โมดูล 2/5 · สัปดาห์ 4–6 · 27 ชม.

การปฏิบัติการอัตโนมัติ

DRT 342 การวางแผนภารกิจ การปฏิบัติการอัตโนมัติ และการบินนอกระยะสายตา

เวลาเรียนประมาณ 90 นาทีร่าง รอตรวจปรับปรุงล่าสุด 26 กันยายน 2569

เมื่อเรียนจบโมดูลนี้ ผู้เรียนจะสามารถ

อธิบายโครงสร้างภารกิจอัตโนมัติด้วยคำสั่ง MAVLink และโหมดการบิน
เปรียบเทียบพฤติกรรม RTL และ geofence ของ PX4 และ ArduPilot
ตั้งค่า failsafe โดยอิงการประเมินความเสี่ยง ไม่ใช้ค่าเริ่มต้นโดยไม่ตรวจ
คำนวณพลังงานสำหรับ RTL และระยะเผื่อของ geofence
วางขั้นตอนทดสอบภารกิจใน SITL และการติดตามภารกิจขณะบิน

ความรู้พื้นฐานที่ควรมี: DRT 342 โมดูล 1 · DRT 341 โมดูล 3 (สถาปัตยกรรมออโตไพลอตและ MAVLink)

ทำไมต้องรู้

ในภารกิจอัตโนมัติ ผู้บังคับไม่ได้ขยับคันบังคับทุกวินาที แต่ ออโตไพลอตทำตามคำสั่งที่เราเขียนไว้ล่วงหน้า รวมถึงคำสั่งว่าจะทำอะไรเมื่อเกิดเหตุผิดปกติ ถ้าตั้งค่าผิด โดรนจะ “ทำผิดอย่างแม่นยำ” เช่น บินกลับจุดขึ้นที่ความสูงต่ำกว่ายอดต้นไม้ หรือบินต่อไปเรื่อย ๆ หลังสัญญาณจากสถานีขาด

ออโตไพลอตเปรียบเหมือนคนขับรถที่ขับตามแผนที่นำทางอย่างเคร่งครัด ขับได้ดีมาก แต่จะขับตามเส้นทางที่ตั้งไว้แม้เส้นทางนั้นจะผิด ผู้วางแผนจึงต้องรับผิดชอบทั้งเส้นทางและกติกาเมื่อเกิดเหตุ

ภารกิจอัตโนมัติคือรายการคำสั่ง

ทั้ง PX4 และ ArduPilot เก็บภารกิจเป็นรายการ mission item ตามโปรโตคอล MAVLink สถานีควบคุม (GCS) เช่น QGroundControl หรือ Mission Planner ใช้สร้าง แก้ไข อัปโหลด และติดตามภารกิจ

คำสั่ง MAVLink	รหัส	ความหมาย
`MAV_CMD_NAV_TAKEOFF`	22	ขึ้นบินถึงความสูงที่กำหนด
`MAV_CMD_NAV_WAYPOINT`	16	บินไปยังพิกัดและความสูง
`MAV_CMD_NAV_LOITER_TIME`	19	บินวนหรือลอยรอ ณ ตำแหน่งตามเวลาที่กำหนด
`MAV_CMD_DO_CHANGE_SPEED`	178	เปลี่ยนความเร็ว
`MAV_CMD_NAV_RETURN_TO_LAUNCH`	20	กลับจุดขึ้น
`MAV_CMD_NAV_LAND`	21	ลงจอด

คำสั่งกลุ่ม NAV กำหนดการเคลื่อนที่ ส่วนกลุ่ม DO สั่งให้ทำบางอย่างระหว่างทาง เช่น เปลี่ยนความเร็วหรือสั่งกล้องถ่ายภาพ ความสูงของ waypoint ต้องระบุกรอบอ้างอิงให้ชัด เช่น สูงจากจุดขึ้น หรือสูงจากระดับน้ำทะเล เพราะในพื้นที่ลาดชันหรือภูเขา สองค่านี้ต่างกันมาก

สถานะของภารกิจและ failsafe

ลำดับสถานะตรวจก่อนบินและ arm ขึ้นบิน ภารกิจอัตโนมัติ RTL และลงจอด เหตุที่เรียก failsafe ได้แก่ C2 หรือ GCS link หาย แบตเตอรี่ต่ำ ชน geofence และ GNSS เสื่อม ส่งไปยัง failsafe ตามพารามิเตอร์ที่ตั้งไว้ ซึ่งพาไป RTL ลงจอด หรือ Hold — ภาพที่ 1 สถานะของภารกิจอัตโนมัติและเหตุที่เรียก failsafe

