โมดูล 1/5 · สัปดาห์ 1–3 · 27 ชม.

สถาปัตยกรรมระบบ UAS

DRT 341 เทคโนโลยีระบบอากาศยานไร้คนขับขั้นสูงและสถาปัตยกรรมระบบ

เวลาเรียนประมาณ 80 นาทีร่าง รอตรวจปรับปรุงล่าสุด 26 กันยายน 2569

เมื่อเรียนจบโมดูลนี้ ผู้เรียนจะสามารถ

อธิบายนิยาม UAS และ RPAS ตาม ICAO และองค์ประกอบหลักของระบบ
แยกระบบ UAS ออกเป็นส่วนอากาศยาน ส่วนภาคพื้น ลิงก์สื่อสาร และส่วนคนกับขั้นตอน
อธิบายแบบจำลอง V ของวิศวกรรมระบบ และบทบาทของข้อกำหนดกับการทดสอบ
ระบุอินเทอร์เฟซระหว่างระบบย่อย และใช้แนวคิด SWaP-C ในการเลือกเทคโนโลยี
คำนวณความน่าเชื่อถือของระบบที่ต่อแบบอนุกรมและแบบมีระบบสำรอง

ความรู้พื้นฐานที่ควรมี: พื้นฐานอุปกรณ์โดรนจากระดับ ปวส. หรือเทียบเท่า

มองโดรนให้เป็น “ระบบ” ไม่ใช่แค่ “เครื่องบิน”

เมื่อโดรนตกระหว่างภารกิจ คำถามแรกที่คนมักถามคือ “เครื่องเสียตรงไหน” แต่หลายครั้งสาเหตุไม่ได้อยู่ที่ตัวเครื่องเลย อาจเป็นลิงก์สื่อสารที่ขาดหาย ค่าที่ตั้งผิดในสถานีควบคุม แบตเตอรี่ที่ไม่ได้ชาร์จตามขั้นตอน หรือทีมที่เข้าใจภารกิจไม่ตรงกัน ผู้ที่ทำงานระดับวิชาชีพจึงต้องมองโดรนเป็น ระบบ ที่มีหลายส่วนทำงานร่วมกัน

รายวิชานี้เป็นวิชาแกนแรกของหลักสูตรต่อเนื่อง ผู้เรียนส่วนใหญ่รู้จักชิ้นส่วนโดรนมาแล้ว โมดูลแรกจะยกระดับจากการรู้จักชิ้นส่วน ไปสู่การอ่านและออกแบบ สถาปัตยกรรม ของทั้งระบบ

UAS และ RPAS ตามนิยามสากล

อากาศยานไร้คนขับ (unmanned aircraft, UA) คืออากาศยานที่ไม่มีนักบินอยู่บนเครื่อง ส่วน ระบบอากาศยานไร้คนขับ (UAS) คืออากาศยานรวมกับทุกสิ่งที่ต้องใช้เพื่อบิน

องค์การการบินพลเรือนระหว่างประเทศ (ICAO) ใช้คำว่า RPAS (remotely piloted aircraft system) สำหรับระบบที่มีนักบินควบคุมจากระยะไกล และให้นิยามว่าประกอบด้วย

RPA อากาศยานที่ควบคุมจากสถานีนักบินระยะไกล
RPS (remote pilot station) สถานีที่มีอุปกรณ์สำหรับบังคับอากาศยาน
C2 link ลิงก์ข้อมูลระหว่างอากาศยานกับสถานีนักบิน เพื่อการจัดการการบิน
องค์ประกอบอื่น ตามที่ระบุในแบบของระบบ

RPAS ทุกระบบเป็น UAS แต่ UAS บางระบบที่บินอัตโนมัติเต็มรูปแบบโดยไม่มีนักบินควบคุมระหว่างบินไม่นับเป็น RPAS ความแตกต่างนี้สำคัญในทางกฎหมาย เพราะกฎระเบียบส่วนใหญ่ในปัจจุบัน รวมถึงของประเทศไทย ยังกำหนดให้มีผู้รับผิดชอบการบินเสมอ

สี่ส่วนของระบบ UAS

ส่วนอากาศยานมีโครงสร้าง ขับเคลื่อน พลังงาน ชุดควบคุมการบิน เซนเซอร์นำทาง และ payload ส่วนภาคพื้นมีสถานีควบคุม สายอากาศ และระบบขึ้นลง เชื่อมกันด้วย C2 link และลิงก์ข้อมูล payload โดยมีคน ขั้นตอน การบำรุงรักษา และกฎหมายรองรับทั้งหมด — ภาพที่ 1 องค์ประกอบของระบบอากาศยานไร้คนขับ

