อากาศยานขนาดเล็ก – ออกแบบและบินอย่างไรให้ประหยัดพลังงาน

ภาพจาก Flying Machine Arena

ปัจจุบันนี้หุ่นยนต์ประเภทอากาศยานขนาดเล็กพัฒนาไปเร็วมากทั้งในเรื่องการออกแบบ เซนเซอร์ที่ติดกับตัวหุ่น และระบบควบคุมบนตัวหุ่น ทำให้มีการนำหุ่นยนต์ประเภทนี้ไปใช้ได้จริงในงานต่าง ๆ โดยเฉพาะควอดโรเตอร์ที่มีการนำไปใช้กันอย่างแพร่หลาย ไม่ว่าจะเป็นในด้านความบันเทิง งานสำรวจ การเกษตร ฯลฯ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมจริง ๆ ปัญหาอย่างหนึ่งที่ได้รับความสนใจคือ ทำอย่างไรให้หุ่นยนต์ใช้พลังงานได้คุ้มค่าที่สุด นั่นจะทำให้หุ่นยนต์บินได้นานขึ้นด้วยแบตเตอรี่ขนาดเท่าเดิม

แบบไหนเรียกว่า อากาศยานขนาดเล็ก ?

อากาศยาน “ขนาดเล็ก” ที่จะพูดถึงในที่นี้จะมีพื้นที่ไม่เกิน 1 ตารางเมตร และน้ำหนักไม่เกิน 3 กิโลกรัม หากจะแยกตามรูปแบบวิธีการบิน จะแบ่งได้ 3 ประเภท คือ

  1. Fix-wing vehicle (ปีกตรึง)
    อากาศยานประเภทนี้ต้องการอัตราแรงยกต่อน้ำหนักต่ำ (thrust-to-weight ratio) เพราะได้แรงยกตอนที่บินเร็ว ๆ เหมาะกับการบินด้วยความเร็วสูง แต่ไร้ความสามารถในการบินด้วยความเร็วต่ำ (แรงยกไม่พอ) และไม่สามารถบินขึ้น-ลงในแนวดิ่งได้
  2. Rotary-wing vehicle (ปีกหมุน)
    อากาศยานประเภทนี้สามารถบินขึ้นและลงจอดในแนวดิ่งได้ (VTOL – Vertical Take-Off and Landing) ควบคุมให้บินได้หลายท่วงท่า จึงเหมาะที่จะใช้บินในพื้นที่ขนาดจำกัด โดยมีพระเอกคืก ควอดโรเตอร์ ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดทั้งในภาคการศึกษาและภาคอุตสาหกรรมเนื่องมาจากต้นทุนในการเริ่มต้นใช้งานต่ำ
  3. Flapping-wing vehicle (ปีกกระพือ)
    จุดอ่อนของอากาศยานประเภทปีกตรึงกับปีกหมุนเริ่มเห็นชัดขึ้นเมื่อหุ่นยนต์มีขนาดเล็กลงถึงระดับมิลลิเมตร ประสิทธิภาพการใช้พลังงานจะลดต่ำลงมาก ขณะที่อากาศยานแบบปีกกระพือทำได้ดีกว่า แต่ก็มาพร้อมกับการออกแบบทางกลและวิธีการควบคุมที่ซับซ้อนมากกว่าด้วย

แบตเตอรี่

สำหรับอากาศยานขนาดเล็ก แบตเตอรี่ชนิด LiPo (Lithium-Polymer) ได้รับความนิยมสูงสุดในปัจจุบันเนื่องจากอัตราพลังงานต่อน้ำหนักสูง เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ชนิดอื่น โดยให้พลังงานจำเพาะ (specific power) 100-150 Wh/kg ในขณะที่ควอดโรเตอร์กินพลังงานโดยเฉลี่ย 200W/kg ทางเลือกในอนาคตที่ดูมีความหวังมากที่สุดคือ แบตเตอรี่ชนิด LiS (Lithium-Sulfur) ที่ให้พลังงานจำเพาะมากกว่าแบตเตอรี่ชนิด LiPo เกินสองเท่า อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ชนิดนี้ยังไม่ได้วางขายในท้องตลาด

