เลือกและติดตั้งอุปกรณ์

ทำไมต้องรู้

โดรนที่ประกอบจากชิ้นส่วนดีทุกชิ้นอาจบินไม่ได้ ถ้าชิ้นส่วนเหล่านั้นไม่เข้ากัน เช่น ขั้วต่อหน้าตาเหมือนกันแต่เรียงขาไม่ตรงกัน ใบพัดดึงกระแสเกินกว่าที่ ESC รับได้ หรือกล้องที่ติดเพิ่มทำให้ศูนย์มวลเลื่อนจนมอเตอร์ตัวหนึ่งทำงานหนักตลอดเวลา งานของช่างประกอบจึงเริ่มก่อนขันน็อตตัวแรก คือคำนวณและวางแผนให้แน่ใจว่าทุกชิ้นทำงานร่วมกันได้ แล้วบันทึกไว้ให้คนอื่นตรวจซ้ำได้

โมดูลนี้ใช้กรณีสมมติเดียวกันทั้งวิชา: โดรนสี่ใบพัดสำหรับถ่ายภาพสำรวจ ของหน่วยงานหนึ่ง ใช้แบตเตอรี่ 6 เซลล์ และติดกล้องไว้ด้านหน้า

แผนผังการเชื่อมต่อ

แผนผังการเชื่อมต่อ (connection diagram) คือแผนที่ของสายทุกเส้นในลำ บอกว่าเส้นไหนเป็นไฟกำลัง เส้นไหนเป็นข้อมูล และข้อมูลไหลทางใด คล้ายแผนผังไฟฟ้าในบ้านที่ช่างไฟต้องมีก่อนเดินสาย

• ไฟกำลัง ไหลจากแบตเตอรี่ผ่าน โมดูลวัดไฟ (power module) ไปยัง ESC และมอเตอร์ เส้นนี้กระแสสูงหลายสิบแอมแปร์ ต้องใช้สายและขั้วต่อที่รับกระแสได้
• ข้อมูลแรงดันและกระแส จากโมดูลวัดไฟเข้าตัวควบคุมการบิน ใช้คำนวณพลังงานที่เหลือและสั่ง failsafe
• คำสั่งมอเตอร์ จากตัวควบคุมการบินไป ESC ESC รุ่นใหม่นิยมใช้โพรโทคอลดิจิทัล DShot ซึ่งเอกสาร ArduPilot แนะนำ DShot600 สำหรับบอร์ดส่วนใหญ่ และ ESC แบบ DShot หรือแบบเชื่อมผ่านบัส CAN (DroneCAN) ไม่ต้องสอบเทียบช่วงสัญญาณเหมือน ESC แบบ PWM
• อุปกรณ์รอบตัวควบคุม เช่น GNSS และเข็มทิศ ตัวรับวิทยุบังคับ วิทยุ telemetry และกล้อง แต่ละตัวใช้พอร์ตและโพรโทคอลต่างกัน เช่น UART, I2C หรือ CAN

บัญชีมวลและศูนย์มวล

บัญชีมวล (mass budget) คือตารางมวลของทุกชิ้นส่วน รวมทั้งของที่มักถูกลืม เช่น สายไฟ ขั้วต่อ ฐานยึด และสายรัด ศูนย์มวล (centre of gravity, CG) คือจุดที่ถ้าเอานิ้วรองไว้ โดรนจะสมดุล หาได้จากค่าเฉลี่ยของตำแหน่งแต่ละชิ้นถ่วงด้วยมวล โดยทุกชิ้นต้องวัดจากจุดอ้างอิง (origin) เดียวกัน

$x_{CG}=\frac{{\sum }_i{m}_i{x}_i}{{\sum }_i{m}_i}$

ถ้า CG ไม่อยู่ใต้จุดกึ่งกลางของมอเตอร์ทั้งสี่ มอเตอร์ฝั่งที่ใกล้ CG ต้องทำงานหนักกว่าเพื่อให้ลำไม่เอียง ทำให้เหลือแรงสำรองน้อยลงและแบตเตอรี่หมดเร็วขึ้น คู่มือช่างอากาศยานของ FAA ใช้หลักเดียวกันในการคำนวณน้ำหนักและสมดุลของเครื่องบิน

parts = {  # ชื่อ: (มวล kg, ตำแหน่ง x m; บวก = ไปทางหัว)
    "frame": (0.62, 0.0), "motors": (0.34, 0.0), "ESCs": (0.10, 0.0), "FC + GNSS": (0.09, 0.02),
    "battery": (0.72, -0.03), "camera": (0.35, 0.12), "wiring and mounts": (0.12, 0.0),
}
mass = sum(m for m, _ in parts.values())
cg_x = sum(m * x for m, x in parts.values()) / mass
print(f"total mass {mass:.2f} kg, CG {cg_x * 1000:+.1f} mm from the frame centre")

others = sum(m * x for name, (m, x) in parts.items() if name != "battery")
battery_x = -others / parts["battery"][0]
print(f"move the battery to x = {battery_x * 1000:+.1f} mm to centre the CG")

total mass 2.34 kg, CG +9.5 mm from the frame centre
move the battery to x = -60.8 mm to centre the CG