ชื่อโหมดต่างกันเล็กน้อยระหว่างสองระบบ เช่น ArduPilot ใช้ AUTO, GUIDED, LOITER, RTL, LAND ส่วน PX4 ใช้ Mission, Hold, Return, Land แต่แนวคิดเหมือนกัน คือเมื่อเกิดเหตุตามเงื่อนไข ออโตไพลอตจะเปลี่ยนโหมดเองตามที่ตั้งค่าไว้

ค่าเริ่มต้นที่ต้องรู้

ตารางนี้ตรวจจากเอกสารพารามิเตอร์ของ PX4 (สาขาหลัก) และซอร์สโค้ด ArduPilot Copter 4.6.3 เมื่อ 26 กันยายน 2569 ค่าเปลี่ยนได้ตามรุ่น ต้องตรวจเอกสารของรุ่นที่ใช้จริงทุกครั้ง

เรื่อง	PX4	ArduPilot Copter
failsafe เมื่อลิงก์ GCS ขาด	`NAV_DLL_ACT` = 0 ปิดอยู่ รอ `COM_DL_LOSS_T` = 10 s	`FS_GCS_ENABLE` = 0 ปิดอยู่ รอ `FS_GCS_TIMEOUT` = 5 s
failsafe เมื่อรีโมตขาด	`NAV_RCL_ACT` = 2 (Return) รอ 0.5 s	ตั้งด้วยพารามิเตอร์กลุ่ม `FS_THR_*`
แบตเตอรี่ต่ำ	เกณฑ์ 15% / 7% / 5% (`BAT_LOW_THR`, `BAT_CRIT_THR`, `BAT_EMERGEN_THR`)	`BATT_FS_LOW_ACT` = 0 เตือนอย่างเดียว
geofence	`GF_ACTION` = 2 (Hold) ระยะแนวนอนและแนวดิ่ง = 0 คือปิด	`FENCE_ENABLE` = 0 ปิด เมื่อเปิดใช้ รัศมี 300 m สูงสุด 100 m แล้ว RTL หรือ Land
ความสูง RTL	`RTL_RETURN_ALT` = 60 m	`RTL_ALT` = 1500 cm (15 m) รุ่น 4.8 เปลี่ยนชื่อเป็น `RTL_ALT_M`

ข้อสังเกตที่สำคัญคือ failsafe เมื่อลิงก์ GCS ขาดถูกปิดไว้เป็นค่าเริ่มต้นในทั้งสองระบบ ภารกิจอัตโนมัติที่ไม่ได้ตั้งค่านี้จะบินตามภารกิจต่อไปแม้สถานีมองไม่เห็นเครื่องแล้ว ซึ่งอาจเป็นสิ่งที่ต้องการหรืออันตรายก็ได้ ขึ้นกับการประเมินความเสี่ยง

Return-to-Launch (RTL)

โปรไฟล์ด้านข้าง อากาศยานเริ่ม RTL ที่ความสูงต่ำกว่าความสูง RTL จึงไต่ขึ้นถึงความสูง RTL ก่อน แล้วบินกลับในแนวนอนที่ความสูงนั้น บินวนรอเหนือจุด Home แล้วลดระดับและลงจอด — ภาพที่ 2 โปรไฟล์ด้านข้างของการกลับจุดขึ้น (RTL)

RTL ของ ArduPilot Copter จะไต่ถึง RTL_ALT ถ้าอยู่ต่ำกว่า (ถ้าอยู่สูงกว่าจะคงความสูงเดิม) บินกลับ บินวนรอเหนือจุด Home ตาม RTL_LOIT_TIME (ค่าเริ่มต้น 5 s) แล้วลงจอด ส่วน Return ของ PX4 ไต่ถึง RTL_RETURN_ALT บินกลับ ลดระดับถึง RTL_DESCEND_ALT (30 m) แล้วลงจอด

RTL ไม่ใช่คำตอบที่ปลอดภัยเสมอ ถ้าความสูง RTL ต่ำกว่าอาคารหรือต้นไม้ในแนวกลับ หรือจุด Home มีคนเข้ามาอยู่แล้ว RTL อาจอันตรายกว่าการลงจอดทันที การเลือกจึงต้องมาจากการประเมินพื้นที่ในโมดูล 1

