เครองบนอตโนมตแบบสใบพดส าหรบการถายภาพทางอากาศ AUTOPILOT QUADCOPTER FOR PHOTOGRAPHY

นายอครพนธ สงขวงษ นายจตพล ศรสวาง นายสรวศ ไพฑรยวงศ

ปรญญานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรวศวกรรมศาสตรบณฑต ภาควชาวศวกรรมคอมพวเตอร คณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร พ.ศ. 2555

เครองบนอตโนมตแบบสใบพดส าหรบการถายภาพทางอากาศ

นายอครพนธ สงขวงษ นายจตพล ศรสวาง นายสรวศ ไพฑรยวงศ

ปรญญานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรวศวกรรมศาสตรบณฑต ภาควชาวศวกรรมคอมพวเตอร คณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร พ.ศ. 2555

AUTOPILOT QUADCOPTER FOR PHOTOGRAPHY

MR. AKHARAPHAN SANGWONG MR. JITTAPOL SRISAWANG MR. SARAWIT PAITOONWONG

THIS PROJECT SUBMITTED IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE BACHELOR DEGREE OF ENGINEERING

DEPARTMENT OF COMPUTER ENGINEERING FACULTY OF ENGINEERING

RAJAMANGALA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY THANYABURI YEAR*2012

หวขอปรญญานพนธ เครองบนอตโนมตแบบสใบพดส าหรบการถายภาพทางอากาศ นกศกษา นายอครพนธ สงขวงษ นายจตพล ศรสวาง นายสรวศ ไพฑรยวงศ อาจารยทปรกษา อาจารยสมรรถชย จนทรตน

ภาควชาวศวกรรมคอมพวเตอร คณะวศวกรรมศาสตร มหา วทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร อนมตใหปรญญานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรวศวกรรมศาสตรบณฑต ………………………………………….....หวหนาภาควชาฯ (อาจารยมาโนช ประชา) คณะกรรมการสอบปรญญานพนธ ………………………………………….....ประธานกรรมการ (ดร.สทนน พรอนรกษ) ………………………………………….....กรรมการ (อาจารยสมชาต หรงเจรญ) ………………………………………….....กรรมการ (อาจารยวระชย แยมวจ) ……………………………………………..กรรมการและอาจารยทปรกษา (อาจารยสมรรถชย จนทรตน)

ลขสทธของภาควชาวศวกรรมคอมพวเตอร คณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

ง

หวขอปรญญานพนธ เครองบนอตโนมตแบบสใบพดส าหรบการถายภาพทางอากาศ นกศกษา นายอครพนธ สงขวงษ รหส 115110462012-5 นายจตพล ศรสวาง รหส 115110462033-1 นายสรวศ ไพฑรยวงศ รหส 115110462056-2 อาจารยทปรกษา อาจารยสมรรถชย จนทรตน ปการศกษา 2554

บทคดยอ โครงงานน เปนการน าเอาเทคโนโลยการสรางเครองบนสใบพดขนาดเลกและระบบน าทางอตโนมตผานระบบ จพเอส (Global Positioning System, GPS) ทมความสามารถใชในการระบต าแหนง น ามาใชในการบอกพกดต าแหนงปจจบน แลวน ามาประมวล ผลในระบบควบคมการบนของเครองบน โดยเครองบนนนจะสามารถบนตามเสนทางทก าหนดไว เพอใชประโยชนในการถายภาพทางอากาศดวยการบนแบบอตโนมต โดยในปจจบนนน การถายภาพทางอากาศนนมความจ าเปนอยางมาก ทงในดานการจดท าแผนททางทหาร การปองกนการกอการราย และในเชงธรกจ เชน การถายภาพมมสงเพอใชในธรกจประชาสมพนธ การจดท าแผนทสถานททองเทยว แตดวยปจจยทใชในการจดท าแผนททางอากาศนนมมลคาสง อาจท าใหเกดความไมคมคาส าหรบการท าแผนท หรอการถายภาพทางอากาศขนาดเลก ทางกลมเราจงไดเกดแนวคดในการสรางเครองมอทใชในการถายภาพทางอากาศทมขนาดเลก มตนทนตอการขนบนต า สามารถขนบนไดอตโนมตโดยไมจ าเปนตองมนกบน เพอลดความสญเสย ตอชวตและทรพยสนทจะเกดขน ค าส าคญ จพเอส GPS ถายภาพทางอากาศ QUADCOPTER ระบบก าหนดต าแหนงพนโลก

จ

กตตกรรมประกาศ คณะผจดท าโครงงาน ระบบควบคมการบนอตโนมตส าหรบอากาศยานสใบพด มความยนดทการจดท าโครงงานนสามารถส าเรจลลวงไปไดดวยด การจดท า โครงงานนจะส าเรจลลวงไปไมได ถา หากไมไดความชวยเหลอจากหลายๆฝายซงใหค าแนะน าและสนบสนนในดานการใหค าปรกษาและความรวมมอการใหขอมลตางๆ ขอขอบพระคณทานคณาจารยคณะวศวกรรมศาสตร ภาควชาวศวกรรมคอมพวเตอร ทสละเวลาอนมคายงมาใหค าชแนะและ ประสทธประสาทความร ทมประโยชนให จงท าใหโครงงานนประสบความส าเรจได 1. ดร.สทนน พรอนรกษ 2. อาจารยสมชาต หรงเจรญ 3. อาจารยวระชย แยมวจ 4. อาจารยสมรรถชย จนทรตน 5. หองสมดคณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร 6. หองสมดวทยบรการ มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร ทางผจดท า ขอขอบพระคณคณะกรรมการทกทานทไดสละเวลา ในการพจารณาโครงงานและผทใหการสนบสนนเปนอยางยง ขอขอบคณ คณพอ คณแม เพอนๆ พๆ นองๆ ทใหก าลงใจเสมอมา ความดทไดรบจากโครงงานน ผจดท าขออทศใหกบบพการและบรพคณาจารยทกทาน คณะผจดท า

ฉ

สารบญ

หนา บทคดยอ ง กตตกรรมประกาศ จ สารบญ ฉ สารบญตาราง ซ สารบญรป ฌ บทท 1 บทน า 1 1.1 ความเปนมาและความส าคญของโครงงานปรญญานพนธ 1 1.2 วตถประสงคของโครงงาน 1 1.3 ขอบเขตของโครงงานปรญญานพนธ 2 1.4 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ 2 บทท 2 ทฤษฎและขอมลทเกยวของ 3 2.1 บทน า 3 2.2 ทฤษฎเบองตนของเครองบนแบบสใบพด (QUADCOPTER) 3 2.3 ระบบจพเอส (GPS : Global Positioning System) 8 2.4 ระบบควบคมความเรวทศทางและการหมนของมอเตอรกระแสตรง 16 2.5 ทฤษฎและหลกการท างานของอปกรณตรวจวด 41 2.6 ทฤษฎและหลกการท างานของโครงสรางและสวนประกอบอนๆ 55 บทท 3 การออกแบบและการสรางโครงงาน 63 3.1 แผนการด าเนนงาน 63 3.2 ภาพรวมการออกแบบ 65 3.3 การออกแบบโปรแกรมควบคม 82 3.4 การออกแบบดานโครงสราง 83

ช

สารบญ (ตอ)

หนา บทท 4 ผลการด าเนนงานและการวเคราะห 85 4.1 ผลทไดจากการทดสอบและวดผล 85 4.2 หนาทการท างานของปมตางๆ ในการควบคมเครองบนแบบสใบพด 86 4.3 การวเคราะห / การทดลอง 87 บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ 98 5.1 สรป 98 5.2 ปญหาและอปสรรคในการด าเนนโครงงานน 99 5.3 ขอเสนอแนะ 99 บรรณานกรม 100 ภาคผนวก ก 101 วธการใชงานโปรแกรม 101 ภาคผนวก ข 115 การใชงาน XBee เบองตน 115 ประวตผจดท าปรญญานพนธ 132

ซ

สารบญตาราง

ตารางท หนา 2.1 ความยาวของสาย และ อตราความเรวในการสงขอมล 26 2.2 PIN Assignments for XBee 32 2.3 ระยะรบสงขอมลของสายอากาศตว XBee 36 2.4 สวนประกอบของ IMU Combo Board 44 3.1 เวลาการท างานระบบควบคมการบนอตโนมตส าหรบอากาศยานสใบพด 63 3.2 ความหมายในแตละสวนของระบบน ารองและคนหาเสนทาง 82 4.1 การทดสอบระยะเวลาในการเคลอนทเมอมการถวงน าหนก (5 เมตร) 93 4.2 การใชพลงงานแรงดนไฟฟาเมอมการเพมคนเรงตลอดเวลา 94 4.3 การทดลองการเคลอนทในแนวราบระยะทาง 800 เมตร 95 4.4 การทดลองบนไตระดบความสง 95 4.5 การทดสอบการลอยตวอยนง 96 4.6 การทดสอบการหลบสงกดขวาง 96 4.7 การเคลอนทเขาสเปาหมาย 97 ข.1 Specifications of the XBee 130

ฌ

สารบญรป

รปท หนา 2.1 เครองบนแบบสใบพด (QUADCOPTER) 3 2.2 การควบคมแบบการลอยตว 4 2.3 การควบคมแบบการบนขน-ลง 4 2.4 การควบคมแบบการเอยงตวซาย-ขวา 5 2.5 การควบคมแบบการเอยงตวหนา-หลง 5 2.6 การควบคมแบบการหมนตว 5 2.7 การขนบนและการไตระดบ 6 2.8 การลงจอดและการลดระดบ 6 2.9 การเคลอนท 7 2.10 การหมนตว 7 2.11 การเปลยนแปลงทศทาง 8 2.12 การโคจรของดาวเทยม 10 2.13 สถานควบคมระบบดาวเทยม GPS 5 แหง 11 2.14 การโคจรของดาวเทยม GPS รอบโลก 12 2.15 องคประกอบของระบบดาวเทยม GPS 13 2.16 การกลบทศทางของมอเตอรกระแสตรงโดยใชรเลย 17 2.17 การใชทรานซสเตอรเพอขบรเลยใหท างาน 17 2.18 การใชทรานซสเตอรเปนวงจรขบและก าหนดทศทางของมอเตอร 18 2.19 ความกวางของพลสขนาดตางๆ และคาดวตไซเคลของชวงพลส 19 2.20 เซอรโวมอเตอร รน S03T STD 20 2.21 โครงสรางของเซอรโวมอเตอร 20 2.22 Timing Diagram ของ Control Pulse 21 2.23 การตอวงจรควบคมเซอรโวมอเตอรดวยไมโครคอนโทรลเลอร 22 2.24 การใชระดบแรงดนของ TTL 23 2.25 การสอสารอนกรมแบบ Synchronous 24 2.26 การสงขอมลของ UART 24 2.27 การเชอมตอระหวางอปกรณ 25

ญ

สารบญรป (ตอ)

รปท หนา 2.28 การเปรยบเทยบระดบแรงดนระหวาง TTL กบ RS232 26 2.29 การเชอมตอผานอปกรณ MAX232 27 2.30 วงจร TTL 0-5V เปน RS232 27 2.31 วงจร TTL 0-3.3V เปน RS232 27 2.32 ขาของคอนเนกเตอร DB9 28 2.33 การเชอมตอสาย DB9 28 2.34 การน า MAX232 ไปใช 29 2.35 การน า TTL&UART ไปใช 29 2.36 การน า TTL&UART ไปใชกบ MAX232 29 2.37 XBee Series1 Pro Whip Antenna 30 2.38 รปจาก Datasheet ของ XBee 31 2.39 เครอขาย ZigBee แบบ Star, Cluster, Mesh 34 2.40 การท างานของ XBee 37 2.41 Data Throughput ของ XBee 38 2.42 ยานความถ ZigBee มาตรฐานสากล 39 2.43 ZigBee Stack 40 2.44 โครงสรางพนฐานของมเตอรวดอตราเรงแบบไซสมกแมส 41 2.45 โครงสรางพนฐานของมเตอรวดอตราเรงแบบเพยโซอเลกทรก 42 2.46 IMU Combo Board 44 2.47 ระยะสนสดในกรวยเสยง 46 2.48 ระดบพลงงานเสยงเปน dB ทมมตางๆ กน 46 2.49 การท างานของเซนเซอรอนฟราเรด 47 2.50 Analog To Digital Converter 48 2.51 Output Voltage Graph from A/D Converter 49 2.52 Binary Search Strategy 50 2.53 Binary Search 51 2.54 Dual Slope A/D Converter 51

