ประเภทอากาศยานและภารกิจ

ทำไมต้องรู้

ไม่มีโดรนแบบใดดีที่สุดสำหรับทุกงาน โดรนสี่ใบพัดลอยค้างถ่ายภาพหน้าต่างอาคารได้สบาย แต่บินสำรวจพื้นที่นาหลายร้อยไร่แล้วแบตเตอรี่หมดก่อนเสร็จ ส่วนเครื่องบินปีกตรึงบินได้นานและไกล แต่หยุดค้างกลางอากาศไม่ได้และต้องมีที่ขึ้นลง การเลือกประเภทอากาศยานให้ตรงภารกิจตั้งแต่ต้นจึงประหยัดทั้งเงินและเวลา

ประเภทอากาศยานไร้คนขับ

ประกาศ กพท. ปี 2569 แบ่งสิทธิทำการของผู้บังคับตามประเภทอากาศยานเป็น Rotorcraft (รวมหลายใบพัดและเฮลิคอปเตอร์) Aeroplane, Powered lift และ Lighter-than-air ซึ่งจะเรียนต่อในโมดูล 5

แรงทั้งสี่และการบังคับโดรนสี่ใบพัด

อากาศยานทุกชนิดอยู่ภายใต้แรง ยก (lift) น้ำหนัก (weight) แรงขับ (thrust) และ แรงต้าน (drag) สำหรับโดรนหลายใบพัด แรงขับจากใบพัดทำหน้าที่ทั้งยกและผลัก เมื่อโดรนเอียง แรงขับส่วนหนึ่งจะดันลำไปด้านข้าง เหมือนคนที่เอนตัวไปข้างหน้าแล้วเริ่มเดิน

ในผัง Quad X ของ ArduPilot มอเตอร์ 1 (หน้าขวา) และ 2 (หลังซ้าย) หมุนทวนเข็ม มอเตอร์ 3 (หน้าซ้าย) และ 4 (หลังขวา) หมุนตามเข็ม

• ขึ้นหรือลง เร่งหรือลดทุกมอเตอร์พร้อมกัน
• Roll และ pitch เร่งมอเตอร์ด้านหนึ่งและลดอีกด้าน ลำจึงเอียง
• Yaw ใบพัดที่หมุนทำให้ตัวลำถูกบิดไปในทิศตรงข้าม เมื่อลอยนิ่ง แรงบิดของคู่ทวนเข็มและคู่ตามเข็มหักล้างกัน ถ้าเร่งคู่หนึ่งและลดอีกคู่ แรงบิดจะไม่สมดุล ลำจึงหัน

ถ้าต่อสายมอเตอร์ผิดลำดับหรือใส่ใบพัดกลับด้าน โดรนจะพลิกทันทีที่ขึ้นบิน นี่คือเหตุผลที่ต้องทดสอบมอเตอร์ทีละตัวโดยถอดใบพัดตามคู่มือก่อนบินครั้งแรก

import math

g, rho = 9.81, 1.225                  # m/s², kg/m³ (อากาศมาตรฐานที่ระดับน้ำทะเล)

quad_mass, motors = 1.4, 4            # kg
hover_per_motor = quad_mass * g / motors
print(f"quad {quad_mass} kg: each motor must give {hover_per_motor:.2f} N ({hover_per_motor / g * 1000:.0f} gf) to hover")

wing_mass, wing_area, cl = 2.5, 0.5, 0.8   # kg, m², สัมประสิทธิ์แรงยก
v_min = math.sqrt(2 * wing_mass * g / (rho * wing_area * cl))
print(f"fixed-wing {wing_mass} kg: lift equals weight at {v_min:.1f} m/s ({v_min * 3.6:.0f} km/h)")

quad 1.4 kg: each motor must give 3.43 N (350 gf) to hover
fixed-wing 2.5 kg: lift equals weight at 10.0 m/s (36 km/h)

เลือกอากาศยานให้ตรงภารกิจ

ให้คะแนนแต่ละตัวเลือกตามเกณฑ์ที่สำคัญต่อภารกิจ โดยถ่วงน้ำหนักตามความสำคัญ ตรวจเงื่อนไขที่ขาดไม่ได้ก่อน เช่น ภารกิจที่ต้องลอยค้าง ตัวเลือกที่ลอยค้างไม่ได้ก็ตกไปทันที

options = {"multirotor": (3, 1, 3, 3), "fixed-wing": (0, 3, 1, 2), "VTOL": (3, 3, 3, 1)}
missions = {
    "building inspection": {"weights": (0.4, 0.1, 0.3, 0.2), "must_hover": True},
    "5 km² field mapping": {"weights": (0.0, 0.5, 0.2, 0.3), "must_hover": False},
}
for name, m in missions.items():
    scores = {}
    for opt, s in options.items():
        if m["must_hover"] and s[0] == 0:
            continue                                   # ตกเงื่อนไขที่ขาดไม่ได้
        scores[opt] = sum(w * v for w, v in zip(m["weights"], s))
    ranked = sorted(scores.items(), key=lambda kv: kv[1], reverse=True)
    print(f"{name}: " + ", ".join(f"{o} {v:.2f}" for o, v in ranked))

building inspection: multirotor 2.80, VTOL 2.60
5 km² field mapping: VTOL 2.40, fixed-wing 2.30, multirotor 2.00

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• อากาศยานแต่ละประเภทแลกกันระหว่างการลอยค้าง เวลาบิน พื้นที่ขึ้นลง และความซับซ้อน
• โดรนหลายใบพัดเอียงด้วยแรงขับต่างกัน และหันด้วยแรงบิดของใบพัดคู่ทวนเข็มกับคู่ตามเข็ม
• แรงขับต่อมอเตอร์ขณะลอยตัวคือ $mg/n$ และปีกต้องมีความเร็วพอจึงยกน้ำหนักได้
• เลือกอากาศยานด้วยเงื่อนไขที่ขาดไม่ได้ก่อน แล้วใช้ตารางถ่วงน้ำหนัก

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. โดรนหกใบพัดมวล 3.0 kg แต่ละมอเตอร์ต้องให้แรงขับเท่าใดขณะลอยตัว ($g=9.81$)
2. ถ้าเพิ่มพื้นที่ปีกเป็นสองเท่า ความเร็วที่แรงยกเท่าน้ำหนักจะเปลี่ยนอย่างไร
3. ในผัง Quad X ของ ArduPilot มอเตอร์ใดหมุนตามเข็มนาฬิกา
4. ภารกิจที่ต้องถ่ายภาพหน้าต่างอาคารระยะใกล้ ควรใช้อากาศยานประเภทใด เพราะอะไร
5. ทำไมเครื่องบินปีกตรึงจึงบินได้นานกว่าโดรนหลายใบพัดที่ใช้แบตเตอรี่เท่ากัน