การออกแบบและสรางเครองตนแบบอากาศยานสใบพด ทบงคบการเคลอนทดวยตนเอง

นางสาวปทมา ชกลน

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมเครองกล

มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ปการศกษา 2557

 

 

 

 

 

 

 

 

DESIGN AND PROTOTYPING OF QUAD-ROTOR

AIRCRAFT WITH AUTOMATE MOTION CONTROL

Patthama Chooklin

A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for

the Degree of Master of Engineering in Mechanical Engineering

Suranaree University of Technology

Academic Year 2014

 

 

 

 

 

 

 

 

การออกแบบและสรางเครองตนแบบอากาศยานสใบพดทบงคบการเคลอนทดวยตนเอง มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร อนมตใหนบวทยานพนธฉบบนเปนสวนหนงของการศกษา ตามหลกสตรปรญญามหาบณฑต

คณะกรรมการสอบวทยานพนธ

(ผศ. ดร.กรต สลกษณ) ประธานกรรมการ (รศ. ร.อ. ดร.กนตธร ช านประศาสน) กรรมการ (อาจารยทปรกษาวทยานพนธ) (ผศ. ดร.อาทตย คณศรสข) กรรมการ (อ. ดร.ชโลธร ธรรมแท) กรรมการ

(ศ. ดร.ชกจ ลมปจ านงค) (รศ. ร.อ. ดร.กนตธร ช านประศาสน) รองอธการบดฝายวชาการและนวตกรรม คณบดส านกวชาวศวกรรมศาสตร

 

 

 

 

 

 

 

 

ปทมา ชกลน : การออกแบบและสรางเครองตนแบบอากาศยานสใบพดทบงคบ การเคลอนทดวยตนเอง (DESIGN AND PROTOTYPING OF QUAD-ROTOR AIRCRAFT WITH AUTOMATE MOTION CONTROL) อาจารยทปรกษา : รองศาสตราจารย เรออากาศเอก ดร.กนตธร ช านประศาสน, 116 หนา.

งานวจยนท าการสรางเครองตนแบบอากาศยานแบบสใบพดทสามารถขนบนและลงจอด

แบบอตโนมต โดยเคลอนทอยางไรคนบงคบไปตามเสนทางทก าหนดได ท ง นเ นองจากมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนารมพนทบรเวณกวาง จงท าใหอาคารบรหารสวนตาง ๆ ตงอยหางกน ท าใหยากตอการตดตอสอสารในดานเอกสาร และปจจบนเครองบนบงคบวทยแบบปกหมนก าลงเปนทนยมน าไปถายรปมมสง ซงมขอดทสามารถบนขน-ลงในแนวดง และสามารถรบภาระน าหนกได ผวจยจงท าการออกแบบและสรางอากาศยานสใบพดไรคนขบทสามารถบนรบ -สงเอกสารระหวางอาคารแบบอตโนมต โดยจะมสถานส าหรบรบ-สงเอกสารอยแตละอาคารทก าหนด ซงเสนทางการบนจะถกก าหนดไวกอนดวยพกดดาวเทยม GPS ขอก าหนดของการออกแบบสามารถรบภาระน าหนกไดไมเกน 200 กรม ทระดบเพดานบน 40 เมตร จากผลของการออกแบบอากาศยานตนแบบมน าหนก 1,869.8 กรม และเมอรวมน าหนกบรรทก อากาศยานตนแบบมน าหนกรวมทงหมด 2,039.3 กรม ท าการบนทดสอบโดยก าหนดเสนทางการบนผานโปรแกรม Mission Planner ดวยระยะทางการบน 286 เมตร เมอท าการทดสอบการบนของอากาศยานตนแบบแบบอตโนมต โครงสรางทไดท าการออกแบบมานนมการตอบสนองตอการบนนอกอาคารทด สามารถเคลอนทไปยงจดตาง ๆ ตามทโปรแกรมไวได โดยอาศยขอมลในการบนดงน พกดต าแหนง ความสง และความเรว ใชเวลาในการบน 3.16 นาท ผลทไดจากการวจยและสรางเครองตนแบบน จะชวยใหงานขนสงเอกสารภายในมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร เกดความสะดวก ประหยดเวลา และเพมประสทธภาพในการขนสงเอกสาร พรอมทงพฒนาระบบการบนของอากาศยานไรคนควบคมใหมประสทธภาพสงขน

สาขาวชา วศวกรรมเครองกล ลายมอชอนกศกษา ปการศกษา 2557 ลายมอชออาจารยทปรกษา

 

 

 

 

 

 

 

 

PATTHAMA CHOOKLIN : DESIGN AND PROTOTYPING OF QUAD-

ROTOR AIRCRAFT WITH AUTOMATE MOTION CONTROL.

THESIS ADVISOR : ASSOC. PROF. FLT. LT. KONTORN

CHAMNIPRASART, Ph.D., 116 PP.

QUAD-ROTOR AIRCRAFT/UNMANNED AERIAL VEHICLE/OUTDOOR

FLYING/GLOBAL POSITIONG SYSTEM

This research is to design a prototype of a quad-rotor aircraft that can automatically

takeoff and landing with automatic motion control along the specified route. Since

Suranaree University of Technology has a wide area, it is rather difficult to deliver the

documents quickly among buildings which are located quite far apart from each other.

Nowadays, the quad-rotor aircraft is quite popular, it is installed with cameras for taking the

high-angle photographs. The quad-rotor aircraft should not only be able to fly up and down

vertically but also be able to handle the articles. The researcher has designed and

constructed the unmanned quad-rotor aircraft which controlled by GPS. The quad-rotor

aircraft is required to carry 200 g. payloads at 40 m. altitude. The weight of this prototype is

constrain at 1,869.8 g., the payloads are total of 2,039.3 g. From flight route test through the

Mission Planner Program with mileage of 286 m., the results show the high performance of

the outdoor flying that can move to various points with flight time at 3.16 minutes. The data

based on positioning, height, and speed. The results of this research will facilitate the

documents transmission on SUT campus because it is convenience. It is also save time and

provide the higher performance, including the unmanned aerial vehicle development.

School of Mechanical Engineering Student’s Signature___________________

Academic Year 2014 Advisor’s Signature___________________

 

 

 

 

 

 

 

 

กตตกรรมประกาศ

วทยานพนธฉบบนส าเรจลลวงดวยด ทงนผวจยขอขอบพระคณบคคลและหนวยงานตางๆทไดใหค าปรกษา แนะน า ชแนะแนวทาง และใหความชวยเหลออยางดยงเสมอมา รองศาสตราจารยเรออากาศเอก ดร.กนตธร ช านประศาสน อาจารยทปรกษาวทยานพนธ ทไดถายทอดความร อบรมสงสอน ใหค าปรกษา ชแนะขอมลตางๆ ทเปนประโยชนในการท าโครงงานวจย และแนวทางการแกปญหาตางๆ ดวยความเมตตากรณาเสมอมา

อาจารย ดร. ชโลธร ธรรมแท ผใหความร ค าแนะน าดานวชาการ ทเปนประโยชนในการท าโครงงานวจย และเปนแบบอยางทดในการท าวจยแกผท าวจย

รองศาสตราจารย นาวาอากาศเอก ดร.วรพจน ข าพศ รองศาสตราจารย ดร.ทวช จตรสมบรณ และคณาจารยสาขาวชาวศวกรรมเครองกลทกทาน รวมถงครบาอาจารยในอดตทประสทธประสาทวชาความรดวยความเมตตากรณา

คณธญดล ศรบญลกษณกล ทใหความชวยเหลอดานอปกรณ ใหค าปรกษา ชแนะขอมลตางๆ รวมทงวธการแกไขปญหาทเกดขนในงานวจย ใหส าเรจลลวงไปไดดวยด

คณปารชาต ประกาศวฒชน คณธวลรตน ทองปน คณฉกาจ จบนช คณชยยทธ คงเชอ และเพอนบณฑตศกษาทกทาน ทคอยใหความชวยเหลอและเปนก าลงใจใหเสมอมา

มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนารรวมถงบคลากรประจ าศนยเครองมอวทยาศาสตรและเทคโนโลย ทไดใหความชวยเหลอในดานสถานท การใชอปกรณ และเครองมอตาง ๆ ในการท าวจย

หางหนสวนจ ากด ชทรพยโมลด และบคลากรทกทานทใหความชวยเหลอในการใชอปกรณและสนบสนนเครองมอทจ าเปนในโครงงานวจย ทายน ผวจยขอกราบขอบพระคณบดา มารดา ทใหการอปการะอบรมเลยงด สงเสรมดานการศกษา ตลอดถงคอยใหการสนบสนนทงทนทรพย ก าลงแรงกาย และก าลงใจในการด าเนนงานวจยในครงนจนประสบความส าเรจดวยด

ปทมา ชกลน

 

 

 

 

 

 

 

 

สารบญ

หนา บทคดยอ (ภาษาไทย) ........................................................................................................................ ก บทคดยอ (ภาษาองกฤษ) ................................................................................................................... ข กตตกรรมประกาศ ............................................................................................................................ ค สารบญ .............................................................................................................................................. ง สารบญตาราง ................................................................................................................................... ช สารบญรป ........................................................................................................................................ ซ ค าอธบายสญลกษณและค ายอ .......................................................................................................... ฏ บทท 1 บทน า ................................................................................................................................... 1 1.1 ความเปนมาและความส าคญของปญหา ................................................................. 1 1.2 วตถประสงคการวจย .............................................................................................. 2 1.3 ขอบเขตการวจย ..................................................................................................... 2 1.4 สถานทท างานวจย .................................................................................................. 2 1.5 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ .................................................................................... 3 2 ปรทศนวรรณกรรมและงานวจยทเกยวของ ........................................................................ 4 2.1 ประวตความเปนมาและปรทรรศนวรรณกรรมทเกยวของ ..................................... 4 2.2 ประวตความเปนมาของอากาศยานสใบพด ............................................................ 6 2.2.1 เฮลคอปเตอรแบบสใบพดขนาดใหญ ....................................................... 6 2.2.2 เฮลคอปเตอรแบบสใบพดขนาดเลก ....................................................... 10 2.3 หลกการท างานของอากาศยานแบบสใบพด......................................................... 12 2.3.1 การลอยตวอยกบท (Hovering) .............................................................. 13 2.3.2 การท าใหอากาศยานสามารถบนขน-ลงได (Throttle) ............................ 13 2.3.3 การเอยงตวซาย-ขวา (Roll) .................................................................... 14

2.3.4 การควบคมอากาศยานเงยหรอกม (Pitch) .............................................. 15 2.3.5 การหมนตว (Yaw) ................................................................................. 16

 

 

 

 

 

 

 

 

จ

สารบญ (ตอ)

หนา 2.4 สวนประกอบของอากาศยานแบบสใบพด ........................................................... 16 2.4.1 ตวล า (Frame) ......................................................................................... 16 2.4.2 ชดควบคมการบน (Flight Controller) ................................................... 17 2.4.3 ชดรบ-สงสญญาณ (Signal transmit – Receive system) ........................ 18 2.4.4 สวนสรางแรงยก ..................................................................................... 19 2.4.5 แบตเตอร (Battery) ................................................................................ 19 2.5 ชดควบคมการบน................................................................................................. 23 2.5.1 การควบคมระดบมมเอยง (Attitude Control) ........................................ 23 2.5.2 การควบคมระดบความสง (Altitude Control) ....................................... 28 2.5.3 การควบคมต าแหนง (Position Control) ................................................ 30 2.6 ชดรบ-สงสญญาณ (Signal transmit – Receive system) ...................................... 31 2.6.1 ชดสงสญญาณ (Signal Transmitter) หรอวทยบงคบ .............................. 31 2.6.2 ชดรบสญญาณ (Receive system) .......................................................... 31 2.7 สวนสรางแรงยก ................................................................................................... 33 2.7.1 มอเตอร (Motor) ..................................................................................... 33

2.7.2 ชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคส (Electronic Speed Controller: ESC) .................................................................................... 37

2.7.3 ใบพด (Propeller) ................................................................................... 39 2.8 หลกการท างานของวทยบงคบ ............................................................................. 42 2.8.1 ระบบการสงคลนวทยบงคบ ................................................................... 43 2.8.2 ระบบ Modulation .................................................................................. 44 2.8.3 ระบบ Spread Spectrum .......................................................................... 47 2.9 โปรแกรมควบคมการบน ..................................................................................... 48 3. วธการด าเนนการวจย ......................................................................................................... 51

3.1 ขอก าหนดในการออกแบบ ................................................................................... 51 3.1.1 น าหนกบรรทก (Payload) ...................................................................... 51 3.1.2 เวลาในการบน (Flight Time) ................................................................ 52

 

 

 

 

 

 

 

 

ฉ

สารบญ (ตอ)

หนา

3.2 การออกแบบอากาศยานสใบพด ........................................................................... 52 3.2.1 ระบบตนก าลง ........................................................................................ 52

3.2.2 ระบบโครงสราง ..................................................................................... 59 3.2.3 ระบบควบคม .......................................................................................... 61 3.3 การปรบตงคา PID ................................................................................................ 62 3.4 การออกแบบชดควบคมวทยบงคบ ...................................................................... 64

4. ผลการวจย ......................................................................................................................... 68 4.1 ผลการออกแบบอากาศยานตนแบบสใบพดล าท 1 ............................................... 69 4.1.1 อปกรณทไดจากการออกแบบ ................................................................ 69 4.1.2 ผลการทดสอบการบน ........................................................................... 70 4.2 ผลการออกแบบอากาศยานตนแบบสใบพดล าท 2 ............................................... 73 4.2.1 อปกรณทไดจากการออกแบบ ................................................................ 74 4.2.2 ผลการทดสอบการบน ........................................................................... 75 5. สรปผลและขอเสนอแนะ .................................................................................................... 84 5.1 สรปผลการวจย..................................................................................................... 84

5.2 ขอเสนอแนะ ........................................................................................................ 85 รายการอางอง .................................................................................................................................. 87 ภาคผนวก ภาคผนวก ก. การประกอบอปกรณ .............................................................................. 89

ภาคผนวก ข. การท า Auto Waypoint ส าหรบโปรแกรม Mission Planner .................. 98 ภาคผนวก ค. รายละเอยดโปรแกรม Lab VIEW ส าหรบการควบคมวทยบงคบ ........ 103 ภาคผนวก ง. รายการตรวจสอบกอนบนอากาศยานสใบพด ...................................... 107 ภาคผนวก จ. บทความทไดรบการตพมพเผยแพร ...................................................... 110

ประวตผเขยน ................................................................................................................................ 116

 

 

 

 

 

 

 

 

สารบญตาราง

ตารางท หนา 2.1 แสดงผพฒนาโปรแกรมและชดควบคมอากาศยานแบบสใบพด ....................................... 49 2.2 แสดงรายละเอยดของชดควบคมของผพฒนาแตละราย ..................................................... 49

 

 

 

 

 

 

 

 

ฌ

สารบญรป (ตอ)

รปท หนา

2.26 แสดงเมอลกบอลอยในสภาวะมแรงโนมถวง .................................................................... 26 2.27 แสดงเมอเอยงกลอง 45 องศา ............................................................................................. 27 2.28 แสดงเซนเซอรวดความเรวเชงมม (Gyroscope) ................................................................ 28 2.29 แสดงหลกการท างานของเซนเซอรชนดอลตราโซนค ....................................................... 29 2.30 แสดงเซนเซอรชนดอลตราโซนคทใชในอากาศยานแบบสใบพด ..................................... 29 2.31 แสดงบารอมเตอรบน MultiWiiCopter Controller ............................................................. 30 2.32 แสดงสวนตางๆของ Signal Transmitter ............................................................................ 31 2.33 แสดง FM radio block diagram ส าหรบเครองบนบงคบวทย (R/C) .................................. 32 2.34 แสดงสวนประกอบของมอเตอร ........................................................................................ 34 2.35 แสดงมอเตอรแบบไมใชแปรงถานชนดเอาทรนเนอร รน MN3508 KV 380..................... 36 2.36 แสดงชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคส (Electronic Speed Controller) ........... 39 2.37 แสดงใบพดไม ................................................................................................................... 40 2.38 แสดงใบพดคารบอนเสรมไนลอน หรอ ใบพด APC ......................................................... 40 2.39 แสดงใบพดคารบอนไฟเบอร ............................................................................................. 40 2.40 แสดง APC 6x4 Speed 400 Electric Propeller ................................................................... 41 2.41 แสดง APC 10x4.7 Slow-Flyer Propeller .......................................................................... 41 2.42 แสดงใบพดรปแบบตางๆ ................................................................................................... 42 2.43 แสดงสญญาณพลซอนกรม ................................................................................................ 42 2.44 แสดงสญญาณพลซอนกรมแบบกลบทาง .......................................................................... 42 2.45 แสดงระบบการรบ – สง สญญาณวทยบงคบ ..................................................................... 43 2.46 แสดงระบบ modulation แบบ AM ..................................................................................... 45 2.47 แสดงระบบ modulation แบบ FM ..................................................................................... 46 3.1 แสดงกราฟความสมพนธระหวางแรงยกและคาอตราการกนกระแสของมอเตอร ............. 54 3.2 แสดงใบพด ชนด APC ขนาด 11 x 4.7 .............................................................................. 55 3.3 แสดงมอเตอร รน iFlight MT2814 810 KV....................................................................... 55 3.4 แสดงแบตเตอรขนาด Turnigy5000 mAh .......................................................................... 59 3.5 แสดงสวนของโครงสรางหลก ........................................................................................... 60

 

 

 

 

 

 

 

 

ญ

สารบญรป (ตอ)

รปท หนา 3.6 แสดงสวนแขนของอากาศยาน ........................................................................................... 60 3.7 แสดงภาพการวเคราะหโครงสรางดวยโปรแกรม ANSYS ................................................ 61 3.8 แสดง Control Board รน APM 2.6 .................................................................................... 62 3.9 แสดงการควบคมวทยบงคบ............................................................................................... 64 3.10 แสดงขนตอนการควบคมวทยบงคบ ................................................................................. 66 3.11 แสดงกลองครอบวทยบงคบพรอมตดตงเซอรโว .............................................................. 67 3.12 แสดงชดอปกรณควบคมวทยบงคบ .................................................................................. 67 4.1 แสดงอากาศยานตนแบบสใบพดส าหรบบนสงเอกสาร ..................................................... 68 4.2 แสดงหนาโปรแกรม eCel ทค านวณระบบตนก าลงของอากาศยานตนแบบล าท1 ............. 69 4.3 แสดงอากาศยานตนแบบล าท 1 ......................................................................................... 70 4.4 แสดงการจดวางอปกรณกอนการแกไข ............................................................................ 71 4.5 แสดงการจดวางอปกรณหลงการแกไข .............................................................................. 71 4.6 แสดงการตดโฟมเพอลดการสนสะเทอนของ Control Board ............................................ 72 4.7 แสดงการน าฟองน ามาปดบารอมเตอร ............................................................................... 72 4.8 แสดงอากาศยานตนแบบล าท 2 ......................................................................................... 74 4.9 แสดงน าหนกของอากาศยานสใบพด ................................................................................. 75 4.10 แสดงขอมลการบนจากอาคารเครองมอ 6 ไปอาคารเครองมอ 5 (กรณท 1) ....................... 76 4.11 แสดงขอมลการบนจากอาคารเครองมอ 6 ไปอาคารเครองมอ 5 (กรณท 2) ....................... 77 4.12 แสดงขอมลการบนหนาอาคารเครองมอ 5 (กรณท 3) ....................................................... 77 4.13 แสดงขอมลการบนหนาอาคารวชาการ 1 (กรณท 4) .......................................................... 78 4.14 แสดงขอมลการบนจากอาคารวชาการ 1 ไปอาคารวชาการ 2 (กรณท 5) ........................... 79 4.15(ก) แสดงขอมลการบนจากอาคารวชาการ 1 ไปอาคารวชาการ 2 (กรณท 6) ........................... 79 4.15(ข) แสดงขอมลการบนจากอาคารวชาการ 1 ไปอาคารวชาการ 2 (กรณท 6) ........................... 80 4.16 แสดงขอมลการบนจากอาคารเครองมอ 5 ไปอาคารเครองมอ 6 (กรณท 7) ....................... 80 4.17 แสดงความเสยหายทเกดจากการตกในกรณท 7................................................................. 81 4.18 แสดงลกษณะการวางวทยบงคบและการสงสญญาณ......................................................... 82 4.19 แสดงขอมลการบนจากอาคารเครองมอ 5 ไปอาคารเครองมอ 6 (กรณท 8) ....................... 83

 

 

 

 

 

 

 

 

ฎ

สารบญรป (ตอ)

รปท หนา ก.1 แสดงไดอะแกรมส าหรบเชอมตออปกรณตางๆ ................................................................. 91 ก.2 แสดงการตอชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคสกบแผงจายไฟหลก ................... 92 ก.3 แสดงการตอมอเตอรกบชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคส ............................... 92 ก.4 แสดงรปแบบการตอชอง Output ของอากาศยานสใบพด ................................................. 93 ก.5 แสดงการตอสายแพฝง Output .......................................................................................... 93 ก.6 แสดงการเชอมตอชองสญญาณฝง Input กบชดรบสญญาณ .............................................. 94 ก.7 แสดงการตอสญญาณฝง Input กบชดรบสญญาณ ............................................................. 94 ก.8 แสดงชองของ GPS............................................................................................................. 95 ก.9 แสดงการตอ GPS กบ บอรด APM ..................................................................................... 95 ก.10 แสดงการตอ Telemetry กบ บอรด APM ........................................................................... 96 ก.11 แสดงการตอ Power Module กบแผงจายไฟหลกและบอรด APM ..................................... 96 ก.12 แสดงการตออปกรณตางๆเขากบ บอรด APM ................................................................... 97 ข.1 แสดงหนาตาง FLIGHT PLAN ......................................................................................... 99 ข.2 แสดงหนาตาง Action (ก) แสดงกรณไมได Connect (ข) แสดงกรณท าการ

Connect ............................................................................................................................. 99 ข.3 แสดงหนาตาง Waypoint ................................................................................................. 100 ข.4 แสดงต าแหนง Home ...................................................................................................... 101 ข.5 แสดงโหมดตางๆในชอง Command ............................................................................... 102 ข.6 แสดงหนาตาง FLIGHT PLAN ทมการก าหนด Waypoint ............................................. 102 ค.1 แสดงรายละเอยดโปรแกรม LabVIEW ส าหรบสง Start ................................................. 104 ค.2 แสดงรายละเอยดโปรแกรม LabVIEW ส าหรบสง Armed .............................................. 104 ค.3 แสดงรายละเอยดโปรแกรม LabVIEW ส าหรบสง Throttle Up ...................................... 105 ค.4 แสดงรายละเอยดโปรแกรม LabVIEW ส าหรบสง Auto ................................................. 105 ค.5 แสดงรายละเอยดโปรแกรม LabVIEW ส าหรบสง Throttle Down ................................. 106

 

 

 

 

 

 

 

 

ค าอธบายสญลกษณและค ายอ

H = ความเรวรอบของใบพดขณะบนลอยตว

A = การเพมความเรวรอบในแตละดาน

B = การเพมความเรวรอบในแตละดาน = ความเรวเชงมมตามแกน X = ความเรวเชงมมตามแกน Y = ความเรวเชงมมตามแกน Z Q = ประจไฟฟา I = กระแสไฟฟา t = เวลา C-rating = อตราการคายประจ

BatteryV = คาแรงดนหรอแรงเคลอนไฟฟาของแบตเตอร

MotorKV = ความเรวรอบในการหมนมอเตอรตอ 1 โวลต

rpm = คาความเรวรอบตอนาท c = อตราเรวของแสงในอากาศมคา 83 10 m/s

2

f = ความถ λ = ความยาวคลน

TotalW = น าหนกรวมทงหมดของอากาศยาน

FrameW = น าหนกของโครงสราง

DeviceW = น าหนกของอปกรณตนก าลง Payload = น าหนกบรรทก

UseT = คาแรงยกทใชยก

PieceT = คาแรงยกตอมอเตอรหนงตว

MaxT = คาแรงยกสงสดตอมอเตอรหนงตว

TotalA = อตราการกนกระแสรวม

TakeoffA = อตราการกนกระแสทใชในการบนขน

HoveringA = อตราการกนกระแสทใชในการบนลอยตวเคลอนท

LandingA = อตราการกนกระแสทใชในการบนลง

 

 

 

 

 

 

 

 

ฐ

ค าอธบายสญลกษณและค ายอ (ตอ)

TakeoffT = แรงยกทใชในชวงการบนขน

(A)A = คาอตราการกนกระแสทอานไดจากกราฟ

mA( )min

A = คาอตราการกนกระแสทมหนวยมลลแอมปตอนาท

TakeoffA = อตราการกนกระแสทใชในการบนขน t = เวลาทใชในการบนหนวยเปนวนาท

HoveringA = อตราการกนกระแสทใชในการบนลอยตวเคลอนท

LandingA = อตราการกนกระแสทใชในการบนลง

TotalA = อตราการกนกระแสรวม

 

 

 

 

 

 

 

 

บทท 1 บทน า

1.1 ความเปนมาและความส าคญของปญหา อากาศยานหลายใบพดมการวจยครงแรกในป ค.ศ. 1920 โดยกองทพสหรฐอเมรกา ซงเรมแรก

มแนวคดจากแบบหกใบพด และพฒนาตอเนองเปนแบบสใบพดและแปดใบพด ตามล าดบ โดยมจดประสงคเพอน าไปใชในภารกจทางทหาร ในยคแรกอากาศยานแบบสใบพดทสรางไดนนมขนาดใหญมาก แตปจจบนดวยเทคโนโลยทกาวหนาจงท าใหอากาศยานสใบพดมขนาดเลกลงเหมาะสมกบการใชงาน

ส าหรบในปจจบนและอนาคตขางหนามนษยมความตองการทางอากาศยานขนาดเลกตางๆทสามารถปฏบตภารกจในดานตางๆทเกนขดความสามารถของมนษย หรอเพอความสะดวกสบายในดานตางๆไดอยางมประสทธภาพและสามารถใชงานไดในทกสภาพแวดลอม ซงอากาศยานไรคนขบหรอ ยเอว (Unmanned Aerial Vehicle: UAV) เปนอากาศยานทควบคมจากระยะไกล ใชการควบคมอตโนมตซงมอย 2 ลกษณะ คอ การควบคมอตโนมตจากระยะไกล และการควบคมแบบอตโนมตโดยใชระบบการบนดวยตนเอง โดยอาศยโปรแกรมคอมพวเตอรทมระบบซบซอนแลวท าการตดตงไวในอากาศยาน โดยอากาศยานไรคนขบขนาดเลกไดกลายเปนทนยมส าหรบทางทหารมากขน จงมงานวจยน าอากาศยานสใบพดมาท าเปนอากาศยานแบบไรคนขบ เนองจากงายตอการออกแบบ สามารถบรรทกสมภาระไดมากเมอเทยบกบตวล า มเสถยรภาพในการบน สามารถเคลอนทไดอยางรวดเรว ดวยเหตผลนอากาศยานสใบพดจงเปนทนยมและไดรบความสนใจมากขน จงท าใหสามารถน าไปปฏบตภารกจทงภายในและภายนอกอาคารได ไมวาจะเปนงานดานการส ารวจหรอถายภาพทางอากาศ และเรมมการพฒนาใหสามารถบนสงของตามพกดทก าหนด