ฎ

สารบญรป (ตอ)

รปท หนา 2.55 Dual Slope A/D Converter Output and Timing 52 2.56 Dual Slope A/D Converter – Full Circuit 52 2.57 Dual Slope A/D Converter – Zero Offset 53 2.58 Flash Converter 53 2.59 Summary of Analog To Digital Converter 54 2.60 การเชอมตอแบตเตอรเพอเพมก าลงใหกบแบตเตอร 55 2.61 ใบพด 56 2.62 การเคลอนทผานอากาศ 56 2.63 Leading Edge 57 2.64 Blade Face 57 2.65 Thrust Face 58 2.66 Plane of Rotation 58 2.67 Blade Angle 59 2.68 Relative Wind 60 2.69 Blade Path 60 2.70 Geometric Pitch 61 2.71 แรง และ ความลา ทกระท าบนใบพด ขณะท าการบน 62 3.1 สวนประกอบของระบบควบคม 65 3.2 สวนประมวลผลของระบบควบคม 66 3.3 การควบคมอปกรณ Output ของ Microcontroller 67 3.4 Algorithm ในการเคลอนท 68 3.5 Algorithm ในการหลบหลกสงกดขวาง 69 3.6 Algorithm การควบคมการลงจอด 70 3.7 Algorithm การตรวจเชคระดบแบตเตอร 71 3.8 Algorithm การถายภาพ 72 3.9 Algorithm การเคลอนทตามพกดของ GPS 73 3.10 Algorithm การเคลอนทตามพกดของ GPS แบบตดโปรแกรม 74

ฏ

สารบญรป (ตอ)

รปท หนา 3.11 Algorithm การเคลอนทเมอ Sensor ท างาน 75 3.12 Algorithm การรบสงคาภายในโปรแกรม 76 3.13 Algorithm การควบคมการเปด-ปดเครองบน 77 3.14 Algorithm การควบคมการถายภาพ 77 3.15 Algorithm การท างานของ IR Sensor 78 3.16 Algorithm การท างานของ Sonar Sensor 79 3.17 Algorithm การเปรยบเทยบคาในการควบคมความสง 79 3.18 Algorithm ภายในโปรแกรมส าหรบการ Trim 80 3.19 Diagram การเชอมตออปกรณทงหมด 81 3.20 ภาพตวอยางของระบบน ารองและคนหาเสนทาง 82 3.21 สวนโครงสรางของระบบควบคม 83 3.22 สวนโครงสรางของอปกรณเซนเซอร 84 4.1 โปรแกรมควบคมเครองบนแบบสใบพด 86 4.2 การแกวงของเขมทศดจตอลเมอวางนงอยบนระนาบ 87 4.3 การแกวงของคาความสงจากระดบน าทะเล 88 4.4 การวดความผดพลาดในการสงสญญาณ PWM 89 4.5 การวดคาระยะทางจากเปาหมาย 30, 40, 50, 60, 70 cm. ตามล าดบ 90 4.6 การวดคาระยะทางจากเปาหมาย 30, 40, 50 cm. ตามล าดบ 91 4.7 การวดคาระยะทางจากเปาหมาย 100, 200, 300, 400 cm. ตามล าดบ 92 4.8 การใชพลงงานแรงดนไฟฟาเมอมการเพมคนเรงตลอดเวลา 94 ก.1 โปรแกรม QUADCOPTER Control 102 ก.2 ขอมลตางๆ ภายในโปรแกรม 103 ก.3 Tab “Data” 104 ก.4 Tab “Google API” 105 ก.5 Tab “Map” 106 ก.6 การตงคาแผนทส าหรบใชค านวณ 107 ก.7 Tab “Google Map” 108

ฐ

สารบญรป (ตอ)

รปท หนา ก.8 การเรยกดคาพกดตางๆ 109 ก.9 Tab “Tracking” 110 ก.10 Tab “Mode Auto Control” 111 ก.11 Tab “Mode Manual Control” 112 ก.12 Tab “Trim” 113 ก.13 Tab “Debug” 114 ข.1 Software X-CTU ทใชรวมกบ XBee 116 ข.2 Tab “Modem Configuration” 117 ข.3 Mini XBee USB Dongle 118 ข.4 XBee Convert PIN to 2.54 Pitch 118 ข.5 การเลอก Com Port (UART) 119 ข.6 การ Set Parameter ในหมวด Networking & Security 120 ข.7 Tab “Range Test” 122 ข.8 Tab “Terminal” 123 ข.9 การใช AT Command กบ X-CTU 124 ข.10 ZigBee Nodes 125 ข.11 One ZigBee Coordinator per Network 129

บทท 1 บทน า

1.1 ความเปนมาและความส าคญของโครงงานปรญญานพนธ โครงงานน เปนการน าเอาเทคโนโลย การสราง เครองบนสใบพดขนาดเล กและระบบน าทางอตโนมตผานระบบ จพเอส (Global Positioning System, GPS) ทมความสามารถ ในการระบต าแหนง เพอน ามาใชในการบอกพกดต าแหนง ปจจบน แลวประมวลผลในระบบควบคมการบนของเครองบน โดยทเครองบนนนจะสามารถบนตามเสนทางทก าหนดไว เพอใชประโยชนในการถายภาพทางอากาศดวยการบนแบบอตโนมต โดยในปจจบนนน การถายภาพทางอากาศนนมความจ าเปนอยางมาก ทงในดานการจดท าแผนททางทหาร การปองกนการกอการราย และกลมองคกรธรกจ เชน การถายภาพมมสงเพอใชในธรกจประชาสมพนธ การจดท าแผนทสถานททองเทยว แตดวยปจจยทใชในการจดท าแผนททางอากาศนนมมลคาสง อาจท าใหเกดความไมคมคาส าหรบการท าแผนท หรอการถายภาพทางอากาศขนาดเลก ทางกลมเราจงไดเกดแนวคดในการสรางเครองมอทใชในการถายภาพทางอากาศทมขนาดเลก มตนทนตอการขนบนต า สามารถขนบนไดอตโนมตโดยไมจ าเปนตองมนกบน เพอลดความสญเสยตอชวตและทรพยสนทจะเกดขน 1.2 วตถประสงคของโครงงาน 1.2.1 เพอศกษาการสรางและการท างานของเครองบนสใบพดขนาดเลก 1.2.2 เพอสรางระบบ ควบคมการบนแบบอตโนมต ดวยอปกรณรบสญญาณดาวเทยมและเซนเซอรตรวจจบการท างาน 1.2.3 ระบบซอฟตแวรสามารถตรวจจบขอผดพลาด และปองกนความผดพลาดทเกดขนจากการบนอนนอกเหนอพสยการบนของเครองบน โดยอาศยการอางอง พกดเปนละตจด (Latitude) ลองจจด (Longitude) และความสง ตามแผนทโลก ทมการก าหนด คาตางๆไวลวงหนาแลว โดยมความผดพลาดในการบอกต าแหนงประมาณ 8-15 เมตร 1.2.4 เพอสรางอปกรณ ทชวยในการถายภาพมมสง ทมขนาดเลกใชงานงาย และงายตอการขนปฏบตงานถายภาพทางอากาศ 1.2.5 ระบบซอฟตแวรทสรางขนสามารถตงโปรแกรมในการถายภาพได ตามพกดทก าหนดไวลวงหนาบนโปรแกรม

2

1.3 ขอบเขตของโครงงานปรญญานพนธ 1.3.1 สรางเครองบนแบบสใบพด ทสามารถขนลง และเคลอนทไดในทงแนวราบ และแนวดง และสามารถทรงตวอยนงได โดยมระยะท าการบนในระนาบไมเกน 800 เมตร และมความสงไมเกน 15 เมตร จากจดควบคม 1.3.2 สามารถบนหลบหลกสงกดขวางทอยนงได ในทศทางทเครองบนเคลอนทไป โดยสงกดขวางนนตองไมเกนขอจ ากดของการบน 1.3.3 ท าการบนอตโนมต ภายใตพนทๆก าหนดไวลวงหนาในโปรแกรมควบคมการบนทไดมการก าหนดจดบนแผนทไวแลว 1.3.4 สามารถท าการลงจอดไดเองโดยอตโนมต เมอมการระบจดหมายในการลงจอดไวลวงหนา หากไมไดก าหนดต าแหนงลงจอด เครองบนจะบนกลบมาในต าแหนงเรมตน 1.3.5 มอปกรณตรวจเชคระดบแบตเตอรร พรอมทงมระบบการตรวจสอบพกดการบน บนตวเครองบนเพอปองกนการบน ทอยนอกเหนอความสามารถของเครองบน หากมขอผดพลาด ทไดก าหนดเงอนไขไวลวงหนาแลว เครองบนจะบนกลบ ไปยงพกดเรมตนเสมอ 1.3.6 สรางโปรแกรมตงคาการบนบนเครองคอมพวเตอรเพอท าการแปลงแผนทเปนขอมล พกดเรมตน พกดสดทาย จดเชคพกดเดนทาง และสามารถตงคาความสงเรมตน พกดทใชในการถายภาพ พรอมทงแสดงพกดความสง ณ ต าแหนงปจจบน ไดในตวโปรแกรม 1.3.7 มอปกรณตรวจจบน าฝน เพอปองกนความเสยหายอนเกดจากการลดวงจรของไฟฟา 1.3.8 มไฟแสดงสถานะและเสยงเตอนเพอสะดวกในการเชคสถานะของตวอปกรณ 1.3.9 สามารถบนทกภาพนงเปนไฟลภาพ (.JPG) ได 1.4 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ 1.4.1 ไดตนแบบอากาศยานสใบพดขนาดเลก สามารถขนบน ได และเคลอนทไปยงพกดจดหมาย ไดแบบอตโนมต 1.4.2 สามารถขนบนถายภาพนงได โดยอตโนมต 1.4.3 เพมความสะดวกและความสามารถในการถายภาพทางอากาศแบบอตโนมต

บทท 2 ทฤษฎและขอมลทเกยวของ

2.1 บทน า ขอมลหลก และองคประกอบทส าคญ ทขาดไมไดไนการ สรางอปกรณถายภาพทางอากาศ นนกคอการคนควาวจยหาขอมล และสงประดษฐตางๆ ทเกยวของเพอทจะน ามาใชสรางอปกรณดงกลาว ทงนอปกรณทสรางขนมานน จะออกมาส าเรจเหนผลหรอไม เรากสามารถอางองไดจาก กฎเกณฑ ทฤษฎ ขอก าหนดทเกยวของ และสงประดษฐตวอยาง เพอเปนแนวทางในการจดสราง และในโครงการน ไดท าการอางถง ทฤษฎการบน เบองตน ของเครองบนแบบสใบพด(QUADCOPTER) ทฤษฎเกยวกบการสงขอมลต าแหนง (GPS) ระบบควบคมความเรว ทศทางการหมนของมอเตอรกระแสตรง หลกการเบ องตนเกยวกบอปกรณตรวจจบทน ามาใชงาน ซงจะแบงเปนแตละหวขอไดดงน 2.2 ทฤษฎเบองตนของเครองบนแบบสใบพด (QUADCOPTER) 2.2.1 หลกการท างาน QUADCOPTER คอ เครองบนทสามารถเคลอนทไดทง 3 แนวแกน โดยทม 4 ใบพดวางพาดกนเปนกากบาท โดยใบพดทง 4 นนจะเปนอสระตอกน และมชนสวนทเคลอนไหวนอยกวาเฮลคอปเตอรทวไป โดยการท างานและการเคลอนทเปนดงน

รปท 2.1 เครองบนแบบสใบพด (QUADCOPTER)

