วันเสาร์ที่ 21 กันยายน พ.ศ. 2556

วันศุกร์ที่ 13 กันยายน พ.ศ. 2556

รายงานความก้าวหน้า Progress II

แนะนำอุปกรณ์เพิ่มเติม  :  ESC

 
ESC (Electronic Speed Control) ทำหน้าที่ ควบคุมความเร็วมอเตอร์ ให้หมุนช้า-เร็ว
เดินหน้า-ถอยหลัง หรือเบรค โดย ESC ที่เลือกใช้นี้เป็น ESC สปีดสำหรับมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน(Brushless Motor) โดยในส่วนของ ESC จะรับสัญญาณ input ที่เป็น PWM ที่มีค่า duty cycle ต่างๆ พร้อมกับ Vcc และ GND รวมถึงเราจำเป็นต้องป้อนไฟ 11.1 Volt เข้า ESC เพื่อเป็นไฟเลี้ยงให้กับ ESC ซึ่งโดย ESC ที่นำมาใช้เป็นขนาด 30A




และ  Joy control & Receiver :  ใช้เพื่อให้ User ส่งค่ามาเพื่อควบคุมการทำงาน ผ่านตัว receiver ซึ่งในส่วนของ Module ESC จะรับค่าเข้ามาจาก receiver แล้วไปควบคุมให้ motor ทำงาน 

ภาพรวมของการทำงาน
 



 
ในส่วนของใบพัดและทิศทางการหมุนของทั้ง 4 motor
  1. ลักษณะของการหมุน ในส่วนของ motor ที่อยู่ตรงข้ามกันจะมีทิศทางการหมุนที่เหมือนกัน
  • คู่ของ A และ B มีทิศทางการหมุนแบบทวนเข็มนาฬิกา
  • คู่ของ C และ D มีทิศทางการหมุนแบบตามเข็มนาฬิกา
โดยการออกแบบที่ต้องให้ Motor ที่อยู่ตรงข้ามกันมีทิศทางการหมุนในทิศเดียวกัน เพื่อสร้างแรงต้านกันเพื่อไม่ให้ตัว model หมุนไปทิศทางใดทิศทางหนึ่ง คือ motor คือ A และ B จะสร้างแรงไปทางหนึ่งซึ่งจะทำให้ model หมุนไปทางนั้น ส่วนคู่ของ C และ D จะสร้างแรงไปอีกทางหนึ่ง ซึ่งก็จะทำให้ model หมุนไปอีกทาง ถ้า Motor ทุกตัวหมุนด้วยอัตราที่เท่ากัน สมดุลกัน จะทำให้ตัว model ไม่หมุน และลอยขึ้นตามแรงที่สั่งไป

   2. ลักษณะของการใส่ใบพัด ในส่วนของใบพัดจะมีแบบพัดลมขึ้นและพัดลมลง

  1.        ¨า¡รÙู»จะสÑั§เ¡µุว‹‹Ò ลÑั¡ÉณÐขอ§ใºพÑัดสÕีเดÕียÇกÑั¹ àช‹‹¹ A,D และ B,C ลÑั¡ÉณÐขÍงใºจÐäÁ‹‹เËม×ื͹กÑั¹ ค×ืÍถŒŒÒอÕี¡ตÑัÇâคŒŒ§ เขŒŒÒ อÕี¡ตÑัÇจÐโ¤ŒŒ§Íอก ∙ำใËŒŒ∙ÔิÈใºพÑั´∙Õีè่เËม×ือ¹กÑั¹มÕี∙ÔิÈ·า§ใ¹กาÃหมعทÕีè่µ‹Ò§กÑั¹ มÑันจÖึง∙ÓãหŒà¤ร×è่อ§ºÔิน  ¢Í§àรÒäม‹Ëมعวน àพÃÒะมÕีตÑัÇตŒÒา¹กÑัน ∙ÓสÒมÒร¶àคÅ×ืè่͹ทÕีè่ä»ä´ŒŒตÃงๆ โดÂäÁ‹‹หมعว¹ 
  2.  
  3. การทำงาน