จากการด าเนนการของมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร มาเปนระยะเวลากวา 20 ป มหาวทยาลยไดประสบผลส าเรจในการด าเนนการตามภารกจทคาดหวงไวทกประการ จากความส าเรจดงกลาวท าใหมจ านวนนกศกษาและบคลากรในมหาวทยาลยเพมขนอยางตอเนอง จงท าใหทางมหาวทยาลยตองมการจดสรางอาคารตาง ๆ ขน เพอรองรบการใชสอยทเพยงพอตอจ านวนนกศกษา แตสบเนองจากการทมหาวทยาลยมพนทขนาดใหญ จงท าใหอาคารบรหารสวนตางๆตงอยหางไกลกน และดวยจ านวนเอกสารภายในทเพมมากขน จงท าใหเกดปญหาในดานการตดตอสอสารทางดานเอกสาร ดงนนเพอใหเกดความสะดวกและประหยดเวลา เราควรจะมระบบส าหรบขนสงเอกสารระหวางอาคาร

 

 

 

 

 

 

 

 

2

ผวจยจงมแนวคดทจะท าการสรางระบบขนสงเอกสารทท างานแบบอตโนมตระหวางอาคารภายในมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ดวยการใชอากาศยานแบบสใบพด (Quad Rotor Aircraft) ทเคลอนทไดอยางอตโนมตหรอเปนอากาศยานไรคนขบ (Unmanned Aerial Vehicle: UAV) ทท างานแบบอตโนมต การเลอกใชอากาศยานแบบสใบพดกเนองจากเปนอากาศยานทสามารถเคลอนทขนลงในแนวดงได โดยไมตองอาศยทางวงในการขนและลงเหมอนเครองบน และสามารถควบคมไดงายกวาอากาศยานแบบปกหมนแบบโรเตอรเดยวหรอเฮลคอปเตอรทพบเหนกนทวไป อกทงอากาศยานสใบพดยงใหแรงยกทคอนขางสงเมอเทยบกบเครองปกหมนประเภทอน และดวยขนาดล าทเลก สามารถบรรทกสมภาระไดมากเมอเทยบกบตวล า มเสถยรภาพในการบน สามารถเคลอนทไดอยางรวดเรว จงเหมาะทจะน ามาใชในการขนสงเอกสารระหวางอาคาร

1.2 วตถประสงคการวจย ส าหรบงานวจยน มวตถประสงคของงานวจยในดานการออกแบบและสรางอากาศยาน

ตนแบบเพอบนขนสงเอกสารระหวางอาคาร ซงวตถประสงคหลก ๆ ของงานวจยนมดงตอไปน 1.2.1 เพอออกแบบและสรางเครองตนแบบอากาศยานแบบสใบพดควบคมอตโนมต 1.2.2 อากาศยานสามารถเคลอนทไปจดตาง ๆ ตามทโปรแกรมไวไดอยางอตโนมต 1.2.3 อากาศยานสามารถขนสงเอกสารระหวางอาคารได

1.3 ขอบเขตการวจย งานวจยนจะก าหนดขอบเขตการวจยเพอสามารถเปนเปาหมายและวธการในการแกปญหา

ไดอยางเปนระบบ ขอบเขตของงานวจยนประกอบดวย 1.3.1 อากาศยานตนแบบทสรางขนจะมสใบพด และท างานในสภาพอากาศทลมสงบ 1.3.2 อากาศยานตนแบบสามารถขนสงเอกสารดวยน าหนกไมเกน 200 กรม 1.3.3 การเคลอนทของอากาศยานตนแบบ จะเคลอนทสงเอกสารระหวางอาคารภายใน

มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร โดยการก าหนดเสนทางการเคลอนทดวยพกดของ GPS

1.3.4 สามารถทจะปรบเปลยนมาเปนการบนโดยใชคนบงคบไดในเวลาทตองการ

1.4 สถานทท างานวจย มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

 

 

 

 

 

 

 

 

3

1.5 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ 1.5.1 ไดระบบส าหรบขนสงเอกสารระหวางอาคารภายในมหาวทยาลยเทคโนโลย

สรนาร 1.5.2 จะชวยใหงานขนสงเอกสารภายในมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร เกดความ

สะดวก ประหยดเวลา และเพมประสทธภาพในการขนสงเอกสาร 1.5.3 ชวยพฒนาระบบการออกแบบอากาศยานสใบพดใหใชงานไดจรง 1.5.4 เปนการพฒนาระบบการบนของอากาศยานแบบไรคนควบคมใหมประสทธภาพ

สงขน

 

 

 

 

 

 

 

 

บทท 2 ปรทรรศนวรรณกรรมและทฤษฎทเกยวของ

ในบทนจะเปนการกลาวถงปรทรรศนวรรณกรรมทเกยวของกบงานวจยฉบบน และยงกลาวถงความเปนมาของอากาศยานหลายใบพด ซงมการคนควาและวจยในดานนมาเปนระยะเวลากวา 90 ป โดยกองทพสหรฐอเมรกา ซงมจดประสงคเพอน าไปใชในภารกจทางทหาร ปจจบนอากาศยานสใบพดจงเปนทนยมและไดรบความสนใจมากขน จงท าใหสามารถน าไปปฏบตภารกจทงภายในและภายนอกอาคารได ไมวาจะเปนงานดานการส ารวจหรอถายภาพทางอากาศ และเรมมการพฒนาใหสามารถบนสงของตามพกดทก าหนด

ในสวนแรกจะเปนสวนทผวจยไดท าการคนควาเอกสาร รายงานการวจย วทยานพนธตาง ทเกยวของกบงานวจยทไดด าเนนการอย และตามทไดกลาวมาแลววางานวจยดานนมระยะเวลานาน จงมบทความและเอกสารตาง ๆ ทเกยวของเปนจ านวนมาก ดงนนผวจยไดเลอกเฉพาะสวนของงานวจยทเกยวของหรอมสวนคลายกบงานวจยทก าลงด าเนนการอยนมาน าเสนอเทานน

นอกเหนอจากนนสวนทสองของในบทน ผวจ ยจะน าเสนอประวตความเปนมาของ อากาศยานแบบสใบพด ทงเฮลคอปเตอรแบบสใบพดขนาดใหญและแบบขนาดเลก ทไดพฒนามาจนถงปจจบน

ส าหรบในสวนตอมาไดกลาวถงทฤษฎหลกการท างานของอากาศยานแบบสใบพด ท งหลกการการบนลอยตวของอากาศยาน การบนขน-ลง การเอยงซาย-ขวา หรอการหมนตวของอากาศยาน นอกจากหลกการการท างานของอากาศยานแลวในบทนยงกลาวถงสวนประกอบของอากาศยานชนดสใบพด ซงจะแสดงเนอหาทสามารถน าไปใชในการเลอกใชอปกรณ และเขาใจในรายละเอยดของแตและอปกรณมากยงขน รวมไปถงการกลาวถงโปรแกรมส าหรบความคมการบน

2.1 ประวตความเปนมาและปรทรรศนวรรณกรรมทเกยวของ DiCesar et al. (2013) กลาววาน าหนกของอากาศยานแบบสใบพดมผลตอเวลาในการบนและท าใหสนเปลองพลงงาน ดงนนจงไดมการออกแบบโครงสรางอากาศยานใหมน าหนกลดลง10% แลววเคราะหดความแขงแรงทเปนไปได จงท าการจดสรางอากาศยานแบบสใบพด โดยไดท าการออกแบบระบบควบคมทท างานผานไมโครโปรเซสเซอรและระบบตรวจจบสญญาณอน ๆ หลกจากท าการบนทดสอบ พบวาการลดน าหนกของตวอากาศยานลง สงผลใหเวลาในการบนของ อากาศยานเพมขน

 

 

 

 

 

 

 

 

5 ธต นลทองค า (2555) ไดน าเสนอการใชตวควบคมแบบคลาสสคมาควบคมเสถยรภาพของอากาศยานไรคนขบแบบสใบพดขนาดเลก บทความนไดแสดงถงแบบจ าลองระบบสมการทางพลศาสตรของอากาศยานและแสดงการออกแบบระบบควบคมเพอรกษาเสถยรภาพทางการบน (Attitude Stabilization) ของอากาศยานสใบพดดวยระบบควบคมแบบคลาสสคใหสามารถบนรกษาระดบ (Hovering) Jeong and Jung (2011) ไดน าเสนอการออกแบบและควบคมระบบของอากาศยานแบบ สใบพด จดประสงคตองการลดคาใชจายในการสรางอากาศยานทตองการใชในการศกษาหรอส าหรบท าเปนงานอดเรกทวไป โดยเรมตนจะท าการลดขนาดของตวอากาศยานลง ซงมผลท าใหอากาศยานเกดความคลองตวมากยงขน สวนทสองท าการควบคมขนาดของฮารดแวร สวนทสามเกยวของกบระบบควบคมการตรวจจบตางๆทจะตองใชเวลาทสนลง เพอลดเวลาในการค านวณใหเหมาะสมกบขนาดของหนวยประมวลผลทใชอย บทความนจงท าการทดลองเพอตรวจสอบความเปนไปไดของระบบทไดท าการออกแบบ Jaimes et al. (2008) ไดน าเสนอวธการเฝาระวงของฝงเครองบนและอากาศยานสใบพดแบบไรคนขบ ซงวธการจะน าเสนอเกยวกบสถานการณจรงทเครองบนและอากาศยานสใบพดแบบไรคนขบท างานรวมกน เพอเฝาระวงพนท โดยอากาศยานสใบพดแบบไรคนขบจะเปนตวก าหนดความสงของพนทเฝาระวง โดยใชพกด GPS ทอยบนตวอากาศยานเปนตวก าหนดต าแหนง และใชในการสอสารและสงภาพกลบมายงภาคพนดน ซงขอมลทไดรบนนอยในระดบทสามารถยอมรบได ในสถานการณนระบบและการควบคมของมนษยสามารถท างานรวมกนไดโดยมปฏสมพนธในระบบการท างาน Bousbaine et al. (2012) กลาววาอากาศยานแบบสใบพด เปนอากาศยานทงายตอการสรางและดแลรกษา แถมยงมขอดทสามารถบนลอยตวขน-ลงในแนวดงได ซงขนตอนแรกไดพฒนาระบบควบคม คอการสรางแบบจ าลอง บทความนน าเสนอรปแบบการวเคราะหรายละเอยดแบบ ไดนามกของอากาศยานแบบสใบพด โดยใชการประมาณเชงเสนของทฤษฎเทยเลอร และพฒนารปแบบการวเคราะหใหเสมอนจรงในโปรแกรม MatLab/Simulink Rodic and Mester (2011) บทความนไดจากการสรางแบบจ าลองควบคมอากาศยาน โดยเนนการพฒนาการใชเครองมอททนสมยทเหมาะสมการออกแบบระบบควบคมและแบบจ าลองของแบบอากาศยานสใบพดซงจะใชส าหรบการพฒนาขนตอนวธการควบคมและตรวจสอบกอนทจะท างานรวมกบระบบจรง

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Senkul and Altug (2013) กลาววาการเอยงตวของอากาศยานจะสงผลตอมมมองของกลอง ในบทความนไดน าเสนอการออกแบบและควบคมอากาศยานแบบสใบพดแบบใหม ซงแตกตางจากการศกษาทวๆไปในบทความนไดน าระบบเครองยนตทเลอกจากการเอยงของใบพด การออกแบบนจะชวยลดการเอยงของระบบโครงสราง โดยใชแบบจ าลองทางคณตศาสตรมาออกแบบขนตอนวธการควบคม ซงผลทไดอากาศยานแบบสใบพดใหประสทธภาพในการบนเพมขน Gonzalez et al. (2011) บทความนไดแนะน าการแกไขปญหาของระดบความสงและการควบคมความสงของอากาศยานแบบสใบพดไรคนขบขนาดเลก ทบนลอยตวในรมและกลางแจง ดงนนในบทความนไดท าการควบคมความสงโดยใชการตรวจวดความเรวรอบของมอเตอรแตละตว โดยจะสงผลใหอากาศยานขนาดเลกมเสถยรภาพและมประสทธภาพในการบนลอยตวเคลอนทตามแนวแกนนอน นอกจากนยงอธบายถงการควบคมการทรงตวของอากาศยาน โดยใชการตรวจวดความเรวของอปกรณควบคมตาง ๆ Flynn (2013) ไดกลาวถงขอเสยของการสรางอากาศยานไรคนขบ ซงกคอคาใชจายของการออกแบบและคาใชจายในการผลตตวอากาศยาน เนองจากในตวอากาศยานจะมจ านวนอปกรณอเลกทรอนกสทซบซอนจ านวนมาก ไมเพยงแคนนการออกแบบยงชวยในเรองของการเลอกใชพลงงานทเหมาะสม ดงนนขนาดและน าหนกของอากาศยาน ถอเปนปจจยหลกทจะชวยในเรองของการออกแบบ

2.2 ประวตความเปนมาของอากาศยานสใบพด 2.2.1 เฮลคอปเตอรแบบสใบพดขนาดใหญ

เฮลคอปเตอรแบบสใบพดล าแรกมชอวา “Breguet-Richet Gyroplan No.1” ถกสรางขนเมอป ค.ศ. 1907 ประกอบไปดวยโครงสรางแบบคานกากบาท (Cross beam fuselage) มโรเตอรแบบหมนกลบดาน (Bi-plane) 4 ชด (มใบพดทงหมด 32 ใบ) ดงรปท 2.1 เครองสามารถบรรทกคนได 1 คน แตไมสามารถบนขนใหพนจากผลของแรงลมปะทะพนดนได (Ground effect) ท าใหเครองขาดเสถยรภาพในการบนขณะลอยตวอยกบท (Hovering) ในป ค.ศ. 1921 Etienne Oehmichen ไดสรางและปรบปรงเฮลคอปเตอรแบบสใบพดจนท าสถตบนไดสงถง 360 เมตรในป ค.ศ. 1924 ดงรปท 2.2

 

 

 

 

 

 

 

 

7

รปท 2.1 แสดงเฮลคอปเตอรแบบสใบพดล าแรกมชอวา “Breguet-Richet Gyroplan No.1”

รปท 2.2 แสดงเฮลคอปเตอรแบบสใบพดของ Etienne Oehmichen

ในป ค.ศ. 1922 Jerome-de Bothezat ไดสรางและพฒนาเฮลคอปเตอรแบบสใบพดชอ “Flying Octopus” ดงรปท 2.3 รวมกบกองทพสหรฐ และบนไดอยางประสบผลส าเรจ คอสามารถลอยตวและบนเดนทางไดอยางชาๆ แตโครงการถกยกเลกไป เนองจากตนทนสง สมรรถนะการบนต า และกองทพใหความสนใจเครองบนแบบออโตไจโร (Auto gyro plane) มากกวา

 

 

 

 

 

 

 

 

8

รปท 2.3 แสดงเฮลคอปเตอรแบบสใบพดชอ “Flying Octopus”

ในป ค.ศ. 1956 ไดมการพฒนาเฮลคอปเตอรแบบสใบพดแบบ Convertawing ดงรปท 2.4 โดยไดปรบปรงขอดอยของ Oehmichen เพอใหการบนเดนทางไดดขน โดยใชเครองยนตสองเครองปรบแรงยกใบพดดานหนาและดานหลง แตโครงการกถกยกเลกไปเนองจากไมไดรบความสนใจในเชงพาณชยและทางทหาร ซงเฮลคอปเตอรแบบนใชการควบคมแบบใหมถอวาเปนจดเรมตนในการพฒนาเฮลคอปเตอรแบบสใบพดในปจจบน

รปท 2.4 แสดงเฮลคอปเตอรแบบสใบพดแบบ Convertawing

 

 

 

 

 

 

 

 

9 ในยคทศวรรษ 1960 สหรฐอเมรกามโครงการพฒนาอากาศยานแบบสใบพดใชชอโครงการวา “X-Plane” โครงการนไดพฒนาอากาศยานสองแบบคอ x-19 ดงรปท 2.5 และ x-22 ดงรปท 2.6 ทงคใชการปรบมมพทของใบพด เพอเพม-ลด แรงยก ซงโครงการ x-19 ใชปรบมมของแรงขบของเครองเทอรโบเจททงส เพอควบคมการลอยตวของอากาศยาน x-19 บนตกขณะทบนทดสอบเทยวแรก (First flight) ท าใหโครงการถกยกเลกไป

รปท 2.5 แสดงอากาศยานแบบสใบพดแบบ Curtiss-Wright X-19

สวน x-22 ใชทอลม (Ducted fan) จ านวนสชดเปนสวนควบคมการเคลอนทและปรบทอลมในแนวระดบเพอบนดวยความเรวดงรปท 2.6

รปท 2.6 แสดงอากาศยานแบบสใบพดแบบ Bell X-22

 

 

 

 

 

 

 

 

10 หลงจากท Boing ประสบความส าเรจกบโครงการ V-22 Osprey ซงเปนอากาศยานแบบสองใบพด กไดเรมโครงการพฒนาอากาศยานแบบสใบพดแบบปรบมมได ดงรปท 2.7 ซงอยในระหวางการออกแบบและทดสอบแบบจ าลองอโมงคลม

รปท 2.7 แสดงอากาศยานแบบสองใบพด V-22 Osprey 2.2.2 เฮลคอปเตอรสใบพดขนาดเลก เฮลคอปเตอรแบบสใบพดขนาดเลกไดถกพฒนาส าหรบเปนอากาศยานไรนกบนขนาดเลก (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) แบบขนลงในแนวดง เพอใชในกจการตางๆในป ค.ศ. 1992 ไดมการพฒนาอากาศยานชอวา “Hover bot” ดงรปท 2.8 การรกษาการทรงตวท าไดโดยใชเซนเซอรแบบตวตานทานปรบคาไดทแกนกลางเปนตวบอกระดบ แลวปรบมมพททใบพดแตละแกนเพอควบคมระดบความเอยง

 

 

 

 

 

 

 

 

11

รปท 2.8 แสดงอากาศยานแบบสใบพดขนาดเลกชอวา “Hover bot” ชวงกลางทศวรรษท 90 ไดมการสรางอากาศยานสใบพดขนาดเลกเชงพาณชยเพองานอดเรกโดยใชเซนเซอรไจโรแบบโครงสรางจกรกลไฟฟาขนาดเลก หรอเรยกวา MEMs (Micro Electro Mechanical structure) ชอวา “Roswell flyer” และ HMX-4 ตอมากลายเปน “Dragon flyer” มโครงสรางขนาดเลก น าหนกเบา บรรทกน าหนกไดไมมาก ราคาถกดงรปท 2.9

รปท 2.9 แสดงอากาศยานแบบสใบพดขนาดเลกชอวา “Dragon flyer”

 

 

 

 

 

 

 

 

12 ชวงปลายทศวรรษท 90 มหาวทยาลย Standford ไดพฒนาอากาศยานสใบพดขนาดเลกในเชงวจยชอวา “Mesicopter” มลกษณะใบพดอยดานลาง มวลสวนใหญอยดานบน ซงตรงขามกบอากาศยานสใบพดในปจจบน ดงรปท 2.10

รปท 2.10 แสดงอากาศยานแบบสใบพดขนาดเลกชอวา “Mesicopter” ชวงป ค.ศ. 2000 เปนตนมา อากาศยานแบบสใบพดไดกลายเปนของเลนและเปนเครองมอส าหรบงานวจย นกบนตองควบคมเครองรวมกบไจโร ตอมา Dragonfly ไดกลายเปนสวนหนงในงานวจยทวโลก นกวจยใชล าตวและมอเตอรเปนอปกรณหลก เพอพฒนาระบบควบคมอตโนมต

2.3 หลกการท างานของอากาศยานแบบสใบพด การควบคมการเคลอนทของอากาศยานแบบสใบพด จะควบคมโดยการก าหนดใหความเรวรอบของใบพดอากาศยานทงสใบมความแรงในรปแบบตาง ๆ กน ซงอปกรณทท าการควบคมความเรวรอบของใบพดอากาศยานนน ทกวนนจะใชไมโครคอนโทลเลอร (Micro Controller) ซงในปจจบนนจะมบอรดส าเรจรปทไดรบการออกแบบและสรางขนมาส าหรบควบคมการเคลอนทของอากาศยานแบบสใบพดโดยเฉพาะ ซงนอกจากไมโครคอนโทลเลอรแลว บนแผงวงจรยงจะมอปกรณทตรวจจบตาง ๆ ทจ าเปนในการควบคมอากาศยานอก เชน อปกรณว ดความเรง (Accelerometer) อปกรณวดมมเอยง (Gyroscopic Sensor) อปกรณหาต าแหนง (GPS) และอปกรณ

 

 

 

 

 

 

 

 

13 อน ๆ ท ง น ท าใหการควบคมอากาศยานแบบนสามารถท าไดงายมากขน ส าหรบลกษณะ การควบคมอากาศยานแบบปกหมนนน เพอใหไดการเคลอนทตามทตองการ จะประกอบดวยการเคลอนทหลก ๆ ดงน 2.3.1 การลอยตวอยกบท (Hovering) ท าไดโดยควบคมใหความเรวใบพดทงสตวมความเรวทเทากนเพอสรางโมเมนตบดทเกดจากดานหนงหกลางกบโมเมนตบดทเกดขนจากอกดานหนง ตามทแสดงในรปท 2.11 โดยก าหนดแกน X ชไปในทศทางดานหนาของอากาศยาน แกน Z อยในทศทางทชขนดานบน และแกน Y เปนไปตามกฎมอขวา ส าหรบชอของใบพดทงสกจะเปน ใบพดหนา (Front Rotor) ใบพดหลง (Rear Rotor) ใบพดขวา (Right Rotor) ใบพดซาย (Left Rotor) เพอใหอากาศยานลอยหยดอยนงได อปกรณควบคมจะท าการควบคมใบพดทอยในแนวเสนทแยงมมกนหมนไปในทศทางเดยวกนดวยความเรวเทากน โดยใบพดทงสจะมความเรวรอบเทากน ดวย Hove speed H นนคอ

1 2 3 4 H การหมนของใบพดเชนนจะท าใหโมเมนตรอบแกน Z ของอากาศยานหกลบกนไปหมด ท าใหอากาศยานหยดนง ไมมการหมนรอบแกนใดๆ แรงถาเมอแรงยกทเกดจากใบพดทงสเทากบน าหนกของอากาศยาน กจะท าใหอากาศยานลอยนงได

รปท 2.11 แสดงการลอยตวอยกบทของอากาศยานแบบสใบพด (Hovering) 2.3.2 การท าใหอากาศยานสามารถบนขน-ลง (Throttle) จากการทอากาศยานหยดนงในอากาศได เนองจากแรงยกเทากบน าหนกและความเรวรอบของใบพดทงสเทากนท H การทจะใหอากาศยานยกตวขน จะสามารถเพมความเรวรอบใหมากขนกวา H ตามทแสดงในรปท 2.12 โดยเพมความเรวรอบของใบพดทงสใหเปน

H A เทากนทงหมดการกระท าเชนนจะท าใหโมเมนตรอบแกน Z ยงคงเทากบศนยแตแรงในแกน Z จะมากขน ท าใหแรงยกมากกวาน าหนก กจะท าใหอากาศยานยกตวขนตอเนองดวยความเรว

 

 

 

 

 

 

 

 

14 เทากบ Z ตามทแสดงในรปสวนในกรณเราตองการจะลดระดบความสง กจะท าในลกษณะเดยวกนเพยงแตใหคาความเรวรอบต าลงเปน H A กจะท าใหแรงยกมคานอยกวาน าหนก อากาศยานจะคอย ๆ เคลอนตวต าลงดวยอตราเรง Z ดวยวธการน เราสามารถทจะควบคมการบนขนและลงของอากาศยานได

รปท 2.12 แสดงการบนขนของอากาศยานแบบสใบพด (Throttle) 2.3.3 การเอยงตวซาย-ขวา (Roll) หากเราตองการใหอากาศยานหมนรอบแกน X หรอเรยกวาการเอยงตวซาย-ขวา สงทเราตองท าคอท าใหแรงบดรอบแกน X ไมเปนศนย เหมอนกบการลอยตว เพอจะไดแรงตามวตถประสงคน เราจะตองควบคมใบพดหนาและใบพดหลง มความเรวเทาเดม แตความเรวใบพดซายใบพดขวาจะเปลยนไป ยกตวอยางเชนเราตองการใหอากาศยานหมนตวเปนมมบวกรอบแกน X เรากจะก าหนดใหใบพดซายหมนเรวขนใหมความเรวเปน H A เพอเพมแรงยกดานซาย ในขณะเดยวกบทลดความเรวใบพดขวาลงใหเปน H B แรงทมากขนทางดานซายและลดลงดานขวา จะท าใหอากาศยานเรมหมนรอบแกน X หมนตามตองการ ดวยความเรงเชงมมเทากบ โดยการเพมความเรวทางใบซายดวยปรมาณ A และลดความเรวทางใบพดขวาดวยปรมาณ B

นนไมจ าเปนตองเปนอตราเดยวกน ทงนขนกบอตราเรงในการหมนตวทเราตองการ ดงรป 2.13

 

 

 

 

 

 

 

 

15

รปท 2.13 แสดงการเอยงตวทางขวาของอากาศยานแบบสใบพด (Roll) 2.3.4 การควบคมอากาศยานเงยหรอกม (Pitch) การควบคมนจะคลายกบการหมนรอบแกน X หรอ Roll เพยงแตเราเปลยนแกนการหมนใหเปนแกน Y ตามทแสดงในรป 2.14 โดยถาหากเราตองการจะกมหนาอากาศยานเราจะก าหนดใบพดซายและขวาใหมความเรวรอบเทากนและลดความเรวรอบของใบพดหนาลงใหเปน

H B และเพมความเรวของใบพดหลงใหเปน H A แรงทเกดจากความแตกตางของ แรงยกทใบพดหนาและหลง จะท าใหเกดโมเมนตรอบแกน Y ขน ท าใหอากาศยานเรมหมนตว รอบแกน Y ดวยความเรง เพอเขาสสมดลใหม

รปท 2.14 แสดงการกมของอากาศยานแบบสใบพด (Pitch) เพอเขาใจการเคลอนทของอากาศยานปกหมนไดดขน ในขณะอากาศยานอยในลกษณะกมหนาลง แรงยกทไดจากใบพดนนจะไมอยในแนวดงอกตอไป แตจะอยในแนวทท ามมเอยงเลกนอยกบแนวดง ท าใหแรงจากใบพดแตกออกไดสองแนวคอ แนวดง และในแนวระดบ

 

 

 

 

 

 

 

 