แหล่งพลังงานชนิดอื่นที่มีคนเอาไปใช้กับอากาศยานไร้คนขับ ได้แก่ ไฮโดรเจน Fuel Cell, micro-rocket, micro-photo-voltaic cell

เพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

ผลการศึกษาที่ผ่านมาส่วนใหญ่จะมุ่งไปที่ควอดโรเตอร์เป็นหลัก ดังนั้น ให้นึกภาพควอดโรเตอร์ตลอดการอ่าน ณ จุดนี้เป็นต้นไปครับ

ปรับปรุงการออกแบบฮาร์ดแวร์

กฏง่าย ๆ ในการออกแบบควอดโรเตอร์ คือ ควรออกแบบให้มีแรงยกมากว่าน้ำหนักที่ต้องแบกรับ 2 เท่า หากอากาศยานเบาลง พลังงานที่จำเป็นต้องใช้ยกตัวขึ้นก็น้อยลงด้วย โดยเฉพาะตัวโครงสร้าง (airframe) เราสามารถเลือกใช้วัสดุที่มีความแข็งแกร่งสูงแต่มีน้ำหนักเบาได้ วัสดุยอดนิยมในยุคนี้ได้แก่ คาร์บอนไฟเบอร์ และนอกจากตัวโครงสร้าง ส่วนประกอบอื่น ๆ เช่น ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ควบคุมในปัจจุบันก็มีน้ำหนักและขนาดเล็กลง ขณะที่ราคาก็ถูกลงกว่าแต่ก่อนมาก

การออกแบบทางกลก็สามารถให้การใช้พลังงานมีประสิทธิภาพสูงขึ้นได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น การออกแบบควอดโรเตอร์ในลักษณะ  Triangular quadrotor สามารถลดการใช้พลังงานบินในแนวดิ่งได้ราว ๆ 15% โดยการออกแบบในลักษณะนี้ โรเตอร์ทั้งสามจะต้องเอียงทำมุมกันอย่างเหมาะสมเพื่อทำให้โมเมนต์รวมเป็นศูนย์ อีกวิธีการหนึ่งคือการออกแบบโรเตอร์ให้สามารถเอียงตัวเองได้ (เพิ่มเซอร์โวมอเตอร์เข้าไปหมุนแกนโรเตอร์) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานในการบินในแนวราบ (forward flight)

ปรับปรุงอัลกอริธึมการบิน

ท่วงท่าในการบิน (motion planning) จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งส่งผลต่อระดับการใช้พลังงาน การออกแบบท่วงท่าที่เหมาะสมจะช่วยประหยัดพลังงานได้ถึง 11.4% ในที่นี้คือ การหาคำตอบว่าความเร็วและความเร่งเชิงมุมของแต่ละโรเตอร์ควรจะเป็นเท่าไหร่ ซึ่งหาได้จากการแก้ปัญหาการควบคุมที่เหมาะสมที่สุด (optimal control problem) ที่มีฟังก์ชันต้นทุน (cost function) หน้าตาประมาณนี้

$$ E =\int_{t_i}^{t_f}\sum_{j=1}^4 (c_0+c_1\omega_j(t)+c_2\omega_j^2(t)+c_3\omega_j^3(t)+c_4\omega_j^4(t)+c_5\dot\omega_j^2(t)) $$

อีกรูปแบบหนึ่งคือ แก้ปัญหา optimal control จากเส้นทางการบินทั้งหมดตั้งแต่เริ่มออกบินไปจนถึงลงจอด พลังงานที่ใช้ทั้งหมดเขียนสมการออกมาได้เป็นแบบนี้

$$ E_{\textrm{total}}=E_{\textrm{toff}}+E_{\textrm{land}}+n_tE_{\textrm{turn}}+\sum_{n_{\textrm{sl}}}E_{\textrm{move}} $$

เข้าใจอากาศพลศาสตร์ (aerodynamic effect)

