รวบรวบข้อมูลเครื่องบินปีก – Quadrotor กันดีกว่า

จากตอนที่แล้ว เล่าเรื่องยานบินอัตโนมัติ(UAV) เริ่มเห็นแนวทางว่า ต่อไป UAV คงจะเริ่มทำได้ไม่ลำบากแล้ว ความตั้งใจผมตอนนี้อยากจะทำเครื่องบิน แบบ Quadrotor รู้สึกว่ามันเป็นเครื่องบินเฮลิคอปเตอร์ ที่ทำขึ้นมาเองได้ครับ(อะไรที่ทำเองได้ชอบหมด) บทความนี้ก้อเลยมาเล่าเกี่ยวกับ Quadrotor ที่อ่านมาเล็กๆ น้อยๆครับ บทความนี้จะมีเนื้อหา มากไปนิด แต่สนใจเครื่องบินก้อลองอ่านดูครับ

UAV มันคืออะไร ให้เข้าใจง่ายๆ ว่ามันก้อเป็นหุ่นยนต์รูปแบบหนึ่งที่บินได้ สามารถทำงานได้โดยไม่มีคนบังคับ แต่ในเครื่องบิน จะมีความสามารถในการทรงตัว ประคองตัวเอง ให้ลอยตัวได้อย่างมีเสถียรภาพก่อนเป็นระบบแรก ส่วนระบบที่สองคือ สามารถกำหนดเส้นทางในการเคลื่อนที่ได้ครับ และถ้าจะมีความฉลาดอะไรไปมากกว่านี้ ถึงจะส่วนนี้

หลังจากที่รวบรวมข้อมูล quadrotor เพราะว่าก้ออยากจะเข้าใจว่าทำไม เขาจึงสร้างเครื่องบินแบบนี้ครับ มีดีกว่า เครื่องเฮลิคอปเตอร์ปกติ อย่างไง ซึ่งผมก้อได้คำตอบต่างๆจาก wiki แบ่งเป็นข้อได้ดังนี้ครับ

ข้อดี คือ

• รูปแบบของเครื่องบิน แบบ Quadrotor จะบินได้นิ่งมากกว่า เฮลิคอปเตอร์ใบพัดเดียวครับ เพราะว่าใช้ใบพัด 4 ใบเป็นตัวสร้างแรงยกครับ บางตัว 6-8 ใบครับ ทำให้มีแรงมากขึ้น จึงสามารถออกแบบให้ ใช้ใบพัดที่เล็กกว่า เพราะว่ากระจายแรงยกไปใบต่างๆ เลยเป็นข้อดีอีกหลายอย่าง มีแรงสั่นน้อยกว่า ใบพัดไม่ตีกับวัตถุอื่นๆ จึงเหมาะกับงาน UAV
• กลไก สร้างง่ายกว่า  เพราะว่าถ้าเปรียบเทียบกับ เฮลิคอปเตอร์ปกติ จะใบพัดหลัก ชุดเดียว ใบพัดอาจต้องมีขนาดใหญ่ ตามหลักและ ถ้าของหนักๆ หมุนเร็วๆ จะเกิดแรงหนีศูนย์ได้ง่ายกว่าครับ ทำให้ตัวเฮลิคอปเตอร์แบบใบเดียว มีโอกาส สั่นได้มากกว่าครับ
• กลไกของใบพัดของ quadrotor ไม่ต้องมีกลไกซับซ้อน เฮลิคอปเตอร์จริงจะใช้วิธีปรับ picth ในการสร้างแรงยก ในทิศทาง ทำให้มีกลไกที่ซับซ้อนกว่าครับ แต่มันก้อเป็นความสวยงามทางการออกแบบจิงๆครับเรื่องนี้

ข้อเสีย

• ระบบควบคุมของ quadrotor จะซับซ้อนมากกว่า ฮ.ในปัจจุบัน และต้องมีระบบเซ็นเซอร์ที่ดี จากที่บอกไปตอนแรก ว่า gyro /accelerometer มีที่ท่าว่าจะถูกลง ดีขึ้น ปัญหาจึงเหลือแค่ระบบควบคุม
• ปัญหาเรื่องแหล่งพลังงาน เครื่องบินแบบ Quadrotor ใส่มอเตอร์ตั้ง 4 ตัวเป็นอย่างน้อย ต่อการบินหนึ่งครั้ง อย่างมากจะได้ 15 นาทีครับ