ตัวอย่างที่ 1 พลังงานที่ต้องเหลือไว้สำหรับ RTL

โดรนอยู่ห่างจุด Home 1.5 km ที่ความสูง 60 m ความเร็วอากาศขากลับ 10 m/s มีลมสวน 3 m/s ลดระดับ 2 m/s บินวนรอ 5 s กำลังเฉลี่ย 350 W แบตเตอรี่ 177.6 Wh

บินกลับ $1500/ (10 - 3) = 214.3$ s
ลดระดับ $60/2 = 30$ s บินวนรอ 5 s รวม $t_{RTL} = 249.3$ s $\approx 4.2$ นาที
$E_{RTL} = 350 \times 249.3/3600 = 24.2$ Wh หรือ 13.6% ของแบตเตอรี่

เกณฑ์แบตเตอรี่ต่ำที่สั่ง RTL จากจุดไกลที่สุดจึงต้องสูงกว่า 13.6% บวกพลังงานสำรองที่ต้องเหลือเมื่อลงจอด ถ้าใช้เกณฑ์ 15% ตามค่าเริ่มต้นของ PX4 โดยไม่คิด จะเหลือพลังงานเผื่อเพียงเล็กน้อยเมื่อลมแรงกว่าที่คาด

Geofence

Geofence คือขอบเขตเสมือนที่ออโตไพลอตใช้ตรวจว่าอากาศยานออกนอกพื้นที่หรือไม่ มีทั้งแบบวงกลมรอบจุดขึ้น แบบรูปหลายเหลี่ยม และเพดานความสูง เมื่อชนขอบจะทำ action ที่ตั้งไว้ เช่น Hold, RTL หรือ Land

Geofence ต้องวางไว้ ด้านในของขอบพื้นที่ที่ได้รับอนุญาต เพราะอากาศยานต้องใช้ระยะหนึ่งกว่าจะหยุดได้ ระยะหยุดประกอบด้วยระยะที่บินต่อระหว่างรอตอบสนอง $v t_{r}$ และระยะเบรก $v^{2} /2 a$

ตัวอย่างที่ 2 ระยะเผื่อของ geofence

บินที่ 12 m/s เวลาตอบสนอง 1 s หน่วงได้ 3 m/s² ความคลาดเคลื่อน GNSS 3 m

$d_{stop} = 12 \times 1 + \frac{1 2 ^{2}}{2 \times 3} = 12 + 24 = 36$ m
รวมความคลาดเคลื่อนตำแหน่ง $36 + 3 = 39$ m

ควรวาง geofence ด้านในจากขอบพื้นที่ที่ได้รับอนุญาตอย่างน้อยราว 40 m และถ้าลมพัดตามทิศที่บินออก ระยะเบรกจะยาวกว่านี้ ค่าจริงต้องยืนยันจากการทดสอบของรุ่นที่ใช้

ทดสอบใน SITL ก่อนบินจริง

SITL (Software In The Loop) รันซอฟต์แวร์ออโตไพลอตจริงบนคอมพิวเตอร์ โดยมีตัวจำลองสร้างการเคลื่อนที่และค่าเซนเซอร์ให้ ทำให้ทดสอบภารกิจและ failsafe ได้โดยไม่เสี่ยงอากาศยานจริง ลำดับที่แนะนำ

เลือก ArduPilot หรือ PX4 และตรึงรุ่นซอฟต์แวร์ให้ตรงกับที่จะใช้บินจริง
โหลด parameter ชุดเดียวกับอากาศยาน
อัปโหลดภารกิจ บินให้ครบ และเก็บ log
จำลองเหตุทีละอย่าง เช่น ตัดการเชื่อมต่อ GCS ลดแบตเตอรี่จำลอง หรือบินชน geofence แล้วอ่านลำดับโหมดจาก log
เปรียบเทียบพฤติกรรมกับแผน แก้ค่า แล้วทดสอบซ้ำ

ผลจาก SITL บอกว่า ตรรกะและการตั้งค่าทำงานตามที่ตั้งใจ แต่ไม่ได้รับรองพฤติกรรมของลำจริงในลมจริงหรือสัญญาณวิทยุจริง