16 ซงแรงในแนวนจะท าหนาทขบเคลอนอากาศยานไปขางหนา ในขณะทแรงในแนวดงจะท าหนาทสมดลกบน าหนก เพอใหอากาศยานลอยตวในระดบความสงทคงท จะเปนการแสดงการเคลอนทของอากาศยานไปขางหนา จะเหนวาในขณะเคลอนทไปขางหนานน อากาศยานจะอยในลกษณะกมลง คอใบพดหลงจะสงกวาใบพดหนาเลกนอย ซงจะท าใหแรงทไดจากใบพดสรางทงแรงยกเพอใหอากาศยานลอยตวอยไดและแรงผลก เพอใหอากาศยานเคลอนทไปขางหนาพรอมๆกน 2.3.5 การหมนตว (Yaw) เปนการก าหนดใหอากาศยานหมนตวรอบแกน Z ของอากาศยาน ซงสามารถท าโดยการก าหนดใหความเรวใบพดหนาเทากบใบพดหลงและมความเรวต ากวาใบพดซายและใบพดขวา เพอใหแรงบดทางดานซายหรอขวามากกวาดานหนาหรอดานหลง จงท าใหเครองบนหมนตวรอบแกน Z ดวยความเรวเชงมมเทากบ ตามทแสดงในรปท 2.15 การควบคมนจะท าให อากาศยานหมนตวกลบหนาหลงได

รปท 2.15 แสดงการหมนตวทางซายของอากาศยานแบบสใบพด (Yaw)

2.4 สวนประกอบของอากาศยานแบบสใบพด 2.4.1 ตวล า (Frame) ตวล าของอากาศยานแบบสใบพดคอ โครงสรางหลกของตวอากาศยานทมหนาทรบน าหนกของอปกรณตาง ๆ สามารถออกแบบไดหลายรปแบบแตเนนความแขงแรง ดวยเหตนเอง ตวล าของอากาศยานตองท าดวยวสดทมความแขงแรง เพอใหสามารถทนตอแรงยกและรบแรงบดของมอเตอรไดดโดยไมมการบดตว และสามารถรบแรงสนสะเทอนจากมอเตอรไดด นอกจากตวล าจะมความแขงแรงแลว วสดทเลอกใชจะตองเปนวสดทมน าหนกเบา เชน อลมเนยม, คารบอน ไฟเบอร หรอ แผน G10 ดงรปท 2.16 เพอลดน าหนกของตวอากาศยานและใชพลงงานในการยกนอยทสด

 

 

 

 

 

 

 

 

17

รปท 2.16 แสดงตวล าของอากาศยานแบบสใบพด

2.4.2 ชดควบคมการบน (Flight Controller)

ชดควบคมการบนถอวาเปนหวใจหลกของอากาศยานสใบพด ท าหนาทควบคมเสถยรภาพในการบนทงหมด ไดแก ควบคมระดบความเอยง (Attitude Control) ควบคมความสง (Altitude Control) ควบคมต าแหนง (Position Control) ควบคมทศทาง (Heading Control) และ น าทางการบน (Navigation) นอกจากจะควบคมการบนแลว ชดควบคมยงรบค าสงการบนจากนกบนผานทางวทยบงคบทางไกลอกดวย ชดควบคมการบนใชไมโครคอนโทลเลอรขนาดเลก เปนสวนประมวลผลการควบคมทงหมด โดยจะรบสญญาณจากเซนเซอรหลายแบบเพอใชใน การความคมการบนแบบตาง ๆ ดงรป 2.17

 

 

 

 

 

 

 

 

18

รปท 2.17 แสดงระบบควบคมของอากาศยานแบบสใบพด

2.4.3 ชดรบ-สงสญญาณ (Signal transmit – Receive system)

ชดรบ-สงสญญาณท าหนาทรบสงสญญาณควบคมจากนกบนและท าหนาทสงขอมลการบนทงหมดกลบมายงฐานบนพนดน (Ground Station)

รปท 2.18 แสดงชดรบ-สงสญญาณควบคมการบน

Micro Controller

ESC 1 Motor

ESC 2 Motor

ESC 3 Motor

ESC 4 Motor

Sensors Module - Gyro - Accelerometer - Compass - Barometer

GPS

Transmitter Receiver

Data telemetry PC

Laptop Tablet

 

 

 

 

 

 

 

 

19

รปท 2.19 แสดงชดรบ-สงขอมลการบน 2.4.4 สวนสรางแรงยก เปนสวนสรางแรงยกใหกบอากาศยานแบบสใบพด ประกอบดวย มอเตอร ซงโดยทวไปจะเปนแบบใชไฟฟากระแสตรงชนดไรแปรงถาน (Brushless DC Motor) ตองใชงานรวมกนกบชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคส (Electronic Speed Controller, ESC) และใบพดเปนตวสรางแรงยก ใบพดทใชสวนมากจะเปนแบบทใหก าลงขบมากในรอบต า และเปนใบพดแบบหมนกลบทศทางกนเพอสรางความสมดลแรงบดของใบพดทงหมด นอกจากนสวนสรางแรงยกยงท าหนาทสรางแรงในการควบคมทศทางตาง ๆ ของอากาศยานอกดวย สวนรายละเอยดตาง ๆ จะกลาวในหวขอตอไป 2.4.5 แบตเตอร (Battery) เปนสวนเกบพลงงานส ารองส าหรบใชในการบน แบตเตอรทใชเปนชนดทมน าหนกเบาและมความสามารถจายพลงงานสงไดอยางตอเนอง (มคาก าลงวตตตอน าหนกสง) ระยะเวลาในการบนจะขนอยกบคาความจของแบตเตอรแบตเตอรทนยมใชกนในปจจบนนนมอยดวยกนหลายแบบ ในทนจะกลาวถงเพยงสองแบบใหญ ๆ คอ 1. แบตเตอรแบบ NiMH (Nickel Metal Hydride)

ส าหรบอากาศยานขนาดเลกแบบ FP นน บางรนกจะใชแบตเตอรแบบ NiMH (Nickel Metal Hydride) แบตเตอรแบบนใชงานงายและการดแลรกษากไมยงยากนก ในปจจบนแบตเตอรแบบนเปนทนยมใชกนมากกวาแบตเตอรแบบ NiCd (Nickel Cadmium) แตทใชกนมากเนองจากมความจมากกวาถง 2-3 เทา นอกจากน NiCd ยงมสารทเปนพษตอสงแวดลอมอกดวย ความจของแบตเตอรนยมบอกในรปของคาประจทแบตเตอรจายไดเชน 1000 mAh จากสมการความสมพนธระหวางกระแสไฟฟา (I) และประจไฟฟา (Q)

 

 

 

 

 

 

 

 

20

Q It (2.1)

โดยท Q คอ ประจไฟฟา มหนวยเปน คลอมบ I คอ กระแสไฟฟา มหนวยเปน แอมป t คอ เวลา มหนวยเปน วนาท

เมอ t เปนเวลาจะพบวาในเวลา 1 ชวโมง แบตเตอรจายกระแสออกมาอยางตอเนองได 1000 mA หรอ 1 A คดเปนประจไฟฟา Q 1 60 60 3600 C พลงงานไฟฟาทไดเกดจากปฏกรยาเคมทขวบวกและขวลบซงเปนปฏกรยาระหวางโลหะกบน าเกดเปน Metal Hydride และปฏกรยาระหวางนกเกลไฮดรอกไซดกบน า โดยทวไปแลวแบตเตอรแบบนหนงเซลลจะม ความตางศกยประมาณ 1.2 V ตามทระบไวขางเซลล เมอท าการชารจเตมทจะใหความตางศกยเฉลยประมาณ 1.25 V เมอน ามาใชกบอากาศยานบงคบจะตองน ามาตอเขาดวยกนแบบอนกรมเพอเพมความตางศกยเปน 9-12 V ส าหรบอากาศยานบงคบขนาดเลก ถาอากาศยานมขนาดใหญกวานแบตเตอรแบบ NiMH จะไมสามารถจายพลงงานไดเพยงพอกบน าหนกแบตเตอรทเพมขนมา ตวอยางของแบตเตอรแบบนแสดงอยในรปท 2.20 ปจจบนนแมแตในเฮลคอปเตอรบงคบแบบของเลนราคาถกกใชแบตเตอรแบบ LiPo กนเปนสวนใหญเนองจากใหพลงงานสงกวาและมน าหนกเบา ดงนน ในทนเราจะเนนไปทแบตเตอรแบบ LiPo

รปท 2.20 แสดงแบตเตอรแบบ NiMH ขนาดตางๆ

 

 

 

 

 

 

 

 

21 2. แบตเตอรแบบ LiPo (Lithium Polymer) เทคโนโลยใหมทท าใหอากาศยานบงคบทใชพลงงานไฟฟาไดรบความนยมมากในปจจบนคอแบตเตอรแบบ LiPo (Lithium Polymer) แบตเตอรแบบนมขอไดเปรยบกวาแบบ NiMH หลายอยางเชน มน าหนกเบาใหพลงงานสง ความจสงและประสทธภาพสงกวามาก นอกจากน แบตเตอรแบบ LiPo ยงมอตราการคายประจสงมากท าใหมอเตอรไดรบพลงงานเพยงพอกบก าลงทตองการ สวนขอเสยของแบตเตอรแบบนกคอ มราคาสงถาดแลรกษาไมด แบตเตอรแบบนจะชารจไดเพยง 300-400 ครงเทานน สารประกอบทอยภายในแบตเตอรแบบ LiPo ตดไฟงายจงอาจเกดการระเบดไดถาไมชารจหรอจดเกบอยางถกวธ รวมทงถาตดตงไวในต าแหนงทไมปลอดภยจะท าใหเกดการระเบดไดเมอเกดการกระแทก ดงนนการใชแบตเตอรแบบนจงตองมขอควรระวงทตองปฏบตตามอยางเครงครด

แบตเตอร LiPo คอ แบตเตอร LiPo Hybrid โดยทวไปเซลลของแบตเตอรแบบนจะหอหมดวยแผนฟอยล แตละเซลลจะใหความตางศกย 3.7 V ในการใชงานกบอากาศยานขนาดเลกไปจนถงขนาดกลาง จ านวนเซลลทมาตออนกรมกนจะมประมาณ 1-4 เซลล โดยจะระบไวทขางแบตเตอรวา 1S 2S 3S หรอ 4S ซงบอกวามกเซลลตอกนแบบอนกรม (S-series) บางแบบกจะมการตอเซลลแบบขนานดวยเพอเพมปรมาณกระแส (หรอเพมความจ) ทจายออกมาซงในกรณนกจะระบ ตว P (Parallel) เพมขนมาเชน 3S2P กหมายความวามเซลลสองชดตอขนานกนโดยทแตละชดมสามเซลลตออนกรมกนอยซงโดยรวมแลวจะใหความตางศกย 3.7 3 11.1V และมความจเทากบความจของแตละชดรวมกน รปท 2.21 แสดงตวอยางของแบตเตอรแบบ LiPo ขนาดตาง ๆ

รปท 2.21 แสดงแบตเตอรแบบ LiPo ขนาดตาง ๆ

 

 

 

 

 

 

 

 

22 เรองความจและอตราการคายประจของแบตเตอร LiPo เชนเดยวกบแบตเตอร NiMH ความจของแบตเตอรแบบนจะระบดวยคา mAh ซงยอมาจาก mili-ampere hours หมายถง ความจตอชวโมงทสามารถจายไดจนแบตเตอรหมด และมความหมายเชนเดยวกนกบปรมาณทส าคญอกอยางคออตราการคายประจหรอบางครงเรยกวาคา C-rating (C: capacity) คานจะปรากฏอยบนแบตเตอรแตละกอน ตวอยางเชน แบตเตอรกอนหนงจะระบวา 3S 11.1 V 25 C 2000 mAh หมายความวา แบตเตอรกอนนประกอบดวย 3 เซลลตออนกรมกนมความตางศกยรวม 11.1 V และคายประจไดสงสดถง 25 เทาของคาความจทก าหนด นนคอ 25 2000 mAh 50A ในเวลาหนงชวโมง เราสามารถค านวณเวลาทแบตเตอรสามารถจายกระแสไดโดยน าคาความจมาหาร 60 นาทในหนงชวโมง จะได 2000 / 60 33.3 mAh/min จากนนคณดวย C-rating ได 833 mAh/min ซงคดเปนเวลา 2000 / 833 2.4 นาท นนคอถาดงกระแสออกมาดวยอตราสงสด 25 C จะใชงานแบตเตอรนไดเพยง 2.4 นาทเทานน แตโดยทวไปแลว ในการบนปกตทไมใชการบนผาดโผนแบบหนก ๆ จะไมไดดงกระแสจากแบตเตอรดวยอตราสงสดท าใหเวลาในการบนยาวกวาทค านวณไวขางตน การค านวณนโดยทวไปสามารถคดไดวา เวลาทแบตเตอรจะคายประจหมดดวยอตราสงสดนนมคาเทากบ 60/C-rating นาท ในกรณนคอ 60 / 25 2.4 นาท เปนตน

ในการเลอกแบตเตอรมาใชงานนนควรเลอกซอแบตเตอรทมคา C สง ๆ การใชแบตเตอรทมคา C ต าเกนไปจะท าใหมอเตอรและตวควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคส (Electronic Speed Controller: ESC) เสยหายได บางครงคา C-rating ทก าหนดมาใหจะระบทง คาตอเนองและคาการระเบดพลงงานออกมาในชวงเวลาสนๆ (burst) เชน 20C Continuous/40C Bursts หมายความวาในการใชงานปกตสามารถจายกระแสไดตอเนองทอตราสงสด 20 C แตถาในการบนทรนแรงซงมอเตอรตองการก าลงมากในเวลาอนสน แบตเตอรนจะจายกระแสไดเตมท 40 เทาของคาความจในเวลาอนรวดเรว (โดยปกตจะอยท 10 วนาท) นอกจากเรองของปรมาณและอตราการจายกระแสแลว การใชแบตเตอรทมคา C ต าเกนไปจะท าใหแบตเตอรรอนมากการเปลยนไปใชแบตเตอรทมคา C สงขนจะท าใหแบตเตอรเยนกวาในขณะใชงานท าใหอายการใชงานของแบตเตอรยาวนานขน

มขอควรรอกขอคอในการคายประจของแบตเตอร LiPo นนจะตองไมใชงานแบตเตอรจนเหลอความตางศกยในแตละเซลลไมถง 3 V เนองจากจะท าใหแบตเตอรรอนมากและมอายการใชงานไมนาน ค าแนะน าโดยทวไปในการยดอายการใชงานแบตเตอร LiPo คอไมควรใชงานเกน 80% ของคาความจของแบตเตอร เชนแบตเตอรทมความจ 2500 mAh ไมควรถกใชงานเกน 2500 0.8 2000 mAh และเมอแบตเตอรมอายการใชงานทนานขนคาความจจะลดลงไปตามเวลาทใชอกดวย หลงจากชารจเตมทแลว แบตเตอร LiPo จะมความตางศกย 4.2 V ตอเซลล

 

 

 

 

 

 

 

 

23 ถายงชารจตอไปอกอาจท าใหเกดระเบดและไฟไหมได ดงนนจงตองหยดชารจทนทหรอใชเครองชารจทตดกระแสไฟฟาทชารจเขาไปทนททความตางศกยของเซลลมคา 4.2 V

สรปหลกการใชงานแบตเตอร LiPo เพอความปลอดภย ดงน ชารจแบตเตอรในบรเวณทไมตดไฟหรอมผนงกนไฟไหมได หลงจากใชงานแลวควรรออยางนอย 15-30 นาทเพอใหแบตเตอรเยนลงกอนทจะน าไป

ชารจ อยาชารจแบตเตอรทงไวโดยไมมคนดแล อยาแกะหบหอบรรจแบตเตอรออกจากกน ถาช ารดหรอมรรวใหน าไปวางไวให

หางไกลจากผคนและทรพยสน เพอดอาการ เพราะอาจเกดการระเบดได จากนนใหน าไปก าจดใหถกวธตอไป

หากอากาศยานตก ใหรบตรวจสอบความเสยหายของแบตเตอรแลวถอดออกไปไวกลางแจงใหหางไกลจากผคน เพอปองกนการระเบดทอาจจะเกดขนตามมา จากนนใหน าไปก าจดใหถกวธตอไป

อยาชารจแบตเตอรดวยเครองชารจทไมไดมาตรฐาน และอยาชารจเกนเวลาทก าหนดในกรณทใชเครองชารจทไมตดไฟหลงจากชารจเตมแลว

ประการสดทาย เมอแบตเตอรหมดอาย ตองทงใหเปนท อยาทงปนกบขยะอนๆ ถาจ าเปนตองทงใหท าตามขนตอนการการท าลายแบตเตอร LiPo ควรน าไปทงในทส าหรบทงแบตเตอรโดยเฉพาะเทานน

2.5 ชดควบคมการบน ชดควบคมการบนท าหนาทควบคมเสถยรภาพทางการบนของอากาศยานประกอบดวยไมโครคอนโทรลเลอรเปนสวนประมวลผลและควบคมการบน และเซนเซอรตาง ๆ (Sensor) เปนสวนวดสภาพการบน ดงรป 2.17 ซงการควบคมแบงออกเปน 2.5.1 การควบคมระดบมมเอยง (Attitude Control) การควบคมความอยงเปนการควบคมมมเอยง (Orientation) ในแนวแกนตาง ๆ (Angle Control) ไดแก Roll Pitch และ Yaw (หรอ X, Y, Z) ถอเปนการควบคมพนฐานทท าใหอากาศยานบนไดอยางมเสถยรภาพ ดงรปท 2.22

 

 

 

 

 

 

 

 

24

รปท 2.22 แรงตางๆทกระท าบนอากาศยานแบบสใบพด

เซนเซอรพนฐานทใชส าหรบการควบคมมมเอยงไดแก ไจโรสโคป (Gyroscope) ในกรณทตองการควบคมระดบ Roll กบ Pitch (Level Control) หรอแกน X กบ Y นนตองใช ไจโรสโคป รวมกบเซนเซอรวดความเรง (Accelerometer) เพอชดเชยขอดอยของเซนเซอรทงสอง การประมาณคามมท าไดโดยใชเทคนคทางคณตศาสตร เชน Kalman Filter Complementary Filter เปนตน หลงจากประมาณคามมตางๆไดแลว จงควบคมมมตางๆดวยเทคนคการควบคม เชน PID (Proportion Integral Derivative Control) การควบคมแบบฟงซซ (Fuzzy Logic Control) เปนตน สวนการควบคมทศทางในแนวแกน Yaw หรอแกน Z ใชรวมกบเซนเซอรวดสนามแมเหลกโลก (Magnetometer) ปจจบนไดมการรวมเซนเซอรทงสามเขาดวยกน เรยกวา Inertial Measurement Unit หรอ IMU ดงรปท 2.23 การตอสญญาณ IMU เขากบไมโครคอนโทรลเลอรท าไดสองแบบ ไดแก แบบอนาลอก (Analog) และแบบดจตอล (Digital) ซงดจตอลจะใชการเชอมตอแบบ 2I C หรอ SPI จะมความสะดวกมากวาแบบอนาลอก ใชสายสญญาณนอยกวา นอกจากน เซนเซอรแบบดจตอลจะมตวแปลงอนาลอกเปนดจตอลภายในซงมความละเอยดมากกวาตวแปลงในไมโครคอนโทรลเลอรเอง

 

 

 

 

 

 

 

 

25

รปท 2.23 แสดง Inertial Measurement Unit หรอ IMU Inertial Measurement Unit (IMU) เซนเซอรหรออปกรณทใชใน INS (Inertial Navigation System) เปนสวนประกอบหลกทใชในเครองบน, ยานอวกาศ และ เรอ เชนเดยวกบจรวดขปนาวธ IMU ประกอบดวย 2 สวนหลกคอ accelerometers 3 ทศทาง และ gyroscopes 3 ทศทาง ซงรบความเรงยานพาหนะและความเรวเชงมมตามล าดบ

Accelerometer เปนอปกรณทใชวดความเรงตามแนวแกนทเฉพาะเจาะจง ตงขอสงเกตไดวา accelerometers ใน IMU รบเพยง specific forces แนวคดนเปนสงส าคญใน inertial navigation หรอระบบน าทางอาศยแรงเฉอย

หลกการของเซนเซอรวดความเรง (Accelerometer) ท าหนาทวดความเรงในการเอยงทงสามแกน X, Y, Z ทอางองกบแรงโนมถวงของโลก สามารถอธบายโดยมลกบอลบรรจภายในกลองสเหลยม

รปท 2.24 แสดงเมอลกบอลอยในสภาวะไรแรงโนมถวงของโลก

 

 

 

 

 

 

 

 

26 จากรปท 2.24 ในสภาวะไรแรงโนมถวงของโลก ลกบอลทบรรจภายในกลองนนลอยอยระหวางแกน X,Y,Z โดยไมสมผสกบผวของกลอง ซงเปรยบเสมอนคาทสงออกมาไดคอ X,Y,Z = 0 g (โดยท g = 9.8 m/s2)

รปท 2.25 แสดงเมอกลองเคลอนทไปทางดาน X- จากรปท 2.25 สามารถแสดงใหเหนวา เมอลกบอลนนสมผสกบผนงทางขวาซงแสดงผลเปนคาแกน –X ของ Accelerometer ซงจะไดคา X = -1 g, Y = 0 g, Z = 0 g

รปท 2.26 แสดงเมอลกบอลอยในสภาวะมแรงโนมถวง จากรปท 2.26 สมมตลกบอลทบรรจในกลองนนอยในสภาวะมแรงโนมถวง ซงจะท าใหลกบอลมแรงกดลงทแกน –Z ของกลองเนองจากคา g จะสงผลท าใหคาของ X = 0 g, Y = 0 g, Z = -1 g ซงจะเหนไดวา ถาในสภาวะปกตของ Accelerometer จะมผลตอคาแรงโนมถวงของโลก

 

 

 

 

 

 

 

 

27 ตลอดเวลา โดยจากแบบจ าลองขางตนลกบอลไดกดลงทแกน –Z จะท าใหคาของ Z = 1 g เสมอตามแรงกดของแรงโนมถวงโลกอยตลอดในสภาวะปกต

รปท 2.27 แสดงเมอเอยงกลอง 45 องศา จากรปท 2.27 เมอเราเอยงกลองไป 45 องศา โดยยงคงใหอยภายใตสภาวะแรงโนมถวงของโลกจะท าใหลกบอลกดทผนงของกลองทงสองดาน คอกดลงทแกน –Z และ –X โดยจะท าใหคาของ X = -0.71 g, Y = 0 g และ Z = -0.71 g ซงเปนผลจากการแตกแรงกดของคาแรงโนมถวงของโลกทกระท าตอแกน –Z และ –X ซงท ามมเปน 45 องศา

Gyroscope เปนอปกรณส าหรบการวด หรอการรกษาการปรบทศทาง ขนอยกบหลกการของ การอนรกษโมเมนตมเชงมม

หลกการเซนเซอรวดความเรวเชงมม (Gyroscope) ตามหลกการแลวเปนอปกรณทอาศยแรงเฉอยของ Rotor ทหมน เพอชวยในการรกษาทศทางของแกนหมนใหอยในต าแหนงเดมตลอดเวลาทมการหมนดงรปท 2.28 ซงประกอบดวย Rotor บรรจใน Gimbal อกทหนง ท าใหเอยงในทศทางตางๆโดยอสระ โมเมนตมเชงมมของ Rotor ดงกลาวจะท าการรกษาต าแหนงไว แมวา Gimbal จะเกดการเอยงตวไปมา จากคณสมบตดงกลาว ท าใหสามารถน าหลกการนไปประยกตใชเพอประโยชนตาง ๆ เชน เขมทศ (Compass) ใชเปนระบบน ารองของเครองบน เรอ อปกรณปองกนการกลงบนเรอขนาดใหญ รวมถงระบบในยานอวกาศและสถานอวกาศ

 

 

 

 

 

 

 

 

28

รปท 2.28 แสดงเซนเซอรวดความเรวเชงมม (Gyro)

Gyroscope มบทบาทอยางไรใน IMU ในเมอ Accelerometer สามารถวดความเอยงไดเรยบรอย ไมมความจ าเปนจะตองวดความเรวเชงมม เพราะวา Output ของ Accelerometer มผลกบแรงโนมถวง นนหมายถงคา Output ของ Accelerometer ไมมทางหยดนงเฉย แมปลอยทงไว กจะเคลอนทขน-ลง สนไป-มา ตางกบ Gyroscope ทปลอยทงไวคา Output ทไดกจะนง ไมเกดการสน และถาน า Output ของ Gyroscope มาใชกรรมวธการ Discrete Integral กจะสามารถหามมได 2.5.2 การควบคมระดบความสง (Altitude Control)

การควบคมความสงของอากาศยานแบบสใบพดท าไดโดยการควบคมรวมกบอปกรณเซนเซอรทท าหนาทวดความสงโดยตรงหรอโดยทางออม เชน เซนเซอรชนดอลตราโซนค(Ultrasonic) เซนเซอรวดความดนบรรยากาศ (Barometer) เซนเซอรจบภาพเคลอนไหว (Optical Flow)

เซนเซอรชนดอลตราโซนค (Ultrasonic) เปนเซนเซอรทท างานโดยอาศยคลนเสยงทมความถสงกวา 20 kHz ซงเปนคลนในยานทมนษยไมสามารถไดยนเสยง เซนเซอรชนดอลตราโซนคท างานโดยอาศยการกระจายหรอ การเคลอนทของคลนเสยงไปกระทบกบพนผวของตวกลาง ซงอาจเปนของแขงหรอของเหลวบางสวนของคลนเสยงจะแทรกผานเขาไปในตวกลางนนและสวนใหญของคลนความถสงนจะสะทอนกลบเรยกวา "Echo" โดยชวงเวลาของการสะทอนกลบของคลนเสยงเปนสดสวนโดยตรงกบระยะหางระหวางวตถกบเซนเซอร ดงรปท 2.29

 

 

 

 

 

 

 

 

29

รปท 2.29 แสดงหลกการท างานของเซนเซอรชนดอลตราโซนค

รปท 2.30 แสดงเซนเซอรชนดอลตราโซนคทใชในอากาศยานแบบสใบพด

เซนเซอรวดความดนบรรยากาศ (Barometer) บารอมเตอร (Barometer) คอ เครองมอตรวจวดความดนบรรยากาศ ส าหรบวดคาความกดดนทเกดจากแรงดนของอากาศ โดยใชของเหลวหรอวสดแขงทสมผสโดยตรงกบอากาศ แนวโนมการเปลยนแปลงความกดดน สามารถน าไปท านายการเปลยนแปลงสภาพอากาศในชวงเวลาสน ๆ การวดความกดดนอากาศหลายจด น ามาประมวลผลภายในการวเคราะหอากาศพนผว (Surface Weather Analysis) เพอชวยคนหารองความกดอากาศ (Surface Troughs), ระบบความกดอากาศสง (High Pressure Systems) และเสนความกดอากาศเทา (Frontal Boundaries)

 

 

 

 

 

 

 

 

