Jul. 20, 2017. [Online]. Available:
https://www.researchgate.net/profile/Matej_Karasek/publication/271077692_Rob
otic_hummingbird_Design_of_a_control_mechanism_for_a_hovering_flapping_
wing_micro_air_vehicle/links/54bd8e660cf218da9391b3c5/Robotic-
hummingbird-Design-of-a-control-mechanism-for-a-hovering-flapping-wing-
micro-air-vehicle.pdf.
[46] B. Tobalske and K. Dial, “Flight kinematics of black-billed magpies and pigeons
over a wide range of speeds,” J. Exp. Biol., vol. 199, no. 2, pp. 263–280, 1996.
[47] Alexander, “Nature’s flyers: birds, insects, and the biomechanics of flight,” Choice
Rev. Online, vol. 40, no. 02, pp. 40-0906-40–0906, Oct. 2002, doi:
10.5860/CHOICE.40-0906.
[48] W. Shyy, Y. Lian, J. Tang, D. Viieru, and H. Liu, “Aerodynamics of Low Reynolds
Number Flyers,” p. 213, 2007.
[49] Wild West Nature, Osprey hovers like a hummingbird hunting in Yellowstone
National Park. 2013.
[50] J. Song, H. Luo, and T. L. Hedrick, “Three-dimensional flow and lift characteristics
of a hovering ruby-throated hummingbird,” J. R. Soc. Interface, vol. 11, no. 98, pp.
20140541–20140541, Jul. 2014, doi: 10.1098/rsif.2014.0541. https://sachhaynendoc.com.vn/
56
[51] L. Ristroph and S. Childress, “Stable hovering of a jellyfish-like flying machine,”
J. R. Soc. Interface, vol. 11, no. 92, pp. 20130992–20130992, Jan. 2014, doi:
10.1098/rsif.2013.0992.
[52] L. Hines, D. Campolo, and M. Sitti, “Liftoff of a motor-driven, flapping-wing
microaerial vehicle capable of resonance,” Robot. IEEE Trans. On, vol. 30, no. 1,
pp. 220–232, 2014.
[53] W. Trimmer and R. Jebens, “Actuators for micro robots,” Proc. 1989 Int. Conf.
Robot. Autom. Scottsdale AZ, vol. 3, pp. 1547–1552, 1989.
[54] “Servomoteurs C.C. sans balais 0308...B.”
https://www.faulhaber.com/fr/produits/series/0308b/ (accessed Oct. 22, 2017).
[55] A. Bontemps, F. Valenciennes, S. Grondel, S. Dupont, T. Vanneste, and E. Cattan,
“Modeling and evaluation of power transmission of flapping wing nano air
vehicle,” in 2014 IEEE/ASME 10th International Conference on Mechatronic and
Embedded Systems and Applications (MESA), Sep. 2014, pp. 1–6, doi:
10.1109/MESA.2014.6935524.
[56] W. Shyy, C. Kang, P. Chirarattananon, S. Ravi, and H. Liu, “Aerodynamics,
sensing and control of insect-scale flapping-wing flight,” Proc R Soc A, vol. 472,
no. 2186, p. 20150712, Feb. 2016, doi: 10.1098/rspa.2015.0712.
[57] R. D. Kornbluh et al., “Electroelastomers: applications of dielectric elastomer
transducers for actuation, generation, and smart structures,” San Diego, CA, Jul.
2002, pp. 254–270, doi: 10.1117/12.475072.
[58] G.-K. Lau, H.-T. Lim, J.-Y. Teo, and Y.-W. Chin, “Lightweight mechanical
amplifiers for rolled dielectric elastomer actuators and their integration with bio-
inspired wing flappers,” Smart Mater. Struct., vol. 23, no. 2, p. 025021, Feb. 2014,
doi: 10.1088/0964-1726/23/2/025021.
[59] C. Zhang, “Design and Control of Flapping Wing Micro Air Vehicles,” Technical
University of Mandrid, 2016.
[60] Z. Liu, X. Yan, M. Qi, and L. Lin, “Electrostatic flapping wings with pivot-spar
brackets for high lift force,” in 2016 IEEE 29th International Conference on Micro
Electro Mechanical Systems (MEMS), Shanghai, China, Jan. 2016, pp. 1133–1136,
doi: 10.1109/MEMSYS.2016.7421835.
[61] X. Yan, M. Qi, and L. Lin, “Self-lifting artificial insect wings via electrostatic
flapping actuators,” Jan. 2015, pp. 22–25, doi: 10.1109/MEMSYS.2015.7050876.