ความเข้าใจในเชิงอากาศพลศาสตร์ก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่จะช่วยปรับปรุงอัลกอริธึมการควบคุมและการวางแผนเส้นทางบิน การเพิ่มผลกระทบของความเร็วลมที่เข้ามาปะทะกับอากาศยานส่งผลต่อพลังงานที่ต้องใช้ในการขับเคลื่อน

$$ E_{\textrm{segment}}=\frac{4P_r(v_g-v_w)||q_j-q_i||}{v_g} $$

โดยจะมีผลกระทบอย่างมากหากความเร็วลมต่างจากความเร็วของอากาศยานมากกว่า 10 เมตรต่อวินาที

ในระหว่างที่อากาศยานบินลงในแนวดิ่ง จะเกิด 4 สภาวะ ได้แก่ (a) สภาวะปกติ (b) สภาวะ vortex ring (c) สภาวะ turbulent wake (d) สภาวะ windmill brake ตามรูปด้านล่าง สภาวะ (b) และ (c) จะทำให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงานแย่ลง นั่นแปลว่าการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งเร็วเกินไปจะทำให้ต้องใช้พลังงานมากเป็นพิเศษ

อีกอย่างหนึ่งคือผลกระทบจากผิวดิน (ground effect) หากว่าควอดโรเตอร์บินเลียดกับพื้นดินหรือพื้นน้ำ ตัวมันเองจะได้แรงยกมากกว่าปกติเมื่อบินสูง ๆ โดยตัวเลขโดยประมาณอยู่ 2.5 เท่า หมายถึง หากกว่าอากาศยานบินสูงจากพื้น ต่ำกว่ารัศมีของใบพัดเกิน 2.5 เท่า ตัวมันจะได้แรงยกตัวเพิ่มขึ้นมากอย่างมีนัยสำคัญ

เป็นที่รู้กันอยู่ทั่วไปว่า เมื่อควอดโรเตอร์บินในแนวราบจะได้แรงยกเพิ่มขึ้นโดยอัตโนมัติ (เรียกว่า translational lift) ส่วนแรงฉุด (drag) ที่เกิดขึ้นก็จะเพิ่มขึ้นด้วยเมื่อบินเร็วขึ้นในแนวราบ ผลการศึกษาโดยใช้ Asctec Hummingbird น้ำหนัก 0.551 กิโลกรัมมาทดลองบิน ระบุว่า แรงฉุดนี้จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญหากควอดโรเตอร์บินเร็วกว่า 10 เมตรต่อวินาที โดยมีการประมาณว่าพลังงานที่สูญเสียไปกับส่วนนี้เป็นสัดส่วนกับความเร็วในการบินยกกำลังสอง (ดูกราฟด้านล่าง)

เพิ่มรูปแบบการทำงาน

นอกจากหุ่นยนต์ที่ออกแบบมาจะบินได้แล้ว การเพิ่มความสามารถเกาะกิ่งไม้/ใบไม้ เกาะเพดาน/กำแพง ออกตัววิ่งได้ หรือหมุนได้ (HyTaQ) ก็เป็นไอเดียที่ดีไม่น้อย นึกถึงว่าหุ่นยนต์ต้องทำงานทุก ๆ 1 ชั่วโมง ครั้งละแค่ 5 นาที ระหว่างรอ 1 ชั่วโมง การหยุดพักรอโดยไม่ต้องบิน อาจจะเกาะกับกิ่งไม้ กับผนังตึกจะช่วยประหยัดพลังงานมาก ความยากในส่วนนี้คือการออกแบบกลไกการยึดเกาะตัวหุ่นยนต์กับวัตถุเป้าหมาย

RoboBee บินเกาะใบไม้ (รูปจาก Harvard Microrobotics Lab/Harvard University)

บทความนี้สรุปมากจากบทความวิจัยประเภทรวบรวมงานวิจัยในรอบหลายปีที่ผ่านมา รายละเอียดเพิ่มเติม อ่านได้จากที่มาครับ

ที่มา – Interface Focus Vol. 7 Royal Society Publishing (Review Article)

LINE it!