ติดตามภารกิจขณะบิน

ระหว่างภารกิจอัตโนมัติ ผู้บังคับยังต้องเฝ้าดูค่าที่สำคัญและเทียบกับแผน

โหมดปัจจุบันและ waypoint ที่กำลังไป
พลังงานที่เหลือเทียบกับพลังงานที่ต้องใช้กลับ (ตัวอย่างที่ 1)
คุณภาพ GNSS และสถานะการประมาณตำแหน่ง
คุณภาพลิงก์และเวลาของ telemetry ล่าสุด
ลมที่ประมาณได้จากการบินจริง เทียบกับพยากรณ์

ทีมควรตกลงเกณฑ์ หยุดภารกิจ ไว้ก่อนบิน เช่น พลังงานเหลือต่ำกว่าเส้นที่คำนวณ หรือลมเกินค่าที่คู่มือรุ่นกำหนด เพื่อไม่ต้องตัดสินใจใหม่ภายใต้ความกดดัน

กิจกรรมในชั้นเรียน

กิจกรรม: ภารกิจจำลองและ RTL ใน SITL

อ้างอิงแนวทางทดลอง L01 และคู่มือ ArduPilot SITL, QGroundControl หรือ Mission Planner ในคลังความรู้โดรน (อาจารย์สาธิตหน้าชั้น หรือผู้เรียนทำเองถ้ามีคอมพิวเตอร์พร้อม)

สร้างภารกิจ 6–8 waypoint ในพื้นที่จำลอง บันทึกไฟล์ภารกิจและ parameter
คำนวณพลังงาน RTL จากจุดไกลสุด แล้วเสนอเกณฑ์แบตเตอรี่ต่ำ
คำนวณระยะเผื่อ geofence และตั้งค่าใน SITL
จำลองการตัดลิงก์ GCS ทั้งแบบปิดและเปิด failsafe เปรียบเทียบลำดับโหมดจาก log

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

ระวัง

คิดว่าโดรนจะกลับเองเมื่อลิงก์ขาด โดยไม่ได้ตรวจว่า failsafe เปิดอยู่
ใช้ความสูง RTL ค่าเริ่มต้น ในพื้นที่ที่มีอาคารหรือต้นไม้สูงกว่า
วาง geofence ทับขอบพื้นที่อนุญาตพอดี ไม่เผื่อระยะหยุด
สับสนกรอบอ้างอิงความสูง ระหว่างความสูงจากจุดขึ้นกับจากระดับน้ำทะเล
ทดสอบใน SITL คนละรุ่นกับที่บินจริง หรือใช้ parameter คนละชุด

สรุป

ภารกิจอัตโนมัติคือรายการ mission item ของ MAVLink เช่น TAKEOFF, WAYPOINT, RTL และ LAND
failsafe เปลี่ยนโหมดเองเมื่อเกิดเหตุ และค่าเริ่มต้นของลิงก์ GCS ขาดถูกปิดไว้ในทั้ง PX4 และ ArduPilot
เกณฑ์แบตเตอรี่ต่ำต้องคำนวณจากพลังงาน RTL จากจุดไกลที่สุดบวกพลังงานสำรอง
Geofence ต้องอยู่ด้านในขอบพื้นที่อนุญาตอย่างน้อยเท่าระยะหยุดบวกความคลาดเคลื่อนตำแหน่ง
SITL ใช้ทดสอบตรรกะและการตั้งค่า แต่ไม่รับรองพฤติกรรมในสภาพจริง

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

คำสั่ง MAVLink ใดใช้บินไปยังพิกัดที่กำหนด และมีรหัสเท่าใด
ถ้าไม่ได้ตั้งค่า failsafe ลิงก์ GCS ใน ArduPilot Copter เมื่อลิงก์ขาดระหว่างภารกิจ AUTO จะเกิดอะไรขึ้น
บินที่ 10 m/s เวลาตอบสนอง 1 s หน่วง 2.5 m/s² ระยะหยุดเท่าใด
โดรนห่าง Home 1.2 km ความเร็วกลับ 12 m/s ไม่มีลม ลดระดับ 50 m ที่ 2.5 m/s ไม่บินวนรอ กำลัง 300 W ใช้พลังงาน RTL เท่าใด
ทำไม RTL อาจไม่ใช่ทางเลือกที่ปลอดภัยที่สุดเสมอ

