การขนส่งด้วยโดรน

ทำไมต้องรู้

โรงพยาบาลในต่างจังหวัดต้องส่งเวชภัณฑ์ วัคซีน และตัวอย่างเลือดไปมาระหว่างโรงพยาบาลกับโรงพยาบาลส่งเสริมสุขภาพตำบล (รพ.สต.) ทุกวัน บางเส้นทางถนนอ้อมหรือน้ำท่วมในฤดูฝน โดรนบินตรงได้เร็วกว่า แต่ทุกกรัมที่บรรทุกเพิ่มกินพลังงาน ทุกวิธีส่งของมีข้อจำกัดด้านความปลอดภัยและกฎหมาย และบริการที่ยั่งยืนต้องคุ้มค่ากว่าทางเลือกเดิม วิชานี้ออกแบบบริการนั้นทีละขั้น

ทั้งวิชาใช้กรณีสมมติเดียว: โรงพยาบาลจังหวัดส่งเวชภัณฑ์ด้วยโดรนไป รพ.สต. 4 แห่ง และใช้โดรนนับสต็อกในคลังเวชภัณฑ์กลาง ตัวเลขทั้งหมดเป็นข้อมูลสมมติสำหรับฝึก โค้ด Python ของทุกโมดูลดาวน์โหลดได้ที่ /downloads/uat-363/

วิเคราะห์ภารกิจ

งานสำรวจของ Otto และคณะ (2018) รวบรวมงานวิจัยด้านการใช้โดรนในงานพลเรือนรวมถึงการขนส่ง ก่อนเลือกโดรน ทีมต้องตอบคำถามเหล่านี้

• ของ หนักเท่าไร ขนาดเท่าไร ต้องควบคุมอุณหภูมิหรือไม่ เปราะหรือเป็นวัตถุอันตรายหรือไม่
• ระยะทางและเวลา ปลายทางอยู่ไกลเท่าใด ต้องถึงภายในกี่นาที วันละกี่เที่ยว
• จุดรับส่ง มีที่ลงจอดหรือไม่ ใครรับของ รับอย่างไร
• สภาพแวดล้อม ลม ฝน สิ่งกีดขวาง ชุมชนใต้เส้นทาง

งานวิจัยของ Stolaroff และคณะ (2018) ประเมินว่ามัลติคอปเตอร์ขนาดเล็กด้วยแบตเตอรี่ปัจจุบันมีระยะใช้งานจริงราว 4 km และใช้พลังงานต่อกล่องต่อกิโลเมตรน้อยกว่ารถบรรทุก แต่เมื่อรวมพลังงานของคลังและจุดพักสินค้าที่ต้องเพิ่ม ความได้เปรียบขึ้นกับน้ำหนักของและแหล่งไฟฟ้า

กลไกส่งของ

• ลงจอดส่ง ง่ายที่สุด แต่ต้องมีพื้นที่ปลอดภัยและโดรนอยู่ใกล้คน
• หย่อนด้วยสาย Wing หย่อนกล่องด้วยสายจากโดรนที่ลอยนิ่ง ใช้พื้นที่ราวผ้าปูนั่ง ส่วน Zipline P2 ลอยนิ่งที่ความสูงกว่า 300 ft แล้วหย่อนหน่วยส่งของลงด้วยสาย โดรนไม่ต้องลงมาใกล้คน
• ปล่อยลงพื้น ข้อบังคับของคณะกรรมการการบินพลเรือน ฉบับที่ 94 ข้อ 13 ห้ามอากาศยานทิ้งสิ่งของเว้นแต่ได้รับอนุญาต และข้อ 16 ห้ามลากหรือแขวนสิ่งของโดยไม่ได้รับอนุญาต ข้อบังคับนี้ใช้กับอากาศยานทุกชนิดรวมถึงอากาศยานที่ควบคุมจากระยะไกล การหย่อนหรือปล่อยของจึงต้องได้รับอนุญาต (ตรวจฉบับที่ใช้บังคับปัจจุบันและประกาศ กพท. ประกอบ)