  4. 1. ส่วนของ ESC และ Motor
 
โดยการทำงานรับค่ามาโดยสร้างสัญญาณ PWM มาจาก Arduino เข้าสู่ ESC จากนั้น ESC จะควบคุม Motor ตามสัญญาณ PWM ที่สร้างขึ้น ซึ่งในการทำงานจริงจะมีวงจรที่ใช้ในการรับ input จาก trimpot เข้าสู่ Arduino จากนั้นให้ Arduino สร้างสัญญาณ PWM ที่มีค่า duty cycle ตามค่าของแรงดันที่ตกคร่อม trimpot เพื่อไปควบคุม ESC

       จอยที่ใช้สามารถสื่อสารกันได้ โดยใช้รีซีวเวอร์ ทำให้เราสามารถควบคุมความเร็วของมอเตอร์
และใบพัดได้ แต่ทั้งสี่ตัวได้รับค่าเดียวกันหมด ด้วยส่วนนี้เองทำให้เฮลิคอปเตอร์นั้นคอนโทรลได้ channal เดียว ซึ่งก็คือทิศทางการบินขึ้น-ลง ยังไม่สามารถควมคุมทิศทางการบินซ้าย-ขวา หรือหน้า-หลัง ได้ 

กระบวนการการทำงาน
  1. เตรียมวางแผนชิ้นงานที่จะพัฒนาต่อยอดจาก ESC & Motor 1 ชุด
  2. ประชุมวางรูปแบบเพื่อหาข้อสรุป
  3. หาความรู้เกี่ยวกับอุปกรณ์ต่างๆ
  4. กำหนดรายการอุปกรณ์ และ ของที่ต้องใช้
  5. หาซื้ออุปกรณ์
  6. ทดลองและทำความเข้าการใช้งานอุปกรณ์
  7. ประกอบชิ้นงานในส่วนของตัวโครง Model
  8. บัดกรีอุปกรณ์ต่างๆ
  9. ทดลองการใช้งาน module ESC เพื่อควบคุมการทำงานของ Motor ทีละชุด
  10. ทดลองรับและส่งการควบคุมโดย Joy Control
  11. ประกอบชิ้นงานระหว่าง module ESC & Motor 4 ชุด กับตัวโครง Model
  12. ทดลองรับและส่งการควบคุมโดย Joy Control กับ module ESC & Motor 4 ชุด กับตัวโครง Model

ผลที่ได้จากการทดลอง
  1. ควรทำส่วนของ Switch เปิด/ปิด Battery เพื่อความสะดวกในการใช้งาน
  2. ความสมดุลของชิ้นงานเป็นสิ่งสำคัญ คือ เนื่องจากตัว Model ไม่เกิดความสมดุลของน้ำหนักอุปกรณ์ต่างๆที่อยู่ และอัตราเร็วในการหมุนของ Motor แต่ละตัวแม้ว่าจะรับ Battery จากที่เดียวกัน และรับสัญญาณ Input มาเหมือนกัน แต่การทำงานจริง motor แต่ละตัวจะเริ่มทำงานต่างเวลากัน และ Module ESC แต่ละตัวจะเข้าใจสัญญาณ input ที่รับเข้ามาต่างกันจึงทำให้อัตราการหมุนที่ Module ESC ควบคุม Motor นั้นต่างกัน ทำให้ความสมดุลในการที่ Model งานจะลอยขึ้นแต่เอียง อาจเกิดความเสียหายแก่ใบพัดได้
  3. จากข้อที่ 2. จึงต้องควรสร้างและคิดเพิ่มเติมในส่วนของ Model ชิ้นงานในการป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นกับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ใบพัด เวลา Model หล่น
  4. วิธีการลงจอด
  5. ปัญหา Battery หมดเร็ว