[62] Y. Zou, W. Zhang, and Z. Zhang, “Liftoff of an Electromagnetically Driven Insect-
Inspired Flapping-Wing Robot,” IEEE Trans. Robot., vol. 32, no. 5, pp. 1285–
1289, Oct. 2016, doi: 10.1109/TRO.2016.2593449.
[63] Z. E. Teoh and R. J. Wood, “A bioinspired approach to torque control in an insect-
sized flapping-wing robot,” in 5th IEEE RAS/EMBS International Conference on
Biomedical Robotics and Biomechatronics, Sao Paulo, Brazil, Aug. 2014, pp. 911–
917, doi: 10.1109/BIOROB.2014.6913897.
[64] K. Y. Ma, P. Chirarattananon, and R. J. Wood, “Design and fabrication of an insect-
scale flying robot for control autonomy,” in 2015 IEEE/RSJ International
Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Hamburg, Germany, Sep.
2015, pp. 1558–1564, doi: 10.1109/IROS.2015.7353575.
[65] B. M. Finio and R. J. Wood, “Distributed power and control actuation in the
thoracic mechanics of a robotic insect,” Bioinspir. Biomim., vol. 5, no. 4, p. 045006,
Dec. 2010, doi: 10.1088/1748-3182/5/4/045006. https://sachhaynendoc.com.vn/
[51] L. Ristroph and S. Childress, “Stable hovering of a jellyfish-like flying machine,”
J. R. Soc. Interface, vol. 11, no. 92, pp. 20130992–20130992, Jan. 2014, doi:
10.1098/rsif.2013.0992.
[52] L. Hines, D. Campolo, and M. Sitti, “Liftoff of a motor-driven, flapping-wing
microaerial vehicle capable of resonance,” Robot. IEEE Trans. On, vol. 30, no. 1,
pp. 220–232, 2014.
[53] W. Trimmer and R. Jebens, “Actuators for micro robots,” Proc. 1989 Int. Conf.
Robot. Autom. Scottsdale AZ, vol. 3, pp. 1547–1552, 1989.
[54] “Servomoteurs C.C. sans balais 0308...B.”
https://www.faulhaber.com/fr/produits/series/0308b/ (accessed Oct. 22, 2017).
[55] A. Bontemps, F. Valenciennes, S. Grondel, S. Dupont, T. Vanneste, and E. Cattan,
“Modeling and evaluation of power transmission of flapping wing nano air
vehicle,” in 2014 IEEE/ASME 10th International Conference on Mechatronic and
Embedded Systems and Applications (MESA), Sep. 2014, pp. 1–6, doi:
10.1109/MESA.2014.6935524.
[56] W. Shyy, C. Kang, P. Chirarattananon, S. Ravi, and H. Liu, “Aerodynamics,
sensing and control of insect-scale flapping-wing flight,” Proc R Soc A, vol. 472,
no. 2186, p. 20150712, Feb. 2016, doi: 10.1098/rspa.2015.0712.
[57] R. D. Kornbluh et al., “Electroelastomers: applications of dielectric elastomer
transducers for actuation, generation, and smart structures,” San Diego, CA, Jul.
2002, pp. 254–270, doi: 10.1117/12.475072.
[58] G.-K. Lau, H.-T. Lim, J.-Y. Teo, and Y.-W. Chin, “Lightweight mechanical
amplifiers for rolled dielectric elastomer actuators and their integration with bio-
inspired wing flappers,” Smart Mater. Struct., vol. 23, no. 2, p. 025021, Feb. 2014,
doi: 10.1088/0964-1726/23/2/025021.
[59] C. Zhang, “Design and Control of Flapping Wing Micro Air Vehicles,” Technical
University of Mandrid, 2016.
[60] Z. Liu, X. Yan, M. Qi, and L. Lin, “Electrostatic flapping wings with pivot-spar
brackets for high lift force,” in 2016 IEEE 29th International Conference on Micro
Electro Mechanical Systems (MEMS), Shanghai, China, Jan. 2016, pp. 1133–1136,
doi: 10.1109/MEMSYS.2016.7421835.
[61] X. Yan, M. Qi, and L. Lin, “Self-lifting artificial insect wings via electrostatic
flapping actuators,” Jan. 2015, pp. 22–25, doi: 10.1109/MEMSYS.2015.7050876.
