โมดูล 3/5 · สัปดาห์ 7–9 · 27 ชม.

ควบคุม นำทาง และสื่อสาร

DRT 341 เทคโนโลยีระบบอากาศยานไร้คนขับขั้นสูงและสถาปัตยกรรมระบบ

เวลาเรียนประมาณ 90 นาทีร่าง รอตรวจปรับปรุงล่าสุด 26 กันยายน 2569

เมื่อเรียนจบโมดูลนี้ ผู้เรียนจะสามารถ

อธิบายสถาปัตยกรรมซอฟต์แวร์ออโตไพลอตตั้งแต่เซนเซอร์จนถึงคำสั่งมอเตอร์
เปรียบเทียบแหล่งข้อมูลนำทาง GNSS, RTK, IMU, บารอมิเตอร์, เข็มทิศ และการนำทางด้วยภาพ
อธิบาย C2 link ตามนิยามของ ICAO และลิงก์อื่นในระบบ UAS
คำนวณการสูญเสียในอวกาศว่างและระยะเผื่อของลิงก์อย่างง่าย
วิเคราะห์ความพร้อมของระบบควบคุม นำทาง และสื่อสารก่อนปฏิบัติภารกิจ

ความรู้พื้นฐานที่ควรมี: DRT 341 โมดูล 1–2

สมองและระบบประสาทของโดรน

ถ้าระบบกำลังคือกล้ามเนื้อ ระบบควบคุม นำทาง และสื่อสารก็คือสมองและระบบประสาท มันต้องรู้ว่าตัวเองอยู่ที่ไหน กำลังหันไปทางใด ต้องไปที่ใด และต้องรายงานให้คนบนพื้นรู้ตลอดเวลา ความล้มเหลวของส่วนนี้มักอันตรายที่สุด เพราะโดรนที่ยังมีแรงบินแต่ไม่รู้ตำแหน่งตัวเอง อาจบินหายไปไกลจากพื้นที่ปลอดภัย

สถาปัตยกรรมออโตไพลอต

ออโตไพลอตโอเพนซอร์สที่ใช้แพร่หลาย เช่น PX4 และ ArduPilot มีโครงสร้างคล้ายกัน

ลำดับจากเซนเซอร์ IMU GNSS บาโร เข็มทิศ ไปยังการประมาณสถานะ EKF การนำทางและโหมดการบิน ตัวควบคุมแบบลำดับชั้น และ mixer ส่งคำสั่งไป ESC โดย GCS ส่งคำสั่งผ่าน MAVLink — ภาพที่ 1 สถาปัตยกรรมซอฟต์แวร์ออโตไพลอต

เซนเซอร์ ให้ข้อมูลดิบที่มีสัญญาณรบกวน
การประมาณสถานะ ใช้ตัวกรองคาลมานแบบขยาย (EKF) รวมข้อมูลจากเซนเซอร์หลายตัว ให้ค่าตำแหน่ง ความเร็ว และท่าทางที่ดีที่สุด พร้อมความไม่แน่นอน
การนำทางและโหมดการบิน แปลงภารกิจหรือคำสั่งนักบินเป็นเป้าหมาย เช่น ไป waypoint ถัดไป หรือกลับจุดขึ้น
ตัวควบคุมแบบลำดับชั้น วงนอกควบคุมตำแหน่ง ส่งเป้าหมายความเร็วให้วงถัดไป แล้วต่อไปเป็นท่าทางและอัตราการหมุน วงในสุดทำงานเร็วที่สุด
Mixer แปลงคำสั่งแรงและโมเมนต์เป็นคำสั่งมอเตอร์แต่ละตัว ส่งไปยัง ESC

PX4 ออกแบบเป็นโมดูลที่สื่อสารกันผ่านระบบข้อความภายใน ทำให้เปลี่ยนหรือเพิ่มโมดูลได้ ส่วน ArduPilot มีประวัติยาวและรองรับอากาศยานหลายประเภท ทั้งสองใช้โปรโตคอล MAVLink คุยกับสถานีควบคุม รายละเอียดการปรับจูนจะเรียนในวิชา DRT 347 และ 348

