สอบเทียบและทดสอบ

ทำไมต้องรู้

ตัวควบคุมการบินรู้จักโลกผ่านเซนเซอร์เท่านั้น ถ้า accelerometer เข้าใจว่าพื้นเอียง 3° โดรนจะดริฟต์ไปข้างหนึ่งตลอดเวลา ถ้าเข็มทิศถูกรบกวน โดรนอาจบินวนเป็นวงก้นหอย (toilet bowl) และถ้าระบบวัดแบตเตอรี่อ่านแรงดันผิด failsafe จะทำงานช้าเกินไปจนแบตเตอรี่หมดกลางอากาศ การสอบเทียบคือการสอนให้เครื่องวัดทุกตัวอ่านค่าตรงกับความจริง แล้วใช้การบินทดสอบกับ log เป็นหลักฐานว่าสอนสำเร็จ

ลำดับการสอบเทียบ

ลำดับนี้สำคัญ เพราะขั้นหลังพึ่งขั้นก่อน เช่น ถ้าตั้งทิศติดตั้งของบอร์ดผิด การสอบเทียบ accelerometer ทั้งหมดจะผิดตาม

1. รุ่น firmware และชนิดกรอบ บันทึกรุ่นไว้ทุกครั้ง เพราะชื่อพารามิเตอร์และขั้นตอนเปลี่ยนตามรุ่น
2. ทิศติดตั้ง (board orientation) บอกระบบว่าบอร์ดหันทางไหนเทียบกับลำ
3. Accelerometer 6 ท่า วางลำนิ่งในหกทิศ (ราบ ตะแคงซ้าย ตะแคงขวา หัวก้ม หัวเงย และคว่ำ) เพื่อหาค่าชดเชยและสเกลของแต่ละแกน
4. Level บอกว่าท่าราบของลำคือท่าไหน เอกสาร ArduPilot ระบุว่าใช้ชดเชยมุมที่บอร์ดติดเอียงจากลำได้ไม่เกินประมาณ 10°
5. เข็มทิศ หมุนลำให้ครบทุกทิศ ทำกลางแจ้งห่างโครงเหล็กและรถยนต์ ถ้าติดตั้งอุปกรณ์ใหม่ใกล้เข็มทิศต้องสอบเทียบใหม่
6. วิทยุบังคับ ให้ระบบรู้ช่วงปลายสุดและกึ่งกลางของแต่ละช่อง
7. ESC และทดสอบมอเตอร์ ESC แบบ PWM ต้องสอบเทียบช่วงสัญญาณ ส่วน ESC แบบ DShot หรือ DroneCAN ไม่ต้อง จากนั้นใช้คำสั่งทดสอบมอเตอร์ทีละตัว โดยถอดใบพัด เพื่อยืนยันลำดับและทิศหมุนตามผังมอเตอร์ของกรอบนั้น
8. ระบบวัดแบตเตอรี่และ failsafe (หัวข้อถัดไป)
9. Pre-arm ระบบตรวจตัวเองก่อนยอมติดเครื่อง ต้องผ่านครบ ไม่ควรปิดการตรวจเพื่อให้บินได้

PX4 ใช้ขั้นตอนมาตรฐานคล้ายกัน คือทิศติดตั้ง เข็มทิศ gyroscope accelerometer และ level horizon ผ่านโปรแกรม QGroundControl

สอบเทียบระบบวัดแบตเตอรี่

โมดูลวัดไฟรายงานแรงดันและกระแสผ่านค่าคูณ (multiplier) ในพารามิเตอร์ ถ้าค่าคูณผิด ทุกการตัดสินใจที่ใช้แรงดันหรือพลังงานที่เหลือจะผิดตาม วิธีตรวจคือวัดแรงดันจริงด้วยมัลติมิเตอร์ และเทียบประจุที่ใช้ไปตาม log กับประจุที่เครื่องชาร์จเติมกลับ

old_volt_mult = 10.10
reported_v, meter_v = 22.05, 22.41      # ค่าที่ระบบอ่าน และค่าที่มัลติมิเตอร์วัดพร้อมกัน
new_volt_mult = old_volt_mult * meter_v / reported_v
print(f"new voltage multiplier {new_volt_mult:.3f}")

logged_mah, charger_mah = 3620, 3980    # ประจุที่ใช้ไปตาม log และประจุที่เครื่องชาร์จเติมกลับ
print(f"current reading low by {1 - logged_mah / charger_mah:.1%}; scale current by {charger_mah / logged_mah:.3f}")

new voltage multiplier 10.265
current reading low by 9.0%; scale current by 1.099

Failsafe แบตเตอรี่

Failsafe คือการกระทำอัตโนมัติเมื่อเกิดเหตุผิดปกติ เช่น บินกลับจุดขึ้นหรือลงจอดเมื่อแบตเตอรี่ต่ำ