[62] Y. Zou, W. Zhang, and Z. Zhang, “Liftoff of an Electromagnetically Driven Insect-
Inspired Flapping-Wing Robot,” IEEE Trans. Robot., vol. 32, no. 5, pp. 1285–
1289, Oct. 2016, doi: 10.1109/TRO.2016.2593449.
[63] Z. E. Teoh and R. J. Wood, “A bioinspired approach to torque control in an insect-
sized flapping-wing robot,” in 5th IEEE RAS/EMBS International Conference on
Biomedical Robotics and Biomechatronics, Sao Paulo, Brazil, Aug. 2014, pp. 911–
917, doi: 10.1109/BIOROB.2014.6913897.
[64] K. Y. Ma, P. Chirarattananon, and R. J. Wood, “Design and fabrication of an insect-
scale flying robot for control autonomy,” in 2015 IEEE/RSJ International
Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Hamburg, Germany, Sep.
2015, pp. 1558–1564, doi: 10.1109/IROS.2015.7353575.
[65] B. M. Finio and R. J. Wood, “Distributed power and control actuation in the
thoracic mechanics of a robotic insect,” Bioinspir. Biomim., vol. 5, no. 4, p. 045006,
Dec. 2010, doi: 10.1088/1748-3182/5/4/045006. https://sachhaynendoc.com.vn/
57
[66] K. Y. Ma, P. Chirarattananon, S. B. Fuller, and R. J. Wood, “Controlled Flight of
a Biologically Inspired, Insect-Scale Robot,” Science, vol. 340, no. 6132, pp. 603–
607, May 2013, doi: 10.1126/science.1231806.
[67] Z. E. Teoh, S. B. Fuller, P. Chirarattananon, N. O. Prez-Arancibia, J. D. Greenberg,
and R. J. Wood, “A hovering flapping-wing microrobot with altitude control and
passive upright stability,” in 2012 IEEE/RSJ International Conference on
Intelligent Robots and Systems, Vilamoura-Algarve, Portugal, Oct. 2012, pp. 3209–
3216, doi: 10.1109/IROS.2012.6386151.
[68] T. Dargent et al., “Micromachining of an SU-8 flapping-wing flying micro-electro-
mechanical system,” J. Micromechanics Microengineering, vol. 19, no. 8, p.
085028, Aug. 2009, doi: 10.1088/0960-1317/19/8/085028.
[69] J. F. Goosen, H. J. Peters12, Q. Wang, P. Tiso, and F. van Keulen, “Resonance B
Resonance Based Flapping Wing Micro Air Vehicle.,” Accessed: Mar. 08, 2017.
[Online]. Available:
https://www.researchgate.net/profile/Qi_Wang72/publication/283452608_Resona
nce_Based_Flapping_Wing_Micro_Air_Vehicle/links/5787f65908aecf56ebcb57a
b.pdf.
[70] C.-K. Hsu, J. Evans, S. Vytla, and P. G. Huang, “Development of flapping wing
micro air vehicles-design, CFD, experiment and actual flight,” in 48th AIAA
Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace
Exposition, 2010, p. 1018.
[71] M. Keennon, K. Klingebiel, and H. Won, “Development of the Nano
Hummingbird: A Tailless Flapping Wing Micro Air Vehicle,” Jan. 2012, doi:
10.2514/6.2012-588.
[72] “BionicOpter | Festo Corporate.” https://www.festo.com/group/en/cms/10224.htm
(accessed Jul. 20, 2017).
[73] “New RoboBee flies, dives, swims, and explodes out the of water,” Wyss Institute,
Oct. 25, 2017. https://wyss.harvard.edu/new-robobee-flies-dives-swims-and-
explodes-out-the-of-water/ (accessed Sep. 24, 2018).
[74] A. J. Bergou, S. Xu, and Z. J. Wang, “Passive wing pitch reversal in insect flight,”
J. Fluid Mech., vol. 591, Nov. 2007, doi: 10.1017/S0022112007008440.
[75] R. J. Wood, “The First Takeoff of a Biologically Inspired At-Scale Robotic Insect,”
IEEE Trans. Robot., vol. 24, no. 2, pp. 341–347, Apr. 2008, doi:
10.1109/TRO.2008.916997.
[76] C. Richter and H. Lipson, “Untethered hovering flapping flight of a 3D-printed
mechanical insect,” Artif. Life, vol. 17, no. 2, pp. 73–86, 2011.
