UAV คืออะไร

อากาศยานไร้คนขับ (Unmanned Aerial Vehicle: UAV) หรือที่เรียกกันโดยทั่วไปว่า โดรน (Drone) หมายถึง อากาศยานที่ไม่มีคนขับหรือนักบินแต่สามารถควบคุมได้ UAV ถือเป็นส่วนหนึ่งของระบบอากาศยานไร้คนขับ (Unmanned Aircraft System: UAS) ซึ่งประกอบไป 3 องค์ประกอบหลัก ได้แก่ UAV ส่วนการควบคุมภาคพื้นดิน และระบบสื่อสารระหว่างตัวอากาศยานและส่วนควบคุมนั้น UAV ใช้การควบคุมซึ่งมีอยู่ 2 ลักษณะ คือ การควบคุมของผู้ควบคุมจากระยะไกล และการควบคุมแบบอัตโนมัติโดยใช้ระบบการบินด้วยตนเองที่มีการติดตั้งไว้ในอากาศยาน UAV มีรูปร่าง ขนาด รูปแบบ และเอกลักษณ์ที่แตกต่างกันออกไป โดยยุคแรกของ UAV นั้นถูกสร้างเพื่อใช้ในการทำภารกิจที่เสี่ยงและอันตรายต่อนักบิน เรียกได้ว่าเป็นส่วนหนึ่งของการทหารโดยเฉพาะนั่นเอง ต่อมา UAV ได้ถูกพัฒนามาใช้ในด้านเชิงพาณิชย์ ซึ่งในปัจจุบันกำลังเป็นอุปกรณ์ที่นิยมมากขึ้นเรื่อยๆ จนกลายเป็นที่รู้จักกันในชื่อของโดรนนั่นเอง

องค์ประกอบของ UAV

Body ความแตกต่างหลักระหว่าง UAV และเครื่องบิน คือ UAV ไม่มีหน้าต่างและห้องสำหรับนักบิน UAV แบบปีกหมุนได้ทั่วไปมักจะเป็นแบบสี่ใบพัดและไม่มีหาง ในขณะที่ UAV แบบที่มีการควบคุมจัดการมักเป็นแบบหางเดี่ยวและใบพัดคู่
Power supply and platform UAV ขนาดเล็กส่วนใหญ่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมโพลีเมอร์ (Li-Po) ในขณะที่ขนาดใหญ่จะคล้ายเครื่องบินทั่วไป ซึ่งขนาดของเครื่องบินไม่ได้เป็นการกำหนดหรือจำกัดคุณสมบัติของตัวจ่ายพลังงานสำหรับ UAV แต่ในปัจจุบันความหนาแน่นพลังงานของ Li-Po ยังน้อยกว่าน้ำมันเบนซิน อุปกรณ์ BEC (Battery elimination circuitry) จะช่วยในการกระจายการถ่ายโอนพลังงานไปยังส่วนอื่นและมักติดมากับชุดไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ด้วย การถ่ายโอนแรงดันไฟของ BEC ยังช่วยลดความร้อนบนแพลตฟอร์มด้วย
Computing ความสามารถในการคำนวณใน UAV เป็นไปตามความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการคำนวณตั้งแต่การควบคุมแบบอนาล็อก จนมาถึงไมโครคอนโทรลเลอร์ system-on-a-chip (SOC) และ single-board computers (SBC)
Sensors Degrees of freedom (DOF) หมายถึงทั้งจำนวนและคุณภาพของเซ็นเซอร์ที่อยู่บนบอร์ด: 6 DOF หมายถึงไจโรสโคปแบบ 3 แกนและตัววัดความเร่ง (Accelerometer) 9 DOF หมายถึง IMU เพิ่มเข็มทิศ 10 DOF เพิ่มบารอมิเตอร์ และ 11 DOF เพิ่มตัวรับ GPS
Actuators ตัวควบคุมความเร็ว (Actuator) ของ UAV ประกอบด้วยตัวควบคุมความเร็วแบบดิจิตอล (ซึ่งควบคุมความเร็วรอบ (RPM) ของมอเตอร์) ที่เชื่อมโยงกับมอเตอร์/เครื่องยนต์และใบพัด, เซอร์โวมอเตอร์ (สำหรับเครื่องบินและเฮลิคอปเตอร์เป็นส่วนใหญ่), อาวุธ, payload actuators, LED และลำโพง
Software ซอฟต์แวร์ UAV ถูกเรียกว่า Flight stack หรือ Autopilot โดย UAV นั้นเป็นระบบแบบเรียลไทม์ที่ต้องการการตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อการเปลี่ยนแปลงข้อมูลเซ็นเซอร์ ตัวอย่างเช่น Raspberry Pis, Beagleboards ฯลฯ ตัวหุ้มบอร์ด เช่น NavIO, PXFMini ฯลฯ หรือได้รับการออกแบบมาตั้งแต่ต้นเช่น Nuttx, preemptive-RT Linux, Xenomai, ระบบปฏิบัติการ Orocos-Robot หรือ DDS-ROS 2.0
Loop principles UAVs ใช้สถาปัตยกรรมการควบคุมแบบวงรอบเปิด (open-loop) วงรอบปิด (closed-loop) หรือไฮบริด โดยแบบววงรอบเปิดให้สัญญาณควบคุมที่เป็นบวก (เร็วขึ้น/ช้าลง/ซ้าย/ขวา/ขึ้น/ลง) โดยไม่ต้องรวมการตอบกลับจากข้อมูลเซ็นเซอร์ ส่วนแบบวงจรปิดจะรวมการตอบกลับจากเซ็นเซอร์เพื่อปรับพฤติกรรม
Flight controls สามารถเขียนโปรแกรมเพื่อปรับแต่งลักษณะการเคลื่อนไหวของ UAV ได้ เช่น การร่อนลงเกาะพื้นลาดเอียง หรือการเคลื่อนจุดที่รับสัญญาณได้ดีกว่า การเคลื่อนที่แนวดิ่ง เป็นต้น
Communications UAV ส่วนใหญ่ใช้วิทยุสำหรับการควบคุมระยะไกลและแลกเปลี่ยนวิดีโอและข้อมูลอื่นๆ UAV ในยุคแรกๆ นั้นใช้ช่วงคลื่น Narrowband สำหรับ Uplink เท่านั้น แล้วจึงมี Downlink ในภายหลัง ลิงก์การสื่อสารแบบสองทางนี้ จะให้ข้อมูลของส่วนบังคับบัญชา (Command and Control: C&C) และเทคโนโลยีการตรวจวัดระยะไกลอัตโนมัติ (Telemetry) ที่เกี่ยวกับ สถานะอากาศยานไปยังผู้ควบคุมรีโมท สำหรับการบินที่มีระยะทางไกล เช่น UAV ทางการทหาร จะใช้เครื่องรับสัญญาณดาวเทียมเป็นส่วนหนึ่งของระบบนำทางด้วยดาวเทียม ในกรณีที่จำเป็นต้องมีการส่งสัญญาณวิดีโอ UAVs จะใช้ลิงก์วิทยุวิดีโอแอนะล็อกแยกต่างหาก