ส่วน	ระบบย่อยหลัก	คำถามที่ต้องตอบเมื่อออกแบบ
ส่วนอากาศยาน	โครงสร้าง ขับเคลื่อน พลังงาน ชุดควบคุมการบิน เซนเซอร์นำทาง payload	บินได้นานและไกลพอไหม ยก payload ได้ไหม
ส่วนภาคพื้น	สถานีควบคุม สายอากาศและวิทยุ ระบบขึ้นลงและสนับสนุน	ใช้งานในภาคสนามได้จริงไหม ตั้งเครื่องใช้เวลาเท่าไร
ลิงก์สื่อสาร	C2 link ลิงก์ข้อมูล payload และสัญญาณระบุตัวตน	ครอบคลุมพื้นที่ไหม ถ้าขาดจะเกิดอะไรขึ้น
คนและขั้นตอน	นักบิน ผู้สังเกต ช่างบำรุงรักษา คู่มือปฏิบัติ ใบอนุญาต	ใครตัดสินใจเมื่อเกิดเหตุผิดปกติ

แนวคิดสำคัญ

สมรรถนะของระบบถูกจำกัดด้วยส่วนที่อ่อนที่สุด โดรนที่บินได้ 2 ชั่วโมงไม่มีประโยชน์ ถ้า C2 link ครอบคลุมพื้นที่ได้เพียง 20 นาทีของเส้นทาง หรือถ้าทีมต้องใช้เวลาตั้งเครื่องนานจนพลาดช่วงเวลาปฏิบัติงาน

วิศวกรรมระบบและแบบจำลอง V

วิศวกรรมระบบ เป็นแนวทางที่เริ่มจากความต้องการของภารกิจ แล้วแตกออกเป็นข้อกำหนดของระบบและระบบย่อย ก่อนจะสร้างและทดสอบย้อนกลับขึ้นไปทีละชั้น แบบจำลองที่ใช้อธิบายแนวทางนี้บ่อยที่สุดคือ แบบจำลอง V

แบบจำลอง V ฝั่งซ้ายไล่ลงจากความต้องการภารกิจ ข้อกำหนดระบบ ออกแบบระบบย่อย สู่การสร้างและบูรณาการที่ก้น V ฝั่งขวาไล่ขึ้นเป็นการทดสอบระบบย่อย ทดสอบระบบรวม และทดสอบยอมรับภารกิจ เส้นประเชื่อมแต่ละระดับ — ภาพที่ 2 แบบจำลอง V ของวิศวกรรมระบบ

ฝั่งซ้ายของ V คือการ กำหนดว่าต้องการอะไร ฝั่งขวาคือการ พิสูจน์ว่าได้ตามที่ต้องการ เส้นประบอกว่าการทดสอบแต่ละระดับต้องตรวจกับข้อกำหนดระดับเดียวกัน

Verification ตอบคำถาม “สร้างถูกตามข้อกำหนดไหม”
Validation ตอบคำถาม “สร้างสิ่งที่ถูกต้องสำหรับภารกิจไหม”

ตัวอย่างที่ 1 จากภารกิจสู่ข้อกำหนด

ภารกิจ: สำรวจความเสียหายหลังน้ำท่วมพื้นที่ 5 ตร.กม. ให้ได้ภาพความละเอียด 5 cm/พิกเซล ภายใน 3 ชั่วโมงหลังได้รับแจ้ง

แตกเป็นข้อกำหนดที่วัดได้ เช่น

ส่วนอากาศยาน: บินได้อย่างน้อย 60 นาทีต่อเที่ยว ทนลม 10 m/s
payload: กล้องที่ให้ GSD 5 cm ที่ความสูงบินตามกฎหมาย
ภาคพื้น: ตั้งระบบพร้อมบินภายใน 15 นาที
ลิงก์: ครอบคลุมรัศมี 3 km จากจุดขึ้นบิน

ข้อกำหนดที่ดีต้อง วัดได้และทดสอบได้ คำว่า “บินได้นาน” หรือ “ใช้งานง่าย” ยังไม่ใช่ข้อกำหนด

