อากาศยานไร้นักบินขนาดเล็ก เพื่อช่วยในการสำรวจพื้นที่จากมุมสูง

อากาศยานไร้นักบินขนาดเล็ก
เพื่อช่วยในการสำรวจพื้นที่จากมุมสูง

งานสำรวจพื้นที่โดยการใช้ภาพถ่ายจากมุมสูง นับเป็นทางเลือกหนึ่งที่ช่วยในการจัดการและวางแผนการใช้ทรัพยากรธรรมชาติที่มีประสิทธิภาพ ทั้งนี้เนื่องจากวิธีการนี้ สามารถทำให้ติดตามสภาพการเปลี่ยนแปลงก่อนและหลังเกิดภัยพิบัติ รวมถึงช่วยในการจัดทำแผนที่รายละเอียดสูงได้อีกด้วย

สถาบันสารสนเทศทรัพยากรน้ำและการเกษตร (องค์การมหาชน) หรือ สสนก. ซึ่งมีพันธกิจหลักในการวางแผนและจัดการด้านทรัพยากรน้ำและการเกษตร มีความต้องการ Platform ที่ใช้ในการติดตั้งกล้องถ่ายภาพ ทั้งนี้เพื่อช่วยในจัดเก็บข้อมูลมุมสูงของทางสถาบันฯ ดังนั้นจึงมีความร่วมมืองานวิจัยกับทางสถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม (ฟีโบ้) ในการใช้ประโยชน์เทคโนโลยีด้านหุ่นยนต์ ซึ่งในที่นี้คือ อากาศยานไร้นักบิน (Unmanned Aerial Vehicle: UAV) มาช่วยในการดำเนินงานดังที่กล่าวไว้ข้างต้น โดยมีผู้เชี่ยวชาญด้าน UAV คือ ดร. อรรณพ เรืองวิเศษ เป็นหัวหน้าโครงการ  UAV นี้ต้องสามารถบินด้วยความเร็วต่ำคล้ายเครื่องร่อนด้วยรัศมีทำการ 10 ตารางกิโลเมตร เวลาทำการ 1 ชั่วโมง การออกแบบสำหรับการขนย้ายและจัดเก็บได้สะดวก  ต้องการลักษณะการควบคุมให้บิน ขึ้น-ลง ได้ทั้งแบบกึ่งอัตโนมัติ (Semi-Autonomous) และแบบบังคับมือ (Manual) สามารถกำหนดเส้นทางการบินเป็นแบบ GPS Waypoints ได้ และสามารถควบคุมความสูงการบินระหว่างการถ่ายภาพได้ ใช้กล้องถ่ายภาพความละเอียดอย่างน้อย 8 Megapixel บันทึกข้อมูลลงหน่วยความจำในตัว ข้อกำหนดเงื่อนไขในการบินภายใต้ความเร็วลมไม่เกิน 5 เมตร/วินาที และ ไม่มีฝน บินในพื้นที่ที่ห่างจากเขตชุมชน

การพัฒนา UAV ต้นแบบลำแรก (สำหรับใช้ในภารกิจจริง)

ปัจจุบันนี้ การผลิต UAV มีลักษณะทางการค้ามากขึ้น อุปกรณ์ประกอบสำเร็จต่างๆที่เกี่ยวข้องในการสร้างจึงหาได้ง่าย ด้วยเหตุนี้ UAV ที่จะใช้ในโครงการ จะเน้นให้เป็นต้นแบบที่สามารถสร้างได้ง่ายและรวดเร็ว รวมถึงใช้งานง่าย ไม่ต้องการความรู้และทักษะขั้นสูงมาก เพื่อให้เหมาะสมกับภารกิจของโครงการ ทางฟีโบ้จะทำการดัดแปลงลำตัวเครื่องบิน ซึ่งเป็นโครงสำเร็จรูปที่มีขายทั่วไปให้เหมาะสมกับการติดกล้องถ่ายภาพ รวมถึงเสริมความแข็งแรงในตำแหน่งที่มีการรับน้ำหนักมาก  โดยปกติแล้ว องค์ประกอบที่ใช้ควบคุมการเคลื่อนที่ของเครื่องบินขนาดเล็กประกอบด้วย (โปรดดูรูปประกอบ)

• Throttle สำหรับควบคุมความเร็วเครื่อง (ซึ่งสัมพันธ์กับการหมุนของใบพัด)
• Aileron สำหรับควบคุมการเคลื่อนที่ในแนว Row
• Elevator สำหรับควบคุมการเคลื่อนที่ในแนว Pitch
• Rudder สำหรับควบคุมการเคลื่อนที่ในแนว Yaw