แรงขับ กระแส และพลังงาน

อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก (thrust-to-weight ratio, TWR) คือแรงขับสูงสุดรวมหารด้วยน้ำหนัก ทั้งสองต้องเป็นแรงหน่วยเดียวกัน (นิวตัน) น้ำหนัก $W=mg$ ต่างจากมวล $m$ ค่าแรงขับต้องมาจาก ตารางผลทดสอบของผู้ผลิต ที่ตรงกับมอเตอร์ ใบพัด และแรงดันที่ใช้จริง ค่า KV ของมอเตอร์ไม่ได้บอกแรงขับ มอเตอร์ตัวเดียวกันกับใบพัดต่างกันให้แรงขับและดึงกระแสต่างกัน

g = 9.81
weight = mass * g
max_thrust_per_motor = 14.0   # N จากตารางทดสอบของชุดมอเตอร์ ใบพัด และแรงดันนี้
twr = 4 * max_thrust_per_motor / weight
hover_share = weight / 4 / max_thrust_per_motor
print(f"weight {weight:.2f} N, TWR {twr:.2f}, hover needs {hover_share:.0%} of max thrust per motor")

esc_rating, max_motor_current = 30, 22   # A
print(f"ESC current margin {(esc_rating - max_motor_current) / esc_rating:.0%}")

weight 22.96 N, TWR 2.44, hover needs 41% of max thrust per motor
ESC current margin 27%

พลังงานของแบตเตอรี่โดยประมาณคือแรงดันระบุคูณความจุ แล้วหารด้วยกำลังเฉลี่ยเพื่อได้เวลา สูตรนี้เป็นแบบจำลองตั้งต้น เพราะแรงดันและกำลังเปลี่ยนตามโหลด อุณหภูมิ และอายุแบตเตอรี่

v_nominal, capacity_ah = 22.2, 5.0          # 6S 5000 mAh
usable_wh = v_nominal * capacity_ah * 0.80  # สมมติจัดสรรใช้ได้ 80% ของพลังงานระบุ
hover_power = 4 * 62                        # W จากตารางทดสอบที่แรงขับขณะลอยตัว
print(f"nominal {v_nominal * capacity_ah:.0f} Wh, usable {usable_wh:.1f} Wh, "
      f"hover about {usable_wh / hover_power * 60:.1f} min")

nominal 111 Wh, usable 88.8 Wh, hover about 21.5 min

ตัวเลข 80% และ 62 W ต่อมอเตอร์เป็นสมมติฐานของตัวอย่างนี้ ห้ามนำไปใช้กับลำอื่นโดยไม่ตรวจ เวลาที่ได้ต้องยืนยันด้วยการบินทดสอบที่อ่าน log แรงดันและกระแสจริง ซึ่งจะทำในโมดูล 2

ติดตั้งให้เข้ากัน

ความเข้ากันได้มีสามด้าน และควรตรวจทุกด้านก่อนจ่ายไฟครั้งแรก

เข็มทิศควรอยู่ห่างจากสายกระแสสูงและมอเตอร์ เพราะกระแสทำให้เกิดสนามแม่เหล็กรบกวน จึงนิยมติด GNSS และเข็มทิศบนเสาสูง ส่วนตัวควบคุมการบินควรยึดบนฐานลดการสั่นแต่ต้องไม่หลวมจนขยับอิสระ

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• แผนผังและบัญชีการเชื่อมต่อบอกไฟกำลัง ข้อมูล และโพรโทคอลของทุกเส้น
• บัญชีมวลต้องครบทุกชิ้น CG คำนวณจากผลรวม $m_i{x}_i$ หารมวลรวม โดยใช้ origin เดียวกัน
• TWR ใช้แรงขับจากตารางทดสอบที่ตรงชุดจริง และต้องตรวจส่วนเผื่อกระแสของ ESC
• เวลาบินจากพลังงานหารกำลังเป็นแบบจำลองตั้งต้นที่ต้องยืนยันด้วย log
• ตรวจความเข้ากันได้ทั้งทางกล ไฟฟ้า และข้อมูล และถอดใบพัดทุกครั้งเมื่อทดสอบบนโต๊ะ

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. ชิ้นส่วน 2 kg อยู่ที่ $x=0$ และ 0.5 kg อยู่ที่ $x=0.20$ m CG อยู่ที่ใด
2. โดรนมวล 2.0 kg มีแรงขับสูงสุดรวม 49.05 N TWR เท่าใด (ใช้ $g=9.81$)
3. แบตเตอรี่ 4S (14.8 V) 5200 mAh มีพลังงานระบุกี่ Wh
4. พลังงานใช้ได้ 88.8 Wh กำลังเฉลี่ย 400 W บินได้ประมาณกี่นาที
5. ทำไมต้องถอดใบพัดก่อนทดสอบมอเตอร์บนโต๊ะ