[77] H. V. Phan et al., “Stable Vertical Takeoff of an Insect-Mimicking Flapping-Wing
System Without Guide Implementing Inherent Pitching Stability,” J. Bionic Eng.,
vol. 9, no. 4, pp. 391–401, Dec. 2012, doi: 10.1016/S1672-6529(11)60134-0.
[78] F. Leys, D. Reynaerts, and D. Vandepitte, “Outperforming hummingbirds’ load-
lifting capability with a lightweight hummingbird-like flapping-wing mechanism,”
Biol. Open, vol. 5, no. 8, pp. 1052–1060, Aug. 2016, doi: 10.1242/bio.014357.
[79] J. Zhang, B. Cheng, J. A. Roll, X. Deng, and B. Yao, “Direct drive of flapping
wings under resonance with instantaneous wing trajectory control,” in Robotics and
Automation (ICRA), 2013 IEEE International Conference on, 2013, pp. 4029–
4034.
[80] D. Coleman and M. Benedict, “On the Development of a Robotic Hummingbird,”
Jan. 2016, doi: 10.2514/6.2016-0144. https://sachhaynendoc.com.vn/
[66] K. Y. Ma, P. Chirarattananon, S. B. Fuller, and R. J. Wood, “Controlled Flight of
a Biologically Inspired, Insect-Scale Robot,” Science, vol. 340, no. 6132, pp. 603–
607, May 2013, doi: 10.1126/science.1231806.
[67] Z. E. Teoh, S. B. Fuller, P. Chirarattananon, N. O. Prez-Arancibia, J. D. Greenberg,
and R. J. Wood, “A hovering flapping-wing microrobot with altitude control and
passive upright stability,” in 2012 IEEE/RSJ International Conference on
Intelligent Robots and Systems, Vilamoura-Algarve, Portugal, Oct. 2012, pp. 3209–
3216, doi: 10.1109/IROS.2012.6386151.
[68] T. Dargent et al., “Micromachining of an SU-8 flapping-wing flying micro-electro-
mechanical system,” J. Micromechanics Microengineering, vol. 19, no. 8, p.
085028, Aug. 2009, doi: 10.1088/0960-1317/19/8/085028.
[69] J. F. Goosen, H. J. Peters12, Q. Wang, P. Tiso, and F. van Keulen, “Resonance B
Resonance Based Flapping Wing Micro Air Vehicle.,” Accessed: Mar. 08, 2017.
[Online]. Available:
https://www.researchgate.net/profile/Qi_Wang72/publication/283452608_Resona
nce_Based_Flapping_Wing_Micro_Air_Vehicle/links/5787f65908aecf56ebcb57a
b.pdf.
[70] C.-K. Hsu, J. Evans, S. Vytla, and P. G. Huang, “Development of flapping wing
micro air vehicles-design, CFD, experiment and actual flight,” in 48th AIAA
Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace
Exposition, 2010, p. 1018.
[71] M. Keennon, K. Klingebiel, and H. Won, “Development of the Nano
Hummingbird: A Tailless Flapping Wing Micro Air Vehicle,” Jan. 2012, doi:
10.2514/6.2012-588.
[72] “BionicOpter | Festo Corporate.” https://www.festo.com/group/en/cms/10224.htm
(accessed Jul. 20, 2017).
[73] “New RoboBee flies, dives, swims, and explodes out the of water,” Wyss Institute,
Oct. 25, 2017. https://wyss.harvard.edu/new-robobee-flies-dives-swims-and-
explodes-out-the-of-water/ (accessed Sep. 24, 2018).
[74] A. J. Bergou, S. Xu, and Z. J. Wang, “Passive wing pitch reversal in insect flight,”
J. Fluid Mech., vol. 591, Nov. 2007, doi: 10.1017/S0022112007008440.
[75] R. J. Wood, “The First Takeoff of a Biologically Inspired At-Scale Robotic Insect,”
IEEE Trans. Robot., vol. 24, no. 2, pp. 341–347, Apr. 2008, doi:
10.1109/TRO.2008.916997.
[76] C. Richter and H. Lipson, “Untethered hovering flapping flight of a 3D-printed
mechanical insect,” Artif. Life, vol. 17, no. 2, pp. 73–86, 2011.
[77] H. V. Phan et al., “Stable Vertical Takeoff of an Insect-Mimicking Flapping-Wing
System Without Guide Implementing Inherent Pitching Stability,” J. Bionic Eng.,
vol. 9, no. 4, pp. 391–401, Dec. 2012, doi: 10.1016/S1672-6529(11)60134-0.