สำหรับโครงการนี้ ทางฟีโบ้ได้เลือกใช้ลำตัวเครื่องบินแบบ Single Pusher ซึ่งมีหางเดี่ยว (Single Boom) และใช้แรงผลักจากใบพัด ปีกจะมีขนาดใหญ่เพื่อให้การบินเป็นลักษณะคล้ายเครื่องร่อน ซึ่งจะช่วยประหยัดพลังงาน สำหรับการควบคุมการเคลื่อนที่จะมีเพียง Throttle, Elevator และ Rudder เท่านั้น ดังนั้น สมรรถนะการเคลื่อนที่ของ UAV ในโครงการนี้จะเน้นการบินเส้นตรงเป็นหลัก ไม่เน้นการบินผาดโผน มีวงเลี้ยวกว้าง สำหรับการจัดเก็บและขนย้ายนั้น ปีกและลำตัวสามารถถอดแยกออกจากกันได้ โดยอุปกรณ์ทั้งหมดสามารถบรรจุในกล่องขนาด 1 เมตร X 0.5 เมตร X 0.5 เมตร จำนวน 2 กล่องโดยประมาณ

คุณสมบัติทางกายภาพทั่วไปของ UAV ที่จะออกแบบและสร้างเป็นดังนี้

แหล่งขับเคลื่อน (Propeller):    มอเตอร์ไฟฟ้า
ความกว้างปีก (Wing Span):    2 เมตร
น้ำหนักรวม (Gross Weight):    2 กิโลกรัม (Payload 1 กิโลกรัม)
ความเร็วในการบินเดินทาง (Cruise Speed):    20 เมตร/วินาที
เพดานบิน (Flight Attitude):    100 – 500 เมตร
ระยะเวลาการบินต่อเนื่อง (Endurance): 1 ชั่วโมง
รัศมีทำการ (Operating Range): 5 กิโลเมตร (ครอบคลุมพื้นที่ 10 ตารางกิโลเมตร)

ในการบินขึ้น (Take Off) UAV จะถูกปล่อยโดยใช้แรงส่งจากการขว้างของคน ทั้งนี้เพื่อจำกัดระยะบินขึ้นให้น้อยที่สุด สำหรับการบินลงจอด (Landing) นั้น จะเป็นแบบกึ่งอัตโนมัติ กล่าวคือ ขั้นแรกจะใช้วิธีในการระบุ GPS Waypoint ที่ต้องการลงจอด จากนั้นให้ทีมงานไปดักรอบริเวณพื้นที่ลงจอด เมื่อ UAV บินแบบอัตโนมัติเข้ามาในระยะที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า การควบคุมจะเปลี่ยนเป็นแบบบังคับมือแทน นักบินต้องควบคุม UAV ให้ร่อนลงไปใกล้ตำแหน่งของทีมงานดักรอให้มากที่สุด จากนั้น ทีมงานจะขึงตาข่ายเพื่อลดแรงกระแทกของ UAV ที่บินเข้ามาด้วยความเร็ว จากวิธีการควบคุมที่กล่าวมา จะเห็นได้ว่า การควบคุมและดำเนินการกับ UAV ต้องอาศัยบุคลากรที่มีทักษะและมีการฝึกอบรมอย่างดีพอสมควร จึงจะสามารถลดความเสี่ยงในการสูญเสียเครื่องได้

ทางฟีโบ้จะนำชุดระบบควบคุมการบินอัตโนมัติที่มีขายสำเร็จ ซึ่งจะประกอบด้วยเซนเซอร์ (Sensors) สำหรับการติดตามการเคลื่อนที่ และซอฟต์แวร์ที่ติดตั้ง ณ สถานีควบคุมภาคพื้นดิน (Ground Control Station) มาช่วยในการควบคุมและบังคับ UAV ซึ่งจะถูกติดตั้งกับลำตัวเครื่องที่ทางฟีโบ้พัฒนาขึ้นเอง สำหรับชุดควบคุมที่ทางฟีโบ้เลือกไว้ประกอบด้วยเซนเซอร์ ดังต่อไปนี้

•  Inertial Measurement Unit สำหรับการวัดความเร่งทั้งเชิงเส้นและเชิงมุมของเครื่อง
• Absolute Pressure Sensor สำหรับการวัดความสูงเครื่องเทียบกับพื้นโลก
• Differential Pressure Sensor สำหรับการวัดความเร็วลม
• GPS (Global Positioning System) สำหรับการติดตามตำแหน่งเครื่องเทียบกับพื้นโลก