กำลังลอยตัวและน้ำหนักบรรทุก

ทฤษฎีโมเมนตัม (momentum theory) ของใบพัดให้กำลังลอยตัวในอุดมคติ $P=T^{3/2}/\sqrt{2\rho A}$ เมื่อ $T$ คือแรงยกที่ต้องใช้ (เท่ากับน้ำหนักรวม) $\rho$ ความหนาแน่นอากาศ และ $A$ พื้นที่จานใบพัดรวม ใบพัดจริงมีการสูญเสีย จึงหารด้วย figure of merit ($FM$) ที่น้อยกว่า 1 สิ่งสำคัญคือ กำลังเพิ่มตามมวลรวมยกกำลัง 1.5 ไม่ใช่เพิ่มตรงตามสัดส่วน

import math

RHO, G = 1.225, 9.81                      # kg/m³, m/s²
ROTOR_D, N_ROTORS, FM = 0.5, 4, 0.6
EMPTY_KG, BATTERY_WH, USABLE = 6.0, 500, 0.8
area = N_ROTORS * math.pi * (ROTOR_D / 2) ** 2

for payload in (0, 1, 2, 3):
    thrust = (EMPTY_KG + payload) * G
    power = thrust ** 1.5 / math.sqrt(2 * RHO * area) / FM
    minutes = BATTERY_WH * USABLE / power * 60
    print(f"payload {payload} kg: hover {power:.0f} W, hover time {minutes:.1f} min")

payload 0 kg: hover 543 W, hover time 44.2 min
payload 1 kg: hover 684 W, hover time 35.1 min
payload 2 kg: hover 835 W, hover time 28.7 min
payload 3 kg: hover 997 W, hover time 24.1 min

ของที่หย่อนด้วยสาย

ของที่หย่อนด้วยสายแกว่งเหมือนลูกตุ้ม หน่วยความรู้เรื่องโหลดแขวนให้คาบโดยประมาณ $T_p\approx 2\pi \sqrt{l/g}$ ซึ่งใช้ได้เมื่อจุดแขวนนิ่ง สายไม่ยืด และมุมแกว่งเล็ก ขณะโดรนเร่งหรือเจอลม สมมติฐานนี้ไม่เป็นจริงแล้ว ต้องใช้แบบจำลองที่รวมพลวัตของโดรนกับของ (เช่น slung payload ใน ArduPilot SITL)

import math

for length in (5, 10, 15):
    period = 2 * math.pi * math.sqrt(length / 9.81)
    print(f"tether {length:>2} m: period about {period:.2f} s")

tether  5 m: period about 4.49 s
tether 10 m: period about 6.34 s
tether 15 m: period about 7.77 s

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• วิเคราะห์ของ ระยะทาง จุดรับส่ง และสภาพแวดล้อมก่อนเลือกโดรน
• ลงจอด หย่อนด้วยสาย และปล่อยลงพื้นมีข้อดีต่างกัน การทิ้งหรือแขวนสิ่งของต้องได้รับอนุญาต
• กำลังลอยตัวแปรตามมวลรวมยกกำลัง 1.5 น้ำหนักบรรทุกลดเวลาบินมาก
• ของที่หย่อนด้วยสายแกว่งด้วยคาบประมาณ 2π√(l/g) เมื่อจุดแขวนนิ่ง

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. ถ้ามวลรวมเพิ่มเป็นสองเท่า กำลังลอยตัวในอุดมคติเพิ่มกี่เท่า
2. กำลังลอยตัว 800 W แบตเตอรี่ใช้ได้ 400 Wh ลอยได้กี่นาที
3. สาย 4 m คาบการแกว่งประมาณเท่าใด
4. ข้อบังคับ กบร. ฉบับที่ 94 ข้อ 13 ว่าด้วยเรื่องใด
5. ข้อดีของการหย่อนด้วยสายเทียบกับการลงจอดคืออะไร