30

รปท 2.31 แสดงบารอมเตอรบน MultiWiiCopter Controller

เซนเซอรจบภาพเคลอนไหว (Optical Flow) เซนเซอรจบภาพเคลอนไหว (Optical Flow) มความสามารถในการวดการไหล ของแสงหรอการเคลอนไหวของภาพและแสดงผลการวดขนอยกบการไหลของแสง เซนเซอรจบภาพเคลอนไหว (Optical Flow) ยงถกใชในหนยนตทใชงานสวนใหญทมความตองการทจะวด การเคลอนไหวของภาพเคลอนไหวหรอความสมพนธระหวางหนยนตและวตถอน ๆ ในบรเวณใกลเคยงของหนยนต การใชเซนเซอรจบภาพเคลอนไหว (Optical Flow) ในอากาศยานไรคนขบ (UAVs) นนมเพอเพมความมเสถยรภาพและการหลบหลกสงกดขวาง 2.5.3 การควบคมต าแหนง (Position Control) GPS คอ ระบบระบต าแหนงบนพนโลก ยอมาจากค าวา Global Positioning System ชอเตมของระบบนคอ NAVSTAR Global Positioning System ค าวา NAVSTAR เปนอกษรยอมาจาก Navigation SatelliteTiming and Ranging ภาคของค าวาดาวเทยมส าหรบน ารอง คอ ระบบทระบต าแหนงทกแหงบนโลก จากกลมดาวเทยม 24 ดวง ทโคจรอยรอบโลก ในระดบสงทพนจากคลนวทยรบกวนของโลกและวธการทสามารถใหความถกตองเพยงพอทจะใชชบอกต าแหนงไดทกแหงบนโลกตลอดเวลา 24 ชวโมง จากการน ามาใชงานจรงจะใหความถกตองสง โดยทความคลาดเคลอนมาตรฐานของต าแหนงทางราบต ากวา 50 เมตร และถาเปนแบบวธ "อนพนธ" (Differential) จะใหความถกตองถงระดบเซนตเมตรจากการพฒนาทางดานอปกรณคอมพวเตอรท าใหสามารถผลตเครองรบ GPS ทมขนาดลดลงและมราคาถกลงกวาเครองรบระบบ TRANSIT เดม

 

 

 

 

 

 

 

 

31

2.6 ชดรบ-สงสญญาณ (Signal transmit – Receive system) ชดรบ-สงสญญาณท าหนาทรบสงสญญาณควบคมจากนกบนและท าหนาทสงขอมล การบนทงหมดกลบมายงฐานบนพนดน (Ground Station) 2.6.1 ชดสงสญญาณ (Signal Transmitter) หรอวทยบงคบ เปนอปกรณทท าหนาทแปลงสญญาณวดเซนเซอรแบบตาง ๆ มาเปนสญญาณ สวนประกอบตางๆของ Signal Transmitter มหนาทดงน

รปท 2.32 แสดงสวนตางๆของ Signal Transmitter - Input Amplifier เปนสวนทขยายสญญาณจากเซนเซอร ซงเปนสญญาณไฟฟาคาต าใหมระดบสญญาณแรงขน - Linearizer เนองจากคณสมบตของเซนเซอรแตละชนดมความไมเชงเสน(Non-linear) กบคาวด Linearizer จงมหนาทแกไขความไมเชงเสนของเซนเซอร - Isolate ท าหนา ทแยกสญญาณไฟฟาระหวางดาน Sensor Input และสญญาณไฟฟาดาน Output เขา Isolate เพอปองกนสญญาณรบกวนจากเซนเซอร ไมใหออกไปทาง Output ปองกนสญญาณรบกวนอนเนองมาจากการเกด Ground Loop และปองกนความเสยหายทเกดขนกบอปกรณทตอพวงทางดาน Output ในกรณทเกดความผดปกตทางดานเซนเซอร - Output มหนาทแปลงสญญาณจาก Isolate มาเปนสญญาณมาตรฐาน 2.6.2 ชดรบสญญาณ (Receive system) ชดรบสญญาณหรอ Receiver มอยหลายแบบ โดยมการท างานตงแตงายๆ ไมซบซอน จนถงซบซอนมาก และแบบทซบซอนมากกตองมความสามารถในการรบสญญาณไดดกวาดวย แตในหวขอนจะกลาวถงเครองรบวทยทใชกนในเครองบนบงคบวทย (R/C) จะเปนแบบทเรยกวา Super Heterodyne

Signal Transmitter สญญาณมาตรฐาน

Input Amp

Linearizer Isolate Output Sensor

 

 

 

 

 

 

 

 

32 การท างานของเครองรบวทยในเครองบนบงคบวทย(R/C) แบบ Super Heterodyne มการท างานดงรปท 2.33

รปท 2.33 แสดง FM radio block diagram ส าหรบเครองบนบงคบวทย (R/C) จากรปท 2.33 เครองรบวทยระบบ FM ทใชในเครองบนบงคบวทย (R/C) ทวไปจะรบสญญาณวทยทผานเขามาทางสายอากาศ สญญาณวทยนมก าลงออนมากตองท าการขยายใหมก าลงสงขนดวยภาคขยายสญญาณ ซงจะท าการขยายสญญาณทกความถ ดงนนหากตองการเฉพาะยานความถทตองการ ซงท าไดโดยการใชภาคจนความถ (Tuner) วงจรจนความถจะสามารถเลอกความถเขามาไดถกตองระดบหนง เชน ความถยาน 72 MHz ทงหมด แตไมสามารถทจะเลอกเอาเฉพาะความถเพยงหนงชองในยาน 72 MHz ได ดงนนถามเครองรบวทยส าหรบความถ 40 MHz และจะน าไปใชกบความถ 72 MHz จงไมสามารถท าได เพราะภาคจนความถจะท างานอยคนละชวงความถกน แตส าหรบเครองรบวทยยานความถ 72 MHz ซงยงมการแบงเปนแบบ Lo-Band กบ Hi-Band เราอาจจะน าเอาแรของยานความถ Hi-Band ไปใชกบ Lo-Band ไดแตไมควรท าเพราะ ภาคจนความถจะท างานคนละชวงความถกน จะท าใหมสญญาณอนแทรกเขามา ถาคลนแทรกนไมแรงมากกจะไมมปญหาอะไร แตถาแรงมากเรากจะควบคมเครองบนไมได เพอทจะเลอกเอาความถเพยงหนงชองเทานน เราตองเพมภาคก าเนดสญญาณและภาคผสมสญญาณเขามา โดยเราจะใชภาคก าเนดสญญาณโดยใชแร Crystal ท าการก าเนดความถทมความถ 455 kHz แตกตางจากความถของชองทตองการ เชน ถาเราตองการรบความถชองท 48 ซงตรงกบความถ 72.750 MHz เราจะตองสรางสญญาณความถ 72.295 MHz เปนตน เมอเราน าความถทผลตไดมาผสมกบความถทรบเขามา ความถทงสองจะถกหกลางกนเองเหลอแตความถ 455 kHz แตเนองจากอาจจะมความถอน ๆ ปนอยในความถ 455 kHz น เราจะน าสญญาณทไดมาผาน

 

 

 

 

 

 

 

 

33 อปกรณทเรยกวา Ceramic Filter 455 kHz ซงท าใหสญญาณมความบรสทธมากยงขน สญญาณทไดยงเปนสญญาณวทยระบบ FM อย เราจะตองน าสญญาณวทยนไปแปลงเปนสญญาณเสยงดวยวงจร Demodulator แลวน าไปถอดรหสดวยวงจร Decoder กอนน าไปใชควบคมเซอรโวตอไป การท างานทงหมดทกลาวมาเปนการท างานของเครองรบวทยแบบ Single Conversion สวนเครองรบวทยแบบ Dual Conversion จะใชภาคก าเนดสญญาณและภาคผสมสญญาณสองชด โดยในชดแรกวงจรก าเนดสญญาณโดยใชแร Crystal ก าเนดความถทมความถแตกตางจากความถของชองทเราตองการอย 10.7 MHz พอน าสญญาณมาผสมกนกจะเหลอความถ 10.7 MHz จากนนน าสญญาณนมาผาน Ceramic Filter 10.7 MHz เพอกรองสญญาณอนๆทไมตองการออกไป จากนนจะน าความถทไดมาผสมกบความถ 10.245 MHz ซงสรางมาจากวงจรก าเนดความถอกชด สญญาณทออกจากวงจรผสมความถชดทสองจะเหลอแตความถ 455 kHz จากนนกน ามาผาน Ceramic Filter 455 kHz ซงท าใหสญญาณมความบรสทธมากยงขน สญญาณทไดยงเปนสญญาณวทยระบบ FM อย จะตองน าสญญาณวทยนไปแปลงเปนสญญาณเสยงดวยวงจร Demodulator แลวน าไปถอดรหสดวยวงจร Decoder กอนน าไปใชควบคมเซอรโวตอไป จะเหนวาเครองรบวทยแบบ Dual Conversion จะสามารถกรองสญญาณรบกวนออกไปไดมากกวา เพราะตองผานการกรองความถถงสองชน จงท าใหมการรบกวนต ากวา จะเหนวาแร Crystal ส าหรบเครองรบแบบ Single Conversion กบ Dual Conversion จะก าเนดความถทแตกตางกนใหภาคผสมสญญาณ แมวาเครองรบวทยจะท างานทชองเดยวกน ดงนนเราจงไมสามารถน าเอาแร Crystal ของเครองรบแบบ Single Conversion ไปใชกบแบบ Dual Conversion ได

2.7 สวนสรางแรงยก เปนสวนสรางแรงยกใหกบอากาศยานแบบสใบพด ประกอบดวย มอเตอร (Brushless DC Motor) ชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคส (Electronic Speed Controller) และใบพดเปนตวสรางแรงยก 2.7.1 มอเตอร (Motor) มอเตอรไฟฟา หมายถงเครองกลไฟฟาชนดหนง ใชส าหรบเปลยนพลงงานไฟฟาเปนพลงงานกล เพอไปขบเคลอนอปกรณตาง ๆ เชน พดลม ปม เครองปรบอากาศหรอใชในโรงงานเพอควบคมเครองจกรกลตาง ๆ ในโรงงาน สามารถแบงตามการใชกระแสไฟฟาได 2 ชนด คอ 1. มอเตอรไฟฟากระแสตรง (Direct Current Motor: DC)

2. มอเตอรไฟฟากระแสสลบ (Alternating Current Motor: AC)

 

 

 

 

 

 

 

 

34

มอเตอรไฟฟากระแสตรง (Direct Current Motor: DC) หลกการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง มอเตอรไฟฟากระแสตรงประกอบดวย แมเหลกถาวร 2 ขววางอยระหวางขดลวดตวน า ขดลวดตวน าจะไดรบแรงดนไฟตรงปอนใหในการท างาน ท าใหเกดอ านาจแมเหลก 2 ชด มข วแมเหลกเหมอนกนวางใกลกน เกดแรงผลกดนท าใหขดลวดตวน าหมนเคลอนทได การท างานเบองตนของมอเตอรไฟฟากระแสตรง มแรงดนไฟตรงจายผานแปรงถาน (Brushes)ไป คอมมวเตเตอร (Commutator) ผานไปใหขดลวดตวน าทอารเมเจอร (Armature) ท าใหขดลวด อารเมเจอรเกดสนามแมเหลกไฟฟาขนมา ทางดานซายมอเปนขวเหนอ (N) และดานขวามอเปน ขวใต (S) เหมอนกบขวแมเหลกถาวรทวางอยใกลๆ เกดอ านาจแมเหลกผลกดนกน อารเมเจอรหมนไปในทศทางตามเขมนาฬกา พรอมกบคอมมวเตเตอรหมนตามไปดวย แปรงถานสมผสกบสวนของคอมมวเตเตอร เปลยนไปในอกปลายหนงของขดลวด แตมผลท าใหเกดขวแมเหลกทอารเมเจอรเหมอนกบขวแมเหลกถาวรทอยใกลๆ อกครง ท าใหอารเมเจอรยงคงถกผลกใหหมนไปในทศทางตามเขมนาฬกา ตลอดเวลาเกดการหมนของอารเมเจอร คอมอเตอรไฟฟาท างาน สวนประกอบของมอเตอรไฟฟากระแสตรง มอเตอรไฟฟากระแสตรงมโครงสรางและสวนประกอบคลายกบเครองก าเนดไฟฟากระแสตรง มสวนประกอบทส าคญเหมอนกน มรปรางลกษณะภายนอกคลายกน แตกตางกนตรงการน าไปใชงาน โดยเครองก าเนดไฟฟากระแสตรงจะท าใหเกดไฟฟาในรปของแรงดนไฟออกมา สวนมอเตอรไฟฟากระแสตรง เมอจายแรงดนไฟตรงใหมอเตอร ท าให มอเตอรหมนเกดพลงงานกลขนมา สวนประกอบของมอเตอรไฟฟากระแสตรงแสดงดงรปท 2.35

รปท 2.36 แสดงสวนประกอบของมอเตอร

 

 

 

 

 

 

 

 

35 1. ขดลวดสนามแมเหลก (Field Coil) คอ ขดลวดทถกพนอยกบขวแมเหลกทยดตดกบโครงมอเตอร ท าหนาทก าเนดขวแมเหลกขวเหนอ (N) และชนใต (S) แทนแมเหลกถาวร ขดลวดทใชเปนขดลวดอาบน ายาฉนวน สนามแมเหลกจะเกดขนเมอจายแรงดนไฟตรงใหมอเตอร 2. ขวแมเหลก (Pole Pieces) คอแกนส าหรบรองรบขดลวดสนามแมเหลกถกยดตดกบโครงมอเตอรดานใน ขวแมเหลกท ามาจากแผนเหลกบางๆอดซอนกน (Lamination Sheet Steel) เพอลดการเกดกระแสไหลวน (Edy Current) ทจะท าใหความเขมของสนามแมเหลกลดลง ขวแมเหลกท าหนาทใหก าเนดขวสนามแมเหลกมความเขมสงสด แทนขวสนามแมเหลกถาวร ผวดานหนาของขวแมเหลกท าใหโคงรบกบอารเมเจอรพอด 3. โครงมอเตอร (Motor Frame) คอสวนเปลอกหมภายนอกของมอเตอร และยดสวนอยกบท (Stator) ของมอเตอรไวภายในรวมกบฝาปดหวทายของมอเตอร โครงมอเตอรท าหนาทเปนทางเดนของเสนแรงแมเหลกระหวางขวแมเหลกใหเกดสนามแมเหลกครบวงจร 4. อารเมเจอร (Armature) คอสวนทเคลอนท (Rotor) ถกยดตดกบเพลา (Shaft) และรองรบการหมนดวยทรองรบการหมน (Bearing) ตวอารเมเจอรท าจากเหลกแผนบางๆ อดซอนกน ถกเซาะรองออกเปนสวนๆ เพอไวพนขดลวดอารเมเจอร (Armature Winding) ขดลวดอารเมเจอรเปนขดลวดอาบน ายาฉนวน รองขดลวดอารเมเจอรจะมขดลวดพนอยและมลมไฟเบอรอดแนนขงขดลวดอารเมเจอรไว ปลายขดลวดอารเมเจอรตอไวกบคอมมวเตเตอร อารเมเจอรผลกดนของสนามแมเหลกทงสอง ท าใหอารเมเจอรหมนเคลอนท 5. คอมมวเตเตอร (Commutator) คอสวนเคลอนทอกสวนหนง ถกยดตดเขากบ อารเมเจอรและเพลารวมกน คอมมวเตเตอรท าจากแทงทองแดงแขงประกอบเขาดวยกนเปนรปทรงกระบอก แตละแทงทองแดงของคอมมวเตเตอรถกแยกออกจากกนดวยฉนวนไมกา (Mica) อารเมเจอร คอมมวเตเตอรท าหนาทเปนขวรบแรงดนไฟตรงทจายมาจากแปรงถาน เพอสงไปใหขดลวดอารเมเจอร 6. แปรงถาน (Brush) คอตวสมผสกบคอมมวเตเตอร ท าเปนแทงสเหลยมผลตมาจากคารบอนหรอแกรไฟตผสมผงทองแดง เพอใหแขงและน าไฟฟาไดด มสายตวน าตอรวมกบแปรงถานเพอไปรบแรงดนไฟตรงทจายเขามา แปรงถานท าหนาทรบแรงดนไฟตรงจากแหลงจาย จายผานไปใหคอมมวเตเตอร การควบคมมอเตอร โดยทวไปการควบคมมอเตอรจะควบคม 3 สวน คอ 1. ควบคมความเรวของมอเตอร (Speed Control) 2. ควบคมแรงบดของมอเตอร (Torque Control) 3. ควบคมทศทางการหมนของมอเตอร (Direction Control)

 

 

 

 

 

 

 

 

36 การควบคมความเรวของมอเตอรกระแสตรงนน จะท าไดโดยการปรบแรงดนทจายใหมอเตอร สวนการควบคมแรงบด ท าโดยการควบคมกระแสทผานขดลวดอาเมเจอร และทจายใหกบขดลวดสเตเตอร ในกรณสเตเตอรแบบใชขดลวดพน ส าหรบการควบคมการหมน หรอการสลบทศทางการหมนนน ในกรณมอเตอรไฟฟากระแสตรง สามารถท าไดโดยการสลบขวแหลงจายไฟ ทจายใหแกมอเตอร ส าหรบกรณของ มอเตอรไฟฟากระแสตรงขนาดเลก แบบใชแมเหลกถาวรเปนสเตเตอร จะไมสามารถควบคมไดมากนก โดยการควบคมความเรวของมอเตอร จะถกจ ากดดวยขนาดแรงดน โดยสามารถปรบไดไมเกนคาแรงดนสงสดทจายใหมอเตอร สวนการควบคมแรงบด อาจท าโดยใชตวตานทานปรบคาแบบขดลวด (Wire Wound Resistor) แตกจะเกดก าลงไฟฟาสญเสยทตวตานทาน ฉะนนในปจจบน จงมกนยมใชการควบคม ดวยวงจร พลซวธมอดเลเตอร (Pulse Width Modulator) ซงจะใชวธจายไฟใหแกมอเตอรเปนชวง ๆ โดยการควบคมแรงดน คอการปรบชวงกวางของพลซทจายใหนนเอง ซงวธนจะท าใหลดก าลงสญเสยไดมาก ส าหรบการกลบทางหมนของมอเตอร อาจใชว ธสลบข วดวยมอ หรอใชวงจรรเลยหรออเลกทรอนกสเขาไปควบคม รายละเอยดบนมอเตอร

รปท 2.35 แสดงมอเตอรแบบไมใชแปรงถานชนดเอาทรนเนอร รน MN3508 KV 380 จากรปท 2.35 คอรปมอเตอรแบบไมใชแปรงถานชนดเอาทรนเนอร (Outrunner) ทใชในอากาศยานแบบสใบพด ซงจะพบวาบนมอเตอรจะมตวเลขระบคาตางๆไว ตวเลขสหลกทแสดงบนมอเตอร คอ ตวเลขทบอกขนาดของมอเตอร โดยสองหลกแรก หมายถง ขนาดเสนผานศนยกลางของสเตเตอร การทเสนผานศนยกลางของสเตเตอร มากขน มอเตอรกจะมขนาดใหญขน นนคอ รศมยาวมากขน จากกฎของแรง มอเตอรเอาทรนเนอร

 

 

 

 

 

 

 

 

37 ใชเปลอกนอกเปนตวหมน เปลอกนอกเปนทอยของแมเหลกทมสนามแมเหลกตดกบสนามแมเหลกของลวดบนสเตเตอร จดทสนามแมเหลกออกแรงผลกกน กเปรยบเสมอนการออกแรงทปลายดานหนงของคานโดยมแกนมอเตอรเปนจดหมน เมอเราใสใบพดเขาไป ความยาวของใบตงแตปลายถงจดหมนคอสงทคานตองงด ยงเสนผาศนยกลางมากขนเทาไร เสนรศมกยาวมากขนเทานน เปรยบเหมอนคานงดทยาวมากขน ยงรหส 2 ตวแรกมาคามากขน กจะสามารถใชใบพดขนาดใหญไดมากขน สวนตวเลขสองหลกหลง หมายถง ความหนาของสเตเตอร ยงความหนาของสเตเตอรมากขนเทาไร จ านวนความยาวของแทงแมเหลกบนเปลอกกจะเพมมากขน เทานน จะชวยในเรองของการเพมก าลงของสนามแมเหลก (คานยาวขนอยางเดยวไมพอ ตองมแรงผลกทเพมมากขนดวย) คา KV (Knowledge Vision) ทแสดงบนมอเตอร คอ คาแรงดนหรอแรงเคลอน ไฟฟา ซงจะแสดงรอบทท าไดตอแรงดนไฟท 1 โวลต โดยความเรวรอบของมอเตอรคดเปนรอบตอนาท (RPM) หาไดจากการเอาคาแรงดนของแบตเตอรคณดวยคา KV ทแสดงอยบนมอเตอร กจะไดความเรวรอบทมอเตอรจะสามารถท าได

Battery MotorV KV rpm (2.2) โดยท

BatteryV คอ คาแรงดนของแบตเตอร

MotorKV คอ ความเรวรอบในการหมนมอเตอรตอ 1 โวลต rpm คอ คาความเรวรอบตอนาท จากรปท 2.35 เปนมอเตอรไฟฟากระแสตรงแบบไรแปรงถานชนดเอาทรนเนอรของคาย Tiger Motor รน MN3508 KV: 380 จากรนของมอเตอรจะพบวา มอเตอรรนน มขนาดเสนผานศนยกลางของสเตเตอรเทากบ 35 มลลเมตร และความหนาของสเตเตอรมคาเทากบ 8 มลลเมตร 2.7.2 ชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคส (Electronic Speed Controller:ESC) ชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคสหรอสปดคอนโทรลหรอ ESC เปนอปกรณควบคมความเรวรอบของมอเตอรไฟฟา ท าใหเราสามารถเรงหรอเบารอบของมอเตอรได ซงสปดคอนโทรลจะมสายไฟออกมาทงสองดาน ดานหนงจะใชจายกระแสไฟฟาใหแกมอเตอร สวนอกดานหนงกจะมสายไฟออกมาอก 2 เสนเพอรบกระแสไฟจากแบตเตอรและในดานทมสายไฟ นกจะมสายไฟเสนเลกพรอมแจคอก 1 ตวเพอเสยบเขากบเครองรบสญญาณ (receiver) ส าหรบรบค าสงจากเครองสงวทยผานเครองรบสญญาณอกท เมอเรงเดนเบาทเครองสงวทย เครองรบวทยจะรบค าสงจากเครองสงผานสปดคอนโทรล เพอจายกระแสมากหรอนอยใหมอเตอรเรงหรอเดนเบาไดตามความตองการ สปดคอนโทรลแบงไดเปน 2 ชนด คอ

 

 

 

 

 

 

 

 

38 1. แบบกระแสตรง DC ใชควบคมความเรวมอเตอรแบบมแปรงถาน (Brushed Motor) สปดคอนโทรลชนดน จะควบคมการจายกระแสไฟกระแสตรง DC จากแบตเตอรสมอเตอร ถาจายไฟมากมอเตอรกหมนเรว จายไฟนอยมอเตอรกหมนชา ตามแตทเราบงคบผานเครองสงวทย 2. แบบกระแสสลบ AC ใชควบคมความเรวมอเตอรแบบไรแปรงถาน (Brushless Motor) สปดคอนโทรลชนดนจะแปลงไฟจากกระแสตรงทไดรบจากแบตเตอร เปนไฟกระแสสลบเพอจายไฟใหแกมอเตอรแบบไรแปรงถาน (Brushless Motor) ซงมกมสายไฟออกมาจากตวสปด คอนโทรล 3 เสน สปดคอนโทรล นอกจากจะท าหนาทควบคมความเรวของมอเตอรแลว ย งท าหนาทจายกระแสไฟใหแกเครองรบสญญาณอกดวย โดยจะท าการควบคมกระแสของแบตเตอรทถกใชไปกบมอเตอรไมใหต ากวา 5 V เมอกระแสไฟในแบตเตอรถกมอเตอรใชไปจนถงจดท 5V สปดคอนโทรลจะท าหนาทตดกระแสไฟทจายไปยงมอเตอร เพราะหากสปดคอนโทรลไมตดการท างานของมอเตอร กระแสไฟจากแบตเตอรจะถกมอเตอรใชไปจนหมดหรออาจมกระแสไฟทต ามากจนเครองรบสญญาณไมสามารถท างานได อากาศยานกจะขาดการบงคบกบเครองสงวทย อากาศยานกอาจหลดลอยไปไมอาจบงคบทศทางไดหรอตกพงเสยหายได หลกการของ ESC มหลกการดงน - คา Voltage Cut-off เปนคาทรกนในอนดบแรกๆ เปนคาการตดการท างานของมอเตอรทแรงดนของแบตเตอรทถกใชจนลดลงถงจดทไมกอความเสยหายแบตเตอร โดยเฉพาะแบตเตอรแบบ LiPo หากมการใชแรงดนจนเกนจากทก าหนด เชน ต ากวา 3 V/Cell มอเตอรกจะตดการท างานหรอคอย ๆ ลดก าลงมอเตอรลงเพอ Safe Battery - คา Motor Brake เปนคาทใชการเปด-ปดโหมดการหยดของมอเตอร เมอลดคนเรงจนสด การหยดของมอเตอรจะใชงานกบเครองบนเปนสวนใหญ ทงนกเพอลดการหมนของใบทจะเปนการตานลมจากแรงลมทปะทะเวลาบนรอน ส าหรบอากาศยานสใบพดจะไมใชงานโหมดน - คา Soft Start เปนคาทใชลดแรงบดของมอเตอรในขณะท Start โดยปกตมอเตอรทใชกบอากาศยานจะมคาแรงดนไฟฟา (KV) ของมอเตอรทสง เมอเรม Start กจะเกดแรงบดสงซงอาจจะกระชากจนเกดความเสยหายกบระบบเกยรได โหมด Soft Start จงเปนตวท าหนาทหนวงแรงบดใหกบมอเตอรจนถงรอบใชงานจรงตามทตองการ - คา Throttle Response เปนคาการหนวงอตราเรงของมอเตอรเพอปองกนหางอากาศยานปดจากแรงบดของมอเตอรเวลาทเรงหรอลดเครอง ส าหรบคานตองปรบใหเหมาะสม หรอประมาณกลาง ๆ ของโหมด

 

 

 

 

 

 

 

 

39 - คา Motor Timing เปนทเรยกเอาประสทธภาพของมอเตอรมาใชงาน ตองเขาใจโครงสรางการท างานของ มอเตอรแบบไรแปรงถาน (Brushless Motor) แตละแบบ และรอบการท างานทใชจงจะก าหนดได โดยก าหนดเปนองศาการท างาน ตงแต 0-30 องศา โดยปกต 0-5 องศาส าหรบมอเตอร Out Runner และ 10-20 องศาส าหรบ In Runner แตในปจจบน ESC รนใหมจะมโหมด Auto มาใหเรยบรอยแลวกควรเลอกไปทโหมด Auto นาจะดทสด แตอยางไรกตามกควรทจะศกษาคมอของ ESC แตละรนใหละเอยดเสยกอน กอนท าการ Setup

รปท 2.36 แสดงชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคส (Electronic Speed Controller: ESC) 2.7.3 ใบพด (Propeller) ใบพด คอ กลอปกรณหมนชนดขบดวยก าลง มดมหนงดม และแขนหรอกลบรปรางปดอยางเกลยวตงแตสองอนขนไป กลอปกรณนตดอยบนอากาศยาน หรอเรอบางแบบ และใชส าหรบขบเคลอน หรอดงอากาศยานไปขางหนาผานอากาศ โดยการกระท าของใบพดหมนกนอากาศ หรอของไหลอน ขอมลทวไปของใบพด Thrust เปนแรงทใชขบเคลอนอากาศยานไปในอากาศ Thrust เปนระบบทสรางขนเพอใชผลกดนอากาศยาน ซงมอยหลายแบบและหลายวธการในการสรางระบบผลกดนนขนมา ใบพดกเปนหนงในระบบขบเคลอนอากาศยาน จดมงหมายของใบพดกคอการขบเคลอนอากาศยาน ใหเคลอนทไปในอากาศ ใบพดประกอบใบหรอกลบ ตงแตสองกลบหรอสองใบขนไป ตอกนดวยทศนยกลาง ซงเรยกวา Hub ท าหนาทยด ใบพดแตละกลบหรอแตละใบเขากบ Shaft ของเครองยนต ชนดของใบพด ใบพดไม เปนใบพดทแขงมากทสดและมน าหนกเบา การทใบพดไมมน าหนกเบาจะชวยในเรองลดน าหนก ท าใหไดรอบทสงขน