• ArduPilot มีเกณฑ์สองระดับ คือระดับต่ำและระดับวิกฤต ตั้งได้ทั้งแรงดันและประจุที่เหลือ ค่าเริ่มต้นของแรงดันต่ำคือ 10.5 V ซึ่งเหมาะกับแบตเตอรี่ 3 เซลล์ แบตเตอรี่ 6 เซลล์จึง ต้องตั้งเอง ระบบจะทำงานเมื่อแรงดันต่ำกว่าเกณฑ์ต่อเนื่อง 10 วินาทีตามค่าเริ่มต้น เพื่อไม่ให้แรงดันที่ตกชั่วขณะตอนไต่ระดับทำให้ failsafe ทำงานผิด และเลือกการกระทำได้ เช่น ลงจอดหรือบินกลับ
• PX4 ประมาณประจุที่เหลือจากแรงดันต่อเซลล์ โดยค่าเริ่มต้นถือว่า 3.6 V ต่อเซลล์คือ “ว่าง” และ 4.05 V คือ “เต็ม” ขณะมีโหลด และมีเกณฑ์เตือน 15% วิกฤต 7% และฉุกเฉิน 5%

ค่าที่เหมาะสมขึ้นกับแบตเตอรี่ ภารกิจ และระยะที่ต้องบินกลับ ต้องกำหนดจากการทดสอบและบันทึกเหตุผลไว้ ไม่ใช้ค่าเริ่มต้นโดยไม่ตรวจ

ทดสอบการสั่นจาก log

การสั่นที่มากเกินไปทำให้ accelerometer อ่านค่าผิด และตัวประมาณตำแหน่งอาจคำนวณความสูงผิดจนโดรนไต่ระดับเองได้ ArduPilot บันทึกข้อความ VIBE ซึ่งมีค่าการสั่นของแต่ละแกน (m/s²) และจำนวนครั้งที่ accelerometer อ่านค่าชนเพดานของช่วงวัด (clipping) แบบนับสะสม

เอกสาร ArduPilot ให้เกณฑ์ว่าค่าต่ำกว่า 30 m/s² โดยทั่วไปยอมรับได้ ค่าสูงกว่า 60 m/s² มักมีปัญหาเกือบทุกครั้ง และ clipping ควรเป็นศูนย์ (ถ้าเพิ่มขึ้นเฉพาะตอนลงจอดแรงอาจยังไม่ใช่ปัญหา) PX4 ไม่ได้ให้ตัวเลขเกณฑ์แบบนี้ แต่ให้ดูกราฟการสั่นใน Flight Review

import pandas as pd

vibe = pd.read_csv("vibe_log.csv")
axes = ["VibeX", "VibeY", "VibeZ"]
for flight, g in vibe.groupby("flight", sort=False):
    worst = g[axes].max(axis=1)
    new_clips = g["Clip"].iloc[-1] - g["Clip"].iloc[0]
    means = ", ".join(f"{a[-1]} {g[a].mean():.1f}" for a in axes)
    print(f"{flight:<7} mean {means} | over 30: {(worst > 30).mean():.0%}, "
          f"over 60: {(worst > 60).mean():.1%}, new clips {new_clips}")

before  mean X 24.7, Y 26.8, Z 42.0 | over 30: 99%, over 60: 2.8%, new clips 17
after   mean X 11.0, Y 12.0, Z 17.1 | over 30: 0%, over 60: 0.0%, new clips 0

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• สอบเทียบตามลำดับ เพราะขั้นหลังพึ่งขั้นก่อน และบันทึกรุ่น firmware ทุกครั้ง
• ESC แบบ PWM ต้องสอบเทียบช่วงสัญญาณ ส่วน DShot และ DroneCAN ไม่ต้อง และถอดใบพัดทุกครั้งเมื่อทดสอบมอเตอร์
• ค่าคูณแรงดันปรับด้วยอัตราส่วนค่าที่มิเตอร์วัดต่อค่าที่ระบบอ่าน
• เกณฑ์การสั่นของ ArduPilot: ต่ำกว่า 30 m/s² ยอมรับได้ เกิน 60 m/s² มักมีปัญหา และ clipping ควรเป็นศูนย์
• Failsafe แบตเตอรี่ต้องตั้งให้ตรงจำนวนเซลล์และภารกิจ

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. ค่าคูณแรงดันเดิม 10.0 ระบบอ่าน 20.0 V มิเตอร์วัดได้ 20.5 V ค่าคูณใหม่เท่าใด
2. ค่าการสั่นเฉลี่ยแกน Z เท่ากับ 45 m/s² อยู่ในช่วงใดตามเกณฑ์ ArduPilot
3. ESC แบบใดไม่ต้องสอบเทียบช่วงสัญญาณ
4. ทำไม failsafe แรงดันต่ำจึงรอให้แรงดันต่ำต่อเนื่องระยะหนึ่งก่อนทำงาน
5. log ใช้ไป 3000 mAh แต่เครื่องชาร์จเติมกลับ 3300 mAh ระบบอ่านกระแสต่ำไปประมาณกี่เปอร์เซ็นต์