[78] F. Leys, D. Reynaerts, and D. Vandepitte, “Outperforming hummingbirds’ load-
lifting capability with a lightweight hummingbird-like flapping-wing mechanism,”
Biol. Open, vol. 5, no. 8, pp. 1052–1060, Aug. 2016, doi: 10.1242/bio.014357.
[79] J. Zhang, B. Cheng, J. A. Roll, X. Deng, and B. Yao, “Direct drive of flapping
wings under resonance with instantaneous wing trajectory control,” in Robotics and
Automation (ICRA), 2013 IEEE International Conference on, 2013, pp. 4029–
4034.
[80] D. Coleman and M. Benedict, “On the Development of a Robotic Hummingbird,”
Jan. 2016, doi: 10.2514/6.2016-0144. https://sachhaynendoc.com.vn/
58
[81] C. H. Greenewalt, “The Flight of Birds: The Significant Dimensions, Their
Departure from the Requirements for Dimensional Similarity, and the Effect on
Flight Aerodynamics of That Departure,” Trans. Am. Philos. Soc., vol. 65, no. 4, p.
1, 1975, doi: 10.2307/1006161.
[82] W. Borutzky, Bond Graph Methodology. London: Springer London, 2010.
[83] S. G. Ponnambalam, J. Parkkinen, and K. C. Ramanathan, Eds., Trends in
Intelligent Robotics, Automation, and Manufacturing, vol. 330. Berlin, Heidelberg:
Springer Berlin Heidelberg, 2012.
[84] M. R. Hossain, D. G. Rideout, and D. N. Krouglicof, “Bond graph dynamic
modeling and stabilization of a quad-rotor helicopter,” in Proceedings of the 2010
Spring Simulation Multiconference on - SpringSim ’10, Orlando, Florida, 2010, p.
1, doi: 10.1145/1878537.1878761.
[85] A. Mersha, “Modeling and robust control of an unmanned aerial vehicle,” Master
thesis, University of Twente, 2010.
[86] S. V. Ragavan, M. Shanmugavel, B. Shirinzadeh, and V. Ganapathy, “Unified
modelling framework for UAVs using Bond Graphs,” in 2012 12th International
Conference on Intelligent Systems Design and Applications (ISDA), Nov. 2012, pp.
21–27, doi: 10.1109/ISDA.2012.6416507.
[87] S. Dupont, S. Grondel, A. Bontemps, E. Cattan, and D. Coutellier, “Bond graph
model of a flapping wing micro-air vehicle,” in 2014 IEEE/ASME 10th
International Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications
(MESA), Sep. 2014, pp. 1–6, doi: 10.1109/MESA.2014.6935565.
[88] Z. Jahanbin and S. Karimian, “Modeling and parametric study of a flexible
flapping-wing MAV using the bond graph approach,” J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng.,
vol. 40, no. 2, Feb. 2018, doi: 10.1007/s40430-018-1002-2.
[89] Z. Jahanbin, A. Selk Ghafari, A. Ebrahimi, and A. Meghdari, “Multi-body
simulation of a flapping-wing robot using an efficient dynamical model,” J. Braz.
Soc. Mech. Sci. Eng., vol. 38, no. 1, pp. 133–149, Jan. 2016, doi: 10.1007/s40430-
015-0350-4.
[90] X. Q. Bao, A. Bontemps, S. Grondel, and E. Cattan, “Design and fabrication of
insect-inspired composite wings for MAV application using MEMS technology,”
J. Micromechanics Microengineering, vol. 21, no. 12, p. 125020, Dec. 2011, doi:
10.1088/0960-1317/21/12/125020.
[91] S. N. Fry, R. Sayaman, and M. H. Dickinson, “The Aerodynamics of Free-Flight
Maneuvers in Drosophila,” vol. 300, p. 5, 2003.
[92] L. Meirovitch, Fundamental of Vibration. Waveland, 2000.
[93] D. Faux, “Couplage modal pour la reproduction de la cinématique d’une aile
d’insecte et la génération de portance d’un nano-drone bio-inspiré,”
VALENCIENNES ET DU HAINAUT -CAMBRESIS, 2017.
[94] T. Vanneste, “Développement d’un outil de modélisation aéroélastique du vol battu
de l’insecte appliqué à la conception d’un nano-drone résonant,”
VALENCIENNES ET DU HAINAUT -CAMBRESIS, 2017. https://sachhaynendoc.com.vn/
[81] C. H. Greenewalt, “The Flight of Birds: The Significant Dimensions, Their
Departure from the Requirements for Dimensional Similarity, and the Effect on
Flight Aerodynamics of That Departure,” Trans. Am. Philos. Soc., vol. 65, no. 4, p.