 

 

 

 

 

 

 

 

40

รปท 2.37 แสดงใบพดไม

ใบพดคารบอนเสรมไนลอน หรอ ใบพด APC เปนใบพดทนยมใชทวไป มน าหนกมากกวาใบพดชนดไมและมความยดหยนสงกวา ส าหรบในการลงจอดของอากาศยานทใชใบพดชนดนอาจจะท าไดไมดแตดกวาใบพดชนดไม

รปท 2.38 แสดงใบพดคารบอนเสรมไนลอนหรอใบพด APC

ใบพดคารบอนไฟเบอร เปนใบพดทนยมใชในการแขงขน ใบพดมความยนหยนมากกวาใบพดชนดอน ๆ และมพนทใบขนาดใหญ

รปท 2.39 แสดงใบพดคารบอนไฟเบอร

 

 

 

 

 

 

 

 

41

ใบพดทนยมใชกบอากาศยานหลายใบพด แบงออกเปน 2 ชนด คอ 1. ใบพดแบบรอบจด (Speed Propeller) ซงใบพดชนดนจะใชกบอากาศยานประเภทบนเรวและมน าหนกเบา เนนรอบจด เพอความคลองตวในการบน

รปท 2.40 แสดง APC 6x4 Speed 400 Electric Propeller 2. ใบพดแบบรอบต า (Slow Propeller) ใบพดชนดนจะใชกบอากาศยานทมขนาดใหญ มน าหนกตวล าทมาก โดยใบพดชนดนจะเนนส าหรบสรางแรงดง ใหรอบต าและ ทอรคสง

รปท 2.41 แสดง APC 10x4.7 Slow-Flyer Propeller สวนลกษณะของใบพดทแตกตางกนนน เกดจากการออกแบบใหมลกษณะพเศษ เชน การออกแบบมาเพอลดเสยงการรบกวน หรอออกแบบมาเพอเนนรอบของการบน

 

 

 

 

 

 

 

 

42

รปท 2.42 แสดงใบพดรปแบบตาง ๆ

2.8 หลกการท างานของวทยบงคบ วทยบงคบเปนอปกรณทใชสงสญญาณควบคมไปยงอากาศยาน สญญาณควบคมจาก คนบงคบและสวทซควบคมตาง ๆ จะถกเขารหส (Encode) ใหเปนสญญาณพลซอนกรม (Pulse Position Modulation, PPM) ดงรปท 2.43 สญญาณ PPM ของวทยบงคบบางคาย เชน Futaba จะเปนสญญาณแบบกลบทาง (Inverted PPM) ดงรปท 2.44

รปท 2.43 แสดงสญญาณพลซอนกรม

รปท 2.44 แสดงสญญาณพลซอนกรมแบบกลบทาง

 

 

 

 

 

 

 

 

43 สญญาณ PPM จะถกน ามามอดดเลชนกบสญญาณวทยแลวสงออกไป หลงจากนนภาครบสญญาณจะน าสญญาณมาถอดรหสใหเปนสญญาณส าหรบควบคมต าแหนงเซอรโวตอไป ดงรปท 2.45

รปท 2.45 แสดงระบบการรบ – สง สญญาณวทยบงคบ

2.8.1 ระบบการสงคลนวทยบงคบ การรบ-สงสญญาณวทยนนประกอบไปดวยสวนส าคญ 3 สวนดวยกนคอ เครองสงวทย (Transmitter) ตวคลนวทย (Radio wave) และ เครองรบวทย (Receiver) กระบวนการรบ-สงวทยเรมจากการทเครองสงวทยสรางคลนวทยออกมาในการสรางคลนวทยของเครองสงนนคลนวทยจะถกสรางจากวงจรก าเนดความถ (Generating circuit) ซงมหลกการท างานคอ การเรงประจไฟฟา (ในทนคออเลกตรอน) ใหเคลอนทกลบไปกลบมา โดยทฤษฎแมเหลก-ไฟฟาของแมกซเวลล การทประจไฟฟาเคลอนทดวยความเรงจะท าใหเกดคลนแมเหลกไฟฟาขนซงคลนนก

ภาครบสญญาณ

Receiver

ถอดรหส Decoder

เซอรโว Servo

เซอรโว Servo

เซอรโว Servo

สายอากาศ Antenna

มอดดเลชน Modulation

ขยายสญญาณ RF Amplifier

เขารหสสญญาณ Encoder

คนบงคบ Gimbal

สายอากาศ Antenna

ภาคสงสญญาณ ภาครบสญญาณ

 

 

 

 

 

 

 

 

44 คอพลงงานทประจไฟฟาปลดปลอยออกมาขณะทมความเรงนนเอง จากนนสญญาณทเราตองการสง (ในทนกคอสญญาณการควบคมอากาศยานแตส าหรบเครองรบวทยทเราฟงกนอยทกวนนนสญญาณนกคอสญญาณเสยงทไดรบการแปลงเปนสญญาณไฟฟาดวยไมโครโฟน) จะถกรวมเขาไป ในคลนทถกสรางขนนซงเปนขนตอนทเรยกวา Modulation คลนวทยทผานการผสมสญญาณแลวจะถกสงออกจากเครองสงผานทางเสาอากาศของเครองสง เมอคลนนเดนทางมาถงเครองรบ เสาอากาศของเครองรบจะจบคลนนไว หลกการทเกยวของกคอการเหนยวน าแมเหลกไฟฟา คลนแมเหลกไฟฟาประกอบไปดวยคลนสนามไฟฟาและสนามแมเหลกทสน เมอคลนมากระทบกบเสาอากาศทเปนโลหะตวน าจะเหนยวน าใหเกดไฟฟากระแสสลบขนในเสาอากาศ กระแสไฟฟานจะถกสงผานไปยงวงจรขยายสญญาณเพอใหมความแรงมากขน จากนนสญญาณทถกขยายแลวจะถกสงตอไปยงวงจรแยกสญญาณซงเปนกระบวนการทเรยกวา demodulation ในกรณของ อากาศยานบงคบสญญาณทแยกออกมาไดจะไปควบคมอปกรณตาง ๆ ภายในตวอากาศยาน เชน Electronic Speed Controller (ESC) ในการเรงความเรวรอบของใบพดเพอยกใหเฮลคอปเตอรยกตวสงขนหรอลดระดบต าลง 2.8.2 ระบบ Modulation

ระบบ AM ในระบบน สญญาณการควบคมจะถกสงไปกบคลนวทยโดยการบงคบให แอมพลจดของคลนวทยเปลยนแปลงไปดงรปท 2.46 ในรปน A คอสญญาณทจะสง B คอคลนวทยและ C คอคลนทเกดจากการผสมสญญาเขาไปกบคลนวทย การเปลยนแปลงนจะมลกษณะทจ าเพาะตอสญญาณแบบตาง ๆ ทมาจากการโยกคนบงคบหรอการกดปมตาง ๆ บนตวเครองสงวทย ระบบนไมคอยนยมน ามาใชเนองจากการเปลยนแปลงแอมพลจดของคลนวทยถกรบกวนไดงายจากสงแวดลอมภายนอก เชน ฟาผาหรอสญญาณรบกวน (noise) ทางไฟฟาทมาจากอปกรณอน ๆ อยางเ ชนการสตารทรถยนต เปนตน ขอดของระบบAM คอเครองรบสามารถคดกรอง การเปลยนแปลงแอมพลจดสงต าของคลนวทยไดโดยงายและในการสงวทยกระจายเสยงยานความถประมาณ 560 kHz ถง 1650 kHz ของคลนวทย AM ทวไปนน คลน AM จะสงไดไกลกวาโดยไมตองมสถานถายทอดระหวางทางเนองจากคลนสามารถสะทอนกลบลงมายงพนโลกไดจากบรรยากาศชนไอโอโนสเฟยร

 

 

 

 

 

 

 

 

45

รปท 2.46 แสดงระบบ modulation แบบ AM

ระบบ FM หรอ ระบบ PPM (Pulse Position Modulation) ในระบบนสญญาณการควบคมจะถกสงไปโดยการเปลยนแปลงความถของคลนวทย ดงรปท 2.47 ในรปน A คอคลนวทย B คอสญญาณทจะสง และ C คอคลนทเกดจากการผสมสญญาณแบบ FM ในแวดวงของ RC ระบบนยงเรยกกนอกชอหนงวา PPM ดวย ชอนยอมาจาก Pulse Position Modulation ในระบบนสญญาณรบกวนทสงผลตอแอมพลจดของคลนวทยจะไมมผลกระทบใด ๆ ตอระบบ FM เนองจากเครองรบจะสนใจแตการเปลยนแปลงความถของคลนวทยเทาน น ระบบนอาจเกดความผดพลาดขนไดเนองมาจากชนสวนทหมนไดสามารถกอใหเกดสญญาณรบกวนไดซงเครองรบอาจจะคดวาเปนสญญาณทถกสงมา สงนจะสงผลใหอากาศยานเกดการกระตก นอกจากนเครองรบของระบบ PPM จะสงผานการแทรกสอดของสญญาณรบกวนกบคลนวทยทสงมาไปยงเซอรโวโดยตรง ระบบ PCM ทจะกลาวถงตอไปนสามารถจดการกบสญญาณรบกวนไดดกวา

 

 

 

 

 

 

 

 

46

รปท 2.47 แสดงระบบ modulation แบบ FM

ระบบ PCM (Pulse Code Modulation) ระบบนจดวาเปนการ Modulation แบบดจตอลเนองจากเปนการผสมสญญาณดจตอลเขาไปกบคลน FM ปกต สญญาณควบคมโดยทวไปแลวเปนสญญาณอนาลอก ดงนนในเครองสงจะตองมตวแปลงสญญาณเหลานใหเปนสญญาณดจตอลทเรยกวากระบวนการ Digitization ภายในเครองสงจะมชปทท าหนาทเขารหสแลวสงสญญาณดจตอลออกไปกบคลนวทยและทเครองรบกจะมชปทจะแยกเอาสญญาณดจตอลออกมาแลวถอดรหสใหเปนสญญาณอนาลอกของการควบคมปกตออกมา ระบบนลดความผดพลาดไปไดมากเนองจากเครองรบจะตอบสนองตอสญญาณดจตอลทเครองรบเขาใจเทานนโดยไมสนใจกบสญญาณรบกวนอน ๆ ในระบบนยงมฟงกชนทเรยกวา ความปลอดภยเมอลมเหลว (failsafe) อกดวย เมอใดกตามทมความผดพลาดในเรองของการรบสงสญญาณฟงกชนนจะท าหนาทปรบต าแหนงของเซอรโวและลดคนเรงลงมายงต าแหนงต าสดตามทตงคาไว ฟงกชนนมขอดส าหรบเครองบนบงคบซงชวยลดความเสยหายจากการตกได นอกจากนแลวระบบ PCM ยงมการรบกวนระหวางเครองสงทใชความถเดยวกนเมอใชพรอม ๆ กนดวย

 

 

 

 

 

 

 

 

47 2.8.3 ระบบ Spread Spectrum ระบบนจะใชความถ 2.4 GHz ซงจะพบไดทวไปในเครองสงวทยราคาแพง ระบบนมฟงกชนทยดเหนยวเครองรบเครองใดเครองหนงไวกบเครองสงทใชอย หลงจากการเชอมโยง (Binding) แลวเครองรบจะตอบสนองตอสญญาณจากเครองสงเครองทเชอมตอไวเทานน จงไมมปญหาของการรบกวนจากการใชยานความถเดยวกนในระบบ 2.4 GHz นใชการกระจายยานความถออกไปซงมชอเรยกวา Spread Spectrum ซงการกระจายนจะเปนแบบสมจงมโอกาสนอยมากทจะรบกวนกบเครองสงอน ๆ นอกจากนถามการรบกวนเกดขนกจะเกดในชวงเวลาทสนมาก ๆ จนไมอาจสงเกตเหนได นอกจากนการกระจายความถยงสงผลใหสญญาณรบกวนถกกระจายออกไปดวยท าใหสญญาณรบกวนเหลานออนลงไปมากจนแทบจะไมสงผลใด ๆ ตอการสงสญญาณเลย ระบบนเปนการ modulation แบบดจตอลเชนเดยวกบระบบ PCM จงมขอดทกอยางทระบบ PCM ม สงทสงเกตไดจากรปรางภายนอกของเครองสงทใชความถ 2.4 GHz คอเสาอากาศทส นกวาระบบอน มาก เหตผลกเนองมาจากการใชความถทสงกวาจงมความยาวคลนนอยกวา ซงถาค านวณโดยใชสมการพนฐานของวชาฟสกสเกยวกบคลน

c = f (2.3) โดยท c คอ อตราเรวของคลนในอากาศมคา 83 10 m/s2 F คอ ความถ λ คอ ความยาวคลน

จะไดวาทความถ 2.4 GHz หรอ 92.4 10 Hz เราจะไดความยาวคลน 12.5 cm ใน ขณะทความถ 72 MHz จะใหความยาวคลน 4.17 m ซงจะเหนไดวาเครองสงระบบ PPM และ PCM จะมเสาอากาศทยาวกวามาก การทมความยาวคลนนอยนมผลเสยคอความยาวคลนนอยจะท าใหคลนเกดการสะทอนมากขน ถาคลนทมความยาวคลนมากเคลอนทมากระทบกบวตถขนาดเลกคลนจะเคลอนทออมวตถนนไปซงในทางฟสกสเราเรยกปรากฏการณนวาการเลยวเบนของคลน แตถาคลนมความยาวคลนสนกวาขนาดของวตถ แนวโนมทคลนจะสะทอนกลบจะมมาก การดดกลนและสะทอนกลบของชนสวนตาง ๆ ในอากาศยานทท าจากคารบอนไฟเบอรและอลมเนยมสามารถท าใหเกดความผดพลาดขนไดถาสญญาณจากเครองสงไมแรงพอ ปญหานไดรบการแกไขโดยการเพมเครองรบตวทสองเขาไปโดยจดวางการวางตวของสายอากาศทเครองรบใหอยคนละแนวกนเพอตรวจจบสญญาณทมาในทศทางตาง ๆ ในขณะทเฮลคอปเตอรก าลงบนอยในทศทางตาง ๆ กนไดระบบ Spread Spectrum ยงแบงออกไดเปน 2 รปแบบใหญ ๆ คอ

 

 

 

 

 

 

 

 

48

Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) เปนระบบแรกทเกดขนใน Spread Spectrum Modulation การสงผานสญญาณดวยวธการนใชการกระโดด (hop) จากยานความถแคบ ๆ ชองหนงไปอกชองหนงทอยภายในชวงความถยานกวางนหลายรอยครงตอวนาท ล าดบของการกระโดดและอตราการกระโดดจะมรปแบบเฉพาะ เครองรบในระบบนจงตองรบรรปแบบการเปลยนแปลงความถนไดจงจะรบสญญาณได ระบบนสามารถหลบหลกการรบกวนไดโดยการสกดกนความถทก าหนดไว บรษทผลตวทยบงคบทใชระบบนคอ Futaba

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) เปนระบบทนยมใชกนมากโดยบรษท Spektrum ซงเปนบรษททผลต วทยบงคบออกมาหลายรนดวยกน เรมตงแต 2-3 channel ไปจนถง 12 channel ในระบบน สญญาณจะถกกระจายลงบนชวงความถยานกวางโดยตรงดวยล าดบโคดทเฉพาะเจาะจง ระบบนสงผานขอมลไดรวดเรวกวาและไมลาชาเนองจากเครองรบและเครองสงไมตองเสยเวลาในการเปลยนชองความถกลบไปกลบมา แตดวยเทคโนโลยเกยวกบโพรเซสเซอรในปจจบน ความลาชาทเกดขนนจงไมเปนปญหาแตอยางใด ระบบนชวยใหการตอบสนองของเฮลคอปเตอรตอการโยกคนบงคบเปนไปอยางรวดเรวจงท าใหการเลนดสมจรงและรวดเรวทนใจมากยงขน ระบบนสามารถเลยงการรบกวนไดโดยตงคาฟงกชนใหกบเครองรบเพอใหเครองรบสนใจแตเฉพาะสญญาณทสงมาเทานนและในขณะเดยวกนกกระจายสญญาณรบกวนออกไป

2.9 โปรแกรมควบคมการบน ในชวงไมนานมานไดเกดกระแสการเผยแพรภาพการบนของอากาศยานแบบสใบพดตามอนเตอรเนตอยางมากมาย อากาศยานเหลานบนไดดวยการควบคมโดยอปกรณอเลคทรอนคส ซงเปนผลการวจยจากหองทดลองตาง ๆ ชดควบคมทพฒนาเชงพาณชย และจากการพฒนาชดควบคมแบบเปดเผยซอรสโคดหรอทเรยกวาโอเพนซอรส (Open Source) จากทส ารวจพบวามผพฒนาระบบควบคมอากาศยานแบบสใบพดตามตารางท 2.1 ซงแตละรายไดพฒนาสวนของโปรแกรมตงคาใหมความสะดวกในการปรบแตงอากาศยานแบบสใบพด และบางรายมการเปดเผยซอรสโคดเพอใหน าไปพฒนาตอไดงาย ดวยเหตนจงท าใหกระแสการพฒนาชดควบคมอากาศยานอยางกาวกระโดด รวมไปถงหองวจยตาง ๆ ทไดเอาโปรแกรมดงกลาวไปพฒนาตอยอดใหสอดคลองตอการใชงานมากทสด โดยรายละเอยดของชดควบคมแสดงดงตารางท 2.2

 

 

 

 

 

 

 

 

49 ตารางท 2.1 แสดงผพฒนาโปรแกรมและชดควบคมอากาศยานแบบสใบพด

ชอโครงการ เวบไซด Arducopter http://code.google.com/p/arducopter Openpilot http://www.openpilot.org Paparazzi http://paparazzi.enac.fr Pixhawk http://pixhawk.ethz.ch

Mikrokopter http://www.mikrokopter.de KKmulticopter http://www.kkmulticopter.com

Multiwii http://www.multiwii.com Aeroquad http://www.aeroquad.com

ตารางท 2.2 แสดงตารางรายละเอยดของชดควบคมของผพฒนาแตละราย

ผพฒนา CPU Gyro Accelerometer Magnetometer Barometer GPS

Ardu copter

Atmega 2560 8bit 16MHz

MPU-6000

MPU-6000 HMC5843 MS5611 ม

Open pilot

STM32F103CB 32bit 72MHz

ISZ/IDC-500

ADX330 HMC5843 BMP085 ม

Paparazzi

STM32F105- RCT6

32bit 60MHz

MPU-6000

MPU-6000 HMC5843 MS5611 ม

Pixhawk LPC2148

32bit 60MHz ISZ/IDC-500

SCA3100-D04

HMC5843 BMP085 ม

Mikro-kopter

ATmega644 8bit 20MHz

ADXRS 610

LIS344ALH KMZ51 MPX4115A ม

KKmulticopter

ATmega168 8bit 20MHz

ENC-03

- - - -

 

 

 

 

 

 

 

 

50 ตารางท 2.2 แสดงตารางรายละเอยดของชดควบคมของผพฒนาแตละราย (ตอ)

ผพฒนา CPU Gyro Accelerometer Magnetometer Barometer GPS

Multiwii

ATmega328P ATmega2560 ATmega32U4

8bit 16MHz

ITG3200 MPU6050 L3G4200D

ADXL345 BMA180 BMA020

LIS3LV02 LSM303DLx

HMC5843 HMC5883 AK8975 MAG3110

MS5611 BMP085

ม

Aeroquad ATmega328P ATmega2560

8bit 16MHz

ITG3200

ADXL345 BMA180

HMC5843 BMP085 ไมม

 

 

 

 

 

 

 

 

บทท 3 วธการด าเนนการวจย

งานวจยนไดท าการออกแบบและจดสรางอากาศยานแบบสใบพดทสามารถบนรบ-สงเอกสารระหวางอาคารแบบอตโนมต โดยเรมตนจากการศกษาลกษณะการท างานของอากาศยานแบบสใบพด ดลกษณะโครงสราง และสวนประกอบตาง ๆ เพอน ามาเปนขอมลส าหรบการออกแบบอากาศยาน โดยทางผวจยมแนวคดทตองการใหอากาศยานสามารถบนขน-ลงแบบอตโนมต พรอมทงบนขนสงเอกสารระหวางอาคารหรอตามเสนทางทก าหนด ซงในขนตอนของการออกแบบเปนขนตอนทส าคญมาก ในการสรางอากาศยานเราจะตองค านงเ รองน าหนกเปนอยางมาก เพราะฉะนนการเลอกใชวสดและอปกรณทกชนมสวนส าคญ เพราะถาน าหนกมากเกนไป อาจสงผลใหตวอากาศยานบนไมได แลวอาจจะตองเปลยนอปกรณใหมทงหมด ท าใหเกดความสนเปลอง และเพอใหอากาศยานสามารถบนขน-ลงแบบอตโนมตไดโดยไรการควบคมจงไดท าการออกแบบชดอปกรณเพอควบคมวทยบงคบอกสวนหนงนอกเหนอจากในสวนของโปรแกรม เมอจดสรางอากาศยานตนแบบเรยบรอยแลว น าไปบนทดสอบในรปแบบตาง ๆ ทงการบนทควบคมดวยวทยบงคบและการสรางเสนทางใหบนแบบอตโนมต เพอน าไปเปนตนแบบของอากาศยานแบบสใบพดทใชส าหรบบนสงเอกสารระหวางอาคารตอไป

3.1 ขอก าหนดในการออกแบบ ในการสรางอากาศยานแบบสใบพด สวนของการออกแบบถอวาเปนสวนทส าคญทสด เพราะฉะนนเพอใหการออกแบบออกมาสมบรณแบบตามลกษณะของงานทเราก าหนดหรอตองการ เราจะตองมการก าหนดขอก าหนดทจะใชในการออกแบบ ซงขอก าหนดนเกดจากความตองการในการใชงานจรงและยงเปนตวก าหนดขอจ ากดของการออกแบบและเลอกใชอปกรณตาง ๆ โดยงานวจยนมขอก าหนดดงน 3.1.1 น าหนกบรรทก (Payload) ส าหรบการสรางอากาศยานแบบสใบพด เรองของน าหนกถอวาเปนสงทส าคญมาก เราควรจะออกแบบและเลอกใชวสด อปกรณตาง ๆ ใหมน าหนกรวมเบาทสด เพอเปนการประหยดพลงงานและเพมระยะเวลาในการบน เนองจากอากาศยานทเราท าการออกแบบนน เปนอากาศยานเพอการขนสงเอกสาร ดงนนเราจงจ าเปนตองมขอก าหนดของน าหนกบรรทก (Payload) โดยจะประกอบไปดวยกลองใสเอกสารขนาด A4 และเอกสารทใชบรรทกหรอรบ-สงทมน าหนกรวมไมเกน200 กรม เพอทอากาศยานจะสามารถบนรบ-สงเอกสารไดอยางปลอดภย

 

 

 

 

 

 

 

 

52

3.1.2 เวลาในการบน (Flight Time) อกขอก าหนดของการออกแบบทส าคญ คอ เวลาทใชในการบน ซงเวลาทก าหนดจะใชเปนขอมลส าหรบการค านวณ เพอเลอกใชขนาดของแบตเตอรทเหมาะสมกบขนาดและน าหนกของตวอากาศยาน ซงทางผวจยไดก าหนดใหอากาศยานบนรบ-สงเอกสารระหวางอาคารเครองมอ 5 และอาคารเครองมอ 6 โดยมระยะทางประมาณ 200 เมตร ซงนาจะใชเวลาในการบนประมาณ 3-4 นาท ตอการบนหนงครง ดงนนเพอความปลอดภยและสามารถทจะบนไป-กลบไดหลายครง ผวจยจงก าหนดเวลาในการบนทจะใชในการออกแบบอยท 7 นาท ทระดบเพดานบน 40 เมตร

3.2 การออกแบบอากาศยานสใบพด ส าหรบในขนตอนของการออกแบบ ผวจยไดแบงการออกแบบออกเปน 3 สวน คอ ระบบตนก าลง ในสวนนจะท าการค านวณหาแรงยก คาการกนกระแส และอน ๆ เพอใชเปนขอมลในการเลอกชดอปกรณ อาทเชน มอเตอร แบตเตอร ขนาดของใบพด ในสวนตอมาจะท าการออกแบบ ระบบโครงสราง เมอทราบขนาดของใบพด จะสามารถก าหนดขนาดของตวล าของอากาศยานได หรอการทราบน าหนกโดยรวมของอากาศยาน จะสามารถเลอกใชวสดทเหมาะสมกบน าหนกของอากาศยานไดเชนเดยวกน และในสวนสดทาย ระบบควบคม ซงในสวนนจะเปนระบบควบคมการท างานทงหมด ทงการเลอกใชโปรแกรม การปรบคา PID โดยทงสามสวนทกลาวมา มหลกการในการออกแบบดงน 3.2.1 ระบบตนก าลง ระบบตนก าลง คอ ชดอปกรณทใชส าหรบสรางแรงยกและการเคลอนทของ อากาศยาน ซงระบบตนก าลงจะประกอบไปดวย มอเตอร ชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคส ใบพด และแบตเตอร การออกแบบในสวนของระบบตนก าลงเรมตนจากการค านวณหาน าหนกรวมทงหมด โดยพจารณาจากน าหนกของโครงสราง น าหนกของระบบตนก าลง และน าหนกบรรทก ซงมขนาด 200 กรม ตามทผวจยไดก าหนดไวในสวนของขอก าหนดในการออกแบบ สวนน าหนกในสวนของโครงสรางและอปกรณในสวนระบบตนก าลง ทงสองสวนนเปนน าหนกทผวจยสมมตขนมา เนองจากยงไมทราบขนาด วสด และอปกรณทจะใชในการสรางอากาศยาน ดงน น จงพจารณาน าหนกมากสดทจะเปนไปได โดยก าหนดใหสองสวนนมน าหนกรวมกนไมเกน 2,000 กรม

 

 

 

 

 

 

 

 

53

Total Frame DeviceW (W W ) Payload (3.1)

TotalW (2,000 9.8) (200 9.8)

TotalW 21,560 N โดย TotalW คอ น าหนกรวมทงหมดของอากาศยาน

FrameW คอ น าหนกของโครงสราง

DeviceW คอ น าหนกของอปกรณตนก าลง Payload คอ น าหนกบรรทก เมอทราบน าหนกรวมทงหมดของอากาศยานแลว จงน าไปหาคาแรงยกสงสดตอมอเตอรหนงตว ทจะกระท าได เพอใชเปนขอมลในการพจารณาเลอกขนาดของมอเตอรและใบพดทสอดคลองกบคาน าหนกทเราไดก าหนดไวคอ 2,200 กรม (21,560 N) โดยผวจยก าหนดใหระบบตนก าลงมประสทธภาพในการสรางแรงยกได 80% หมายความวา 80% ของแรงยกทค านวณไดจะสามารถยกอากาศยานทน าหนกรวมสงสดทเราก าหนดไวได นนคอ