4

1) Hovering หรอ การลอยตวเฉยๆ ท าไดโดยควบคมใหความเรว ใบพดทงสตว มความเรวทเทากนเพอสรางแรงบด (Torque) และหกลางแรงบด ดจากรปจะเหนวา ใบพดจะหมนกนคนละทศทาง ใบพดหนาและหลง จะหมน ตามเขม ใบพดซายและขวา จะหมนทวนเขม ท าใหเครองบนไมหมนตว

รปท 2.2 การควบคมแบบการลอยตว

2) Throttle คนเรงความเรว ใหเครองบน ท าการบนขนลง ดจากรป ใบพดทงสใบจะตองเพมความเรวทกใบพดทเทากน ท าใหเครองบนลอยตวขนได

รปท 2.3 การควบคมแบบการบนขน-ลง

3) Roll เอยงตวซาย-ขวา ดจากรป ใบพด หนา (Front) หลง (Rear) จะความเรวเทาเดม แตความเรวใบพดซาย (Left) จะหมนเรวขน ทศทางนจะยกตวใบพดขวา (Right) จะชาลงทศทางนจะตกลงไป จงท าใหเกดการเอยงตวไปทางขวาได สวนเอยงตวซาย กใชวธคลายกน

5

รปท 2.4 การควบคมแบบการเอยงตวซาย-ขวา

4) Pitch เอยงหนาและหลง อนนคลายๆกบการ Roll แตเปลยนเปน ใบพดซาย (Left) ขวา (Right) จะความเรวคงท แตความเรวใบพดหลง (Rear) จะหมนเรวขน ทางหลงจะยก ใบพดหนา (Front) จะหมนชากวา ทางหนาจะตก จงท าใหเครองบนเอยงไปขางหนา

รปท 2.5 การควบคมแบบการเอยงตวหนา-หลง

5) Yaw หรอการหมนตว อนนงายๆ ใหความเรวใบพด หนา (Front) - หลง (Rear) มากกวาความเรวใบพดซาย (Left) – ขวา (Right) เพอใหแรงบด ดานซาย หรอ ขวา มากกวา จงท าใหเครองบนหมนตวได

รปท 2.6 การควบคมแบบการหมนตว

6

2.2.2 ความแตกตางจากงานของคนอน 1) แสดงการขนบนและการไตระดบ ของเครองบนแบบ QUADCOPTER และ เครองบนแบบปกตาย

รปท 2.7 การขนบนและการไตระดบ

2) รปแสดงการลงจอดและการลดระดบ ของเครองบนแบบ QUADCOPTER และ เครองบนแบบปกตาย

รปท 2.8 การลงจอดและการลดระดบ

QUADCOPTE

R PLANE

QUADCOPTE

R PLANE

7

3) รปแสดงการเคลอนทของเครองบนแบบ QUADCOPTER และเครองบนปกตาย

รปท 2.9 การเคลอนท

4) รปแสดงการหมนตวของเครองบนแบบ QUADCOPTER และเครองบนปกตาย

รปท 2.10 การหมนตว

QUADCOPTER

PLANE

QUADCOPTER

PLANE

8

5) รปแสดงการเปลยนแปลงทศทาง ของเครองบนแบบ QUADCOPTER และ เครองบนแบบปกตาย

รปท 2.11 การเปลยนแปลงทศทาง

2.3 ระบบจพเอส (GPS : Global Positioning System) 2.3.1 ความหมายของ GPS GPS หรอ Global Positioning System ชอภาษาไทยบญญตโดยคณะกรรมการบญญตศพทเทคโนโลยสารสนเทศ ราชบณฑตยสถาน เมอเดอนพฤษภาคม 2541 ไววา "ระบบก าหนดต าแหนงบนโลก " ชอเตมของระบบนคอ NAVSTAR Global Positioning System ค าวา NAVSTAR เปนอกษรยอมาจาก Navigation Satellite Timing and Ranging ภาคของค าวาดาวเทยมส าหรบน ารอง คอระบบทระบต าแหนงทกแหงบนโลก จากกลมดาวเทยม 24 ดวง ทโคจรอยรอบโลก ในระดบ ความสงทพนจากคลนวทยรบกวนของโลกและวธการทสามารถใหความถกตองเพยงพอทจะใชชบอกต าแหนงไดทกแหงบนโลกตลอดเวลา 24 ชวโ มง จากการน ามาใชงานจรงจะใหความถกตองสง โดยทความคลาดเคลอ นมาตรฐานของต าแหนง ทางราบต ากวา 50 เมตร และถาเปนแบบวธ "อนพนธ" (Differential) จะใหความถกตองถงระดบเซนตเมตรจากการพฒนาทางดานอปกรณคอมพวเตอรท าใหสามารถผลตเ ครองรบ GPS ทมขนาดลดลง และมราคาถกลงกวาเครองรบระบบ ‚TRANSIT‛ เดมเปนอนมาก

QUADCOPTER

PLANE

9

2.3.2 ประวตและพฒนาการของดาวเทยม GPS ในศตวรรษท 20 ในการพฒนาเครองสงวทยท าใหเครองชวยการเดนทางไดพฒนาไป อกขนเรยกวา Radio Beacons รวมทง Loran และ Omega ในทสดเทคโนโลยของดาวเทยมท าใหเครองชวยการเดนทางและการหาต าแหนงจะพจารณาจากเสนทสญญาณเดนทางผานดวยการวดของ Doppler ทเคลอนทไป ซงม ระบบ ‚TRANSIT‛ เปนระบบเครองชวยการเดนเรอโดยอาศยดาวเทยม ไดรบการคดคนส าเรจในป ค .ศ.1950 และใ ชงานอย 33 ป จงไดปลดประจ าการไป ระบบ ‚TRANSIT‛ ไดพฒนามาใหขอมลการหา ต าแหนงทแนนอนใหกบเรอด าน า Polaris ทมจรวดน าวถ หลกการคอ การคาดการณโดยใชความถ Doppler ทเปลยนแปลงต าแหนงไปจากดาวเทยม Sputnik สงโดยสหภาพโซเวยตในเดอนตลาคม 1957 สญญาณเปลยนของ Doppler สามารถพจารณาการโคจรของดาวเทยมใชขอมลทจดเอาไวทสถานหนงเมอดาวเทยมโคจรผานไป ระบบ ‚TRANSIT‛ ประกอบดวย ดาวเทยม 6 ดวงทเกอบเปนวงกลม การโคจรผานขวโลกทความสง 1,075 กโลเมตร ระยะเวลาของการหมน 107 นาท การโคจรของดาวเทยมระบบ ‚TRANSIT‛ จะแนนอนกวาโดยการตดตามจากสถานพนโลกทก าหนดไว ดวยสภาพ ทนาพอใจความเรวทแนนอนเปน 35 ถง 100 เมตร รอบตอนาท ปญหาของระบบ ‚TRANSIT‛ คอการครอบคลมพนทมชองวางระหวางกนมาก ผใชตองค านวณโดยการ Interpolate ต าแหนงของตนเองระหวางทดาวเทยมโคจรผานไป ความส าเรจของ ระบบ ‚TRANSIT‛ เปนการกระตนใหทงกองทพเรอและกองทพอากาศของสหรฐฯ พจารณาระบบชวยการเดนทางทกาวหนากวาเดมและมประสทธภาพยงขน ทางกระทรวงกลาโหมของสหรฐฯ ไดผลตระบบการหาต าแหนง NAVSTAR ทวโลก ซงจะเอาไวในการระบต าแ หนงการน าวถของจรวดทงทางบก ทางอากาศและยงสามารถบอกไดวากองก าลงทหารอย ณ ทใดของสนามรบและนนกเปนจดเรมตนของการผลตคดคนระบบวธการระบต าแหนงบนพนโลก ซงระบบ GPS จะขดแยงกบ ระบบ ‚TRANSIT‛ คอระบบ GPS ใหสญญาณครอบคลมพนทตอเนองและใหความถกตองและแมนย ากวาระบบเดม ซงไดผลตใหดาวเทยมมความทนสมย (Modernization) และเหมาะสมในการน าไปใชงานตางๆจนถงปจจบนดาวเทยม GPS ไดถกสรางขนมาแลวถง 4 รน คอ 1) รนท 1 เรยกวา Block I 2) รนท 2 เรยกวา Block II/IIA 3) รนท 3 เรยกวา Block IIR 4) รนท 4 เรยกวา Block IIF

10

2.3.3 คณลกษณะบางประการของดาวเทยม (GPS Satellites) ชอ : NAVSTAR บรษททผลต : Rockwell International น าหนก : 930 kg. (In OrBit) วงโคจร : 12 ชวโมง/รอบ ขนาด : 5.1 m. ความเรวในการโคจร : 4 km/sec สญญาณทสง : 1575.42 MHz and 1227.60 MHz เครองรบสญญาณ : 1783.74 MHz นาฬกา : 2 Cesium and 2 Rubidium อายการใชงาน : 7.5 year (Later Model BlockIIR 10 Years)

รปท 2.12 การโคจรของดาวเทยม

2.3.4 องคประกอบของระบบดาวเทยม GPS สามารถแบงออกไดเปน 3 องคประกอบ ไดแก

1) สวนศนยควบคมกลาง (Control Station Segment) ซงเปนศนยควบคมระบบและบญชาการการท างานของระบบ GPS รวมไปถงการตรวจตราดความเรยบรอยของระบบ ตงอยทฐานทพอากาศเมอง Colorado Spring สหรฐอเมรกา และศนยควบคมกลางประกอบดวย

สถานสงเกตการณ (Monitor Station) จ านวน 5 แหง กระจายอยตามจดตางๆของโลก ไดแก Hawaii, Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia และ Colorado Spring

11

จานสงสญญาณภาคพนดน (Ground Antennas) ซงมอยดวยกน 3 จด ไดแก Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein

ศนยบญชาการ (Master Control Station) ตงอยฐานทพอากาศสหรฐฯ Schriever AFB รฐ Colorado

เมอสถานรบสญญาณจากดาวเทยมมา เพอปรบแกไขขอมลวงโคจร (Ephemeris) และขอมลเวลา (Clock Correction) ของดาวเทยมแตละดวงแลวจะท าการสงขอมลวงโคจร(Ephemeris) และขอมลเวลา (Clock Data) กลบไปยงดาวเทยม แลวดาวเทยมกจะท าการสงขอมลทไดรบการแกไขแลวมาพรอมกบคลนวทยมายงเครองรบ GPS

รปท 2.13 สถานควบคมระบบดาวเทยม GPS 5 แหง

2) สวนอวกาศ (Space Segment) จะประกอบดวย ดาวเทยมทงหมด 24 ดวง แตละดวงโคจรรอบโลกเปนเวลา 12 ชวโมง มความสงของวงโคจรอยประมาณ 11,000 ไมลจากพนโลก ดาวเทยมแตละดวงจะมนาฬกาอะตอม (Atomic Clock ) ตดตงอยถง 4 เครอง

ซงจะใหเวลาทถกตองมาก มระนาบของวงโคจร 6 ระนาบ แตละระนาบมดาวเทยม 4 ดวง และเอยงท ามม

กบเสนศนยสตร (Equator) เปนมม 55 องศา โครงสรางของวงโคจร (Constellation) ในลกษณะนท าใหมดาวเทยมจ านวน 5-8

ดวง ทเครองรบ GPS สามารถรบสญญาณได ณ ต าแหนงหนงต าแหนงใดไดตลอดเวลาและดาวเทยม GPS จะมปกเปนแผงเซลลพลงงานแสงอาทตย (Solar Cell Panels) โดยปกตจะพยายามหมนตวใหสามารถรบพลงงานแสงอาทตยไดมากทสด ดงนนตวดาวเทยมจะมการหมนปรบตว

12

ตลอดเวลาโดยใหปกเซลลพลงงานแสงอาทตยตงฉากกบต าแหนงของดวงอาทตยในตวดาวเทยมยงบรรจแบตเตอรส าหรบใหพลงงานเมอดาวเทยม GPS เคลอนตวอยภายในเงาของโลก

ต าแหนงของดาวเทยมตลอดเวลาจะถกค านวณใหเครองรบหาต าแหนง ของผใชทสามารถรบขอมลได 50 bps ตอเนองกน วงโคจรของแตละดวงตอระยะเวลา 1 ชวโมง โดยการตง Element การโคจรท 15 Keplerian พรอมทงคาสมประสทธฮารโมนคเพมขนจากการรบกวนและแกไขทกๆ 4 ชวโมง