ความรู้ที่เกี่ยวข้อง

ทำไมต้องมีใบพัดอย่างน้อย2ชุด
เริ่มต้นจากฟิสิกส์ที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งสำหรับการบินของ ฮ. ซึ่งเป็นคำอธิบายว่าทำไม ฮ. จึงต้องมีใบพัดอย่างน้อย 2 ชุด ในหน้านี้จะแบ่งการอธิบายออกเป็นสองส่วน
ส่วนแรก คือ การอธิบายถึงปัญหาของ ฮ. ไม่สมประกอบ ที่มีใบพัดชุดเดียว
ส่วนที่สอง เป็นการแก้ปัญหาดังกล่าว

ส่วนแรก ปัญหาของ ฮ. ไม่สมประกอบที่มีใบพัดเพียงชุดเดียว
สมมุติว่าเราเล่น RC . ลำหนึ่งที่มีใบพัดแค่ชุดเดียว ขณะที่เราบิน ลำ ฮ. จะหมุนรอบตัวเอง ทำให้เราแทบจะไม่สามารถควบคุมมันในสภาพนี้ได้ การที่ ฮ. ไม่สมประกอบลำนี้หมุดรอบตัวเองขณะบินสามารถอธิบายโดยหลักฟิสิกส์ได้ ฟิสิกส์ที่ใช้เป็นเรื่องของการอนุรักษ์โมเมนตั่มเชิงมุม

ขณะที่ใบพัดหมุน ใบพัดจะมีโมเมนตัมเชิงมุม ซึ่งเป็นปริมาณเวกเตอร์ มีขนาดขึ้นกับขนาดของความเร็วเชิงมุม และ ทิศของโมเมนตัมเชิงมุมสามารถหาได้โดยใช้กฎมือขวา [ ลองยกมือขวาขึ้นแล้วกำมือยกนิ้วโป้งขึ้ นิ้วทั้งสี่นิ้วคือ ชี้ กลาง นาง และก้อย จะแทนทิศทางการหมุนของใบพัด และนิ้วโป้งจะชี้ทิศโมเมนตั่มเชิงมุม ดังนั้นถ้าเราดูที่มือขวาเราจะเห็นว่านิ้วทั้งสี่นิ้วแทนทิศทางการหมุนทวนเข็มนาฬิกาและนิ้วโป้ง (แทนทิศของโมเมนตัมเชิงมุม) จะชี้ทิศขึ้น
ต่อไปให้พลิกมือให้นิ้วโป้งชี้ลงพื้น คราวนี้จะเห็นว่านิ้วทั้งสี่แสดงถึงการหมุนตามเข็มนาฬิกา และทิศของโมเมนตั่มเชิงมุมชี้ทิศลง เรามาลองใช้มือขวานี้อธิบายการการบินของ ฮ
. สมมุติว่าตอนนี้เรามี ฮ. ลำหนึ่งที่มีใช้พัดหลักแค่ชุดเดียว (ไม่สมประกอบ) เมื่อเราสั่งให้ใบพัดชุดนี้หมุนทวนเข็มนาฬิกาจนใบพัดหมุนเร็วมากพอแล้ว ฮ. ลอยขึ้นได้ จากการกำมือขวา เราจะเห็นว่าใบพัดที่กำลังหมุนทวนเข็มนาฬิกานี้มีโมเมนตัมเชิงมุมชึ้ทิศขึ้น (ทิศขึ้นไม่เกี่ยวกับการบินขึ้น) นั้นคือตอนนี้ทั้ง ฮ. และใบพัดจะมีโมเมนตัมเชิงมุมลัพธ์ทิศขึ้น ]

จากกฎอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม การที่อยู่ดีๆ ฮ. และใบพัดมีโมเมนตัมเชิงมุมลัพธ์ทิศขึ้นแบบนี้จะลอยอยู่นิ่งๆไม่ได้ ระบบ (. และใบพัด) จะต้องทำอะไรสักอย่างที่จะหักล้างโมเมนตั่มเชิงมุมทิศขึ้นนี้ ระบบจะบังคับให้ ลำ ฮ. หมุนในทิศที่เกิดโมเมนตัมเชิงมุมทิศลง นั้นคือ . จะหมุนตามเข็มนาฬิกาด้วยความเร็วเชิงมุมที่มากพอที่จะหักลางขนาดของโมเมนตัมของใบพัดได้ ซึ้งเราไม่อยากให้ ลำ ฮ. ของเราหมุนแบบนี้

ส่วนที่สอง การแก้ปัญหา
การแก้ปัญหาลำ ฮ. หมุนรอบตัวเองนี้ทำได้โดยใส่ชุดใบพัดเพิ่ม การใส่ชุดใบพัดเพิ่มจะทำในลักษณะที่แตกต่างกันออกไป ขึ้นกับการออกแบบซึ่งแต่ละแบบจะใช้หลักการที่แตกต่างกัน ในที่นี้จะอธิบายการแก้ปัญหาจากส่วนแรกของ ฮ. ที่เป็น Co axial helicopter design และ Conventional helicopter designสำหรับ ฮ. พวก Co axial helicopter design จะแก้ปัญหาโดยใส่ใบพัดชุดที่สองเพิ่มซึ่งจะมีแกนหมุนทับกับใบพัดชุดแรก หลักการของการแก้ปัญหา ก็สามารถอธิบายได้โดยหลักอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมเช่นกัน นั้นคือ
 

1. จากส่วนที่หนึ่ง เมื่อใบพัดหมุนทวนเข็มนาฬิกา ลำ ฮ. จะหมุนตามเข็มนาฬิกา
2.
ในทางกลับกัน ถ้าใบพัดชุดนี้หมุนตามนาฬิกา ลำ ฮ. จะหมุนทวนเข็มนาฬิกา
3.
. Co-axial design จะมีใบพัดสองชุด เมื่อใบพัดสองชุดหมุนในทางตรงข้างซึ่งกันและกัน และหมุนด้วยขนาดความเร็วเชิงมุมที่เท่ากัน ลำ ฮ. จะอยู่นิ่งๆ

    Conventional helicopter design จะใส่ใบพัดชุดที่สองไว้ที่หางมีแกนหมุนชี้ด้านข้างของลำ ฮ. หลักการทำงานของใบพัดที่หางนี้คือทำให้เกิด ทอร์กหักล้าง หรือ Counter torque มากระทำกับลำ ฮ. (ตามเวปไซด์อ้างอิงที่ [3] และ [4]) นั้นคือ

 
1. จากส่วนที่หนึ่ง เมื่อใบพัดหมุนทวนเข็มนาฬิกา ลำ ฮ. จะหมุนตามเข็มนาฬิกา
2.
ถ้า ฮ. มีแต่ใบพัดหาง เมื่อใบพัดชุดที่หางสร้างแรงผลักที่หาง มีทิศตามลูกศรสีส้ม เกิดทอร์กมากระทำ  ที่ลำ ฮ.จึงทำให้ลำ ฮ. หมุนทวนเข็มนาฬิกา
3.
. ที่มีทั้งใบพัดหลัก และใบพัดหาง ถ้าใบพัดที่หางสร้างแรงกระทำที่หางตามทิศของลูกศรสีส้มอย่างพอดี โมเมนตัมเชิงมุมจากข้อ 1 จะถูกหักล้าง ทำให้ลำ ฮ. จะอยู่นิ่งๆ



อย่างไรก็ตาม ปัญหาของ ฮ. ไม่สมประกอบหมุนรอบตัวเองขณะบิน ตามที่อธิบายไว้ในส่วนที่หนึ่ง ยัง มีอีกคำอธิบายหนึ่งที่น่าจะสอดคล้องกับ หลักอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม คือการอธิบายด้วย Torque effect