Use Total0.80T W (3.2)

Use

21,560T

0.80

UseT 26,950 N โดย UseT คอ คาแรงยกทใช จากคาแรงยก UseT ทไดจากการค านวณนน เปนคาแรงยกทงหมดทมอเตอรจะสามารถยกได ซงอากาศยานทจะท าการสรางนน เปนอากาศยานแบบสใบพด เพราะฉะนนแรงยก ทค านวณไดนนจะเปนแรงยกของมอเตอรทง 4 ตวรวมกน ดงนนเพอการเลอกขนาดของมอเตอร ทถกตอง จะตองคดค านวณแรงยกของมอเตอรตอหนงตวเทานน

Use

Piece

TT

4 (3.3)

Piece

26,950T

4

PieceT 6,737.50 g โดย PieceT คอ คาแรงยกทใชตอมอเตอรหนงตว

 

 

 

 

 

 

 

 

54 แตในการน ามอเตอรไปใชงานจรงนน คาแรงยกทมอเตอรจะท างานไดนนจะอยในชวง 40-70% ของแรงยกสงสดของมอเตอรแตละตว ดงนน เพอจะหาแรงยกสงสดของมอเตอรแตละตว ผวจยจงก าหนดใหคาแรงยกสงสดของมอเตอรตอหนงตวทใชงานไดอยท 70%

Max Piece0.70T T (3.4)

Max

6,737.50T

0.70

MaxT 9,625 N โดย MaxT คอ คาแรงยกสงสดตอมอเตอรหนงตว จากผลการค านวณ จะไดคาแรงยกสงสดทมอเตอรหนงตวจะยกอากาศยานได อยท 9,625 นวตน เมอไดคาแรงยกสงสดของมอเตอรแลว น าขอมลทไดนไปเลอกขนาดของมอเตอรและใบพดทสอดคลองกน โดยการเลอกขนาดของมอเตอรนนสามารถท าไดโดยใชขอมลจากผผลตหรอจะท าการสมทดลองหาแรงยกของมอเตอร แตส าหรบในงานวจยน ผวจยไดเลอกขนาดมอเตอรจากขอมลของผผลต ซงในขอมลของผผลตจะแสดงรายละเอยดตาง ๆ ทงขอมลทางเทคนค คาแรงยกทสามารถยกได อตราการกนกระแส เมอใชคกบใบพดแตละขนาดและแตละประเภท

รปท 3.1 แสดงกราฟความสมพนธระหวางแรงยกและคาอตราการกนกระแสของมอเตอร

0

5

10

15

20

25

0 5000 10000 15000

อตราการกนก

ระแส

(แอม

ป)

แรงยก (นวตน)

ความสมพนธระหวางแรงยกและคากระแสของมอเตอร

MT2217 KV880 (10*6)

MT2217 KV880 (11*7)

MT2814 KV810 (11*4.7)

MT2814 KV810 (12*4.5)

MT2814 KV810 (12*6)

MT2814 KV810 (13*6.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

55 จากขอมลของผผลต ผวจยไดพจารณาจากคาแรงยก (Thrust) เปนหลก โดยท าการสรางกราฟความสมพนธระหวางแรงยกและคากระแสของมอเตอรแตละรนทมความเปนไปได เพอดความสมพนธเปรยบเทยบของมอเตอรแตละรนทเราจะท าการเลอก จากกราฟจะพบวามอเตอรรน MT 2814 KV 810 ทดลองคกบใบพดขนาด 11 x 4.7 (เสนสามเหลยม) ใหคาแรงยกอยทชวงตามทไดค านวณไวคอ 982.14 กรม และอตราการกนกระแสต าสดเมอเทยบกบแรงยกทต าแหนงเดยวกนกมคานอยสด ดงนนผวจยจงเลอกมอเตอรรน MT 2814 KV 810 คกบใบพด 11 x 4.7

รปท 3.2 แสดงใบพด ชนด APC ขนาด 11 x 4.7

รปท 3.3 แสดงมอเตอร รน iFlight MT2814 810 KV เมอเลอกขนาดของมอเตอรและใบพดไดแลว ตอมาจะท าการหาอตราการกนกระแสของมอเตอรทสภาวะตาง ๆ เพอเปนขอมลในการค านวณหาความจของแบตเตอรทจะเลอกจายใหกบมอเตอร โดยมหลกการการค านวณหาอตราการการกนกระแสรวมทงหมดดงน

 

 

 

 

 

 

 

 

56 ก าหนดใหอตราการกนกระแสรวมทงหมด คอ ผลรวมของอตราการกนกระแสทใชในการบนขน อตราการกนกระแสทใชในการบนลอยตวเคลอนท และอตราการกนกระแสทใชในการบนลงของอากาศยาน

Total Takeoff Hovering LandingA A A A (3.5) โดย TotalA คอ อตราการกนกระแสรวม

TakeoffA คอ อตราการกนกระแสทใชในการบนขน

HoveringA คอ อตราการกนกระแสทใชในการบนลอยตวเคลอนท

LandingA คอ อตราการกนกระแสทใชในการบนลง การหาอตราการกนกระแสทใชในการบนขนนน เนองจากในการบนขนของอากาศยานนนจะตองใชก าลงหรอแรงยกมากกวาการลอยตวอยบนอากาศ ดงนนผวจยจงก าหนดใหใชก าลงมากกวาการบนลอยตว 30%

Takeoff Piece PieceT 0.3T T (3.6)

TakeoffT (0.3 6,737.50) 6,737.50

TakeoffT 8,758.75 N โดย TakeoffT คอ แรงยกทใชในชวงการบนขน จากรปท 3.1 พบวาทแรงยกในชวงการบนขนทค านวณไดนน สามารถอานคาอตราการกนกระแสได 12.15 แอมป เนองจากไดก าหนดเวลาในการบนเปนนาท และขนาดของแบตเตอรจะบอกเปนมลลแอมป ดงนนเพองายตอการค านวณ จงท าการแปลงคาอตราการกนกระแสทไดจากรปท 3.1 เปนมลลแอมปตอนาท (mA/min)

(A) mA( )min

1mAA A

60s (3.7)

1000 mA12.15 202.5

min60

โดย (A)A คอ คาอตราการกนกระแสทอานไดจากกราฟหนวยเปนแอมป

mA( )min

A คอ คาอตราการกนกระแสทมหนวยเปนมลลแอมปตอนาท

 

 

 

 

 

 

 

 

57 ผวจยก าหนดความเรวของอากาศยานตอนาทอยท 120 เมตรตอนาท (2 m/s) ทระดบเพดานบน 40 เมตร เพราะฉะนนในชวงเวลาทใชในการบนขนของอากาศยานคอ 20 วนาท หรอ 0.33 นาท ดงนนอตราการกนกระแสทใชในการบนขนหาไดจาก ผลคณของคากระแสทมหนวยเปนมลลแอมปตอนาทกบเวลาทใชในการบนขน

Takeoff A( )min

A A tm

(3.8)

TakeoffA 202.50 x 0.33

TakeoffA 66.83 mA โดย TakeoffA คอ อตราการกนกระแสทใชในการบนขน

t คอ เวลาทใชในการบนหนวยเปนวนาท ตอมาในสวนของกระแสทใชในการบนลอยตวเคลอนท ในสวนนสามารถใชคาแรงยกตอมอเตอรหนงตวหรอ PieceT ทค านวณไวกอนหนาน มาใชในการค านวณหาคาอตราการกนกระแสทใชในการบนลอยตว

Hovering PieceT T (3.9)

HoveringT 6,737.50 N

จากรปท 3.1 พบวาทแรงยกในชวงการบนลอยตว สามารถอานคาอตราการกนกระแสได 9.51 แอมป ท าการแปลงคากระแสเปนมลลแอมปตอนาทตามสมการ (3.7)

1000 mA9.51 158.50

min60

จากขอก าหนดในการออกแบบเรองเวลาในการบน ผวจยไดก าหนดเวลาทจะใชในการออกแบบอยท 7 นาท ดงนนอตราการกนกระแสทใชในการบนลอยตวเคลอนท คอ

Hovering mA( )min

A A t (3.10)

HoveringA 158.5 7

HoveringA 1,109.50 mA โดย HoveringA คอ อตราการกนกระแสทใชในการบนลอยตวเคลอนท

 

 

 

 

 

 

 

 

58

t คอ เวลาทใชในการบนหนวยเปนวนาท ในสวนสดทายคอ อตราการกนกระแสทใชในการบนลงของอากาศยาน โดยในสวนนผวจยไดใชขอมลทางเทคนคของผผลตมาใชในการค านวณ คอ ชวงรอบเดนเบาของมอเตอรทมอตราการกนกระแส 0.65 แอมป เมอท าการแปลงคากระแสตามสมการ (3.7) จะไดวา

1000 A0.65 10.83

min60m

ผวจ ยไดก าหนดความเรวในการบนลงของอากาศยานอยท 36 เมตรตอนาท (0.6 m/s) เพราะฉะนนในชวงการบนลงของอากาศยานจะใชเวลาคอ 66.67 วนาท หรอ 1.11 นาท

Landing mA( )min

A A t (3.11)

LandingA 10.83 1.11

LandingA 12.02 mA โดย LandingA คอ อตราการกนกระแสทใชในการบนลง

t คอ เวลาทใชในการบนหนวยเปนวนาท ดงนนจากสมการ (3.5) จะหาคาอตราการกนกระแสรวมทงหมดได คอ

TotalA 66.83 1109.50 12.02

TotalA 1,188.35 mA โดย TotalA คอ อตราการกนกระแสรวม จากคาอตราการกนกระแสรวมทค านวณไดน น เปนอตราการกนกระแสของมอเตอรเพยงตวเดยวเทานน แตเนองจากอากาศยานทตองการสรางเปนชนดสใบพด ดงนนคาอตราการกนกระแสทค านวณไดนนจะตองคณกบจ านวนมอเตอรทใชงาน จะได

TotalA 1,188.35 4

TotalA 4,753.40 mA

 

 

 

 

 

 

 

 

59 จากคาอตราการกนกระแสรวมทค านวณไดนน จะท าใหเราทราบถงขนาดความจของแบตเตอรทตองการ ซงแบตเตอรทจะเลอกนนตองมขนาดความจโดยประมาณไมต ากวา 4,753.40 mA เพอความปลอดภยผวจยจงเลอกขนาดความจของแบตเตอรทใกลเคยงกบทค านวณได คอเลอกแบตเตอรชนด LiPo ทมขนาดความจ 5,000 mAh

รปท 3.4 แสดงแบตเตอรขนาด Turnigy 5000 mAh 3.2.2 ระบบโครงสราง ระบบโครงสรางหรอตวล าของอากาศยาน คอ โครงสรางหลกของอากาศยานทมหนาทรบน าหนกของอปกรณตาง ๆ สามารถออกแบบไดหลายรปแบบตามความสวยงามและการใชประโยชน แตเนนความแขงแรงและน าหนกเบาเปนหลก การออกแบบในสวนของโครงสรางจดทส าคญทสด คอ เ รองของน าหนก โครงสรางทท าการออกแบบนนจะตองเลอกใชวสดทมน าหนกเบาแตมความแขงแรง เพอใหสามารถรองรบน าหนกของอปกรณตาง ๆ ไดและรบแรงบดของมอเตอรไดดโดยไมมการบดตว สามารถรบแรงสนสะเทอนจากมอเตอรไดด ซงผวจยไดแบงการออกแบบโครงสรางออกเปน 2 สวน คอ สวนโครงสรางหลกและสวนแขน

สวนโครงสรางหลก ในสวนนผวจยเลอกใชวสดคารบอนไฟเบอร ชนดแผน ขนาด 160 x 140 มลลเมตร หนา 1.6 มลลเมตร ซงสวนนใชขนาดใหญพอสมควร เพอใหสะดวกตอการวางอปกรณตาง ๆ โดยมลกษณะดงรป 3.5

 

 

 

 

 

 

 

 

60

รปท 3.5 แสดงสวนของโครงสรางหลก

สวนแขน ในสวนนจะใชยดตดกบแทนของมอเตอร ดงนนเพอลดแรงสนสะเทอนจากมอเตอรและรองรบแรงบดของมอเตอรไดดโดยไมมการบดตว ผวจยจงเลอกใชวสดคารบอนไฟเบอร ชนดทอ เพราะจะมความแขงแรงมากกวาชนดแผน ซงขนาดความยาวของสวนแขนจะตองน าขนาดของใบพดมาคดค านวณดวย โดยขนาดของใบพดทไดจากการเลอกใหสอดคลองกบมอเตอรมขนาด 11 นว หรอ 279.4 มลลเมตร ดงนนขนาดของสวนแขนควรจะมความยาวมากกวา 279.4 มลลเมตร ผวจยจงก าหนดใหระยะหางระหวางใบพดกบโครงสรางหลกไมนอยกวา 2 นว หรอ 50.8 มลลเมตร เพราะฉะนนขนาดของสวนแขนทจะท าการเลอกใชมเสนผานศนยกลาง 16 มลลเมตร ยาว 330 มลลเมตร ซงถาวดขนาดจากแกนมอเตอร(ตดตงทสวนปลายแขน) ถงแกนมอเตอรฝงตรงขาม จะไดขนาดของโครงสราง 650 มลลเมตร ดงรป 3.6

รปท 3.6 แสดงสวนแขนของอากาศยาน

 

 

 

 

 

 

 

 

61 ผวจยไดเลอกใชชนสวนทมจ าหนายตามทองตลาด โดยจะเลอกใหไดขนาดและรปทรงใหตรงตามทไดออกแบบมา เพอใหสะดวกตอการใชงาน และไดขนาดของชนงานทไดมาตรฐาน ในการค านวณความแขงแรงและหาการโกงงอ ผวจยท าการวเคราะหหาคาการโกงงอจากโปรแกรม ANSYS โดยไดก าหนดน าหนกถวงลงทกลางล าหรอบรเวณโครงสรางหลกดวยคาแรง 40 นวตน โดยไมคดน าหนกของมอเตอรและใบพดทบรเวณปลายแขน

รปท 3.7 แสดงภาพการวเคราะหโครงสรางดวยโปรแกรม ANSYS

จากผลการวเคราะหหาคาการโกงงอทไดจากโปรแกรม ANSYS ดงรปท 3.7 คาโกงงอสงสดมคาอยท 0.1147 มลลเมตร โดยคาแรง 40 นวตน ทกดลงบนโครงสรางหลกเปนเพยงคาแรงทเกดจากการสมมตเทานน ซงเปนคาแรงทมากกวาความเปนจรงทจะใชงาน ดงนนการโกงงอจรงจะเกดขนเพยงเลกนอยเทานน ซงถอวาเปนคาทยอมรบได 3.2.3 ระบบควบคม ระบบควบคม คอ สวนทใชในการควบคมการบนของอากาศยาน เปนสวนส าคญทมหนาทท าใหอากาศยานสามารถบนได ไมวาจะเปนการลอยตวอยในอากาศ การบนขน-ลง ชวยควบคมการบนเดนทางทงแบบปกตและแบบอตโนมต ในสวนของระบบการควบคมถอวาเปนหวใจหลกของอากาศยาน ท าหนาทควบคมเสถยรภาพในการบนของอากาศยานทงหมด ไมวาจะเปน ควบคมระดบความเอยง (Attitude Control) ควบคมความสง (Altitude Control) ควบคมต าแหนง (Position Control) ควบคมทศทาง (Heading Control) และน าทางการบน (Navigation) การสามารถรบ-สงสญญาณหรอขอมลใน

 

 

 

 

 

 

 

 

62 การบน โดยผวจยไดเลอกใชคอนโทรลเลอร (Controller) รน APM 2.6 without Compass ของคาย 3D Robotics ซงรายละเอยดภายในคอนโทรลเลอรจะกลาวในภาคผนวก ในสวนของโปรแกรมผวจยเลอกมาตดตงคอ โปรแกรม Mission Planer ซงเปนโปรแกรมทงายตอการใชงาน มรปแบบทสวยงาม และครอบคลมการท างานในหลายสวน ส าหรบกฎการควบคมทใชคอ PID (Proportion Integral Derivative Control) ซงการบนจะมเสถยรภาพจะตองมการปรบคาตวแปรของตวควบคม PID (Proportion Integral Derivative Control) เพอใหการบนมเสถยรภาพมากทสด

รปท 3.8 แสดง Control Board รน APM 2.6

3.3 การปรบตงคา PID การปรบตงคาจะใชหลกการสงเกตพฤตกรรมของอากาศยานวามลกษณะการตอบสนองอยางไร เมอลอยตวอยนง ๆ และเมอถกรบกวนจากภายนอก การปรบคา PID ของแกนในระบบ Pitch และ Roll จะใหผลทคลายคลงกน มการปรบเพอใหการทรงตวมความเสถยรภาพ หากคานอยเกนไปจะไหลไปไหลมา และถามากเกนไปจะเกดการกระเพอมขน อาจจะท าใหระบบขาดเสถยรภาพได สวนการปรบคา PID ท Yaw จะปรบเพอปองกนไมใหเกดการหมนตวของอากาศยาน คา PID ของ Yaw ทมากจนเกนไปจะสงผลตอการบน ขอควรระวง ในระหวางการปรบคาตาง ๆ นกบนทดสอบตองมประสบการณในการบน เพอปองกนความเสยหาย ทงการบาดเจบจากอบตเหต และความเสยหายจากการตกของอากาศยาน หรออาจจะตองท าบนแทนทดสอบเบองตนกอน จงท าการทดสอบบนจรง

 

 

 

 

 

 

 

 

63

การปรบคา PID แนวแกน Roll และ Pitch o เมอท าการบน ถาหาก Gain P มคาต าเกนไป แกน Pitch และ Roll จะขยบขนลง

ชา ๆ ในทางตรงกนขาม ถาหาก Gain สงเกนไป แกน Pitch และ Roll จะขยบขนเรว ๆ (อาการสะบดขนลงอยางรวดเรว และเปนจงหวะซ า ๆ)

o เมอปรบ Gain P จน Hovering นงแลว ทดสอบโยกซาย ขวา หนา หลง แลวหยด ถามอาการกระเพอมเมอหยด แสดงวา Gain D มคาสงเกนไป แตถามอาการหยดชาหรอเลยต าแหนงไปแสดงวา Gain D มคาต าเกนไป

o การปรบ Gain I เมอท าการหยดโยกแลว แกนตาง ๆ กลบคนสแนวระดบแสดงวาคา Gain I ต าเกนไป แตถาเลยต าแหนงหรอวามอาการไหลไปเรอย ๆ แสดงวา Gain I สงเกนไป

o การเพม Gain P จะท าใหอากาศยานมเสถยรภาพมากขน จนมอาการแกวง (Oscillation) วธการลด Oscillation โดยไมท าใหขาดเสถยรภาพเพมคอ เพม Gain D (ทางลบ) เพอลด Oscillation น

o การบนทเนนเสถยรภาพเมอไมม Accelerometer วดความเอยง โดยปกตจะปรบเฉพาะ P และ D สวน I เปน 0 หรอเขาใกล 0

o การบนแบบ Aerobatic ใหลด Gain P และ D ต าลง อากาศยานจะตอบสนองตอการบงคบไวขน

การปรบคา PID แนวแกน YAW o การปรบใชหลกการเดยวกนกบการปรบ gain หางของเฮลคอปเตอร o ถา Gain P ต าเกนไปจะมอาการหมนในแนวแกน YAW o ถา Gain P สงเกนไปจะมอาการหางสะบด หรอมอาการควบคมดวยมอล าบาก

ตอบสนองชา และมการหมนในทศทางตรงกนขามกบ Gain ต า o Gain I จะชวยเรองการจ าต าแหนงเดม ถาสงเกนไปอาจจะมอาการไหล

เชนเดยวกน o ทรมอากาศยานในโหมดปกตจนบนไดนง หลงจากนนเขาโหมด ALT (Altitude

Hold) สงเกตอาการแลวน าเครองลง ดบมอเตอรโดยโยกคนเรงไปซายสด หากอากาศยานไปทางซาย ขวา หนาหรอหลง ดานใดมาก ใหยกคนเรงขน (มอเตอรจะไมหมน) โยก elevator หรอ aileron ไปดานตรงขาม ทละขนแลวทดสอบบน ท าซ าจนบนไดนง

o เมอบนในโหมด Altitude Hold ไดนงแลว ใหปรบตงคาในโหมดอน ๆ ตอไป

 

 

 

 

 

 

 

 

64

3.4 การออกแบบชดควบคมวทยบงคบ โดยปกตแลวอากาศยานแบบสใบพด ทตดตงระบบบนขน-ลงแบบอตโนมตนน จะมระบบคอมพวเตอรสงการผานโปรแกรม Mission Planner ใหอากาศยานสามารถบนไปตามต าแหนงทไดตงตามพกดในแผนท (Google Earth) ทสามารถก าหนดความสงและความเรวในการบนได แตในทกระบบตองมชดชวยการบนอตโนมตและสามารถบงคบดวยมอได ดงนนเพอความปลอดภยจงตองมวทยบงคบเพอชวย แตกมบางค าสงทยงตองท าการควบคมผานวทยบงคบ ซงในสวนนทางวจยจงไดท าการออกแบบชดอปกรณเพอควบคมคนบงคบในสวนน เพอใหอากาศยานสามารถบนขน-ลงไดอยางไรการควบคมจากมนษย

รปท 3.9 แสดงการควบคมวทยบงคบ

ในการควบคมการท างานของวทยบงคบ จะมอย 2 โหมด ซงแตกตางกนทลกษณะของการตงคาเพอควบคมการบนของอากาศยาน ทางผวจยไดเลอกการควบคมแบบ Mode 2 Mode 2 : เปนโหมดทนยมใชในการควบคมอากาศยานหลายใบพด นยมใชกนมากในประเทศสหรฐอเมรกา และในประเทศไทย มลกษณะการควบคมคบบงคบดงรปท 3.9 1. ขน/ลง ก าหนดเปน Throttle 2. ซาย/ขวา ก าหนดเปน Rudder 3. ขน/ลง ก าหนดเปน Elevator 4. ซาย/ขวา ก าหนดเปน Aileron ในการออกแบบชดอปกรณเพอควบคมการท างานของวทยบงคบนน จะสนใจเฉพาะการสงงานเพอสงใหมอเตอรหมน (Armed) มอเตอรตดการท างาน (Disarmed) เรงคนเรง (Throttle) ซงการสงงานทกลาวมานนจะใชคบบงคบดานซาย และการเปลยน Flight Mode จาก Stabilize เปน Auto จะใชเปนสวทช Gear โดยในการควบคมคนบงคบดายซายนน จะใชการเคลอนททงสองแกน

Flight Mode Gear

3 1

2 4

 

 

 

 

 

 

 

 

65 สวนสวทช Gear จะเคลอนทเพยงแกนเดยว ดงนนผวจยจงเลอกใชเซอรโวทงหมด 3 ตว เพอมาควบคมคนบงคบและสวทช Gear แตเพอใหวทยบงคบยงสามารถควบคมดวยมอไดดงเดม ผวจยจงท าการสรางกลองส าหรบตดตงเซอรโวเพอครอบไปบนวทยบงคบ ส าหรบชดอปกรณเพอควบคมการท างานของวทยบงคบนน จะตองมโปรแกรมส าหรบสงการท างานของเซอรโว ใหเคลอนทไปตามมมองศาทก าหนด ผวจยไดเลอกใชโปรแกรม LabVIEW interface for Arduino เพอควบคมเซอรโวตามล าดบขนตอนในการสงงาน โดยมขนตอนการควบคมวทยบงคบตามรปท 3.10 1. แสดงต าแหนงเรมตนของวทยบงคบ 2. ท าการ Aemed Motor ใน Stabilize Mode โดยใหคนบงคบอยต าสด แลวบงคบไปทางขวาสดประมาณ 5-10 วนาท 3. เมอ Armed Motor เรยบรอยแลว มอเตอรจะท าการหมน แตอากาศยานยงไมมการยกตวขน ดงนนจงท าการเรง Throttle ขน เพอใหมอเตอรมก าลงมากขน อากาศยานจะท าการยกตวขนจากพนดน 4. เมออากาศยานเรมมแรงยก จงท าการสบสวทช Gear เพอเปลยนสถานะ Flight Mode จาก Stabilize Mode เปน Auto Mode 5. เมอเขาส Auto Mode อากาศยานจะท าการขนบนไปตามต าแหนงทไดตงพกดไว ในระหวางนใหท าการลด Throttle ลงต าสด เพอใหระบบท าการ Disarmed Motor เมออากาศยานท าการลงจอด

 

 

 

 

 

 

 

 

66

รปท 3.10 แสดงขนตอนการควบคมวทยบงคบ

1

5 2

3 4

 

 

 

 

 

 

 

 

67

รปท 3.11 แสดงกลองครอบวทยบงคบพรอมตดตงเซอรโว

รปท 3.12 แสดงชดอปกรณควบคมวทยบงคบ

 

 

 

 

 

 

 

 

บทท 4 ผลการวจย

ในบทนจะกลาวถงการน าเสนอผลการด าเนนการสรางอากาศยานสใบพดทบงคบการเคลอนทดวยตนเองส าหรบบนสงเอกสารระหวางอาคาร โดยจะเรมตนจากการออกแบบระบบตนก าลง ในสวนนไดก าหนดเวลาในการบนและระดบเพดานบนมาชวยในการออกแบบ เพอใชเปนขอมลในการเลอก มอเตอร ใบพด ชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคส (ESC) และแบตเตอร สวนตอมาท าการออกแบบระบบโครงสราง ระบบควบคม และชดควบคมวทยบงคบ เมอไดอปกรณตาง ๆ ตามทไดออกแบบแลวนน จงน ามาสรางเปนอากาศยานตนแบบ เพอน าไปบนทดสอบอปกรณทเหมาะสมกบการใชงานจรง โดยกระบวนการวจยนไดแบงการทดสอบออกเปน 2 ระบบ คอระบบการควบคมอากาศยานดวยวทยบงคบ และระบบการควบคมแบบอตโนมต ดงนนเมอน าผลทไดจากการทดสอบการบนมาวเคราะหและปรบปรงแกไขจนกระทงไดผลตามวตถประสงคแลวนน ท าใหไดอากาศยานสใบพดทบงคบการเคลอนทดวยตนเองส าหรบบนสงเอกสารระหวางอาคาร ดงรปท 4.1

รปท 4.1 แสดงอากาศยานตนแบบสใบพดส าหรบบนสงเอกสาร

 

 

 

 

 

 

 

 

69

4.1 ผลการออกแบบอากาศยานตนแบบล าท 1 ในการออกแบบอากาศยานตนแบบล าท 1 นน ไมไดมการก าหนดเงอนไขของน าหนกบรรทก (Payload) เขามาเกยวของ มเพยงการก าหนดน าหนกรวมทงหมดของตวอากาศยานไมเกน 1,500 กรม โดยในการออกแบบนนทางผวจยไดท าการใชโปรแกรม eCalc ซงเปนโปรแกรมทใชค านวณ ประเมน และออกแบบ ระบบตนก าลงของ Multicopter เขามาชวยในการเลอกใชอปกรณ