ในแอพพลิเคชั่น UAV ที่สมัยใหม่นั้น มักมีการส่งสัญญาณวิดีโอ ดังนั้นแทนที่จะมี 2 ลิงก์แยกต่างหากสำหรับ C&C telemetry และทราฟฟิกข้อมูลของวิดีโอ ลิงก์แบบ Broadband จึงถูกใช้เพื่อรองรับข้อมูลทุกประเภทไปในลิงก์เดียว เพิ่มประสิทธิภาพการรับส่งข้อมูลและมี latency ที่ต่ำ โดยทั่วไปแล้ว Broadband เหล่านี้จะรองรับทราฟิกการรับส่งข้อมูล TCP/IP ที่สามารถกำหนดเส้นทางผ่านอินเทอร์เน็ตได้
สัญญาณวิทยุจากด้านโหนดผู้ปฏิบัติงาน มาได้จากแหล่ง ดังนี้

การควบคุมภาคพื้นดิน – เครื่องวิทยุรับส่ง สมาร์ทโฟน/แท็บเล็ต/คอมพิวเตอร์ หรือสถานีควบคุมภาคพื้นดินทางทหาร (GCS) เป็นต้น
ระบบเครือข่ายระยะไกล เช่น การเชื่อมต่อข้อมูลดาวเทียมสองทาง (duplex) ทางทหาร ดาวน์สตรีมวิดีโอดิจิตอลผ่านเครือข่ายมือถือก็มีในตลาดผู้บริโภคด้วยเช่นกัน นอกจากนี้การถ่ายทอดสัญญาณ UAV โดยตรงผ่านเครือข่ายมือถือและ LTE ยังมีการสาธิตอยู่ในช่วงทดลองอีกด้วย
เครื่องบินอีกลำหนึ่งซึ่งทำหน้าที่เป็นสถานีถ่ายทอดหรือสถานีควบคุมอุปกรณ์เคลื่อนที่ - การรวมทีมแบบทหารไร้คนขับ (MUM-T)
โปรโตคอล MAVLink กำลังเป็นที่นิยมมากขึ้นในการพกพาข้อมูลคำสั่งและการควบคุมระหว่างการควบคุมภาคพื้นดินและยานพาหนะ

Cr. A Hardware/Software Architecture for UAV Payload and Mission Control