ใบพัดหมุนแล้วทำให้ ฮ. บินได้อย่างไร
หน้าที่ของใบพัดกัน การทำงานของใบพัดคือการสร้างแรงยก แรงยกจะมากหรือน้อยความเร็วเชิงมุมในการหมุนของใบพัด และขึ้นอยู่กับรูปร่างใบพัดด้วย รูปร่างของใบพัดที่จะพูดถึงคือตัดขวางของใบพัด (ในวงการการบิน ภาคตัดขวางของปีกเครื่องบินจะเรียกว่า Airfoil) และ มุมเอียงปะทะกระแสอากาศ (Attack angle หรือ Angle of attack วัดโดยมุมระหว่างปีกกับระนาบที่ตั้งฉากกับแกนหมุน) ฟิสิกส์ ที่ใช้อธิบายแรงยกนี้มีหลายทฤษฎี หลักๆ ก็คือ การอธิบายแรงยกด้วยทฤษฎีนิวตัน (ปีกทำให้เกิดการเปลี่ยนทิศการเคลื่อนที่ของกระแสอากาศ อ้างอิง [5]) และการอธิบายแรงยกด้วยทฤษฎีแบร์นูลี (เกี่ยวกับผลต่างความดันอากาศที่ผิวบนและผิวล่างของปีก อ้างอิง [6]) ไม่ว่าอย่างไรก็ตาม สรุปคือใบพัดจะทำหน้าที่สร้างแรงยกจากการไหลของอากาศ แรงยกจะมากหรือน้อยจะขึ้นกับ Attack angle และ Airfoil และความเร็วในการหมุนของใบพัด
      เมื่อเรารู้แล้วว่าการที่ใบพัดหมุนจะทำให้เกิดแรงยกและโมเมนตัมเชิงมุมที่ใบพัด แล้ว จริงๆ แล้วการหมุนของใบพัดก็สร้างเพียงแรงยกเท่านั้น แต่การที่ ฮ. บินพร้อมกับเคลื่อนที่ในแบบต่างๆ ได้เป็นเพราะ ฮ. มีวิธีที่จะจัดการกับแรงยกนี้


จำนวน Channel กับการบิน
จำนวน Channel จะบอกถึงความสามารถในการบินของ ฮ. ได้ และในหน้านี้เราจะมาดูกันว่าพวก 3Ch 4Ch และ 6Ch สามารถบิน (พื้นฐานที่สุด) แบบไหนได้บ้าง

RC
. 3Ch ส่วนใหญ่จะอยู่ในกลุ่มนี้ซึ่งใช้ใบพัดชุดที่สามช่วยในการบิน จะมี 4Ch. ในกลุ่มนี้บ้างแต่มีน้อยรุ่น

1. สำหรับการบินขึ้นและบินลง ทำได้โดยการเพิ่มความเร็วหรือลดความเร็วของใบพัด เพราะเมื่อใบพัดหมุนเร็วก็จะสร้างแรงยกได้มาก การบินขึ้นจึงแค่เพียงทำให้ใบพัดหมุนเร็วจนสามารถสร้างแรงยกได้มากกว่า น้ำหนักของ ฮ. นั้นเอง เนื่องจาก RC . กลุ่มนี้เป็น Fixed pitch . จะไม่สามารถปรับ Attack angle สำหรับการบินขึ้นได้
2. การเดินหน้าถอยหลัง จะทำโดยใช้ใบพัดชุดที่ที่หางช่วยสามช่วย ใบพัดที่ห่างนี้จะมีแกนหมุนชี้ทิศขึ้น เมื่อมันหมุนเร็วพอมันก็จะสร้างแรงยกทำให้ ฮ. ยกหางขึ้นได้ การยกหางของ ฮ. จะทำให้ระนาบการหมุนของใบพัดหลักถูกหมุนให้เอียงไปด้านหน้า แรงยกที่สร้างจากใบพัดจึงแตกออกเป็นส่วนของแรงที่ชี้ทิศขึ้น และส่วนของแรงที่ชี้ไปด้านหน้า และแรงที่ชี้ไปด้านหน้านี่เองที่ทำให้ ฮ. เคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้ สำหรับการถอยหลังก็จะกลับกัน ใบพัดที่สามจะหมุนเพื่อสร้างแรงกด หางของ ฮ. ตกลงจึงส่งผลให้ระนาบการหมุนของใบพัดหลักเอียงไปด้านหลัง ทำให้เกิดแรงที่ผลัก ฮ. ให้เคลื่อนที่ถอยหลัง
 