แหล่งข้อมูลนำทาง

แหล่งข้อมูล	ให้ข้อมูลอะไร	ความแม่นยำทั่วไป	จุดอ่อน
GNSS	ตำแหน่ง ความเร็ว	ระดับเมตร	ถูกบัง รบกวน หรือปลอมสัญญาณได้
GNSS RTK	ตำแหน่ง	ระดับเซนติเมตร	ต้องมีสถานีฐานหรือบริการแก้ค่าและลิงก์ข้อมูล
IMU	ความเร่ง อัตราการหมุน	ดีในระยะสั้น	คลาดเคลื่อนสะสมตามเวลา
บารอมิเตอร์	ความสูงสัมพัทธ์	ระดับเดซิเมตรถึงเมตร	เปลี่ยนตามอากาศและลมจากใบพัด
เข็มทิศ	ทิศหัวเครื่อง	ระดับองศา	ถูกรบกวนจากโลหะและกระแสไฟฟ้า
การนำทางด้วยภาพ / optical flow	การเคลื่อนที่สัมพัทธ์	ขึ้นกับพื้นผิวและแสง	ต้องมีลวดลายบนพื้นและแสงเพียงพอ

ไม่มีเซนเซอร์ใดสมบูรณ์ การรวมหลายแหล่งด้วย EKF จึงทำให้จุดอ่อนของเซนเซอร์หนึ่งถูกชดเชยด้วยอีกตัว เช่น IMU ให้ข้อมูลเร็วและต่อเนื่อง ขณะที่ GNSS แก้ความคลาดเคลื่อนสะสมของ IMU (ทบทวน DRT 111 โมดูล 5)

ลิงก์สื่อสาร

อากาศยานเชื่อมกับสถานีควบคุมผ่าน C2 link สองทิศทางสำหรับคำสั่งและ telemetry ส่งลิงก์ข้อมูล payload ไปยังผู้ใช้ข้อมูล และกระจายสัญญาณ Remote ID ให้ผู้ตรวจ — ภาพที่ 2 ลิงก์สื่อสารของระบบ UAS

ภาคผนวก 10 เล่ม VI ของ ICAO นิยาม C2 link ว่าเป็นลิงก์ข้อมูลระหว่างอากาศยานกับสถานีนักบินเพื่อการจัดการการบิน นอกจากนี้ระบบ UAS ยังมี

ลิงก์ข้อมูล payload ส่งภาพหรือข้อมูลภารกิจ มักต้องการแบนด์วิดท์สูงกว่า C2 มาก
Remote ID กระจายข้อมูลระบุตัวตนและตำแหน่งให้ผู้ตรวจบนพื้น
ลิงก์ RC สำหรับนักบินบังคับด้วยมือในบางระบบ

เทคโนโลยีลิงก์มีตั้งแต่วิทยุ 2.4 GHz และ 900 MHz ระยะในสายตา ไปจนถึงเครือข่ายโทรศัพท์เคลื่อนที่ 4G/5G และดาวเทียม ซึ่งเปิดทางให้บินนอกระยะสายตา (DRT 342)

ประมาณระยะของลิงก์

สัญญาณวิทยุอ่อนลงตามระยะทางและความถี่ ในที่โล่งไม่มีสิ่งกีดขวาง การสูญเสียคำนวณได้จาก

FSPL(dB) = 20 lo g_{10} d_{km} + 20 lo g_{10} f_{MHz} + 32.44

กำลังที่ผู้รับได้คือ $P_{r} = P_{t} + G_{t} + G_{r} - FSPL - L_{อื่น}$ (หน่วย dBm และ dB) และ ระยะเผื่อ คือ $P_{r}$ ลบความไวของเครื่องรับ

ตัวอย่างที่ 1 ลิงก์ 2.4 GHz ที่ 2 km

เครื่องส่ง 20 dBm สายอากาศทั้งสองฝั่ง 2 dBi ความไวเครื่องรับ −100 dBm

$FSPL = 20 lo g_{10} 2 + 20 lo g_{10} 2400 + 32.44 \approx 6.0 + 67.6 + 32.4 = 106.1$ dB
$P_{r} = 20 + 2 + 2 - 106.1 \approx - 82$ dBm
ระยะเผื่อ $- 82 - (- 100) = 18$ dB

ระยะเผื่อ 18 dB ในที่โล่งถือว่าพอสมควร แต่ต้นไม้ อาคาร ฝน และการหันของสายอากาศลดสัญญาณได้อีกหลาย dB นักออกแบบจึงมักต้องการระยะเผื่ออย่างน้อยประมาณ 10 dB หลังหักการสูญเสียอื่นแล้ว หัวข้อนี้จะเรียนละเอียดในวิชาการสื่อสาร