1, 1975, doi: 10.2307/1006161.
[82] W. Borutzky, Bond Graph Methodology. London: Springer London, 2010.
[83] S. G. Ponnambalam, J. Parkkinen, and K. C. Ramanathan, Eds., Trends in
Intelligent Robotics, Automation, and Manufacturing, vol. 330. Berlin, Heidelberg:
Springer Berlin Heidelberg, 2012.
[84] M. R. Hossain, D. G. Rideout, and D. N. Krouglicof, “Bond graph dynamic
modeling and stabilization of a quad-rotor helicopter,” in Proceedings of the 2010
Spring Simulation Multiconference on - SpringSim ’10, Orlando, Florida, 2010, p.
1, doi: 10.1145/1878537.1878761.
[85] A. Mersha, “Modeling and robust control of an unmanned aerial vehicle,” Master
thesis, University of Twente, 2010.
[86] S. V. Ragavan, M. Shanmugavel, B. Shirinzadeh, and V. Ganapathy, “Unified
modelling framework for UAVs using Bond Graphs,” in 2012 12th International
Conference on Intelligent Systems Design and Applications (ISDA), Nov. 2012, pp.
21–27, doi: 10.1109/ISDA.2012.6416507.
[87] S. Dupont, S. Grondel, A. Bontemps, E. Cattan, and D. Coutellier, “Bond graph
model of a flapping wing micro-air vehicle,” in 2014 IEEE/ASME 10th
International Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications
(MESA), Sep. 2014, pp. 1–6, doi: 10.1109/MESA.2014.6935565.
[88] Z. Jahanbin and S. Karimian, “Modeling and parametric study of a flexible
flapping-wing MAV using the bond graph approach,” J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng.,
vol. 40, no. 2, Feb. 2018, doi: 10.1007/s40430-018-1002-2.
[89] Z. Jahanbin, A. Selk Ghafari, A. Ebrahimi, and A. Meghdari, “Multi-body
simulation of a flapping-wing robot using an efficient dynamical model,” J. Braz.
Soc. Mech. Sci. Eng., vol. 38, no. 1, pp. 133–149, Jan. 2016, doi: 10.1007/s40430-
015-0350-4.
[90] X. Q. Bao, A. Bontemps, S. Grondel, and E. Cattan, “Design and fabrication of
insect-inspired composite wings for MAV application using MEMS technology,”
J. Micromechanics Microengineering, vol. 21, no. 12, p. 125020, Dec. 2011, doi:
10.1088/0960-1317/21/12/125020.
[91] S. N. Fry, R. Sayaman, and M. H. Dickinson, “The Aerodynamics of Free-Flight
Maneuvers in Drosophila,” vol. 300, p. 5, 2003.
[92] L. Meirovitch, Fundamental of Vibration. Waveland, 2000.
[93] D. Faux, “Couplage modal pour la reproduction de la cinématique d’une aile
d’insecte et la génération de portance d’un nano-drone bio-inspiré,”
VALENCIENNES ET DU HAINAUT -CAMBRESIS, 2017.
[94] T. Vanneste, “Développement d’un outil de modélisation aéroélastique du vol battu
de l’insecte appliqué à la conception d’un nano-drone résonant,”
VALENCIENNES ET DU HAINAUT -CAMBRESIS, 2017. https://sachhaynendoc.com.vn/
59
https://sachhaynendoc.com.vn/
https://sachhaynendoc.com.vn/
Categories
TechnologyDownload
Download Slideshow Get the original presentation fileQuick Actions
Statistics
- Views 11
- Slides 75
- Age 397 days
Related Slideshows
11
8-top-ai-courses-for-customer-support-representatives-in-2025.pptx
JeroenErne2
50 views
10
7-essential-ai-courses-for-call-center-supervisors-in-2025.pptx
JeroenErne2
49 views
13
25-essential-ai-courses-for-user-support-specialists-in-2025.pptx
JeroenErne2
38 views
11
8-essential-ai-courses-for-insurance-customer-service-representatives-in-2025.pptx
JeroenErne2
38 views
21
Know for Certain
DaveSinNM
24 views
17
PPT OPD LES 3ertt4t4tqqqe23e3e3rq2qq232.pptx
novasedanayoga46
27 views