รปท 4.2 แสดงหนาโปรแกรม eCalc ทค านวณระบบตนก าลงของอากาศยานตนแบบล าท 1 4.1.1 อปกรณทไดจากการออกแบบ จากผลของการค านวณระบบตนก าลงจากโปรแกรม eCalc และการออกแบบระบบโครงสรางและระบบควบคม ผวจยไดเลอกใชอปกรณดงน 1. Motor : My Stery A2212-15 KV 930 Outrunner Brushless Motor 2. ESC : ZTW AL-ZTW 30 A 3. Propeller : APC SlowFly 10x45 4. Battery : Lipo 3300 mAh 3s 35/50C 5. Frame : Aluminum and Carbon Fiber 6. Multi-Rotor Control Board : APM 2.5 7. GPS : GTPA 010

 

 

 

 

 

 

 

 

70 8. Telemetry : RCTimer Radio Telemetry Kit 915 MHz 9. Receiver : FlySky FS-R8B 2.4 GHz 8CH Receiver 10. Remote Control : FlySky FS-TH9X

รปท 4.3 แสดงอากาศยานตนแบบล าท 1 4.1.2 ผลการทดสอบการบน เมอเลอกอปกรณทจะสรางอากาศยานเรยบรอยแลว จงท าการประกอบและจดวางอปกรณตาง ๆ ไดดงรปท 4.3 จากนนจงน าไปทดสอบการบนทงควบคมดวยวทยและบนแบบอตโนมต ในการทดสอบการบนพบวามปญหาเกดขนหลายสาเหต โดยจะแสดงรายละเอยดของปญหาและการแกไขเปนกรณ ๆ ไป

อากาศยานขาดเสถยรภาพในการบน (บนไมนง) และบนหลงทาง ถงแมวาจะ ท าการปรบแกคา PID ดวยวธ Auto Tune สาเหต 1 : เกดจาก Compass ทอยใน Control Board มการท างานผดพลาด เนองจากถกรบกวนจากสญญาณของอปกรณอเลกทรอนคสและมอเตอรทอยรอบ ๆ Control Board จากรปท 4.4 จะพบวาการจดวางอปกรณทง ESC Receiver และPower Module อยใกล Control Board มากเกนไป และ GPS ไมควรวางบน ESC เมอน าไปทดสอบคา Mag Field (Magnetic Field) ทรบกวน Compass ทอยใน Control Board พบวามคามากถง 45%

 

 

 

 

 

 

 

 

71 การแกไขปญหา : ท าการตดตง Control Board ใหอยในต าแหนงทไมใกลกบอปกรณ โดยท าการจดวางอปกรณตางๆใหมดงรท 4.5 เพอลดคา Mag Field (Magnetic Field) ทรบกวน Compass ใหนอยลง โดยเลอนให ESC มาอยทปลายแขน ยาย Power Module ลงมาอยใตล า เพอเพมระยะหางของสญญาณจากแบตเตอร เนองจาก Main Plate มขนาดเลกจงท าใหไมมพนทส าหรบวางมากนกจงจ าเปนตองวาง Receiver ไวในต าแหนงเดม แตอยาใหตดกน

รปท 4.4 แสดงการจดวางอปกรณกอนการแกไข

รปท 4.5 แสดงการจดวางอปกรณหลงการแกไข

 

 

 

 

 

 

 

 

72 สาเหต 2 : การสนสะเทอนของ Control Board จะเปนอกหนงปจจยทเปนการรบกวนระบบ เพราะ Control Board APM 2.5 ใชเซนเซอรวดอตราเรงมาค านวณระบบ การแกไขปญหา : ตดตงตวกนสนสะเทอนหรอใชกาวสองหนาชนดโฟม มาตดทใต Control Board ดงรปท 4.6

รปท 4.6 แสดงการตดโฟมเพอลดการสนสะเทอนของ Control Board

เมอปรบเขาสโหมด ALT_Hold (Auto Altitude) อากาศยานไมสามารถลอค ความสงหรอรกษาระดบการบนได สาเหต : เกดจากบารอมเตอร มลมจากใบพดหรอในอากาศไหลผานเขามารบกวน จงท าใหความดนอากาศแปรปรวน การค านวณความสงไมเทยงตรง สงผลใหมผลตอการบน การแกไขปญหา : น าฟองน าหนาๆทพอระบายอากาศไดบางมาปดในสวนของบารอมเตอร

รปท 4.7 แสดงการน าฟองน ามาปดบารอมเตอร

 

 

 

 

 

 

 

 

73

ในการทดสอบการบนแบบอตโนมต เครองรบสญญาณ GPS จบสญญาณได ไมเสถยร เกดอาการ Failsafe GPS ในขณะทอยใน Auto Mode และเนองจาก Throttle อยในต าแหนงต าสด จงท าใหอากาศยานตกระหวางบน สาเหต : สภาพอากาศมผลอยางยงตอการรบสญญาณ GPS เพราะเมอเครองรบ GPS รบสญญาณจากดาวเทยมมาแลว จะท าการค านวณคาต าแหนงพกดทอยบนโลก ความสงและความเรว หากเครองรบ GPS สามารถรบสญญาณไดแรง สามารถรบคาจากดาวเทยมไดหลายดวง จะยงท าใหการค านวณพกดแมนย ามากขน แตเมอสภาพอากาศไมเอออ านวยและเครองรบสญญาณ GPS รบสญญาณไดออน จะเปนผลใหคาการค านวณผดพลาด สงผลใหไมสามารถบนแบบอตโนมตได การแกไขปญหา : ใหบนในสภาพอากาศทปลอดโปรง ส าหรบ GPS ใหลองตรวจสอบคา HDop ซงเปนคาความแมนย าของ GPS โดยจะตองมคาต ากวา 2 ถงจะอยในเกณฑทด ลองบนใน Loiter Mode เพอตรวจสอบการลอคพกดของ GPS ถาไมลอคพกด GPS อาจจะเปนไปไดทเครองรบสญญาณ GPS มปญหา อาจจะตองเปลยนตวใหม

ชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคส (ESC) ไหม ท าใหอากาศยานตก ระหวางบน สาเหต : เนองจากเปลยนขนาดใบพดจาก APC 10x45 เปน APC 13x10E ซงตองใชคกบมอเตอร My Stery A2212-15 KV 930 Outrunner Brushless Motor และ ESC 30 A สงผลใหขนาดของใบพดไมเหมาะสมกบขนาดของมอเตอร จงท าใหมอเตอรรอนและ ESC ไหม การแกไขปญหา : เปลยนใบพดใหมขนาดเหมาะสมกบมอเตอร

4.2 ผลการออกแบบอากาศยานตนแบบล าท 2 เนองจากในการออกแบบอากาศยานตนแบบล าท 1 นน มปญหาทเกดขนดงทไดกลาวไวในหวขอกอนหนาน ดงนนทางผวจยจงไดท างานออกแบบอากาศยานตนแบบขนใหมเปนล าท 2 โดยเพมเงอนไขวาอากาศยานทไดท าการออกแบบนนจะตองสามารถการขนสงเอกสารระหวางอาคารได โดยมการก าหนดขนาดของน าหนกบรรทก (Payload) ไมเกน 200 กรม และก าหนดน าหนกรวมทงหมดของตวอากาศยานไมเกน 2,000 กรม เมออากาศยานตองบนสงเอกสารระหวางอาคาร เวลาในการบนถอเปนขอมลทส าคญส าหรบการค านวณเพอเลอกใชแบตเตอรใหเหมาะสม ผวจยจงก าหนดเวลาในการบนอยท 7 นาท

 

 

 

 

 

 

 

 

74 4.2.1 อปกรณทไดจากการออกแบบ จากผลของการค านวณระบบตนก าลง ระบบโครงสราง และระบบควบคม ทไดกลาวมาแลวในบทท 3 ผวจยไดเลอกใชอปกรณดงน

1. Motor : iFlight iPower MultiMate MT2814 KV 810 Outrunner Brushless DC Motor

2. ESC : T-Motor T40A Pro 3. Propeller : APC SlowFly 11x47 4. Battery : Lipo 5000 mAh 3s 35/50C 5. Frame : Carbon Fiber 6. Multi-Rotor Control Board : APM 2.6 7. GPS : 3DR uBox LEA-6H whit compass 7A994 8. Telemetry : 3DR Telemetry Radio 915 MHz EAR99 9. Receiver : FrSky D8R-II plus 2.4 GHz 8CH Receiver 10. Remote Control : Turnigy 9X 9 CH with Module FrSky DJT

รปท 4.8 แสดงอากาศยานตนแบบล าท 2

 

 

 

 

 

 

 

 

75 จากขอก าหนดในการออกแบบผวจยไดก าหนดน าหนกในสวนของโครงสรางและอปกรณในสวนระบบตนก าลง ซงพจารณาน าหนกมากสดทจะเปนไปได โดยก าหนดใหสองสวนนมน าหนกรวมกนไมเกน 2,000 กรม ผลทไดจากการประสวนโครงสรางกบอปกรณตางๆของอากาศยานไดน าหนกรวมอยท 1,869.8 กรม และเมอรวมน าหนกบรรทกเขาไป อากาศยานจะมน าหนกรวมทงหมด 2,039.3 กรม ซงยงอยในขอบเขตขอก าหนดทไดก าหนดไวคอ 2,200 กรม

รปท 4.9 แสดงน าหนกของอากาศยานสใบพดตนแบบล าท 2 4.2.2 ผลการทดสอบการบน จากปญหาของอากาศยานล าท 1 จงไดท าการออกแบบ ปรบปรง แกไข และปรบเปลยนอปกรณบางอยางเพอใหปญหาทเกดจากอากาศยานล าท 1 ไมเกดขนกบอากาศยาน ล าท 2 แตยงเกดปญหาจากสาเหตอนขนอก สวนใหญจะเกดกบการทดสอบการบนแบบอตโนมต โดยจะแสดงรายละเอยดของปญหาและการแกไขเปนกรณๆไป

กรณท 1 ทดสอบการบนระหวางอาคารเครองมอ 6 และอาคารเครองมอ 5 ในการบนทดสอบพบวา อากาศยานสามารถบนไปตามพกดไดอยางแมนย า เนองจากคา HDop = 1.5 ซงเปนคาความแมนย าทอยในเกณฑดมาก จากรปท 4.9 กราฟ Roll (สแดง) และ Pitch (สเขยว) มการเพม-ลดอยตลอดเวลานน เปนผลมาจากสภาพอากาศทมลมแรง จงท าใหอากาศยานตองพยายามรกษาเสถยรภาพการบน ใชเวลาในการบน 2.02 นาท

 

 

 

 

 

 

 

 

76

รปท 4.10 แสดงขอมลการบนจากอาคารเครองมอ 6 ไปอาคารเครองมอ 5 (กรณท 1)

กรณท 2 ทดสอบการบนไป-กลบระหวางอาคารเครองมอ 6 และอาคารเครองมอ 5

จากการบนทดสอบจากอาคารเครองมอ 6 ไปอาคารเครองมอ 5 ทกลาวไปกอนหนาน พบวาสามารถบนไดปกต และใชเวลาเพยงแค 2 นาท โดยกอนหนานทางผวจยไดทดลองบนแบบอตโนมตทบรเวณอน สามารถบนไดถง 6 นาท ดงนนดวยเวลาทยงสามารถใชไดอกประมาณ 4 นาท ซงนาจะเพยงพอตอการบนไป-กลบ ผวจยจงท าการทดลองบนไป-กลบ (เปลยนแบตเตอรกอนใหม) โดยใชพกดเดยวกนกบการทดลองกอนหนานทงบนไปและกลบ จากรปท 4.10 จะพบวาทกคานงและเปนปกตด จนเมอถงต าแหนงทหนาอาคารเครองมอ 5 (ปกหมด) ใชเวลาในการบน 2.21 นาท โปรแกรมไดฟอง Failsafe Battery แลวท าการเปลยนจาก Auto Mode เปน RTL Mode ทนท ขณะนนอากาศยานจะเลอกเสนทางทสนทสดเพอบนกลบไปยงต าแหนง Home (ดาว) แตกอนทจะถงต าแหนง Home แรงดนของแบตเตอรไดลดต าลงจนไมสามารถสรางแรงยกตวล าได จงไดรวงลงไปทตนไม (ลกศรช) และตรงลงสพน สงผลใหใบพดหก โดยใชเวลาบนเพยง 3.09 นาท สาเหต : เนองจากแบตเตอรทใชท าการทดสอบนน เปนแบตเตอรทผานการใชงานมาพอสมควรแลว ท าใหคาประสทธภาพของแบตเตอรลดลง จงสงผลใหไมสามารถบนไดตามเวลาทเคยทดสอบ การแกไขปญหา : ลดระยะทางในการบน โดยบนเฉพาะไปหรอเฉพาะกลบเทานน และท าการตดตงอปกรณวดแรงดนเพอสงสญญาณแจงเตอน

 

 

 

 

 

 

 

 

77

รปท 4.11 แสดงขอมลการบนจากอาคารเครองมอ 6 ไปอาคารเครองมอ 5 (กรณท 2)

กรณท 3 ทดสอบการบนระหวางอาคารเครองมอ 5 และอาคารเครองมอ 6 ในการบนทดสอบครงนไดท าการก าหนดพกดเรมตนทอาคารเครองมอ 5 แตบรเวณหนาอาคารมตนไมขนาดใหญ ซงเปนอปสรรคตอการบน จงท าการก าหนดพกดใหหางจากบรเวณทมตนไมใหญ และท าการก าหนดระดบความสงอยท 20 เมตร เมอเขาส Auto Mode แลว อากาศยานจะบนไปต าแหนงเรมตนในระดบความสงทก าหนด แตเมออากาศยานบนขนไปถงระดบความสง 16 เมตร อากาศยานไดบนเขาไปตดตนไมขนาดใหญหนาอาคารเครองมอ 5 (ปกหมด) ผวจยจงท าการเปลยนจาก Auto Mode เปนการควบคมผานวทยบงคบ เพอจะควบคมใหอากาศยานหลดออกจากตนไม การทดสอบครงนเกดความเสยหายคอ ใบพดหกและโครงสวนขาหก สาเหต : เนองจากบรเวณหนาอาคารเครองมอ 5 มตนไมขนาดใหญ จงท าใหเปนอนตรายหากก าหนดระดบความสงไมมากพอ และอกหนงสาเหตนาจะเกดจากการผดพลาดของ GPS ท าใหอากาศยานบนไปไมตรงพกดทไดก าหนดไว การแกไขปญหา : ท าการก าหนดพกดแตละต าแหนงใหม เพอหลกเลยงสงกดขวาง และเพมระดบความสงจาก 20 เมตร เปน 40 เมตร

รปท 4.12 แสดงขอมลการบนหนาอาคารเครองมอ 5 (กรณท 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

78

กรณท 4 ทดสอบการบนหนาอาคารวชาการ 1 ในการบนทดสอบครงน ตองการทจะบนทดสอบจากอาคารวชาการ 1 ไปอาคารวชาการ 2 เนองจากบรเวณอาคารวชาการ 1 ตงอยในพนททต ากวาและดานหนาอาคารยงมตนไมขนาดใหญเปนจ านวนมาก ท าใหบรเวณนสามารถจบจ านวนดาวเทยมไดนอย สงผลใหคา HDop สง ผวจยจงตงสมมตฐานวาถาอากาศยานสามารถบนลอยตวขนไปในทสง ไมมสงกดขวาง GPS นาจะจบสญญาณไดดขน จงท าการก าหนดระดบความสงอยท 40 เมตร เพอลอยตวขนใหสงกวาตวอาคาร แตเมอเปลยนเปน Auto Mode พบวาเกดอาการ Failsafe GPS และบนไปชนหลงคาหนาอาคาร (ดาว) ดวยระดบความสงเพยง 7 เมตร ท าใหไมสามารถเปลยนจาก Auto Mode มาเปนการควบคมดวยวทยบงคบไดทน จงท าใหอากาศยานตกลงสพน การทดสอบครงนเกดความเสยหายคอ ใบพดหก เสา GPS หก แปนวางมอเตอรหก และมอเตอรเสย สาเหต : เนองจากบรเวณอาคารวชาการ 1 ตงอยในพนทต ากวาบรเวณอนและมตนไมขนาดใหญอยดานบนหนาอาคาร ซงท าใหบรเวณดงกลาวเปนจดทอบสญญาณ ซงเปนอนตรายอยางมากตอการบนแบบอตโนมต การแกไขปญหา : ใหเปลยนต าแหนงในการ Takeoff ออกไปบรเวณทโลงกวาบรเวณหนาอาคาร ซงจะชวยใหสญญาณ GPS ดขน

รปท 4.13 แสดงขอมลการบนหนาอาคารวชาการ 1 (กรณท 4)

กรณท 5 ทดสอบการบนระหวางอาคารวชาการ 1 ไปอาคารวชาการ 2 เนองจากปญหาการอบสญญาณ GPS ในการบนทดสอบครงน จงท าการยายต าแหนงของการ Takeoff ออกไปบรเวณทางโคงหนาอาคารแทน (ดาว) ซงบรเวณนมสงกดขวางทบงสญญาณนอยกวาบรเวณหนาอาคาร ในชวงแรกทท าการเปลยนเปน Auto Mode พบวาคา HDop สงถง 3.21 แตเมออากาศยานท าการบนขนถงระดบความสง 20 เมตร คา HDop ไดลดลงเหลอ 1.4 และบนไตระดบความสงขนไปถงพกดต าแหนงทไดก าหนดไว อากาศยานสามารถบนตามพกดต าแหนงไดอยางแมนย า เนองจากมกระแสลมแรง คา Roll และ Pitch จงมการเพม-ลดตลอดเวลา

 

 

 

 

 

 

 

 

79 เพอเปนการรกษาเสถยรภาพในการบนใหนงทสด จากทกลาวไวกอนหนานวาอาคารวชาการ 1 ตงอยในพนททต ากวาอาคารวชาการ 2 แตเนองจากไดท าการเสยบแบตเตอรทหนาอาคารวชาการ 1 ดงนนบารอมเตอรจะอางองระดบความสงเปน 0 เมตร จากรปท 4.13 ทต าแหนง Landing (ปกหมด)กราฟความสงทวดจากบารอมเตอร (สน าเงน) จงอยทระดบ 5.48 เมตร โดยการทดสอบการบนในครงน ใชเวลาในการบน 3.23 นาท

รปท 4.14 แสดงขอมลการบนจากอาคารวชาการ 1 ไปอาคารวชาการ 2 (กรณท 5)

จากการทดสอบการบนทกลาวไปในขางตนนน เปนการบนทดสอบแบบอตโนมต โดยถอวทยบงคบไปตามต าแหนงทอากาศยานเคลอนทไป ตอมาจะท าการทดสอบผานชดอปกรณควบคมวทยบงคบ โดยจะตองตงวทยบงคบไวทสถานภาคพนดน (Ground Station) ซงกอนหนาทจะท าการบนทดสอบ ไดเกดปญหาคอวทยบงคบกบชดรบสญญาณ (Receiver) หากนไมเจอ จงไดท าการแกไขโดยการ Binding และตงคาวทยบงคบใหม

กรณท 6 ทดสอบการบนระหวางอาคารวชาการ 1 ไปอาคารวชาการ 2

รปท 4.15(ก) แสดงขอมลการบนจากอาคารวชาการ 1 ไปอาคารวชาการ 2 (กรณท 6)

 

 

 

 

 

 

 

 

80

รปท 4.15(ข) แสดงขอมลการบนจากอาคารวชาการ 1 ไปอาคารวชาการ 2 (กรณท 6)

จากรปท 4.15 ทงรป ก. และรป ข. เปนการบนทดสอบการบนแบบอตโนมต มสถานภาคพนดน (Ground Station) และชดอปกรณควบคมวทยบงคบ ซงจากทง 2 รป พบวาไดเกดปญหาแบบเดยวกน คอ เมออากาศยานบนไปถงพกดต าแหนงในการ Landing แลวคอยๆเคลอนตวลงจอด โหมดในการบนไดถกเปลยนเปน RTL Mode จงเกดอาการ Shoot ตวขน (ในวงกลม) แลวถกเปลยนโหมดการบนไปเปน Auto Mode อกครง อากาศยานจงคอยๆเคลอนตวลงจอด เพยงเสยววนาท ถกเปลยนโหมดการบนเปน Stabilize Mode ซงขณะนน Throttle อยในต าแหนงต าสด อากาศยานจงตกลงสพน จากรป 4.15 (ข) จะพบวาไมมการแจงเตอนวาเกดการตกของอากาศยาน เปนเพราะวาอากาศยานตดระบบกอนทจะตกลงสพน ในการทดสอบครงนเกดความเสยหายคอ แกนส าหรบยดตวล าใตฐานหก เนองจากยงไมทราบถงสาเหตทเกดขนอยางแทจรง วาเกดจากปจจยใด อปกรณใดมปญหา เพราะในขอมลการบนไมไดมการแจงเตอนใหทราบ ผวจยจงน าไปบนทดสอบระหวางอาคารเครองมอ 5 ไปอาคารเครองมอ 6 โดยทยงไมไดท าการแกไข

กรณท 7 ทดสอบการบนระหวางอาคารเครองมอ 5 ไปอาคารเครองมอ 6

รปท 4.16 แสดงขอมลการบนจากอาคารเครองมอ 5 ไปอาคารเครองมอ 6 (กรณท 7)

 

 

 

 

 

 

 

 

81 จากขอมลการบนในรปท 4.16 ในชวงตงแตเขา Auto Mode จนถงพกดต าแหนงในการ Landing พบวามลกษณะเดยวกนกบรปท 4.15 แตกรณนโหมดของการบนไดถกเปลยนเปน RTL Mode โดยไมมการแจงเตอนขอความ Failsafe Radio ของวทยบงคบ กอนทจะท าการ Landing (ปกหมด) อากาศยานจงท าการบนกลบไปต าแหนง Home (ดาว) ตามค าสงของโหมดการบน จากนนโหมดการบนไดเปลยนเปน Auto Mode และ Stabilize Mode ตามล าดบ เมอเขาส Stabilize Mode สงผลใหมอเตอรหยดหมนกลางอากาศ เนองมาจากในโหมดการบนน จะตองมการเรง Throttle ขน แตขณะนน Throttle อยในต าแหนงท 20% ซงท าใหเกดแรงยกไมเพยงทจะใชในการพยงตวล า จงท าใหอากาศยานตกแบบทงดงจากระดบความสง 40 เมตร โดยแบตเตอรทอยใตล าไดมากระแทกกบพนปนอยางแรง สงผลใหแบตเตอรเกดการระเบดขน แตดวยต าแหนงทตกลงมานนมน าอย จงท าใหไมเกดประกายไฟ อากาศยานจงเสยหายแคเฉพาะในสวนโครงสราง ใบพด สายไฟ และแบตเตอร แสดงดงรปท 4.17

รปท 4.17 แสดงความเสยหายทเกดจากการตกในกรณท 7 สาเหต 1 : จากขอมลการบนทแสดงในรปท 4.15 และ 4.16 นน จะพบวาโหมดการบนไดเปลยนเขา RTL แตไมมการแจงเตอนขอความ Failsafe Radio ของวทยบงคบ จงตงขอสงสยไปทการตงคาวทยบงคบ จงท าการทดสอบโดยการ Armed Motor และปดสญญาณวทยบงคบ พบวาเมอเกดกรณ Failsafe Radio หรอสญญาณหลดจะถกสงไปท Ch5 ซงจะเขาโหมดการบน RTL และ Ch7 ทเปนโหมด Auto จะถกปด แตเมอวทยบงคบรบสญญาณไดอกครง Ch7 จะกลบไปทโหมดเดมทไดตงคาไว และเปนต าแหนงลาสดของวทยบงคบ ซงขณะนนสวทชของวทย

 

 

 

 

 

 

 

 

82 บงคบอยทโหมด Auto จากนนจะท าการสงสญญาณ PWM ไปทชองของโหมด Stabilize พรอมกบ Ch5 จะถกเลอนไปทต าแหนงลาสดของวทยบงคบ เนองจากการเปลยนโหมดของ Ch7 จะท าการเปลยนทนทแต Ch5 จะมการ Delay เลกนอย จงท าใหเขาส Auto Mode จากชอง Ch7 เพยงไมก ms แลวจงเขาสโหมด Stabilize การแกไขปญหา : ท าการตงคา Failsafe ของวทยบงคบใหม ใหเปนไปตามหลกการของ Arducopter โดยถาเกดการ Failsafe ในระยะไมเกน 2 เมตร จากจด Home จะสงใหเขาสโหมด Land แทน ไมใชโหมด RTL แตถาระยะมากกวานนจะเขาสโหมด RTL สาเหต 2 : เนองจากมการแจงเตอน Failsafe Radio เปนเหตใหสญญาณขาดการเชอมตอ นาจะมสาเหตมาจากการตงสถานภาคพนดน (Ground Station) ซงตงอยบรเวณทมตกบงสญญาณ ท าใหการสงสญญาณไปไมถงชดรบสญญาณ ดงรปท 4.18 โดยปกตแลววทยบงคบจะสงสญญาณเปนแนวตรง แตในการทดสอบวทยบงคบไดตงอยบรเวณหนาอาคาร ซงอยคนละทศกบเสนทางการบน จงท าใหสญญาณทถกสงออกไปถกอาคารบงไปบางสวน สงผลใหเกดการหลดสญญาณของวทยบงคบ การแกไขปญหา : ลองเปลยนสถานทส าหรบตงสถานภาคพนดน ทสามารถหนไปทศทางเดยวกบเสนทางการบนได

รปท 4.18 แสดงลกษณะการวางวทยบงคบและการสงสญญาณ

 

 

 

 

 

 

 

 

83

กรณท 8 ทดสอบการบนระหวางอาคารเครองมอ 5 ไปอาคารเครองมอ 6 เมอไดท าการซอมอปกรณตางๆ และท าการตงคาวทยบงคบใหถกตองตามหลกการ แลวพบวาอากาศยานสามารถบนไดอยางปกต โดยไมเกดปญหาของการเขาสโหมด RTL เอง สามารถบนรกษาระดบความสงไดแมนย า ใชเวลาในการบน 3.16 นาท

รปท 4.19 แสดงขอมลการบนจากอาคารเครองมอ 5 ไปอาคารเครองมอ 6 (กรณท 8)

 

 

 

 

 

 

 

 