รปท 2.14 การโคจรของดาวเทยม GPS รอบโลก

3) สวนผใชงาน (User Segment) ประกอบดวย 2 สวนใหญๆ คอ สวนทเกยวของ กบทางทหาร (Military) และทางพลเรอน (Civilian) ซงทางพลเรอนจะไดรบสญญาณฟร แตผใชตองรบผดชอบหาซอจานรบ (Antenna) และเครองรบ (Receiver) ดวยตนเอง นโยบายการใ หบรการขอมล GPS ของรฐบาลสหรฐฯ มดงน

Precise Positioning Services : PPS ใชในการทางทหารเปนหลก ขอมลจะมการเขารหส เฉพาะผทมเครองถอดรหสจงจะสามารถใชงานได ความถกตองของพกด คอ 22 เมตร ในแนวราบ และ 27.7 เมตร ในแนวด ง

และ 200 ns (UTC) Standard Positioning Services : SPS

ใชในกจการพลเรอนเปนหลก ความถกตองลดลงเนองจาก Selective Availability (SA) ความถกตองของพกด คอ 100 เมตร ในแนวราบ และ 156 เมตร ในแนวดง

และ 340 ns (UTC)

13

รปท 2.15 องคประกอบของระบบดาวเทยม GPS

2.3.5 สวนประกอบของเครองรบสญญาณดาวเทยม GPS โดยทวไปเครองรบสญญาณดาวเทยม (Receiver) ประกอบดวย 3 สวน คอ 1) ตวเครอง (Body) 2) สวนใหพลงงาน (Power Supply) 3) สวนเสาอากาศ (Antenna)

2.3.6 ประเภทเครองรบสญญาณ GPS เครองรบสญญาณ GPS แบงออกไดเปน 2 กลม 1) เครองรบแบบเรยงล าดบสญญาณดาวเทยม ไดแก

Starved-Power Single Receivers เครองแบบนออกแบบใหพกพาไดและสามารถ ท างานไดดวยถานไฟฉายขนาดเลก การจ ากดการใชกระแสไฟโดยใหปดการท างานตวเองโดยอตโนมต เมอแสดงต าแหนงครงสองครงใน 1 นาท เหมาะส าหรบใชงานบอกต าแหนงสวนตว ขอเสย คอ ความถกตองของ GPS ไมด และตอเชอมกบอปกรณอนไมได และไมสามารถใชวดหาความเรวได

Single Channel Receivers เปนเครองรบสญญาณหองเดยวใชท างานหาระยะจากดาวเทยมทกดวง แตทไมเหมอนคอเครองรบชองเดยวแบบมาตรฐานไมจ ากดทก าลงไฟ ดงนน จงท าการรบตอเนองได มผลท าใหความถกตองสงกวา และใชวดหาความเรวได

Fast-Multiplexing Single Receivers เครองรบนสามารถเปลยนดาวเทยมไดเรวกวามาก ขอดคอ สามารถท าการวดไดในขณะทก าลงรบขอมลจากดาวเทยม ดงนนเครองท างานไดอยางตอเนอง และการทมนาฬกาไมเทยงจงมผลตอเครองประเภทนนอย

14

Two-Channel Sequencing Receivers การเพมชองรบสญญาณขนอกหนงชองชวยใหเครองเพมขดความสามารถขนอยางเหนไดชด

2) Continuous Receivers ไดแก เครองรบทสามารถรบสญญาณดาวเทยมพรอมกนไดตงแต 4 ดวงขนไป และสามารถแสดงผลคาต าแหนงและความเรวไ ดทนทหรอตองการ ความถกตองสงนอกจากขอดทใชวดต าแหนงอยางตอเนอง

2.3.7 หลกการท างานของ GPS หลกการพนฐานของ GPS เปนเรองงายๆ แตอปกรณของเครองมอถกสรางขนดวย

วทยาการขนสง การท างาน GPS คอ 1) อาศยหลกพนฐานของ GPS : Satellites Triangulation คอ อาศยต าแหนงของ

ดาวเทยมในอวกาศเปนจดอางอง แลววดระยะจากดาวเทยม 4 ดวง และใชหลกการทางเรขาคณตในการค านวณหาต าแหนงบนพนโลก

2) วดระยะทางระหวางเครองรบ GPS กบดาวเทยม GPS โดยการวดระยะเวลา ทคลนวทยใชในการเดนทางจาก ดาวเทยมสเครองรบใชเวลาเดนทางของคลนวทย

สตร : ระยะทาง = ความเรว * เวลาทใชเดนทาง คลนวทย : ความเรว = 186,000 ไมลตอนาท การวดระยะเวลาในการเดนทาง คอ โดยการเทยบกนของคลนสญญาณท

ดาวเทยมสงมากบคลนสญญาณทเครองรบ GPS สงมา สวนคลนทใชในการสงจะเปน Pseudo Random Noise Code

3) การวดระยะเวลาทคลนวทยใชในการ เดนทางของ GPS จะตองใชนาฬกาท แมนย ามากถา PRN Code จากดาวเทยมมขอมลเวลาทคลนเรมออกเดนทางจากดาวเทยมเมอคลนสญญาณจากดาวเทยมและคลนสญญาณจากเครองรบ GPS สอดคลองกน (Synchronize) และจะตองใช Atomic Clock ในการวดเวลา สวนเวลาทใชในการเดนทางจะสนมากประมาณ 0.06 วนาท คอเวลาของเครองรบ GPS * เวลาของดาวเทยม สวนการบอกต าแหนง GPS ยงเปนเวลาทมความแนนอนถง 10 นาโนวนาทหรอดกวา

4) ตองรต าแหนงของดาวเทยม GPS ทแนนอนในอวกาศ วงโคจรสงมากประมาณ 11,000 ไมล วงโคจรอาจคลาดเคลอน (Ephemeris Errors) เนองจากแรงโนมถวงของดวง

จนทรและดวงอาทตย

15

สถานควบคมจะใชเรดารตรวจสอบการโคจรของดาวเทยม GPS ตลอดเวลาแลวสงขอมลไปปรบแกขอมลวงโคจรและเวลาของดาวเทยม เมอขอมลไดรบการปรบแกแลวจะถกสงมายงเครองรบ GPS

5) ตองแกไขความคลาดเคลอนทเกดจากการเดนทางของคลนวทยมาสโลกสาเหตทของความคลาดเคลอน (GPS Errors) ของคาพกดทค านวณได

เกดจากการเดนทางสชนบรรยากาศ Ionosphere จะมประจไฟฟา และชน Troposphere จะมทงความชนอณหภม ความหนาแนนทแปรเปลยนไดตลอดเวลาใน

การสะทอนของคลนสญญาณไปในหลายทศทาง (Multipath Error) ซงทผวโลกคลนสญญาณตองกระทบกบวตถ กอนถงเครอง รบ GPS จะท าใหมการหกเหและสญญาณจะออน

ปญหาทเกดจากดาวเทยม (Check Error, Ephemeris Error) อาจเกดจากวงโคจรคลาดเคลอนเนองจากแรงโนมถวงของดวงจนทรและดวงอาทตยหรออาจจะเกดจากความคลาดเคลอนของนาฬกาเพยงเลกนอยจะท าใหการค านวณระยะทางผดพลาดไดมาก เนองจากดาวเทยมอยสงมาก

ความสมพนธทางเรขาคณตระหวางต าแหนงของดาวเทยมและต าแหนงของเครองรบ GPS ซงจะค านวณเปนคา GDOP = Geometric Dilution of Precision ซงเนองจากลกษณะการวางตวของดาวเทยม และ GDOP มสวนประกอบคอ

อาจจะเกดจากความผดพลาดอนๆเชน ความผดพลาดของคอมพวเตอร หรอมนษยทควบคมสถาน 1 เมตร ถง 100 เมตร ซงผดพลาดไดมาก หรอ ความผดพลาดของเครองรบ GPS, Software, Hardware, ผใชซงความผดพลาดนไมแนนอน

2.3.8 ขอดของระบบ GPS 1) รทกเสนทางทรถไปมา รวมถง วน เวลา ความเรว ทศทาง ระยะทางทงหมด 2) ใชไดทงการคมนาคมทงทางบก ทางน า หรอในอวกาศ 3) ประหยดรายจายและคาน ามน เพมเทยวขนสงงานโดยไมเพมจ านวนรถ 4) ไมมคาใชจายรายเดอน 5) ไมมคาใชจายอนๆอกเลย ในการใชงาน แล ะสามารถบนทกขอมลไดสงสดถง

13,000 ครงตอวน (ซงระบบ Real-Time ท าไมได) 6) เปนเ ครองมอชวยในการตดสนใจไดด ประโยชนทไดรบจากระบบตดตาม

ยานพาหนะ BG-FLEET Management

16

2.3.9 ขอเสยของระบบ GPS 1) เครองรบสญญาณบางประเภทราคาแพง 2) รางถานบางประเภทอาจมปญหา ถาน าไปขจกรยานอาจจะดบไดงายๆ แตสามารถ

แกไขไดโดยการโมรางถานนดหนอย 3) อาจเกดปญหาทเกดจากดาวเทยม (Check Error, Ephemeris Error) อาจเกดจาก

วงโคจรคลาดเคลอน เนองจากแรงโนมถวงของดวงจนทรและดวงอาทตยหรออาจจะเกดจ ากความคลาดเคลอนของนาฬกาเพยงเลกนอยจะท าใหการค านวณระยะทางผดพลาดไดมากเนองจากดาวเทยมอยสงมาก

4) การตอเชอมกบอปกรณอนและความสะดวกบางเครองแสดงไดเฉพาะพกดภมศาสตร บางเครองไมสามารถตอเขากบเครองมออนหรอคอมพวเตอรขนาดเลก (PC) ได และขอใหญทตองพจารณา ความแขงแรงทนทานถาตองใชเครองท างานในพนททะเล หรอในพนทปาเขา การใชไฟและความรอนทเกดขนเปนตวชส าคญทจะตองเอาใจใส 2.4 ระบบควบคมความเรวทศทางและการหมนของมอเตอรกระแสตรง

มอเตอรกระแสตรงจะมหลกการท างานโดยวธการผานกระแสใหกบขดลวดในสนามแมเหลก ซงจะท าใหเกดแรงแมเหลก โดยสวนของแรงนจะขนอยกบกระแสและก าลงของสนามแมเหลก

2.4.1 การขบและกลบทศทางของมอเตอรกระแสตรง (DC Motor) ในการใชไอซไมโครคอนโทรเลอรเปนตวควบคมการหมน และทศทางของมอเตอร

กระแสตรงนน เราจะตองมสวนของวงจร ทเรยกวาวงจรขบมอเตอร (Driver) ในสวนของวงจรกลบทศทางของมอเตอรนน สามารถทจะใชรเลยตอวงจร สวตซเพอกลบทศทางของขวไฟกระแสตรง หรออาจใชอปกรณสารกงตวน าทเปนวงจรขบก าลงเชน ทรานซสเตอร มอสเฟต แลวแตวธทเราจะเลอกใชงาน

จากรปท 2.16 เปนการใชรเลยควบคมการเปลยนทศทางการหมนของมอเตอร โดยการควบคมการปด - เปดทรเลย 2 ตว ซงจะท าหนาทกลบทศทางของขวไฟท ปอนใหกบมอเตอร โดยการสลบการท างานของรเลย เชนใหรเลยตวท 1 ท างาน (On) และรเลยตวท 2 หยดท างาน (Off) จะท าใหมอเตอรหมนไปทางซาย และในท านองเดยวกนถาหากรเลยตวท 1 หยดท างาน (Off) และรเลยตวท 2 ท างาน (On) กจะท าใหมอเตอรหมนไปทางขวา