อินเทอร์เฟซและ SWaP-C

ปัญหาส่วนใหญ่ของการบูรณาการระบบเกิดที่ อินเทอร์เฟซ หรือจุดที่ระบบย่อยพบกัน เช่น ขั้วต่อไฟ รูปแบบข้อมูล ตำแหน่งยึด หรือจังหวะเวลา ทีมพัฒนาจึงมักจัดทำ เอกสารควบคุมอินเทอร์เฟซ (Interface Control Document, ICD) ระบุว่าแต่ละฝั่งต้องให้และรับอะไร

การเลือกเทคโนโลยีสำหรับอากาศยานใช้เกณฑ์ SWaP-C คือ ขนาด (Size) น้ำหนัก (Weight) กำลังไฟฟ้า (Power) และต้นทุน (Cost) กล้องที่ดีที่สุดในตลาดอาจไม่ใช่ตัวเลือกที่ดีที่สุด ถ้าหนักจนเวลาบินลดลงครึ่งหนึ่ง

ความน่าเชื่อถือของระบบ

ความน่าเชื่อถือ ( $R$ ) คือความน่าจะเป็นที่ระบบหรือชิ้นส่วนทำงานได้ตามที่ต้องการตลอดช่วงเวลาหนึ่ง เช่น หนึ่งภารกิจ

ต่อแบบอนุกรม

ถ้าระบบต้องการให้ ทุกชิ้นส่วน ทำงาน ความน่าเชื่อถือรวมคือผลคูณ

R_{sys} = i \prod R_{i}

ผลคูณของตัวเลขที่น้อยกว่า 1 จะน้อยลงเรื่อย ๆ ระบบที่มีชิ้นส่วนสำคัญมากจึงเสี่ยงล้มเหลวสูงขึ้น

ต่อแบบขนาน (มีระบบสำรอง)

ถ้ามีชิ้นส่วนซ้ำกัน และระบบยังทำงานได้เมื่อตัวใดตัวหนึ่งยังดี ความน่าเชื่อถือคือ

R_{par} = 1 - i \prod (1 - R_{i})

ตัวอย่างที่ 2 ผลของระบบสำรอง

ความน่าเชื่อถือต่อภารกิจ (ค่าสมมติเพื่อการเรียน): ชุดควบคุมการบิน 0.999 GNSS 0.995 C2 link 0.99 และ ESC สี่ตัว ตัวละ 0.998 ทุกชิ้นจำเป็นต่อการบิน

R = 0.999 \times 0.995 \times 0.99 \times 0.99 8^{4} \approx 0.976

คือมีโอกาสเกิดเหตุขัดข้องราว 2.4% ต่อภารกิจ หรือประมาณหนึ่งครั้งในทุก 40 ภารกิจ

ใส่ GNSS สองชุดขนานกัน: $R_{GNSS} = 1 - (0.005)^{2} = 0.999975$ ระบบรวมเพิ่มเป็นประมาณ 0.981
ใส่ C2 link สองเส้นทางด้วย: ระบบรวมเพิ่มเป็นประมาณ 0.991

ระบบสำรองช่วยได้มาก แต่ต้องแลกกับน้ำหนัก กำลังไฟฟ้า และต้นทุน (SWaP-C) และระบบสำรองจะได้ผลจริงก็ต่อเมื่อ ไม่ล้มเหลวด้วยสาเหตุเดียวกัน เช่น GNSS สองชุดที่ถูกรบกวนสัญญาณพร้อมกันไม่ได้ช่วยอะไร

กิจกรรมในชั้นเรียน

กรณีศึกษา

แบ่งกลุ่ม เลือกโดรนเชิงพาณิชย์หนึ่งรุ่นจากเอกสารของผู้ผลิต วาดแผนภาพสี่ส่วนของระบบ และระบุสิ่งที่เอกสารไม่ได้บอก
เขียนข้อกำหนดที่วัดได้ 8 ข้อ สำหรับภารกิจที่อาจารย์กำหนด แล้วสลับกลุ่มกันตรวจว่าข้อไหนยังวัดไม่ได้
อภิปรายเหตุการณ์โดรนตกหนึ่งกรณีจากรายงานสาธารณะ ระบุว่าสาเหตุอยู่ที่ส่วนใดของระบบ

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

ระวัง

มองแค่ตัวอากาศยาน ลืมลิงก์ ภาคพื้น และขั้นตอนปฏิบัติ
เขียนข้อกำหนดที่วัดไม่ได้ เช่น “บินได้นาน”
ทดสอบโดยไม่อ้างอิงข้อกำหนด ทำให้ไม่รู้ว่าผ่านหรือไม่ผ่านอะไร
เพิ่มระบบสำรองโดยไม่คิดถึงสาเหตุร่วม และ SWaP-C