3. การหมุนหัว ฮ. ทวนเข็มและตามเข็มนาฬิกา ทำได้โดยสั่งให้ใบพัดชุดแรกกับชุดที่สองหมุนด้วยความเร็วไม่เท่ากัน จะระบบ (ใบพัดและลำ ฮ.) มีโมเมนตัมเชิงมุมลัพธ์ที่ไม่เป็นศูนย์ ทันใดนั้นเอง ลำ ฮ. จึงต้องหมุนรอบตัวเองเพื่อหักล้างกับโมเมนตัมเชิงมุมลัพธ์นั้น สรุปคือคำสั่งนี้จะเป็นการทำให้การหมุนของใบพัดทั้งสอง เปลี่ยนจากเดิมที่หมุนด้วยความเร็วเชิงมุม เท่ากัน ไปเป็นการหมุนด้วยขนาดของความเร็วเชิงมุม ไม่เท่ากัน ทำให้ลำ ฮ. หมุนหัวทางเดียวกันกับใบพัดชุดที่หมุนข้ากว่า

ESC Calibration

      Electronic speed controllers are responsible for spinning the motors at the speed requested by the flight controller (i.e. APM or PX4). Most ESCs need to be calibrated so that they know the minimum and maximum pwm values that the flight controller will send.  This page provides instructions for calibrating ESCs.

About ESC Calibration

ESC calibration will vary based on what brand of ESC you are using, so always refer to the documentation for the brand of ESC you are using for specific information (such as tones).  “All at once” calibration works well for most ESCs, so it is good idea to attempt it first and if that fails try the “Manual ESC-by-ESC” method.
  • For 3DR ESCs can use the “All at once” method.
  • DJI Opto ESCs do not require and do not support calibration, so skip this page completely
  • Some brands of ESC do not allow calibration and will not arm unless you adjust your radio’s throttle end-points so that the minimum throttle is around 1000 PWM.  Note that if you change the end-points on your TX you must re-do the Radio Calibration.
  • Begin this procedure only after you have completed the “Calibrate radio control” section of the Configuring Hardware page and “Connect ESCs and motors” part of the Assembly Instructions. Next follow these steps:

 

All at once calibration

Safety Check!
Before calibrating ESCs, please ensure that your copter has NO PROPS on it and that the APM is NOT CONNECTED to your computer via USB and the Lipo battery is disconnected.
 
 
1. Turn on your transmitter and put the throttle stick at maximum
 
2. Connect the Lipo battery. On the APM the red, blue and yellow LEDs will light up in a cyclical pattern. This means the APM is ready to go into ESC calibration mode the next time you plug it in.
 
3. With the throttle still high, disconnect and then reconnect the Lipo battery.  The APM is now in ESC calibration mode and will pass through your throttle directly to the ESCs (you may notice the red and blue LEDs blinking alternatively on and off like a police car). PX4 users will also need to push the safety button.
 
4. Wait for your ESCs to emit the musical tone, the regular number of beeps indicating your battery’s cell count (i.e. 3 for 3S, 4 for 4S) and then an additional two beeps to indicate that the maximum throttle has been captured. Pull the transmitter’s throttle to minimum.
     The ESCs will then emit a long tone indicating that the minimum throttle has been captured and the calibration is complete.

The ESCs are “live” now and if you raise the throttle they should spin.

The APM is still in ESC calibration mode however. To return it to regular flight mode put the throttle low and disconnect and reconnect the battery.