17

รปท 2.16 การกลบทศทางของมอเตอรกระแสตรงโดยใชรเลย

รปท 2.17 การใชทรานซสเตอรเพอขบรเลยใหท างาน

จากรปท 2.17 เปนวงจรขบรเลยโดยใชทรานซสเตอรท าหนาทขยายกระแสดวยเหตผลเพราะไมสามารถจะใชขา เอาตพตของไมโครคอนโทรลเลอรปอนกระแสไฟทขดลวดของรเลยโดยตรงได เนองจากวากระแสทจายออกมาจากขา เอาตพตของไมโครคอนโทรลเลอรมคานอยเกนไป ดงนนเราจงตองมสวนของวงจรทรานซสเตอรเพอทจะท าการขยายกระแสใหเพยงพอในการปอนใหกบขดลวดของรเลย สวนไดโอดน ามาตอไวส าหรบปองกนแรงดนยอนกลบทเกดจากการเหนยวน าของสนามแมเหลกในขณะเกดการยบตว ซงอาจจะท าใหทรานซสเตอรเสยหายได

18

รปท 2.18 การใชทรานซสเตอรเปนวงจรขบและก าหนดทศทางของมอเตอร

จากรปท 2.18 เปนวงจรลเนยรบรดจแอมป ซงจะประกอบไปดวยทรานซสเตอร ก าลง 4 ตวทท าหนาทขบ และควบคมทศทางการหมนของมอเตอร ถาหากก าหนดใหทรานซสเตอร Q1 และ Q4 อยในสภาวะท างาน (Active) กระแสไฟฟาจะไหลผานทรานซสเตอรจากซายไปขวา โดยผานมอเตอรกระแสตรงท าใหมอเตอรหมนไปทางขวา ในท านองเด ยวกนถาหากเราท าใหทรานซสเตอร Q2 และ Q3 อยในสภาวะท างาน (Active) กระแสไฟฟากจะไหลจากทางขวาไปทางซายซงจะสงผลใหมอเตอรกลบทศทางการหมนจากทางขวาไปทางซาย

2.4.2 การควบคมความเรวของมอเตอรกระแสตรง การควบคมความเรวของมอเตอรกระแสตรงมหลายวธดวยกน ซงอาจจะใชวธการ

ควบคมแบบพนฐานท วไปเชนการควบคมดวยวธการใชตวตานทานปรบคาโดยตออนกรมกบมอเตอร หรอใชวธการการควบคมโดยการเปลยนคาของระดบแรงดนทปอนใหกบมอเตอร แตการควบคมในวธดงกลาวถงแมวาจะควบคมความเรวมอเตอรใหคงทได แตทความเรวต าจะสงผลใหแรงบดต าไปดวย ดงนนเราจงเลอกใชวธการควบคมโดยการจายกระแสไฟใหกบมอเตอรเปนชวงๆ โดยอาศยกระแสไฟทปอนใหกบมอเตอรใหเปนคาเฉลยทเกดขนในแตละชวง ซงเราเรยกวาวธการของการมอดเลชนทางความกวางของพลส PWM (Pulse Width Modulation)

19

วธการมอดเลชนทางความกวางของพลส PWM (Pulse Width Modulation) จะเปนการปรบเปลยนทสดสวน และความกวางของสญญาณพลส โดยความถของสญญาณพลสจะไมมการเปลยนแปลง หรอเปนการเปลยนแปลงทคาของดวตไซเกล (Duty Cycle) นนเอง ซงคาของดวตไซเคล คอชวงความกวางของพลสทมสถานะลอจกสง โดยคดสดสวนเปนเปอร เซนตจากความกวางของพลสทงหมด ยกตวอยาง เชน ถาหากคาดวตไซเคลมคาเทากบเทากบ 50% กหมายถง ใน 1 รปสญญาณพลสจะมชวงของสญญาณทเปนสถานะลอจกสง อยครงหนง และสถานะลอจกต าอยอกครงหนง ดงรปท 2.19 และในท านองเดยวกนถาหากคาดวตไซเคลมคามาก หมายความวาความกวางของพลสทเปนสถานะลอจกสงจะมความกวางมากขน หากคาดวตไซเคลมคาเทากบ 100% กหมายความวาจะไมมสถานะลอจกต าเลย ซงคาดวตไซเคลสามารถ จะหาไดจากคาความสมพนธดงน คาดวตไซเคล = (ชวงของสญญาณพลส/คาบเวลาทงหมดของสญญาณ) X100%

รปท 2.19 ความกวางของพลสขนาดตางๆ และคาดวตไซเคลของชวงพลส

20

2.4.3 ทฤษฎพนฐาน DC เซอรโวมอเตอร DC เซอรโวมอเตอร คอ มอเตอรไฟตรงขนาดเลกทถกประกบเขากบสวนประกอบตาง ๆ ไดแกชดเกยรทด ชดวงจรควบคมต าแหนงการหมนไวในโมดลเดยวก น โดยมสายตอใชงานเพยง 3 เสน คอ V+ GND และ Control Line ซงเปนสายควบคมทท าใหมอเตอรหมนซาย-ขวาโดยใชสายสญญาณ PWM เปนตวควบคม สวนแรงเคลอน V+ ทปอนใหขบเซอรโวมอเตอรอยท ประมาณ 4 ถง 6 โวลต เซอรโวมอเตอรมขอดคอ มขนาดเลก น า หนกเบา แตใหแรงบดสง และกนพลงงานนอย ใชระดบสญญาณควบคมแบบ TTL Level ตอโดยตรงกบไมโครคอนโทรลเลอรไดเลยโดยไมตองมวงจรขบ

รปท 2.20 เซอรโวมอเตอร รน S03T STD

เซอรโวมอเตอรแบบนจะมวงจรควบคมอยในตว การควบคมต าแหนงการหมนโดยทวไปจะมชวงประมาณ 180 องศา ถง 210 องศา

รปท 2.21 โครงสรางของเซอรโวมอเตอร

Output Shaft

Potentiometer

บอรดควบคม

Gear Box

DC Motor

21

หลกการท างานของ Servo Motor ท าไดโดยการปอนสญญาณความกวางพลสเขาทขา Control Line ต าแหนงและทศทางการหมนของแกนเอาต พตจะขนอยกบความกวางของ พลส สญญาณควบคมจะประกอบดวย

1) Frame Period Pulse เปนสญญาณพลสตอเนองโดยจะเรมตนหางกนทกๆ 20 ms ตลอดเวลาเพอรกษาสภาพต าแหนงการหมนเอาไว

2) Position Pulse Width เปนคาความกวางของยอดพลสของ Frame Period Pulse ใชเปนคาควบคมต าแหนงและทศทางการหมน โดยจะมคาอยระหวาง 1.0 ms - 2.0 ms โดยจะมจดอางอง 3 จดทสามารถควบคมและรกษาต าแหนงตงแต 0 – 180 องศา ตามรปท 2.22

รปท 2.22 Timing Diagram ของ Control Pulse

ตามรปท 2.22 เปนคาประมาณในการควบคมรกษาต าแหนงของเซอรโวมอเตอรโดยทวไป แตอาจมบางยหอทอาจแตกตางไปบาง ใหศกษาจากคมอของแตละยหอไป

22

รปท 2.23 การตอวงจรควบคมเซอรโวมอเตอรดวยไมโครคอนโทรลเลอร

การควบคมเซอรโวมอเตอรดวยไมโครคอนโทรลเลอรตระกล PIC โดยใชค าสงภาษาเบสกในการสญญาณควบคมต าแหนงคอ PULSOUT

โดยมรปแบบดงน คอ PULSOUT Pin, Period คา Period ของค าสงจะเปลยนแปลงไปตามสญญาณนาฬกาทจายใหกบ CPU ซงท าให ค าสง DEFINE OSC ไมมผลกบการตงคา Period ของค าสง PULSOUT ตวอยาง เชน ถาใช CRYSTAL ความถ 4 MHz จะท า ใหหนงหนวยคา Period = 10 us ดงนน ถาตองการสรางสญญาณพลส 1 ms จะตองใชค าสงภาษาเบสกในการสญญาณควบคมต าแหนงคอ PULSOUT

โดยมรปแบบดงน คอ PULSOUT Pin, 100 ตวอยางการค านวณสญญาณพลสในรปแบบตางๆ

Period 100 = 100 X 10 us = 1000 us = 1 ms Period 150 = 150 X 10 us = 1500 us = 1.5 ms Period 200 = 200 X 10 us = 2000 us = 2 ms

ดงนนคา Period ในการควบคมเซอรโวมอเตอรจะอยระหวาง 100 - 200 กรณทใชสญญาณนาฬกา CPU ท 4 MHz

23

2.4.4 ทฤษฎพนฐานการสอสารขอมลแบบอนกรม (Serial Communication) UART/TTL/RS232/MAX232 คอ การสอสารขอมลแบบอนกรม เปนทนยมใชกนอยางมาก และมการใชเชอมตอเพอสอสารกบอปกรณตางๆ เชน การสอสารกบคอมพวเตอร , RFID, GPS, GSM Module, RF Module ฯลฯ เพอใหเขาใจและน าไปใชไดอยางถกตอง 1) TTL (Transistor-Transistor Logic) TTL เปนระดบแรงดนทถกก าหนดขนในยคแรกๆเพอใชระหวาง Transistor กบ Transistor ภายในวงจรรวม (IC) ดงนน TTL จะใชระดบแรงดน อยท 0 – 5 V แตในปจจบนมอปกรณหลายเบอรทท างานในชวง 0 – 3.3 V (เรยกแรงดนระดบนวา LVTTL) ซงผใชควรตรวจสอบจาก Datasheet ของอปกรณทใชเสยกอนวาเปนระดบแรงดนแบบใด เพราะหากใชผดประเภทจะท าใหอปกรณเสยหาย

รปท 2.24 การใชระดบแรงดนของ TTL 2) UART UART ยอมาจากค าวา Universal Asynchronous Receiver Transmitter หมายถงอปกรณทท าหนาทรบและสงขอมลแบบอะซงโครนส (Asynchronous) ซงเปนสวนหนงในการสอสารอนกรมแบบ Asynchronous การสอสารแบบอนกรมจะแบงเปน 2 แบบ คอ

การสอสารอนกรมแบบ Synchronous เปนรปแบบทใชวธสงขอมล โดยใชสญญาณ Clock มาเปนตวก าหนดจงหวะการรบสงขอมล การสงขอ มลแบบน เปนการรบสงทคอนขางมคณภาพ และสงไดทความเรวสง มโอกาสทขอมลจะสญหายระหวางการสงนอย ตวอยางการสงขอมลลกษณะน เชน I2C, I2S, SPI ขอเสยของการสงขอมลแบบน คอ ตองใชสายสญญาณมาก เพราะวาตองสง Clock ไปดวย

24

รปท 2.25 การสอสารอนกรมแบบ Synchronous

การสอสารอนกรมแบบ Asynchronous เปนการสงขอมลทไมตองใชสญญาณ Clock มาเปนตวก าหนดจงหวะการรบสงขอมล แตใชวธก าหนดรปแบบ Format การรบสงขอมลขนมาแทน และอาศยการก าหนดความเรวของการรบและสง ทเทากนทงฝงรบและฝงสง ขอดของการใช Asynchronous คอสามารถสอสารแบบ Full Duplex รบและสงไดในเวลาเดยวกน แต Asynchronous มโอกาสทขอมลจะสญหายขณะรบสงขอมล ห รอ รบสงขอมลผดพลาดไดมากกวาแบบ Synchronous สรปกลาวคอ UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) หมายถง รปแบบการสงขอมล ทถกก าหนดขนมาเพอใชรบสงขอมลแบบ Asynchronous โดยมรปแบบดงรป

รปท 2.26 การสงขอมลของ UART

เรมตนจาก Start Bit เปน Logic 0 จากนนจะตามดวย Data ทเราสง แลวจะถกปดดวย STOP Bit เปน Logic 1 ถาตองการตดตอสอสาร UART ระหวาง ไมโครคอนโทรลเลอร กบคอมพวเตอร สามารถท าไดโดยใชโปรแกรม HyperTerminal เพอการทดสอบ การรบและสงขอมล

25

แนวคดวธเชอมตอระหวางอปกรณ

รปท 2.27 การเชอมตอระหวางอปกรณ

จากรปแสดงถงการเชอมตอ ระหวางบอรด SUN7 เพอสง Data หากนระหวางบอรดดวย UART

A สงขอมลออกไปทางขา TX ไปยง B ซงเปนฝงรบ เพราะฉะนนตองตอสายสญญาณจากขา TX ของ A ไปยงขา RX ของ B

