Mô hình động lực học cơ hệ ca nô kéo khí cầu bay có điều khiển

Bài viết trình bày mô hình động lực học cơ hệ hai vật “ca nô kéo khí cầu bay” trong điều kiện có gió từ các hướng khác nhau với giả thiết quadrotor duy trì độ cao không đổi. Mô hình động lực học cơ hệ nói trên đã được kiểm tra định lượng và định tính.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô hình động lực học cơ hệ ca nô kéo khí cầu bay có điều khiểnNghiên cứu khoa học công nghệ MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CƠ HỆ CA NÔ KÉO KHÍ CẦU BAY CÓ ĐIỀU KHIỂN Nguyễn Đức Cương1*, Trần Duy Duyên2, Phạm Văn Hiệp3 Tóm tắt: Hệ thống vận chuyển trên không sử dụng phương tiện bay nhẹ hơn không khí (khí cầu bay) được kéo bằng ca nô cho phép tăng rất đáng kể tỷ lệ tải có ích trên khí cầu bay. Khí cầu bay có trang bị 4 rotor hoặc nhiều rotor điều khiển (quadrotor/multirotor) để tăng tính ổn định của khí cầu bay khi có gió, đồng thời đảm bảo cất hạ cánh thẳng đứng. Hệ thống vận chuyển này hứa hẹn tạo ra phương tiện bay hiệu quả cao, an toàn và thân thiện môi trường, nhất là khi dùng để chở khách du lịch ngắm cảnh từ trên cao [1]. Bài báo trình bày mô hình động lực học cơ hệ hai vật “ca nô kéo khí cầu bay” trong điều kiện có gió từ các hướng khác nhau với giả thiết quadrotor duy trì độ cao không đổi. Mô hình động lực học cơ hệ nói trên đã được kiểm tra định lượng và định tính. Mô hình đã chỉ ra rằng cần phải có bộ điều khiển tự động duy trì lực căng của dây kéo trong phạm vi nhất định để tránh hiện tượng “giật cục” dẫn đến phá huỷ kết cấu, mặc dù có cơ cấu giảm chấn nối giữa khí cầu bay và dây kéo.Ngoài ra khảo sát trên mô hình “khí cầu nhỏ kéo bằng xuồng máy”cho thấy khi xuồng máy cơ động nhẹ nhàng và gió nhẹ thì có thể chưa cần bộ điều khiển lực căng nói trên.Từ khóa: Động lực học và điều khiển; Ca nô kéo khí cầu bay; Khí cầu chở khách du lịch. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống vận chuyển trên không sử dụng phương tiện bay nhẹ hơn không khí (khí cầubay, viết tắt là KCB) được kéo bằng ca nô cho phép tăng rất đáng kể tỷ lệ tải có ích trênKCB. KCB có trang bị 4 rotor điều khiển (quadrotor) để tăng tính ổn định của KCB khi cógió, đồng thời đảm bảo cất hạ cánh thẳng đứng. Hệ thống vận chuyển này đã được nhómtác giả đăng ký sáng chế do Cục sở hữu trí tuệ Việt nam bảo hộ, hứa hẹn tạo ra phươngtiện bay hiệu quả cao, an toàn và thân thiện môi trường, nhất là khi dùng để chở khách dulịch ngắm cảnh từ trên cao [1]. Xây dựng mô hình động lực học ca nô kéo KCB có ý nghĩa rất quan trọng trong toànbộ quá trình thiết kế chế tạo hệ thống này, nó sẽ cho phép giảm thiểu đáng kể số lần thửnghiệm để tìm ra các tham số thiết kế phù hợp. Vấn đề nghiên cứu đầu tiên nhóm tác giảquan tâm là sự biến thiên lực căng của dây nối giữa ca nô và KCB diễn biến như thế nàokhi ca nô là vật kéo chủ động chuyển động theo các quỹ đạo khác nhau, đặc biệt KCB làvật bị kéo (bị động) chuyển động trong điều kiện có gió từ các hướng khác nhau. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng cần phải có bộ điều khiển tự động duy trì lực căngcủa dây kéo trong phạm vi nhất định để tránh hiện tượng “giật cục” dẫn đến phá huỷ kếtcấu, mặc dù có cơ cấu giảm chấn nối giữa ca nô và KCB. 2. NỘI DUNG2.1. Các giả thiết và mô hình động lực học ca nô kéo khí cầu bay2.1.1. Các giả thiết Để xây dựng mô hình động lực học cơ hệ “ca nô kéo KCB”, bài báo đưa ra một số giảthiết để đơn giản hóa bài toán như sau: - Ca nô và KCB là 2 chất điểm đặt tại trọng tâm tương ứng của chúng và liên kết vớinhau bằng dây đàn hồi (hình 1). Dây đàn hồi gồm 2 dây có độ cứng k1 và k2 mắc nối tiếp(k2>>k1). Khi độ dãn dài của dây l>lmax thì có cơ cấu đảm bảo dây có độ cứng k1 luôn cóđộ dãn dài lmax và độ dãn dài còn lại của dây đàn hồi là của dây có độ cứng k2 (hình 2);Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 189 Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực - KCB có trang bị 4 roto điều khiển (quadrotor) duy trì độ cao không đổi, vì vậy khôngxét chuyển động cơ hệ theo phương thẳng đứng; - Công suất ca nô được tăng từ từ trong khoảng thời gian ban đầu để đạt đến công suấtđịnh mức (tránh hiện tượng lực căng của dây đàn hồi quá lớn dẫn đến phá hủy kết cấu); - Coi trường vận tốc gió là đồng đều trong mặt phẳng ngang, không đổi theo thời gianvà chỉ có gió theo phương nằm ngang; - Coi lực cản khí động của KCB không phụ thuộc vào góc trượt cạnh a (hướng của vectơ không tốc so với trục dọc của KCB); - Giả thiết góc a=0 (trục dọc KCB luôn hướng theo vec tơ không tốc); - Lực cản thủy động ca nô tỉ lệ với bình phương vận tốc.2.1.2. Mô hình động lực học “ca nô kéo khí cầu bay” Hình 1. Mô hình hóa cơ hệ “ca nô kéo khí cầu bay” và các lực tác dụng lên cơ hệ (không xét các lực theo phương thẳng đứng). k2 k2 k2 k1 Hình 2. Mô hình hóa dây đàn hồi gồm 2 dây có độ cứng k1 và k2 (k2>>k1).* Có 3 hệ trục tọa độ: - OXYZ: hệ tọa độ địa lý (OX: ...