เฉลย

MAV_CMD_NAV_WAYPOINT รหัส 16
ค่าเริ่มต้น FS_GCS_ENABLE = 0 จึงไม่มี failsafe ของลิงก์ GCS โดรนจะบินตามภารกิจต่อไป (เว้นแต่มี failsafe อื่นทำงาน เช่น รีโมตหรือแบตเตอรี่)
$10 \times 1 + 1 0^{2} / (2 \times 2.5) = 10 + 20 = 30$ m
$1200/12 + 50/2.5 = 100 + 20 = 120$ s พลังงาน $300 \times 120/3600 = 10$ Wh
แนวกลับอาจมีสิ่งกีดขวางสูงกว่าความสูง RTL จุด Home อาจมีคน หรือพลังงานอาจไม่พอกลับ บางกรณีการลงจอดทันทีหรือลงจุดสำรองปลอดภัยกว่า

สรุปสูตรสำคัญ

เวลาบินกลับ RTL	$t_{RTL} = \frac{d}{v _{ground}} + \frac{h}{v _{descent}} + t_{loiter}$
พลังงานสำหรับ RTL	$E_{RTL} = P \cdot t_{RTL}$
ระยะหยุด	$d_{stop} = v t_{r} + \frac{v ^{2}}{2 a}$

แหล่งอ้างอิงหลัก

PX4 Autopilot. PX4 user and developer guide. link
ArduPilot Dev Team. ArduPilot documentation. link
MAVLink Development Team. MAVLink developer guide. link
ArduPilot Dev Team. SITL simulator (software in the loop). link
Beard, R. W., & McLain, T. W. (2012). Small unmanned aircraft: Theory and practice. Princeton University Press.
International Organization for Standardization. (2023). Unmanned aircraft systems – Part 3: Operational procedures (ISO 21384-3:2023). link

อ่านเพิ่มเติม

ศึกษาหน่วยความรู้ที่กำหนดล่วงหน้า ดูสื่อประกอบ และทำ quiz ประจำโมดูล

อยู่ระหว่างพัฒนาD06D08

ในชั้นเรียน / ภาคสนาม

บรรยาย อภิปรายกรณีศึกษา และแก้โจทย์ในชั้นเรียน

หลักฐานการเรียนรู้: ผล quiz และแบบฝึกหัดที่ส่ง

แบบทดสอบประจำโมดูล

แบบทดสอบนี้ใช้ตรวจความเข้าใจ (formative) ไม่ใช่การสอบเก็บคะแนน

โดเมนความรู้: การควบคุม ออโตไพลอต และการนำทาง · การวางแผนภารกิจ การบิน และการจำลอง

การปฏิบัติการอัตโนมัติ

เมื่อเรียนจบโมดูลนี้ ผู้เรียนจะสามารถ

ทำไมต้องรู้

ภารกิจอัตโนมัติคือรายการคำสั่ง

สถานะของภารกิจและ failsafe

ค่าเริ่มต้นที่ต้องรู้

Return-to-Launch (RTL)

Geofence

ทดสอบใน SITL ก่อนบินจริง

ติดตามภารกิจขณะบิน

กิจกรรมในชั้นเรียน

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

สรุปสูตรสำคัญ

แหล่งอ้างอิงหลัก

อ่านเพิ่มเติม

สถาปัตยกรรม PX4 และ ArduPilot

พัฒนาระบบจำลองและเชื่อม SITL

ภารกิจจำลองและ Return to Launch

ArduPilot SITL

QGroundControl

Mission Planner

ในชั้นเรียน / ภาคสนาม

แบบทดสอบประจำโมดูล

การปฏิบัติการอัตโนมัติ

บทเรียน

เมื่อเรียนจบโมดูลนี้ ผู้เรียนจะสามารถ

ทำไมต้องรู้

ภารกิจอัตโนมัติคือรายการคำสั่ง

สถานะของภารกิจและ failsafe

ค่าเริ่มต้นที่ต้องรู้

Return-to-Launch (RTL)

Geofence

ทดสอบใน SITL ก่อนบินจริง

ติดตามภารกิจขณะบิน

กิจกรรมในชั้นเรียน

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

สรุปสูตรสำคัญ

แหล่งอ้างอิงหลัก

อ่านเพิ่มเติม

สถาปัตยกรรม PX4 และ ArduPilot

พัฒนาระบบจำลองและเชื่อม SITL

ภารกิจจำลองและ Return to Launch

ArduPilot SITL

QGroundControl

Mission Planner

ในชั้นเรียน / ภาคสนาม

แบบทดสอบประจำโมดูล