B สงขอมลออกไปทางขา TX ไปยง A ซงเปนฝงรบ เพราะฉะนนตองตอสายสญญาณจากขา TX ของ B ไปยงขา RX ของ A

ตองตอ GND ของทง A และ B รวมกนเพอท าใหระดบแรงดนของทง 2 บอรดมจดอางองเดยวกน 3) RS232 (Recommended Standard 232) RS232 คอ มาตรฐานการเชอมตอขอมลแบบ Serial ใชเพอเพมระยะทางในการสงขอมลแบบ Serial ใหสามารถสงได ระยะทางทมากขน โดยมการเปลยนระดบแรงดน ของ Logic จากเดมทจะอยในชวง 0-5 V หรอ 0-3.3 V เปนชวง -15 ถง 15 V โดยมรายละเอยดดงน

Logic 0 ของ RS232 จะอยในชวง 3 ถง 15 V Logic 1 ของ RS232 จะอยในชวง -3 ถง -15 V

26

รปท 2.28 การเปรยบเทยบระดบแรงดนระหวาง TTL กบ RS232

จากรปจะเหนไดอยางชดเจนครบ วาทง 2 อยาง สง Data เหมอนกน แตระดบแรงดนทใชตางกนมาก หากอปกรณเปน TTL แลว ไปตอกบ RS232 กจะเกดความเสยหายตามมาได

ตารางท 2.1 ความยาวของสาย และ อตราความเรวในการสงขอมล

Baud rate Maximum cable length (ft)

19200 50

9600 500

4800 1000

2400 3000

27

4) IC MAX232 เปน IC ทใชเปลยน TTL เปน RS232 ในฝงสง และ เปลยน RS232 เปน TTL

ในฝงรบ ดงรป

รปท 2.29 การเชอมตอผานอปกรณ MAX232

วธตอใชงาน MAX232

รปท 2.30 วงจร TTL 0-5V เปน RS232

รปท 2.31 วงจร TTL 0-3.3V เปน RS232

28

รปท 2.32 ขาของคอนเนกเตอร DB9

การเชอมตอสาย DB9 โดยทวไปแบงไดเปน 3 แบบดงรป

รปท 2.33 การเชอมตอสาย DB9

TX = เปนขาสงขอมล RX = เปนขารบขอมล RTS = เปนขาทสงสถานะไปยงตวรบ วาตองการ สงขอมล เมอตองการสงขอมลจะ On จนกระทงสง Data ออกทางขา TX จนเสรจจงจะ Off CTS = เปนขาทรอรบสถานะ จาก RTS ของอปกรณทตออยดวย DTR = เปนขาทแสดงสถานะวา Port นนเปดอยหรอไม DSR = เปนขาทใชตรวจเชค สถานะ DTR ของอปกรณทเชอมตออยดวย GND = Signal Ground

29

ตวอยางการน าไปใช

รปท 2.34 การน า MAX232 ไปใช

จากรปเปนตวอยางการเชอมตอ Microcontroller (MCU) กบ PC เนองจาก Serial Port ของ PC เปน มาตรฐาน RS232 แต MCU เปน TTL จงตองใช MAX232 ปรบระดบแรงดนใหอยในระดบเดยวกน

รปท 2.35 การน า TTL&UART ไปใช

จากรปเปนการตดตอกน ระหวาง MCU 2 ตว สามารถตอ RX -> TX, TX -> RX กนโดยตรงไดเลยเนองจาก ทง 2 ตวมระดบแรงดนเปน TTL เหมอนกน MCU ทใชกน ม 2 ระดบ คอ 0-5V และ 0-3.3V การตอดงรปตองแนใจวา MCU ทง 2 ตวอยในระดบทเทากน

รปท 2.36 การน า TTL&UART ไปใชกบ MAX232

30

รปนจะเหนวาจะม MAX232 ตอกบ MCU ทง 2 ฝง วธตอแบบนมขอดคอสามารถสงขอมลผานสายไดไกลมากขนเนองจาก RS232 ใชแรงดนในสายสญญาณสงท าใหสามารถสงไดไกลกวาใช TTL และเมอ MCU ตวหนงสงขอมลมาในรปแบบ มาตรฐาน RS232 ท าใหอปกรณ หรอ MCU อกตวกจะตอง รบ และ สง ขอมล แบบ RS232 ดวย จากตวอยางทไดแสดงไปขางตน นน ไดใช MCU เปนการยกตวอยาง ซงหากเราไปตอใชกบ อปกรณตวอนๆท ไมใช MCU กสามารถใชหลกการขางตนเพอตดสนใจในการตอวงจรโดยพจารณาจาก แรงดนเปนหลกวา แรงดนจากตวทสงมาอยในระดบใด และ ฝงรบอย ในระดบใดและเปลยนใหอยในระดบเดยวกน 2.4.5 ทฤษฎการท างานพนฐานของ XBee

1) หลกการท างานของ XBee

รปท 2.37 XBee Series1 Pro Whip Antenna

XBee เปนอปกรณทม Microcontroller และ RF-IC อยภายในท าหนาทเปน อปกรณ Transceiver (อปกรณรบ-สงสญญาณ) แบบ Half Duplex ยานความถ 2.4 GHz มการจดการโดยใชพลงงานต า ใชงานงาย ม Interface ทใชรบและสงขอมลกบ XBee เปน UART (TTL) ซงส าหรบทางดานไมโครคอนโทรลเลอร สามารถน าขาทใชตดตอสอสาร UART ของ XBee ตอเขากบ UART ของไมโครคอนโทรลเลอร ไดเลย

OEM (Original Equipment Manufacturer) ไดผลต XBee ซงอยในมาตรฐาน IEEE 802.15.4 ใหรองรบกบอปกรณ Wireless Sensor Networks สามารถใชงานตามมาตรฐาน ZigBee ได เพราะวาทางผผลตไดจดท า Firmware ทจะโหลดเขาไปในตว XBee ใหเราสามารถ Set Parameter ผาน Software Interface (X-CTU หรอโปรแกรมทเขยนขนเอง ), ผานทาง AT Command (เหมอนกบการควบคม GSM Module) โดยใช HyperTerminal หรอ ผานทางการรบสงขอมลดวยไมโครคอนโทรลเลอร

31

Firmware ทใชกบ XBee จะใชโหลดผานโปรแกรม X-CTU ทงน XBee แตละรน จะสามารถ Setting Function การใชงานไดมากมาย ท าให Firmware ทจะตองโหลดเขาไปนน มมากมายหลายแบบ ตองเลอกใหเหมาะสมกบการใชงาน

2) Feature Summary ของ XBee โดยรวมทเหมอนกน Operating Frequency ISM Band 2.4 GHz (ISM Band หมายถง ยานความถใช

งานเพอการวจย ซงจะอนญาตใหใชกบ อตสาหกรรม (Industrial) วทยาศาสตร (Scientific) และ ทางการแพทย (Medical) รวมเปน ISM)

มสายอากาศใหเลอกใชหลายแบบ คอ แบบ Chip Antenna, Whip Antenna, U.FL Connector, RP-SMA Connector โดย 2 แบบหลง เราตองไปหาเสาอากาศยาน 2.4 GHz ทเปน Connector แบบ U.FL หรอ RP-SMA

Supply Voltage อยท 2.8-3.4 V Power Down Current < 10 uA ม RF Data Rate อยท 250 Kbps (เปนสวนของ สญญาณทสงผานอากาศ) ม Serial Interface Data Rate อยระหวาง 1200 – 115200 bps (เปนสวนท

ตดตอสอสารกบไมโครคอนโทรลเลอร) เปน Spread Spectrum ชนด DSSS (Direct Sequence) การก าหนด Addressing มล าดบลกษณะคอ ก าหนด PAN ID ส าหรบเครอขาย

หนงๆ, ก าหนด Channel และ ก าหนด Address ของแตละตว

รปท 2.38 รปจาก Datasheet ของ XBee

32

3) ระบบเครอขายของ XBee NonBeacon เปนระบบเครอขายแบบ Peer-to-Peer โดยไมมความสมพนธของ

Master/Server แตละ Module ในเครอขายจะเปนทง Client และ Server NonBeacon (w/ Coordinator) การท างานในระบบนจะใชโครงสรางของการ

รบสงโดยตรงหรอโดยออม (Direct or Indirect Transmissions) 4) การสงขอมลของ XBee

การสงขอมลแบบ RF ของแตละแพกเกจในสวนของ Header จะประกอบไปดวย Source Address และDestination Address โดยท IEEE802.15.4 จะมโครงสราง 2 แบบ นนคอแบบShort 16-Bit Addresses และแบบLong 64-Bit Addresses ซง 64-Bit จะสามารถอานค าสง SL (Serial Number Low) และ SH (Serial Number High) และการสงขอมลแบบ RF จะสงได 2 โหมด คอ Unicast Mode และ Broadcast Mode การสงแพคเกจโดยใชโครงสราง 16-Bit Addressing ใหตงคา ตวแปรDL (Destination Address Low) ใหเทากบ ตวแปร MY และตงคาตวแปร DH (Destination Address High) เปน ‘0’ การสงแพคเกจโดยใชโครงสราง 64-Bit Addressing ใหตงคา Destination Address (DL + DH) ใหเขากบ Source Address (SL + SH) ของปลายทางทเราจะสงแพคเกจไป

ตารางท 2.2 PIN Assignments for XBee

PIN Assignments for XBee

Pin # Name Direction Description 1 VCC - Power supply 2 DOUT Output UART Data Out 3 DIN / CONFIG Input UART Data In 4 DIO12 Both Digital I/O 12 5 RESET Both Module Reset (reset pulse must be at

least 200 ns) 6 RSSI PWM / DIO10 Both RX Signal Strength Indicator / Digital

IO 7 DIO11 Both Digital I/O 11 8 [reserved] - Do not connect

33

ตารางท 2.2 PIN Assignments for XBee (ตอ)

PIN Assignments for XBee

Pin # Name Direction Description 9 DTR / SLEEP_RQ/

DIO8 Both Pin Sleep Control Line or Digital IO 8

10 GND - Ground 11 DIO4 Both Digital I/O 4 12 CTS / DIO7 Both Clear-to-Send Flow Control or Digital

I/O 7. CTS, if enabled, is an output. 13 ON / SLEEP Output Module Status Indicator or Digital I/O

9 14 VREF Input Not used for EM250. Used for

programmable secondary processor. For compatibility with other XBEE modules, we recommend connecting this pin voltage reference if Analog sampling is desired. Otherwise, connect to GND.