สรุป

ICAO นิยาม RPAS ว่าประกอบด้วย RPA, RPS, C2 link และองค์ประกอบอื่นตามแบบ
ระบบ UAS แบ่งเป็นส่วนอากาศยาน ส่วนภาคพื้น ลิงก์สื่อสาร และคนกับขั้นตอน สมรรถนะถูกจำกัดด้วยส่วนที่อ่อนที่สุด
แบบจำลอง V เชื่อมข้อกำหนดแต่ละระดับกับการทดสอบระดับเดียวกัน
ปัญหาการบูรณาการมักเกิดที่อินเทอร์เฟซ และการเลือกเทคโนโลยีใช้เกณฑ์ SWaP-C
ความน่าเชื่อถือแบบอนุกรมคือผลคูณ ระบบสำรองแบบขนานช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือ

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

องค์ประกอบของ RPAS ตามนิยามของ ICAO มีอะไรบ้าง
ข้อความ “ระบบต้องใช้งานง่าย” เป็นข้อกำหนดที่ดีหรือไม่ เพราะอะไร และควรเขียนใหม่อย่างไร
ชิ้นส่วนห้าชิ้นต่ออนุกรม แต่ละชิ้นมีความน่าเชื่อถือ 0.99 ระบบรวมเท่าใด
ชิ้นส่วนสองชิ้นความน่าเชื่อถือ 0.95 ต่อขนานกัน ความน่าเชื่อถือรวมเท่าใด
Verification กับ Validation ต่างกันอย่างไร

เฉลย

RPA, RPS, C2 link และองค์ประกอบอื่นตามที่ระบุในแบบของระบบ
ไม่ดี เพราะวัดไม่ได้ ควรเขียนเช่น “ผู้ปฏิบัติที่ผ่านการอบรม 2 ชั่วโมงตั้งระบบพร้อมบินได้ภายใน 15 นาที”
$0.9 9^{5} \approx 0.951$
$1 - 0.0 5^{2} = 0.9975$
Verification ตรวจว่าสร้างตรงตามข้อกำหนด Validation ตรวจว่าระบบตอบโจทย์ภารกิจจริง

สรุปสูตรสำคัญ

ความน่าเชื่อถือแบบอนุกรม	$R_{sys} = \prod_{i} R_{i}$
ความน่าเชื่อถือแบบขนาน (สำรอง)	$R_{par} = 1 - \prod_{i} (1 - R_{i})$
ความน่าจะเป็นที่จะล้มเหลว	$P_{f} = 1 - R$

แหล่งอ้างอิงหลัก

International Civil Aviation Organization. (2015). Manual on remotely piloted aircraft systems (RPAS) (Doc 10019). ICAO. link
International Civil Aviation Organization. (2021). Annex 10 to the Convention on International Civil Aviation: Aeronautical telecommunications, Volume VI: Communication procedures relating to remotely piloted aircraft systems C2 link (1st ed.).
Fahlstrom, P. G., Gleason, T. J., & Sadraey, M. H. (2022). Introduction to UAV systems (5th ed.). Wiley.
INCOSE. (2023). INCOSE systems engineering handbook (5th ed.). Wiley.
Austin, R. (2010). Unmanned aircraft systems: UAVS design, development and deployment. Wiley.

อ่านเพิ่มเติม

ศึกษาหน่วยความรู้ที่กำหนดล่วงหน้า ดูสื่อประกอบ และทำ quiz ประจำโมดูล

พร้อมใช้D05D08

พื้นฐาน UAV/UAS และการจำลองบิน

เริ่มจากแยกส่วนประกอบระบบและบทบาทของ simulator ก่อนทดลอง mission และอ่านผลการบิน

อยู่ระหว่างพัฒนาD18D05

วิศวกรรมระบบและ V&V

requirements architecture traceability verification และ validation

ในชั้นเรียน / ภาคสนาม

บรรยาย อภิปรายกรณีศึกษา และแก้โจทย์ในชั้นเรียน

หลักฐานการเรียนรู้: ผล quiz และแบบฝึกหัดที่ส่ง

แบบทดสอบประจำโมดูล

แบบทดสอบนี้ใช้ตรวจความเข้าใจ (formative) ไม่ใช่การสอบเก็บคะแนน

โดเมนความรู้: อากาศยาน โครงสร้าง และการออกแบบ · การวางแผนภารกิจ การบิน และการจำลอง · การจัดการ นวัตกรรม และวิชาชีพ