UAV กับ UAS และการมองเป็นระบบ

ทำไมต้องรู้

คนทั่วไปเรียกทุกอย่างว่า “โดรน” แต่เมื่อโดรนบินไปแล้วภาพบนจอค้าง ต้องถามต่อว่าปัญหาอยู่ที่ตัวลำ ที่สัญญาณวิทยุ ที่กล้อง หรือที่แอปบนแท็บเล็ต ถ้ามองโดรนเป็นแค่ “เครื่องบินเล็ก ๆ” เราจะแก้ผิดจุด วิชานี้จึงเริ่มจากการมองโดรนเป็น ระบบ ที่มีหลายส่วนทำงานร่วมกัน

ทั้งวิชาใช้กรณีสมมติเดียว: ทีมนักศึกษาเตรียมภารกิจถ่ายภาพสำรวจอาคารในวิทยาเขตด้วยโดรนสี่ใบพัด เริ่มจากทำความเข้าใจระบบ ฝึกในเครื่องจำลอง วางภารกิจ และตรวจความพร้อมก่อนบินจริง โค้ด Python ของทุกโมดูลดาวน์โหลดได้ที่ /downloads/uat-201/

UA, UAV, UAS และ RPAS

องค์การการบินพลเรือนระหว่างประเทศ (ICAO) นิยามคำเหล่านี้ไว้ดังนี้

คำว่า UAS จึงกว้างกว่าตัวอากาศยาน เหมือนคำว่า “ระบบรถไฟฟ้า” ที่ไม่ได้หมายถึงตัวรถอย่างเดียว แต่รวมราง สถานี ระบบอาณัติสัญญาณ และพนักงานด้วย

องค์ประกอบของ UAS

• อากาศยาน (UA) โครง ระบบขับเคลื่อน ตัวควบคุมการบิน (flight controller) และเซนเซอร์ เช่น IMU, GNSS, บารอมิเตอร์
• Payload อุปกรณ์ที่ทำภารกิจ เช่น กล้องถ่ายภาพ กล้องความร้อน หรือถังพ่นสาร
• สถานีควบคุม (remote pilot station หรือ ground control station, GCS) รีโมตและซอฟต์แวร์ เช่น QGroundControl หรือ Mission Planner
• C2 link (command and control link) ลิงก์ข้อมูลระหว่างอากาศยานกับสถานีควบคุม เพื่อสั่งการและติดตามการบิน
• ทีมงาน ผู้บังคับ ผู้สังเกตการณ์ และผู้ควบคุมกล้อง
• ส่วนสนับสนุน แบตเตอรี่ เครื่องชาร์จ อะไหล่ คู่มือ และบันทึก

ซอฟต์แวร์ควบคุมการบินแบบเปิดที่ใช้แพร่หลายมีสองโครงการคือ ArduPilot และ PX4 ส่วนโดรนสำเร็จรูปจากผู้ผลิต (COTS, commercial off-the-shelf) ใช้งานง่าย แต่มักแก้ไขหรือเปลี่ยนชิ้นส่วนได้น้อยกว่าระบบที่ประกอบเอง

แกนการหมุนสามแกน

อากาศยานหมุนได้รอบสามแกน ผู้บังคับและ log ของตัวควบคุมการบินใช้คำเหล่านี้ตลอดเวลา

• Roll หมุนรอบแกนหน้า–หลัง ลำเอียงซ้ายหรือขวา
• Pitch หมุนรอบแกนซ้าย–ขวา หัวลำก้มหรือเงย
• Yaw หมุนรอบแกนดิ่ง หัวลำเปลี่ยนทิศ

ทิศที่หัวลำชี้ (heading) อาจต่างจากทิศที่ลำเคลื่อนที่จริง (track) เมื่อมีลมหรือบินด้านข้าง

หน่วยต้องถูกก่อนคำนวณ

ตัวเลขจากฉลากแบตเตอรี่ เซนเซอร์ และ log มักใช้หน่วยต่างกัน ต้องแปลงให้ตรงกันก่อนใช้สูตร

import math

capacity_mah, v_nominal = 5000, 22.2
capacity_ah = capacity_mah / 1000
energy_wh = v_nominal * capacity_ah
print(f"{capacity_mah} mAh = {capacity_ah} Ah; energy {energy_wh:.0f} Wh = {energy_wh * 3600:,.0f} J")

heading_deg = 90
print(f"{heading_deg} deg = {math.radians(heading_deg):.6f} rad")

5000 mAh = 5.0 Ah; energy 111 Wh = 399,600 J
90 deg = 1.570796 rad

ความเร็วของข้อมูลก็สำคัญ ถ้าสถานีควบคุมได้รับข้อมูลตำแหน่ง 5 ครั้งต่อวินาที โดรนที่บินเร็วก็เคลื่อนไปไกลระหว่างข้อมูลแต่ละชุด

speed = 10.0                     # m/s
for rate_hz in (10, 5, 1):
    print(f"telemetry {rate_hz:>2} Hz: drone moves {speed / rate_hz:.1f} m between updates")
link_loss_s = 2.0
print(f"a {link_loss_s:.0f} s link loss at {speed:.0f} m/s = {speed * link_loss_s:.0f} m without new data")

telemetry 10 Hz: drone moves 1.0 m between updates
telemetry  5 Hz: drone moves 2.0 m between updates
telemetry  1 Hz: drone moves 10.0 m between updates
a 2 s link loss at 10 m/s = 20 m without new data

ภาพบนจอจึงเป็นอดีตเสมอ ยิ่งข้อมูลมาช้าหรือขาดหาย ผู้บังคับยิ่งเห็นตำแหน่งที่ไม่ตรงกับความจริง นี่คือเหตุผลที่ต้องมองเห็นอากาศยานด้วยตาตามกฎหมาย และต้องรู้ว่าระบบทำอะไรเมื่อลิงก์ขาด (โมดูล 4)

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• UA คืออากาศยาน ส่วน UAS รวมสถานีควบคุม C2 link payload ทีมงาน และส่วนสนับสนุน
• การมองเป็นระบบช่วยไล่หาปัญหาได้ถูกระบบย่อย
• Roll pitch yaw เป็นการหมุนรอบสามแกน และ heading อาจต่างจาก track
• ต้องแปลงหน่วยก่อนคำนวณ และระยะระหว่างข้อมูลแต่ละชุดคือความเร็วหารอัตราข้อมูล

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. UAS ต่างจาก UA อย่างไร
2. แบตเตอรี่ 14.8 V 2200 mAh มีพลังงานกี่ Wh
3. 45° เท่ากับกี่เรเดียน (ทศนิยม 4 ตำแหน่ง)
4. โดรนบิน 8 m/s ได้ข้อมูลตำแหน่ง 4 Hz เคลื่อนไปกี่เมตรระหว่างข้อมูลแต่ละชุด
5. ภาพบนจอค้าง แต่โดรนยังลอยนิ่งที่เดิม ปัญหาน่าจะอยู่ที่ระบบย่อยใด