15 Associate / DIO5 Both Associated Indicator, Digital I/O 5 16 RTS / DIO6 Both Request-to-Send Flow Control, Digital

I/O 6. RTS, if enabled, is an input. 17 AD3 / DIO3 Both Analog Input 3 or Digital I/O 3 18 AD2 / DIO2 Both Analog Input 2 or Digital I/O 2 19 AD1 / DIO1 Both Analog Input 1 or Digital I/O 1 20 AD0 / DIO0 /

Commissioning Button Both Analog Input 0, Digital IO 0, or

Commissioning Button

34

XBee จะมอย 2 รนคอ รน Series 1 และ รน Series 2 (ZB) และยงมขนาด Power ใหเลอกอก 2 แบบ คอ แบบธรรมดา (1 mw – 2 mw) และ แบบ Pro (50mw- 60 mw) ซงจะมผลเรองระยะทางการรบสงขอมล โดยแตละ Series นน สามารถสรางเครอขายไดหลายแบบ แตจะมเพยง Series 2 เทานนทจะท าเครอขายแบบ Mesh ได ซงยงมรายละเอยดปลกยอยในเรองของความแตกตางในแตละ Series

5) XBee ทง 2 Series นสามารถสราง Topology ไดดงน รน Series 1 Peer-to-Peer, Point-to-Point, Point-to-Multipoint (Broadcast) รน Series 2 (ZB) Mesh, Peer-to-Peer, Point-to-Point, Point-to-Multipoint

(Broadcast) XBee Series 2 จะม Parameter ในการ Setting ตางๆ มากกวา Series 1 Peer-to-Peer Network หมายถง เครอขายทอยในระดบชนเดยวกน ยกตวอยาง ใน OSI Layer เชน ระดบ Transport Network Layer กบ Transport Network Layer นนกคอ TCP Protocol ระหวางคอมพวเตอร 2 เครอง แตส าหรบ XBee ค าวา Peer-to-Peer Network หรอ Non Beacon Network คอ การทเรา Set Node เปน End Device หมดทกตว ไมมการก าหนดตายตววา ตวใดจะเปน Master ตวใดจะเปน Slave แตจะใหระบบจดการกนเอง โดยในเครอขาย จะตองก าหนด Parameter ID (PAN ID) และ CH (Channel) XBee สามารถ Set ใหเปน End-Device, Router, Coordinator ตามเงอนไขของ ZigBee

รปท 2.39 เครอขาย ZigBee แบบ Star, Cluster, Mesh

35

6) การศกษาการใชงาน XBee ในเบองตน สามารถทดสอบดวยการ ปรบ Parameter ทส าคญตาง ๆ ผาน Software User

Interface ได สามารถ Download Software User Interface ทใชรวมกนกบ XBee ชอ X-CTU มาไดฟรจาก Digi ครบ การใชงาน ทานสามารถอานจากคมอ X-CTU Configuration & Test Utility Software User Guide

นอกจากใช Software แลว ตองมอปกรณทจะเชอมตอ XBee เขากบคอมพวเตอรเพอท าการตดตอสอสารกบ X-CTU ดวยครบ อปกรณทวาน คอตวทจะน าขาบางขาของ XBee มาตอเขากบ MAX232 เพอเปลยนระดบสญญาณ TTL ใหสามารถตดตอสอสารกบคอมพวเตอรผาน RS232 (DB9) ได หรอเราจะใช FT232RL ส าหรบแปลง Serial เปน USB ในกรณท Computer ไมมพอรต DB9 แลวกไดครบ

ตวอยางอปกรณทใชเชอมตอกบคอมพวเตอรเพอ Update , Config Parameter โปรแกรม Firmware ใหม และส าหรบใชท าการทดสอบเบองตน เชน XBee Socket, XBee USB Dongle, XBee Breadboard, XBee RS232 (DB9) Dongle อปกรณเหลานถอวาเปนอปกรณเสรมทลดภาระงานท างดาน Hardware ไดสวนหนง ในระยะเรมตนกจะสะดวก แตหากตองการจะท า Hardware ขนเอง กสามารถดวงจร Schematic จาก Digi ได

7) ก าลงสง สายอากาศ และ สญญาณ รบกวน ของ XBee XBee นน ใชยานความถ 2.4 GHz ซงเปนยานเดยวกนกบ Bluetooth หรอ

Wireless LAN ดงนนสญญาณจะกวนกนแนนอน ยกตวอยางเชน ทภาควชาวศวกรรมคอมพวเตอรม Wireless LAN ใช Access Point 1 ตว และกยงใชเครองโทรศพทแบบ ถอไปมาได (2.4 GHz Cordless Telephones) ซงกใชยาน 2.4 GHz เชนกน แลวกไดทดสอบใชงาน XBee ผลปรากฏวา การรบส งสญญาณกขาดหายไปบาง แตบางครงกครบถวน นนอาจเปนเพราะก าลงสงของ XBee และระยะทางของ Node ททดสอบใกลกนมาก

ชองสญญาณยานความถ 2.4 GHz นเรยกวาเปนยานไมโครเวฟ หลกส าคญของยานไมโครเวฟอยางหนงคอ การวางต าแหนงตวรบสงสญญาณนน ตองตงแบบ Line of Sight (ไมมสงกดขวางใดๆ) ถงจะไดก าลงสงสงสด ส าหรบก าลงสงของ XBee ในรน Pro จะใช 50-60 mw ใน Datasheet บอกวาไดไกลถง 1.5 km. หากไมใช Line of Sight จะไดระยะการรบสงสญญาณทลดลง และ ยงมเรองสญญาณรบกวนตางๆ (Interference) ดวย

เรองของสายอากาศตว XBee มใหเ ลอกทเปนแบบส าเรจรปพรอมใช คอ สายอากาศแบบ Chip Antenna และ Whip Antenna ซง Pattern การแพรกระจายคลนจะบงบอกอยางหนง (จากหลายๆ อยาง) ไดวา สายอากาศน จะมการขยายดอยางไร

36

Chip Antenna มขอดคอท าใหขนาด Dimension รวมเลกลงแต Gain นอยกวาแบบ Whip Antenna Chip Antenna จงมระยะรบสงขอมลทลดลงจาก Spec ใน Datasheet ยกตวอยางเชน รน Pro ทบอกวาสามารถสงไดไกลสงสด 1.5 km แบบ Line of Sight แตถาเราเลอก Chip Antenna แลว จะไดระยะสงสดอยท 500 กวาเมตร

ตารางท 2.3 ระยะรบสงขอมลของสายอากาศตว XBee

Module Antenna

Type Outdoor Distance

(Visual Line-of-Sight) Indoor Distance (Office Building)

Indoor Distance (Warehouse)

XBee Chip 470 ft. (143 m) 80 ft. (24 m) - Whip 845 ft. (258 m) 80 ft. (24 m) 84 ft. (26 m)

XBee PRO

Chip 1690 ft. (515 m) 140 ft. (43 m) - Whip 4382 ft. (1335 m) 140 ft. (43 m) 355 ft. (108 m)

8) XBee Association ในเครอขาย ZigBee ตองมการท างานในโหมดประหยดพลงงาน ในชวงเวลาทไมมการท างาน รบสงขอมล ดงนนตว XBee จงม Parameter ทจะก าหนดการท างานส าหรบ Sleep Mode อยดวย (Parameter A1,A2,SP,ST) XBee Addressing ตว XBee จะสามารถก าหนดคาประจ าตวอางองของมน (Address) 2 แบบ คอ แบบ 16 Bit Address และ 64 Bit Address ปกตแลว XBee ทกตวจะถกก าหนดคามาจากโรงงานเปน Address 64 Bit อยแลว ซวจะสามารถอานคาไดจาก Parameter SH+SL การใชงาน Address 64 Bit สามารถท าไดโดยก าหนด Parameter MY ใหมคา 0xFFFF หรอ 0xFFFE สวนการก าหนด 16 Bit Address นนท าไดโดย ก าหนด Parameter MY ใหมคานอยกวา 0xFFFE โดยจะเรยกเปน Mode การท างาน 2 ประเภทคอ

Unicast Mode คอ การรบสงขอมล โดยอาศยหลกการ Acknowledgement คอหากทางดานสงนน สงขอมลไป แตไมไดรบ Ack ตอบกลบจากตวรบ กจะท าการสงขอมลใหม

Broadcast Mode คอการสงขอมลไปยงปลายทางใหไดรบขอมลทกตว

37

9) XBee Operation Mode XBee จะสามารถแบงชวงการท างานไดเปน 5 แบบ คอ

รปท 2.40 การท างานของ XBee

Idle Mode เปนโหมดทไมมการรบสงขอมล และเปนโหมดกลางทสามารถเปลยนไปยงโหมดตางๆ ได

Transmit Mode มการสงขอมลไดสองวธ Direct Transmission – ขอมลทงหมดจะถกสงไปยง Destination Address ทนท Indirect Transmission – Packet จะถกเกบไวจนกวาจะถงเวลาสงเทานน และจะ

สงไปยงทมการตอบรบมา (Source Address = Destination Address) Receive Mode ขอมล RF จะถกรบทางสายอากาศ Sleep Mode RF อยในสถานะทมการใชก าลงไฟฟาต าหรอไมมการใช การเขา

มาอยในโหมดนนนจะตองเปนไปตามเง อนไขตอไปนอยางนอยหนงอยาง (คาของตวแปร SM ตองไมเปน 0)

มการใชงานท Sleep_RQ (PIN 9) อยโหมด Idle (ไมมการรบสงขอมล ) เปนเวลานานมากกวาทก าหนดไวทตว

แปรST (Time before Sleep) Command Mode เปนโหมดค าสงโดยจะใชล าดบเปนส าคญ คอ การปรบ

Parameter ของ XBee ซงจะมการก าหนด 2 แบบ คอ แบบ AT Command กบแบบ API Command

38

รปท 2.41 Data Throughput ของ XBee

โดยทวไปการใชงาน RF Module ควรจะก าหนดใหม Buffer ดวย เพอการปรบอตรารบสงข อมลระหวางตอนทรบสงทางอากาศกบตอนทรบสงไปยง ไมโ ครคอนโทรลเลอร หรอ อปกรณอน ๆ ไดอยางเหมาะสม Data ทรบสงระหวาง MCU กบ XBee จะมขอจ ากด เรอง Packet อาจถก Drop ได เนองมากจาก Data Over Flow โดยส าหรบดานการสงขอมลไปท XBee เพอออกอากาศนน ทขา DI จะม Buffer อยประมาณ 202 Bytes หากสงเกน Buffer จะเกดการ Drop Packet ทง ซงทางฝงรบขอมล ทขา DO กม Buffer อยเชนกน โดยจะม Parameter ทเกยวของกบ Data Throughput คอ RO และ BD คา RO คอคา Packetization Timeout ซงเปน Delay ของขอมลทอยใน DI Buffer กอนทจะถก Encapsulate ไปทสวน RF Transmission เพอสงขอมลออกอากาศ หากตง RO = 0 Data ทรบเขามาจาก MCU จะถก XBee Encapsulate Packet สงออกอากาศทนท ดงนนเราจะม Parameter RO และ BD ทจะชวยในการปรบ Data รบสงใหสามารถรบสงกนไดทน ไมใหมการ Drop Packet ได ในกรณทสงขอมลเกน 200 Bytes นอกจากนยงม PIN CTS(ขา12) และ RTS(ขา16) ชวยเตอนเวลาท Buffer ภายในใกลจะเตม โดยในฝงสง DI Buffer จะสง Signal มาทาง CTS เมอ DI Buffer เหลอพนทจดเกบอยอก 17 Bytes และสง Clear Signal ท CTS เมอ DI Buffer เหลอพนทจดเกบมากกวา 34 Bytes ดงนนส าหรบการเขยนโปรแ กรม รบสงขอมลกบ XBee ตองค านงเรอง Buffer ดวย แตในทางปฏบต ส าหรบงาน Sensor Network กไมไดรบสงขอมล Stream Data ยาวๆ เทาไหร

39

2.4.6 ZigBee คออะไร ZigBee มาตรฐานสากล ก าหนดโดย ZigBee Alliance เปน การสอสารแบบไรสาย ทมอตราการรบสงขอมลต า ใชพลงงานต า ราคาถก จดประสงคกเพอใหสามารถสรางระบบทเรยกวา Wireless Sensor Network ได ซงระบบน จะสามารถท างาน ในรม กลางแจง ทนแดด ทนฝน และอยไดดวยแบตเตอรกอนเลก (เชนถาน AA 2 กอน) นานเปนเดอน เปนป เหมาะสมใชงานกบพวก Monitoring ตาง ๆ โดยท ZigBee ก าหนด ยานความถใชงานตามมาตรฐานไว 3 ยานความถคอ ยาน 2.4 GHz , ยาน 915 MHz และยาน 868 MHz โดยแตละยานจะมชองสญญาณ 16 ชอง , 10 ชอง และ 1 ชอง ตามล าดบ สวน อตรารบสงขอมล (ทางอากาศ) จะอยท 250 Kbps , 40 Kbps , 20 Kbps ตามล าดบเชนกน

รปท 2.42 ยานความถ ZigBee มาตรฐานสากล

1) ยานความถ ยานความถ 2.4 GHz ม 16 ชองสญญาณ อตรารบสงขอมล 250 Kbps ยานความถ 915 GHz ม 10 ชองสญญาณ อตรารบสงขอมล 40 Kbps ยานความถ 868 GHz ม 1 ชองสญญาณ อตรารบสงขอมล 20 Kbps