บทท 5 สรปผลและขอเสนอแนะ

5.1 สรปผลการวจย งานวจยนเปนการออกแบบและสรางตนแบบอากาศยานสใบพดทบงคบการเคลอนทดวยตนเอง เพอส าหรบขนสงเอกสารระหวางอาคาร ทก าหนดเสนทางการบนโดยผานโปรแกรม Mission Planner โครงสรางทไดท าการออกแบบมานนมการตอบสนองตอการบนนอกอาคารทด จากผลของการทดสอบการบนของอากาศยานตนแบบทงแบบทควบคมดวยวทยบงคบและแบบอตโนมต อากาศยานตนแบบสามารถเคลอนทไปยงจดตางๆ ตามทโปรแกรมไวได โดยอาศยขอมลในการบนดงน พกดต าแหนง ความสง และความเรว พบวาการบนลอยตวอยกบทของอากาศยานตนแบบสามารถบนไดเปนเวลาประมาณ 15 นาท สวนการบนเคลอนทตามต าแหนง สามารถบนไดเปนเวลาประมาณ 6 นาท โดยใชแรงดนของแบตเตอรเปนตวก าหนดระยะเวลาในการบน ผวจยไดก าหนดใหแรงดนต าสดทอากาศยานจะบนไดอยางปลอดภย (Battery Failsafe) คอ 10.6 โวลต ซงระยะเวลาททดสอบการบนของอากาศยานไดนนนอยกวาขอก าหนดเวลาทใชในการออกแบบคอ 7 นาท ทระดบเพดานบน 40 เมตร ส าหรบในการบนทดสอบ อากาศยานสามารถรกษาระดบความสงทก าหนดไดอยางแมนย า สวนการสนสะเทอนทเกดขนกบอากาศยาน ทวดจาก Accelerometer Sensor นนมคาอยในขอบเขตทยอมรบไดคอ แกน X และแกนY มคาอยระหวาง -1 และ 2 2m / s

และ แกน Z มคาอยระหวาง -12 และ -6 2m / s ในสวนของการระบต าแหนงนนอาจจะเกดความผดพลาดของการก าหนดต าแหนงได ซงขนอยกบสภาพภมอากาศ สญญาณรบกวนภายนอก หรอแมกระทงจ านวนดาวเทยมทนบไดในขณะนน ในทกการบนทดสอบจะพบวามปญหาเกดขนไดหลายสาเหต ปญหาสวนใหญทท าใหเกดความเสยหายตอตวอากาศยาน จะเกดจากปญหาการ Failsafe GPS มากสด สญญาณ GPS ถอเปนสงทส าคญส าหรบการบนแบบอตโนมต ดงนนในทกครงกอนการบนแบบอตโนมตควรจะตรวจสอบคาสญญาณใหแนนอน วาอยในเกณฑทปลอดภยหรอไม ปญหาทพบรองลงมาคอ Failsafe Battery แบตเตอรเปนแหลงพลงงานเดยวทใหกบอากาศยาน ดงนนแบตเตอรเปนสงทส าคญทตองใหความสนใจ ควรจะตองรขอบเขตในการใชงานของแบตเตอร วาสามารถบนไดนานเทาไรตอน าหนกของอากาศยาน ควรจะมการตดตววดแรงดนไปกบแบตเตอรขณะบน เพอชวยใชแจงเตอนอกทางหนง สวนปญหาสดทายคอ Failsafe Radio ปญหานจะไมเกดขนถาอากาศยานบนอยในสถานทโลงแจงไมมสงกดขวางสญญาณ ทงสามปญหาการแจงเตอนนนนอกเหนอจากการตรวจสอบดวยตวผบน

 

 

 

 

 

 

 

 

85 กอนท าการบนแลวนน การตงคา Failsafe ในสวนของโปรแกรมกถอวามสวนส าคญทจะลดความเสยหายหรออนตรายทจะเกดขน ควรจะตองท าการตงคาใหถกตองตามหลกการของอปกรณแตละชนด ในทกปญหาทเกดขนยอมเกดความเสยหายทงตอบคคลและตวอากาศยานเอง นอกจากจะตองระมดระวงตรวจสอบอปกรณ ระบบตางๆ การใชงานใหถกตองแลว การออกแบบระบบของโครงสรางของอากาศยานกเปนสวนหนงทชวยลดความเสยหายไดมากพอสมควร ในสวนของโครงสรางและการตดตงอปกรณไมควรใหอปกรณทกอยางยดตดแนนเกนไป ควรจะใหสามารถแยกออกจากกนไดงายเมอเกดการตกของอากาศยาน เพอเปนการกระจายแรงและลดความเสยหายตออปกรณได จากผลการบนทดสอบจะพบวาความเสยหายสวนใหญจะมแคในสวนของใบพดเทานน เพราะในสวนของโครงสรางขาเปนพลาสตกทมความยดหยนสามารถดดตวไดด ลดแรงกระแทกได สวนของแขนกสามารถพบได ท าใหเมอตกแบบเอยงตวแทนทแขนจะรบแรงกระแทกโดนตรง กลดแรงและความเสยหายลงได จากการออกแบบแสดงใหเหนวาน าหนกมผลตอเวลาในการบนเปนอยางมาก และยงสงผลตอขนาดตวล าอกเชนกน ซงในการค านวณหาแรงดนของแบตเตอร ผวจยไมไดน าคาประสทธภาพของแบตเตอรมาคดค านวณดวย จงอาจท าใหเกดความผดพลาดของเวลาในการบนได การพฒนาตอจากนจะท าใหอากาศยานสามารถบนไดนานขนดวยการออกแบบใบพดทใหพลงงานสง ออกแบบเลอกมอเตอรทมการสญเสยพลงงานต า และชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคสทมการจ ากดพลงงาน ดวยวธ Optimization อกตอไป

5.2 ขอเสนอแนะ 1. เนองจากในการทดสอบระบบการบนของอากาศยาน ผวจยไดท าการเลอกใชแบตเตอรกอนใหม ซงอาจจะมประสทธภาพของแบตเตอรถง 100% จงสงผลใหอากาศยานสามารถบนไดตามเวลาทไดท าการออกแบบมา แตเมอแบตเตอรมประสทธภาพลดลง จะเปนสาเหตใหอากาศยานบนไมสามารถบนไดระยะเวลาตามขอก าหนดทไดก าหนดไว 2. ในการตงคาแรงดนในชวงทปลอดภยหรอ Battery Fail Safe สามารถเปลยนแปลงไดขนอยกบน าหนกโดยรวมของอากาศยาน ซงถาอากาศยานมน าหนกมากคาแรงดนจะตองเหลอมากพอทมอเตอรจะสามารถยกตวล าของอากาศยานได 3. น าหนกของตวอากาศยานถอวามสวนส าคญ การทอากาศยานมน าหนกรวมนอยทสดจะชวยประหยดพลงงานและเพมระยะเวลาในการบนได ดงนนในการออกแบบควรจะเลอกใชวสดทแขงแรงและมน าหนกเบาเสมอ

 

 

 

 

 

 

 

 

86 4. ในการน าอากาศยานออกบนควรบนในสภาพอากาศทแจมใส เพอลดปญหาการเกดสญญาณรบกวน ทจะสงผลตอคาความแมนย าของ GPS ซงสญญาณ GPS ถอเปนสงส าคญทใชในการระบต าแหนงการบนในโหมด Loiter, Return To Lanch mode และ Auto ถาสภาพอากาศทแปรปรวนอาจจะท าใหการจบสญญาณจ านวนดาวเทยมลดลง คาความแมนย าลดลง และสงผลตอการบนของอากาศยานได 5. ในการบนของอากาศยานสงทควรค านงมากทสดคอความปลอดภยตอชวตและทรพยสนของผอน กอนออกบนทกครงควรตรวจสอบอปกรณวาอยในสภาพทพรอมใชงานหรอไม

 

 

 

 

 

 

 

 

รายการอางอง ณฐวฒ สวรรณทา (2555). การสรางเฮลคอปเตอรแบบสใบพด. เอกสารประกอบการบรรยาย

มหาวทยาลยมหาสารคาม. pp. 1-34. ธต นลทองค า (2555). การควบคมเสถยรภาพของอากาศยาน4ใบพดโดยใชตวควบคมแบบ

คลาสสค. การประชมวชาการเครอขายวศวกรรมเครองกลแหงประเทศไทย ครงท 26 (ME-NETT 26). โรงแรมดสต ไอสแลนด รสอรท จงหวดเชยงราย. วนท 24-27 ตลาคม 2555.

DiCesare, A., Gustafson, K., and Lindenfelzer, P. (2013). Design Optimization of a Quad-Rotor Capable of Autonomous Flight. Project report (Bachelor of Science In Aerospace/Mechanical Engineering); Worcester Polytechnic Institute. pp. 22-45.

Bousbaine, A., Wu, M.H., and Poyi, G.T. (2012). Modelling and simulation of a quad-rotor helicopter. The 6th IET International Conference On Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2012), March 27-29, 2012. pp. 1-6.

Flynn, E.P. (2013). Low-cost approaches to UAV design using advanced manufacturing techniques. The 3rd IEEE Integrated STEM Education Conference (ISEC), March 9, 2013. pp.1-4.

Gonzalez I., Salazar, S., Romero H., Lozano, R., and Torres, J. (2011). Attitude control of a quad- rotor using speed sensing in brushless DC motors. The 8th International Conference On Electrical Engineering Computing Science and Automatic Control (CCE 2011), October 26-28, 2011. pp. 1-6.

Jaimes, A., Kota, S., and Gomez, J. (2008). An approach to surveillance an area using swarm of fixed wing and quad-rotor unmanned aerial vehicles UAV(s). IEEE International Conference On System of Systems Engineering (SoSE’08). June 2-4, 2008. pp. 1-6.

Rodic A., and Mester, G. (2011). Modeling and simulation of quad-rotor dynamics and spatial navigation. IEEE 9th International Symposium On Intelligent Systems and Informatics (SISY), September 8-10, 2011. pp. 23-28.

Senkul F., and Altug, E. (2013). Modeling and control of novel tilt-Roll rotor quadrotor UAV.

 

 

 

 

 

 

 

 

88

International Conference On Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), May 28-31, 2013. pp. 1071-1076.

Jeong, S.H., and Jung. S. (2011). Design and Control of a small quad-rotor system under practical limitation. The 11th International Conference On Control, Automation and Systems (ICCAS), October 26-29. 2011. pp. 1163-1167.

 

 

 

 

 

 

 

 

ภาคผนวก ก

การประกอบอปกรณ

 

 

 

 

 

 

 

 

90

ก. ขนตอนการประกอบอปกรณ จากรปท ก.1 เปนไดอะแกรมส าหรบเชอมตออปกรณตางๆเขากบบอรด รน APM 2.6 โดยเรมตนจากการตอมอเตอรเขากบชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคส (Electronic Speed Controller: ESC) โดยมอเตอรจะประกอบไปดวย 3 คอสายสด าคอไฟลบ สายสแดงคอไฟบวก และสายสน าเงนจะเปนสายสญญาณ (สอาจเปลยนแปลงตามรนของมอเตอร) และชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคสจะมสายไฟสองฝง ฝงดานบนจะม 2 สาย คอสายสด าและสแดงสองสายนจะเปนสายส าหรบรบกระแสไฟจากแผงจายไฟหลก (Power distribution board) ดงรปท ก.2 สวนฝงดานลางจะม 3 สาย บนตวชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคสจะมตวอกษรก ากบไวคอ A, B และ C โดยสาย B จะเปนสายไฟลบจะตอเขากบมอเตอรสายสด า สวนชอง A และ B จะตอเขากบสายสแดงหรอสน าเงนจากมอเตอร ซงขนอยกบวาตองการใหมอเตอรหมนตามเขมนาฬกาหรอทวนเขมนาฬกาดงรปท ก.3

 

 

 

 

 

 

 

 

91

รปท ก.1

แสดงไดอะ

แกรม

ส าหร

บเชอ

มตออ

ปกรณ

ตางๆ

เขากบ

บอรด A

PM

 

 

 

 

 

 

 

 

92

รปท ก.2 แสดงการตอชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคสกบแผงจายไฟหลก (ทมา : http://copter.ardupilot.com/wiki/initial-setup/assembly-instructions)

รปท ก.3 แสดงการตอมอเตอรกบชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคส (ทมา : http://copter.ardupilot.com/wiki/initial-setup/assembly-instructions)

ชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคสยงมสายแพเหลออย ซงสายนจะตอเขากบบอรด APM ฝง Output ตามชองตางๆ โดยเราจะตอสายใหถกตองตามต าแหนงของมอเตอร ก าหนดใหมลกษณะการก าหนดต าแหนงดงรปท ก.4 สายแพจากชดควบคมความเรวรอบแบบอเลคทรอนคสจะมทงหมด 3 สาย คอ สเหลอง สแดง และสน าตาล การตอสายแพในฝงนจะตอ

 

 

 

 

 

 

 

 

93 เฉพาะสายสเหลองและสน าตาลแตไมตอสายสแดง(เสนกลาง) ดงรปท ก.5 เพราะชองกลางของบอรดจะเปนชองของไฟเลยง เราจะไปเชอมตอกนในฝง Input แทน

รปท ก.4 แสดงรปแบบการตอชอง Output ของอากาศยานสใบพด (ทมา : http://copter.ardupilot.com/wiki/connecting-the-escs-and-motors/)

รปท ก.5 แสดงการตอสายแพฝง Output

 

 

 

 

 

 

 

 

94 ตอมามาดในฝงทาง Input ของบอรด APM ฝงนจะท าการเชอมตอเขากบชดรบสญญาณหรอ Receiver โดยการตอกเชนเดยวกน น าสายตอเขาชองตางๆตามรปท ก.6 ถาเราตอสายเขา Input 1 ฝงบอรด APM ฝงชดรบสญญาณตอจะตองเปนชองท 1 เชนเดยวกน ในชอง Input 4 ผวจยไดตอสายแพครบทงสามชอง เพอใหมไฟเลยง

รปท ก.6 แสดงการเชอมตอชองสญญาณฝง Input กบชดรบสญญาณ (ทมา : http://copter.ardupilot.com/wiki/connecting-your-rc-input-and-motors/)

รปท ก.7 แสดงการตอสญญาณฝง Input กบชดรบสญญาณ

 

 

 

 

 

 

 

 

95 ตอมาท าการตอ GPS เนองจากบอรด APM 2.6 ไมมเขมทศน าทางหรอ Compass หรอ Magnetometer ดงนนจงตองเลอกใช GPS ทม Magnetometer มาในตว ดงนนตว GPS จงม 2 ชองส าหรบตอสาย คอ ชองของ GPS และชองของ Magnetometer ดงรป ก.8 สายทตอออกจากชอง GPS จะตอเขาชอง GPS ของบอรด สวนสายทตอออกจากชองของ Magnetometer จะตอเขาสชอง I2C ดงรปท ก.9

รปท ก.8 แสดงชองของ GPS (ทมา : http://copter.ardupilot.com/wiki/common-installing-3dr-ublox-gps-compass-module/)

รปท ก.9 แสดงการตอ GPS กบ บอรด APM (ทมา : http://copter.ardupilot.com/wiki/common-installing-3dr-ublox-gps-compass-module/)

 

 

 

 

 

 

 

 

96 สวนตอมาคอชดรบ-สงขอมลหรอ Telemetry สามารถใชสายแพเชอมตอเขาทชอง Telem. จากบอรด APMไดเลย ดงรปท ก.10

รปท ก.10 แสดงการตอ Telemetry กบ บอรด APM สวนสดทายคอแหลงจายพลงงาน จากรปท พบวา Power Module มสายใหญสองฝง ซงฝงหนงจะตอเขากบแผงจายไฟหลกทกลาวมาแลวในขางตน สวนอกฝงจะตอเขากบแบตเตอรชนด Lipo และสวนของสายแพจะตอเขาทบอรด บรเวณชอง PM ดงรปท ก.11

รปท ก.11 แสดงการตอ Power Module กบแผงจายไฟหลกและบอรด APM (ทมา : http://copter.ardupilot.com/wiki/initial-setup/assembly-instructions)

 

 

 

 

 

 

 

 

97

รปท ก.12 แสดงการตออปกรณตางๆเขากบ บอรด APM

 

 

 

 

 

 

 

 

ภาคผนวก ข

การท า Auto Waypoint ส าหรบโปรแกรม Mission Planner

 

 

 

 

 

 

 

 

99

ข. การท า Auto Waypoint โดยเรมตนใหท ำกำรเชอมตอบอรด APM กบโปรแกรม Mission Planner หลงจำกนนกดปม Connect เพอท ำกำรเชอมตอ เมอเชอมตอบอรด APM กบโปรแกรม Mission Planner เรยบรอยแลว ใหไปทเมน FLIGHT PLAN จะปรำกฏหนำตำงดงรป ข.1

รปท ข.1 แสดงหนำตำง FLIGHT PLAN

(ก) (ข)

รปท ข.2 แสดงหนำตำง Action (ก) แสดงกรณไมได Connect (ข) แสดงกรณท ำกำร Connect

 

 

 

 

 

 

 

 

100

รปท ข.3 แสดงหนำตำง Waypoint กอนอนขออธบำยค ำสงตำงๆทอยในเมน FLIGHT PLAN ทงในสวนค ำสง Waypoint และ Action โดยมควำมหมำยและหนำทดงตอไปน สวน Waypoint

WP Radius หรอ Waypoint Radius คอ รศมของต ำแหนงทเลอก Loiter Radius คอ รศมกำรลอคควำมสงและต ำแหนงดวย GPS Default Alt คอ ระดบควำมสงทไดท ำกำรตงคำไว Add Below คอ กำรเพมตำรำง Command คอ ชองส ำหรบใสโหมดทตองกำรในต ำแนงนนๆ Lat หรอ Latitude คอ กำรแสดงคำละตจดในต ำแหนงทเลอก Long หรอ Longitude คอ กำรแสดงคำลองจจดในต ำแหนงทเลอก Alt คอ ระดบควำมสงทตองกำร Delete คอ ค ำสงทใชลบบรรทดทไมตองกำร Up คอ ค ำสงทใชเลอนบรรทดทเลอกขนดำนบน Down คอ ค ำสงทใชเลอนบรรทดทเลอกลงดำนลำง

สวน Action Load WP File หรอ Load Waypoint File คอ กำรเรยกไฟล Waypoint ทบนทกไว

ออกมำใชงำน Save WP File หรอ Save Waypoint File คอ กำรบนทกไฟล Waypoint Read WPs หรอ Read Waypoint คอ กำรอำนไฟล Waypoint Write WPs หรอ Write Waypoint คอ กำรเขยนหรอบนทกไฟล Waypoint ลงบอรด

APM Home Location คอ ค ำสงทใชอพเดทต ำแหนงลำสดของอำกำศยำน Mouse Location คอ แสดงต ำแหนงของลกศรทชบนแผนภำพ

 

 

 

 

 

 

 

 

101

Lat หรอ Latitude คอ กำรแสดงคำละตจดในต ำแหนงทเลอก Long หรอ Longitude คอ กำรแสดงคำลองจจดในต ำแหนงทเลอก Alt คอ กำรแสดงระดบควำมสงทเลอก

เรมแรกใหกด Home Location เพอจะเปนกำรอพเดทต ำแหนงลำสดทอำกำศยำนนนอย ดงรปท ข.4 จะปรำกฏต ำแหนง Home ขนมำ ถำหำกตองกำรใหต ำแหนง Home เปนต ำแหนงเรมตน ใหท ำกำรกด Add Below เพอเพมตำรำงค ำสง ในชอง Command ดงรปท ข.5 ผวจยเลอกโหมดเปน TAKEOFF ท Alt 2 หมำยควำมวำทต ำแหนงนตองกำรใหอำกำศยำนลอยตวขนไปทระดบ 2 เมตร เสรจแลวท ำกำรเลอกต ำแหนงทสองทตองกำร โดยต ำแหนงนผวจยก ำหนดควำมสงเปน 20 เมตร ในต ำแหนงทสำมกเชนเดยวกนกบต ำแหนงทสอง ในต ำแหนงทส ผวจยก ำหนดใหเปนโหมด Return To Lunch คอตองกำรใหอำกำศยำนบนกลบไปทต ำแหนง Home และในต ำแหนงสดทำยก ำหนดใหเปนโหมด Land ท Alt 2 คอผวจยก ำหนดใหเปนต ำแหนงในกำรลงจอดของอำกำศยำน โดยระดบควำมสงจะเรมลดจำกต ำแหนงทสำมคอ 20 เมตร ลดลงมำเรอง ๆ จนถงระดบควำมสง 2 เมตร ทต ำแหนง Home แลวท ำกำรลงจอด ดงรปท ข.6

รปท ข.4 แสดงต ำแหนง Home

 

 

 

 

 

 

 

 

102

รปท ข.5 แสดงโหมดตำงๆในชอง Command

รปท ข.6 แสดงหนำตำง FLIGHT PLAN ทมกำรก ำหนด Waypoint เมอเรำท ำกำรก ำหนด Waypoint เรยบรอยแลวใหกด WriteWPs เพอเปนกำรบนทกขอมลลงสบอรด APM เพยงเทำนกสำมำรถท ำกำรบนแบบ Auto Waypoint ไดแลว แตอยำลมท ำกำรตงคำวทยบงคบใหมโหมดส ำหรบกำรบน Auto ดวย จงจะสำมำรถท ำงำนใหโหมดนไดอยำงสมบรณ

 

 

 

 

 

 

 

 

ภาคผนวก ค

รายละเอยดโปรแกรม Lab View ส าหรบการควบคมวทยบงคบ

 

 

 

 

 

 

 

 

104

รปท ค.1 แสดงรายละเอยดโปรแกรม Lab View ส าหรบการ Start

รปท ค.2 แสดงรายละเอยดโปรแกรม Lab View ส าหรบการ Armed

 

 

 

 

 

 

 

 

105

รปท ค.3 แสดงรายละเอยดโปรแกรม Lab View ส าหรบการ Throttle Up

รปท ค.4 แสดงรายละเอยดโปรแกรม Lab View ส าหรบการ Auto

 

 

 

 

 

 

 

 

106

รปท ค.5 แสดงรายละเอยดโปรแกรม Lab View ส าหรบการ Throttle Down

 

 

 

 

 

 

 

 

ภาคผนวก ง

รายการตรวจสอบกอนการบนอากาศยานสใบพด

 

 

 

 

 

 

 

 

108

ง. รายการตรวจสอบกอนการบนอากาศยานสใบพด เนองจากการบนอากาศยานสใบพดนนถอวามความเสยงทจะสามารถเกดอนตรายตอคน สตว สงของและทรพยสนไดตลอดเวลา ดงนนเพอความปลอดภยและปองกนการเกดความเสยหายจากตวอากาศยาน จงควรมการตรวจสอบโครงสราง อปกรณ และคาการสงสญญาณตางๆ ใหอยในสภาพทถกตองและพรอมใชงาน ในสวนนทางผวจยไดรวบรวมรายการการตรวจสอบพนฐาน เพอลดความเสยงในการเกดอนตรายทมาจากอากาศยานสใบพด

โครงสราง : ตรวจสอบความแขงแรงของโครงสรางและไมมรอยแตกหก ตรวจสอบความหนาแนนของการยดตดระหวางชนสวนของโครงสราง ใบพด : ตรวจสอบสภาพใบพดใหอยในสภาพพรอมใชงาน ไมมรอยแตกหกหรอเสยหาย ตรวจสอบการตดตงใหถกตองตามทศทางการหมนของมอเตอร ตรวจสอบการยดตดของใบพดกบแกนของมอเตอร ใหมความหนาแนน ตรวจสอบการหมนของใบพด สามารถหมนไดอยางราบรน ไมมวตถอยในระนาบการหมนของใบพด มอเตอร : ตรวจสอบระบบสายไฟวาไมมการขาดหรอช ารด ตรวจสอบทศทางการหมนใหถกตองตามลกษณะของอากาศยานสใบพด ตรวจสอบการตดตงมอเตอรกบโครงสรางของอากาศยาน แบตเตอร : ตรวจสอบคาแรงดนของแบตเตอรใหมคาแรงดนเตมความจของแบตเตอร ตรวจสอบการตดต งอยางปลอดภย มสายรดหนาแนน ไมเกดการหลดของแบตเตอรขณะบน วทยบงคบ : ตรวจสอบโหมดการบนใหถกตองกบการใชงาน ตรวจสอบการสงสญญาณในระยะควบคมการบน

 

 

 

 

 

 

 

 

109

โปรแกรม Mission Planner : ตรวจสอบสญญาณ GPS จะตองแสดง 3D Fix เพอแสดงการตรวจจบของสญญา ตรวจสอบคาความแมนย าของสญญาณ GPS (gpshdop) ตองมคาอยระหวาง 1.5 – 2.0 ตรวจสอบจ านวนดาวเทยม (Stascount) ทท าการตรวจจบได ตองสามารถตอง จบไดมากกวา 4 ดวงขนไป

ตรวจสอบสภาพอากาศทเหมาะสม ทองฟาเปด ลมสงบ ตรวจสอบสภาพพนท สภาพแวดลอม ทจะใชในการบน ใหอยในบรเวณทโลงแจง

หลกเลยงการบนเหนอคน สตว สงของและบานเรอน เพอไมใหเกดความบาดเจบและเสยหายตอทรพยสน

กอนเรมบนดวยโหมดการบน Auto Mode นน จะตองท าการบนทดสอบในโหมดการบน Loiter Mode กอน เพอตรวจสอบการจบสญญาณของ GPS ทสามารถรกษาพกดต าแหนงและความสงของอากาศยานได

 

 

 

 

 

 

 

 

ภาคผนวก จ

บทความทไดรบการตพมพเผยแพร

 

 

 

 

 

 

 

 

111

รายชอบทความทางวชาการทไดรบการตพมพเผยแพร

Patthama Chooklin, Kontorn Chamniprasart and Chalothorn Thumthae. (2014). DESIGN AND PROTOTYPING OF MULTI-ROTOR AIRCRAFT WITH AUTOMATE MOTION CONTROL. THE 8th SOUTH EAST ASIAN TECHNICAL UNIVERSITY CONSORTIUM (SEATUC) SYMPOSIUM, 4 pp. March 3th -5th, 2014, Johor Bahru, Malaysia.

 

 

 

 

 

 

 

 

112

 

 

 

 

 

 

 

 

113

 

 

 

 

 

 

 

 

114

 

 

 

 

 

 

 

 

115

 

 

 

 

 

 

 

 

ประวตผเขยน

นางสาวปทมา ชกลน เกดเมอวนท 27 พฤศจกายน 2531 ทจงหวดกรงเทพมหานคร เรมการศกษาระดบอนบาลถงช นประถมศกษาปท 6 ทโรงเรยนเยาวลกษณวทยาธนบร ระดบมธยมศกษาชนปท 1-6 ทโรงเรยนรตนโกสนทรสมโภชบางขนเทยน และส าเรจการศกษาวศวกรรมศาสตรบณฑต (วศวกรรมการผลต) จากส านกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร จงหวดนครราชสมา เมอ พ.ศ. 2553 จากนนไดศกษาตอระดบวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวศวกรรมเครองกล ณ สถาบนการศกษาเดม

ขณะศกษาระดบปรญญาโท ไดเปนผสอนปฏบตการรายวชาระดบปรญญาตรของสาขาวชาวศวกรรมเครองกล จ านวน 6 รายวชา ไดแก

(1) การเขยนแบบวศวกรรม 1

(2) การเขยนแบบวศวกรรม 2

(3) ปฏบตการวศวกรรมเครองกล 1

(4) ปฏบตการวศวกรรมเครองกล 2

(5) ปฏบตการวศวกรรมเครองกล 3

(6) MATLAB ผลงานวจย : ไดน าเสนอบทความเรอง Design and Prototyping of Quad-Rotor Aircraft with Automate Motion Control ในการประชมวชาการ The 8th South East Asian Technical University Consortium (SEATUC) Symposium ระหวางวนท 3-5 มนาคม พ.ศ. 2557 ณ เมอง ยะโฮรบาหร ประเทศมาเลเซย มรายละเอยดดงแสดงในภาคผนวก จ.