งานที่เอา Quadrotor ไปใช้ส่วนมากจะเป็นงานสำรวจครับ บินถ่ายรูปทางอากาศ กับ เป็น UAV อันนี้ยังไม่ชัดเจนครับ ส่วนมาเป็นรูปแบบงานวิจัยที่เอา Quadrotor ไปประยุกต์ ไอเดียมากกว่า สำหรับทางผมทำเป็นงาน อดิเรก 😀

หลักการการบินแบบ Quadrotor

การบินของ Quadrotor จะการเคลื่อนที่ 4 ทิศทาง หรือ เอาตามภาษาคนเล่น เฮลิคอปเตอร์ จะเรียกว่า 4CH คือประกอบด้วย ขึ้น-ลง ,เดินหน้า-ถอยหลัง ,เอียงซ้าย-เอียงขวา และ หมุนซ้าย-หมุนขวา มันทำได้ไง ทางผมก้อเลยหาภาพมาประกอบ โชดดีที่ในเน็ทก้อยังมีอีก ฮ่าๆ (หาอะไรก้อเจอ) เอามาจาก Flight gear อันนี้เป็นแค่ concept ให้พอเข้าใจว่า ใบพัดหมุนอย่างไง มันถึงบินได้ ความจิงจะมี quadrotr แบบ 6 ใบพัด 8 ใบพัด เทคนิดการควบคุมจะคล้ายๆ แบบนี้ล่ะครับ

1. Hovering หรือ การลอยตัวเฉยๆ ทำได้โดยควบคุมให้ความเร็ว ใบพัดทั้งสี่ตัว มีความเร็วที่เท่ากันครับ เพื่อสร้างแรงบิด(torque) และหักล้างแรงบิด? ดูจากรูปจะเห็นว่า ใบพัดจะหมุนกันคนล่ะทิศทาง ใบพัดหน้าและหลัง จะหมุน ตามเข็ม ใบพัด ซ้ายและขวาจะหมุนทวนเข็มครับ ทำให้เครื่องบินไม่หมุนตัว

2. Throttle คันเร่ง ความเร็ว ให้เครื่องบิน บิน ขึ้นลง ดูจากรูป ใบพัดทั้งสี่ใบจะต้องเพิ่มความเร็ว ทุกใบพัด ที่เท่ากัน ทำให้เครื่องบิน ลอยตัวขึ้นได้

3. Roll เอียงตัวซ้าย-ขวา ดูจากรูป ใบพัด หน้า(FRONT) หลัง(REAR) จะความเร็วเท่าเดิม แต่ความเร็วใบพัดซ้าย (LEFT) จะหมุนเร็วขึ้น ทิศทางนี้จะยกตัว ใบพัดขวา (Right) จะช้าลงทิศทางนี้จะตกลง จึงทำให้เกิดการ เอียงตัวไปทางขวาได้ ส่วนเอียงตัวซ้าย ก้อใช้วิธีคล้ายกัน

4. Pitch เอียงหน้าและหลัง อันนี้คล้ายๆกับการ Roll แต่เปลี่ยนเป็น ใบพัดซ้าย(LEFT)  ขวา(RIGHT) จะความเร็วคงที่ แต่ความเร็วใบพัดหลัง(REAR) จะหมุนเร็วขึ้น ทางหลังจะยก ใบพัดหน้า(FRONT) จะหมุนช้ากว่า ทางหน้าจะตก จึงทำให้เครื่องบินเอียงไปข้างหน้า

4. Yaw หรือการหมุนตัว อันนี้ง่ายๆ ให้ความเร็วใบพัด หน้า(FRONT)-หลัง(REAR) มากกว่า ความเร็วใบพัด ซ้าย(LEFT) -ขวา(RIGHT) เพื่อให้แรงบิด ด้านซ้าย หรือ ขวา มากกว่า จึงทำให้เครื่องบินหมุนตัวได้