มาตรการรับมือความผิดปกติในการบิน

เนื่องจาก UAV ใช้แรงยกอากาศป็นหลักในการบิน ดังนั้น หากเกิดความผิดปกติขึ้นกับระบบใดระบบหนึ่งจนทำให้เครื่องไม่สามารถควบคุมหรือพยุงตัวในอากาศได้ โอกาสที่จะตกและได้รับความเสียหายมีสูง ดังนั้น การหามาตรการการป้องกันที่ดีมารับมือจะช่วยลดความเสี่ยงจากการสูญเสียทั้งแก่ชีวิตและทรัพย์สินได้ โดยทั่วไปความผิดพลาดที่เกิดกับ UAV และวิธีการรับมือ สามารถแบ่งได้ดังต่อไปนี้

1. ความผิดปกติในระดับองค์ประกอบ มีสาเหตุหลักมาจาก

• ต้นกำลัง (Actuator)  ได้แก่ มอเตอร์ที่ใช้ในการขับเคลื่อนใบพัดและที่ใช้ในการบังคับ Control Surface (เช่น Aileron, Rudder และ Elevator) ความเสียหายในส่วนนี้มีผลทำให้ความสามารถในการเคลื่อนที่ของ UAV เช่น การเลี้ยว การไต่ระดับ ลดลง
• เซนเซอร์ (Sensor) ได้แก่ อุปกรณ์รับข้อมูลต่างๆ เช่น IMU, GPS และ Pressure Sensor หากมีความผิดปกติเกิดขึ้น ข้อมูลบางอย่าง เช่น ความสูง ความเร็ว ความเร่ง ของตัวเครื่อง รวมถึง ระดับ Battery อาจไม่สามารถติดตามได้

โดยทั่วไปแล้วความเสียหายในระดับองค์ประกอบจะมีผลให้ความสามารถในการควบคุมและติดตาม UAV ลดลงบางส่วน (หากไม่เสียหายพร้อมกันหมด) วิธีที่นิยมใช้เพื่อรับมือได้แก่การใช้ Fault Detection Control and Isolation  ซึ่งจะใช้หลักการของ Model-Based Fault Detection  คือ จะมีการเปรียบเทียบระหว่างค่าที่คำนวณได้จากสมการระบบ (Estimation) และค่าที่ได้จากการวัดจริงของ Actuator หรือ Sensor (Measurement) หากพบว่าค่าที่ได้จาก Sensor/Actuator ผิดเพี้ยนไปจากค่าคำนวณ ก็ให้ถือว่า Sensor/Actuator ตัวนั้นมีปัญหา ระบบควบคุมก็จะตัดอุปกรณ์ตัวนั้นออกจากระบบ และคำนวณหาตัวแปรในการควบคุมใหม่โดยใช้อุปกรณ์ที่เหลืออยู่ให้เกิดประสิทธิภาพในการบินมากที่สุด

2. ความผิดปกติจากการสื่อสาร
เป็นความผิดปกติที่เกิดขึ้นกับการติดต่อสื่อสารระหว่างสถานีควบคุมภาคพื้นดินและ UAV เช่น สัญญาณขาดหายไป หรือ UAV บินออกนอกระยะติดต่อสื่อสาร โดยปกติแล้วหากขาดการติดต่อกับ UAV คอมพิวเตอร์ควบคุมการบินอัตโนมัติจะสั่งการให้ UAV บินไปยังตำแหน่งหลังสุดที่ยังมีสัญญาณติดต่อได้ และบินวนบริเวณนั้นจนกว่าการติดต่อสื่อสารจะกลับมาเป็นปกติ

3. ความผิดปกติร้ายแรง
เหตุการณ์ เช่น ทุกระบบเสียหายไล่เลี่ยกัน หรือ ไม่สามารถหาสาเหตุได้ จนทำให้เครื่องไม่สามารถควบคุมได้ จะต้องมีวิธีการในการรับมือ ซึ่งมี 2 แบบ ได้แก่

• ให้ Set ทุกระบบของ UAV ที่ทำให้สามารถบินร่อนได้มากที่สุด เพื่อลดความเร็วในการกระแทกพื้นดิน
• ติดตั้ง Parachute

4. ความผิดปกติอื่นๆ
เช่น ความผิดปกติที่เกิดขึ้นกับคอมพิวเตอร์ควบคุมการบินอัติโนมัติ เช่น มีการ Restart ใหม่เอง หรือมีความผิดพลาดในการสั่งงานสำหรับในโครงการนี้ จะพิจารณาเฉพาะความผิดปกติที่เกิดขึ้นในข้อ 1 – 3 เท่านั้น

ท่านผู้อ่านสามารถส่งข้อคิดเห็น/เสนอแนะมาที่ผู้เขียนที่ djitt@fibo.kmutt.ac.th