เมื่อลิงก์ขาด

ลิงก์ขาดเป็นเหตุการณ์ปกติที่ต้องวางแผนไว้ล่วงหน้า ออโตไพลอตมี failsafe ให้ตั้งค่า เช่น กลับจุดขึ้น (RTL) ลงจอดทันที หรือบินต่อตามภารกิจ การเลือกต้องสอดคล้องกับการประเมินความเสี่ยงของพื้นที่ ไม่ใช่ใช้ค่าเริ่มต้นทุกครั้ง และต้องทดสอบใน SITL ก่อนบินจริง

กิจกรรมในชั้นเรียน

กรณีศึกษา

เปิด SITL ของ PX4 หรือ ArduPilot ดูรายการข้อความ MAVLink ที่ออกจากอากาศยาน และระบุว่าข้อความใดมาจากขั้นตอนใดของสถาปัตยกรรมในภาพที่ 1
คำนวณระยะเผื่อของลิงก์ 900 MHz ที่ระยะ 5 km ด้วยค่าที่อาจารย์กำหนด แล้วเปรียบเทียบกับ 2.4 GHz
วิเคราะห์เหตุการณ์ GNSS ถูกรบกวนหนึ่งกรณีจากข่าวหรือรายงาน ระบุว่าแหล่งนำทางใดช่วยได้และช่วยได้นานเท่าไร

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

ระวัง

เชื่อ GNSS ว่าถูกต้องเสมอ ต้องตรวจจำนวนดาวเทียม ค่าความแม่นยำ และสัญญาณรบกวน
สอบเทียบเข็มทิศใกล้โลหะหรือรถยนต์
ตั้ง failsafe เป็นค่าเริ่มต้น โดยไม่ประเมินพื้นที่
คำนวณลิงก์ในที่โล่งแล้วใช้กับพื้นที่มีสิ่งกีดขวาง

สรุป

ออโตไพลอตประกอบด้วยเซนเซอร์ การประมาณสถานะ (EKF) การนำทางและโหมด ตัวควบคุมแบบลำดับชั้น และ mixer
แหล่งนำทางแต่ละชนิดมีจุดอ่อน การรวมข้อมูลช่วยชดเชยกัน
C2 link ตาม ICAO คือลิงก์ระหว่างอากาศยานกับสถานีนักบินเพื่อจัดการการบิน แยกจากลิงก์ payload และ Remote ID
FSPL และระยะเผื่อช่วยประเมินระยะลิงก์ ส่วน failsafe ต้องตั้งตามการประเมินความเสี่ยง

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

ตัวควบคุมวงใดในโครงสร้างแบบลำดับชั้นทำงานเร็วที่สุด
ทำไม IMU อย่างเดียวจึงนำทางได้ไม่นาน
คำนวณ FSPL ที่ 5 km และ 900 MHz
ถ้าระยะทางเพิ่มเป็นสองเท่า FSPL เพิ่มขึ้นกี่ dB
ข้อมูลใดส่งผ่าน C2 link และข้อมูลใดส่งผ่านลิงก์ payload

เฉลย

วงอัตราการหมุน (rate loop) ซึ่งอยู่ในสุด
เพราะความคลาดเคลื่อนจาก bias สะสมและโตตามกำลังสองของเวลาเมื่ออินทิเกรตเป็นตำแหน่ง
$20 lo g_{10} 5 + 20 lo g_{10} 900 + 32.44 \approx 14.0 + 59.1 + 32.4 = 105.5$ dB
$20 lo g_{10} 2 \approx 6$ dB
C2: คำสั่งการบินและ telemetry สถานะ ลิงก์ payload: ภาพ วิดีโอ หรือข้อมูลเซนเซอร์ภารกิจ

สรุปสูตรสำคัญ

การสูญเสียในอวกาศว่าง	$FSPL(dB) = 20 lo g_{10} d_{km} + 20 lo g_{10} f_{MHz} + 32.44$
กำลังที่รับได้	$P_{r} = P_{t} + G_{t} + G_{r} - FSPL - L_{อื่น}$
ระยะเผื่อของลิงก์	$Margin = P_{r} - S_{rx}$

แหล่งอ้างอิงหลัก

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.).
PX4 Autopilot. PX4 user and developer guide. link
ArduPilot Dev Team. ArduPilot documentation. link
Groves, P. D. (2013). Principles of GNSS, inertial, and multisensor integrated navigation systems (2nd ed.). Artech House.
Beard, R. W., & McLain, T. W. (2012). Small unmanned aircraft: Theory and practice. Princeton University Press.
MAVLink Development Team. MAVLink developer guide. link