จะเห็นว่าการควบคุมการเคลื่อนที่ต่างๆ จะเกิดจากการควบคุมความเร็วของใบพัดทั้งสี่ มาวิเคราะห์ อะไรบ้างที่จะทำให้มันบินไม่ได้ จะได้หาวิธีแก้ไขปัญหาไว้ก่อนเลย ผมคิดว่ามันเป็นไปได้ว่า ถ้าความเร็วมอเตอร์ไม่ถูกต้อง จะเกิดการเคลื่อนที่แบบอื่นได้ทันที่ ระบบควบคุม หรือ การ senser ความเอียงมันผิค ไม่ดี ก้อมีโอกาสทำให้เครื่องบิน quadrotor ร่วงได้ง่ายๆเลย ครับ

โปรเจค Quadrotor

สำหรับ Quadrotor จริงๆทำมาตั้งแต่ปี 50 กองทัพอากาศของอเมริกา ทดลองทำไว้ แต่พึ่งจะมีทำมากกว่า ในช่วง สิบปีมี เพราะของหลายๆอย่าง หาได้ง่ายแล้ว และเหลือจะมีราคาไม่แพง ซึ่งส่วนมากที่เห็นประยุกต์มาจาก อุปกรณ์ทำเครื่องบินจำลอง เครื่องบิน RC ซึ่งในไทยในตอนนี้อุปกรณ์ก้อแพงแล้ว เหมือนเทียบกับแต่ก่อนที่ผม รู้สึกว่าแพงมาก ผมจึงรวบรวมโปรเจค quadrotor มาให้ชมกัน

อุปกรณ์ที่เหมือนๆกันครับ คือมอเตอร์ กับใบพัด 4 ใบ มอเตอร์ที่ใช้กันส่วนมากจะเป็น brushless และ สำหรับใบพัด จะมีลักษณะพิเศษนิดหน่อยนะครับ คือ ใบพัดจะมีสองชุด ชุดแรก pitch เอียงซ้าย ชุดสอง pitch เอียงขวา ในไทยผมลอง check แล้วยังสามารถหาได้ครับ และใช้ เซ็นเซอร์ gyro 3 แกน , accelerometer 3 แกน ซึ่ง ผมก้อรวบรวมมาไว้ในบทความนี้ที่เดียวไปเลย รอบนี้ วีดีโอเยอะหน่อยนะครับ

1. mikrokopter อันนี้ผมให้เป็นเบอร์ 1 เลย น่าจะเป็นคนแรก ที่จุดกระแสให้เกิด quadrotor ขึ้นมานะครับ ในเวป เขาทำกันตั้งแต่ speed control ,บอร์ดควบคุมเอง ซึ่งทางเขาจะมีทั้ง source code ,แผ่นวงจรทั้งหมดเลย ชมเครื่องบินเทพของนักประดิษฐ์คนนี้ได้ครับ

2. AeroQuad อันนี้ผมชอบมากเลย เป็นโปรเจคที่ใช้ arduino ที่เอามาเป็น quadrotor ที่ดีที่สุดครับ เขามีทั้งโปรแกรมไว้ จูนค่า ทาง PC และมี source-code แจกอีกเหมือนเดิม

3. Quadcoptor by ArduIMU โปรเจคนี้เริ่มด้วย IMU ของ sparkfun ครับเรา ซึ่งก้อยังเป็น arduino อยู่นะครับ เอามาดูเทียบๆข้อมูลกัน

4. mirco quadrotor แถมอีกอัน อันนี้เขาโมมาจากเครื่องบินบังคับจิ๋วๆ? ในเวปไม่ได้พูดถึงวิธีการทำ มากขึ้น ดูจากอุปกรณ์แล้ว เขาคงใช้วิธียำกันของเครื่องบินจิ๋ว ซึ่งเขา มอเตอร์ธรรมดา ซึ่งก้อดีทำวงจร Drive ง่ายดี ไม่รู้จะหาซื้ออะไหล่ได้เหมือนเขาไหมอยากทำได้บ้าง

อันนี้ VDO ติดทั้งกล้อง บินได้เหมือนยุงจิงๆ

เอาล่ะครับ หวังว่าท่านผู้อ่านที่ติดตาม จะตื้นเต้นไปกับ quadrotor กันนะครับ รอบหน้า มาดูต่อว่า ทางผมจะทำ quadrotor