โดยมากมกสบสน ระหวาง ZigBee กบ Wifi โดยผทเรมศกษาจะมค าถามวา ZigBee กบ Wifi (หรอ โมดล 2.4 GHz) นน ยานความถเหมอนกน จะสามารถสอสารกนไดหรอไม ค าตอบคอ สอสารกนไมได เพราะทางกายภาพ ถงแมจะเปนยานความถเดยวกน แต Protocol ทใชสอสารกนนนไมเหมอนกน ZigBee น า Physical Layer และ MAC Layer ของ IEEE 802.15.4 ซงเปนมาตรฐานการก าหนดการสอสารไรสายแบบ WPAN (Wireless Personal Area Network) มาท างาน

40

ใน Layer ทต ากวา (2 Layer ลางสด ) เชน เรองของระดบก าลงสญญาณ , Link Quality, Access Control, Security ฯลฯ แตใน Layer ถดไปจะเปนรปแบบของ ZigBee

รปท 2.43 ZigBee Stack

จากทกลาวมา ZigBee จะสามารถสรางเปนเครอขายไดเพราะองมาตรฐานตาม IEEE 802.15.4 และมการจดการในแบบของ ZigBee ใน Layer ถดไป ทงน IEEE 802.15.4 แบงชนดอปกรณในเครอขายออกเปน 2 ประเภท คอ FFD ( Full Function Device ) ซงหมายถงอปกรณทสามารถท างานไดทกอยางในเครอขาย และ RFD (Reduce Function Device) ซงหมายถงอปกรณทถกลดความสามารถการท างานในเครอขาย 2) ZigBee ไดแบงตามลกษณะการท างาน 3 แบบ คอ

Coordinator มหนาทสรางการสอสาร เชอมโยงเครอขาย ระหวาง End Device กบ Router หรอ Coordinator กบ Coordinator ดวยกน หรอ Coordinator กบ Router ก าหนด Address ใหกบ Device ทอยในวงเครอขายไมใหซ ากน ดแลจดการเรองการ Routing เสนทาง ซงเทยบไดกบ FFD

End Device เปนอปกรณปลายทางสด ซงจะ ใชรบสญญาณจาก Sensor ทปลายทาง โดยใชพลงงานต า เทยบไดกบ RFD หรอ FFD บางกรณ ขนอยกบ Sensor ทใช

Router มหนาท รบสงขอมล ในเสนทางของเครอขาย ซงเทยบไดกบ FFD

41

2.5 ทฤษฎและหลกการท างานของอปกรณตรวจวด ทฤษฎของ Accelerometer

เครองมอทใชวดอตราเรงกคอ มเตอรวดอตราเรงหรอ แอกเซเลอโรมเตอร (Accelerometer) โดยทสามารถแบงลกษณะการตรวจวดได 2 ลกษณะ

2.5.1 การตรวจวดการชอก (Shock) และการสนสะเทอน (Vibration) ซง การชอก คอ อตราเรงขนาดมหาศาลทเกดขนในชวงเวลาสนๆ การสนสะเทอน คอ อตราเรงขนาดเลกทเกดขนซ ากนไปเรอยๆ

2.5.2 การตรวจวดอตราเรงของวตถ เพอน าขอมลไปใชในการระบต าแหนง ความเรว และระยะทางทไดจากการเคลอนท ซง มเตอรวดความเรงนโดยหลกๆแลวจะแบงเปน 2 ชนด

1) มเตอรวดอตราเรงแบบไซสมกแมส (Seismic Mass Accelerometer) มเตอรชนดนอาศยหลกการตรวจวดระยะขจดเชงเสนแลวน าไปค านวณหาอตราเรงทเกดขนโดยเทคนคดงกลาวสามารถอธบายงายๆ ไดกคอ วตถชนหนงจะมความเรงได กจะตองมแรงมากระท า ยงมแรงมากระท ามาก กจะยงมความเรงมาก ในขณะเดยวกนแรงตานการเคลอนทกจะมากดวย นอกจากนเมอมแรงมาท าใหวตถเกดการเคลอนท กจะมระยะขจด ซงกจะแปรผนตรงกบแรงทมากระท าทวตถ ยงแรงมากระยะขจดยงมาก จากความสมพนธดงกลาวไดน าไปใชเปนหลกการพนฐานขอ งมเตอรวดอตราเรงแบบไซสมกแมสในการตรวจวดอตราเรงของวตถในเทอมของระยะขจดทเกดขน

รปท 2.44 โครงสรางพนฐานของมเตอรวดอตราเรงแบบไซสมกแมส

โครงสรางนมมวล m ทเรยกวามวลตรวจการสนไหว (Seismic Mass) ยดตดอยกบสปรงทมคา Spring Constant เทากบ k และมวลนสามารถเคลอนทในแนวระดบได ซงหลกการท างานกงายๆ ไมไดซบซอนอะไร เมอตวเซนเซอรตวนถกท าใหมอตราเรงเกดขนจะสงผลใหมวล m เคลอนทซงระยะทเคลอนทออกไปจะเปนระยะขจดเทากบ x และมทศทางตรงกนขามกบ การเคลอนทของตวมเตอร ดงนนอตราเรง a ของวตถ

42

แตในทางปฏบตเราสามารถวดระยะขจดของมวล m ไดโดยอาศยมเตอรอกชนดหนง คอมเตอรวดระยะขจดเชงเสน (LVDT, Potentiometer) สวนการวเคราะหหาคาอตราเรงทเกดขนเราสามารถค านวณหาไดโดยใชคอมพวเตอรมเตอรวดอตราเรงแบบไซสมกแมสนจะนยมใชในการตรวจวดลกษณะการชอกและลกษณะการสนสะเทอนทมความถต ามากๆ เชน ในเครองมอตรวจวดแผนดนไหว หรอในเครองมอตรวจวดการปะทใตดนของภเขาไฟ ฯลฯ 2) มเตอรวดอตราเรงแบบเพยโซอเลกทรก (Piezoelectric Accelerometer)

คณสมบตพนฐานทางไฟฟาของผลกเพยโซอเลกทรก (Piezoelectric Crystal) ถกคนพบโดย Pierre และ Jacques Curie ในราวป ค.ศ.1880 ซงเจา Piezoelectric Crystal นมนมคณสมบตพเศษคอ เมอมนถกแรงทางกลมากระท า มนจะสรางประจไฟฟาขนมา โดยเปนสดสวนกบแรงกระท านน ซงจากคณสมบตพเศษนไดถกดดแปลงน าไปใชสรางอปกรณตางๆมากมาย เชน ใชเปนแบตเตอรจายพลงงานไฟฟาใหกบนาฬกาขอมอดจตอลทเราใชทวไป และยงใชสรางมเตอรวดอตราเรงแบบเพยโซอเลกทรกอกดวย โครงสรางของมอเตอรวดอตราเรงแบบเพยโซอเลกทรกจะประกอบดวย Seismic Mass ยดตดกบ Piezoelectric Crystal และบรรจอยในตวถงปองกนโดย Piezoelectric Crystal ทนยมน ามาใชงาน ไดแก ผลกควอตซ และผลกโซเดยมโปตสเซยมตาเตรต (Sodium Potassium Tartrate) เพราะมความทนทานตอแรงกระท า และราคาไมแพงมากนก

รปท 2.45 โครงสรางพนฐานของมเตอรวดอตราเรงแบบเพยโซอเลกทรก

สามารถอธบายการท างานงายๆ ไดดงน เมอ Seismic Mass (m) ถกท าใหเกดอตราเรงขน มนจะสงผานแรงกดไปกระท ากบ Piezoelectric Crystal ทถกยดตดอยดวยกนดวยคณสมบตพเศษของมนจะท าใหประจไฟฟาถกสรางขน และถกสายน าสญญาณออกไปยงเอาตพตของวงจร

43

โดยทดานเอาตพตจะตองมวงจรขยายประจไฟฟา (Charge Amplifier) เพอขยายคาประจไฟฟาทไดใหเปนแรงดนเอาตพตตามส ดสวนของอตราเรงทเกด จะไดสามารถแสดงผลไดดวยโวลตมเตอร มเตอรวดอตราเรงแบบเพยโซอเลกทรกตอบสนองตอทางดานความถสงไดด แตในทางกลบกนกจะมผลตอบสนองทางดานความถต าทไมดนก มขนาดคอนขางเลก น าหนกเบา และสามารถใชงานทมอตราเรงไดส งถง 250,000 m.s-2 สวนการประยกตใชงานทนาสนใจและก าลงเปนทนยมอยในขณะนเหนจะเปนเทคโนโลย ทชสกรน (Touch Screen) ทใช Accelerometer ตรวจจบการเคลอนไหวนวมอของผใช เวลาเราใชนวลากเรวๆ มเตอรวดความเรงจะจบความเรงทนวเราเคลอนไหวแลวสงใหหนาจอเลอนไปตามความเรงนน ถาเราเลอนนวเรวหนาจอกเลอนเรว แตถาเลอนนวชาหนาจอกจะคอยๆเลอนไปดงตวอยางเชน เครองเลนเกม Nintendo Wii มกจะใช Accelerometer ประกอบกบ Gyroscope เซนเซอรจบมมโดย Accelerometer ใชวดการเคลอนทขน ลง ซาย ขวา สวน Gyroscope ใชวดองศาความเอยงจบมม ท าใหเกดการเคลอนไหวทกทศทาง

2.5.2 ทฤษฎการท างานของ Gyroscope 1) การท างานของไจโร

การหมนของไจโร จะทาทายกบแรงโนมถวง คณสมบตอนพเศษน สามารถน าไ ปประยกตใชไดตงแตรถจกรยานจนถงยานขนสงอวกาศ เครองบนโดยสารทกประเภทมไจโรสโคป ไวส าหรบท าเป นเขมทศและระบบน ารองอตโนมตสถานอวกาศ Mir ของรสเซย ใชไจโรสโคป จ านวน 11 อน เพอบงคบใหแผงโซลารเซลลหนไปในทศทางเดยวกบดวงอาทตยตลอดเวลา การเคลอนทแบบไจโร จะเกดกบมวลทกชนดในโลกทมการหมน

2) การหมนของไจโร การท างาน จะเปนไปตามกฎของนวตนคอมวลจะเคลอนทเปนเสนตรงดวย

ความเรวคงทถาไมมแรงภายนอกมากระท าเมอตวไจโรหมนไป 90 องศา จดบนจะหมนเปลยนต าแหนงไป 90 องศา และยงเคลอนทไปทางซ าย เชนเดยวกบจดลาง เมอหมนขนมา 90 องศา มนยงคงเคลอนทไปทางขวา ท าใหลอเกดการหมนควงขณะทจดบนและจดลางเปลยนต าแหนงไป 90 องศา การเคลอนทในครงแรก จะถกยกเลกไป ไมเกดการพลกของลอ ดงนนแกนหมนของไจโรจะเหมอนกบหอยอยกบทตลอดเวลา ดาวเทยมบางดวงใชหลกของไจโร เพอปรบต าแหนงของดาวเทยมในอวกาศ ภายในดาวเทยมจะประกอบดวยลอ 3 อน ตงฉากซงกนและกน แตละอนมมอเตอรและเบรกไวส าหรบควบคมการหมน เมอลอเรมหมน ดาวเทยมจะเรมหมนเชนกนแตไปในทศ ตรงกนขามกบลอ หลงจากทอยในต าแหนงทตองการ กบงคบใหลอหยดหมน ดาวเทยมกจะหยดหมนตามไปดวย เมอใชวธนเราส ามารถทจะบงคบทศทางของดาวเทยมไดโดยไมตองใชเชอเพลงหรอพลงงานมากมายนก

44

3) ตวอยาง IMU Combo Board (Gyroscope)

รปท 2.46 IMU Combo Board

ตารางท 2.4 สวนประกอบของ IMU Combo Board

5V:รบแรงดน 5V GND: จดเชอมตอกราวน Rateout: แสดงผลของเปนอนาลอก 5V Out: Internal 2.5V precision Temp: Internal precision temperature ST2: Self test 2(Gyro) ST1: Self test 1 (Gyro) ST2 : Self test 3 (Accelerometer) Y Accel : Y axis acceleration output X Accel: X axis acceleration output

ขาทเลอกใชคอขาท 9 และ ขาท 10 รบแรงดนจากแหลงจายได 5 โวลต Y Accel ขานแรงดนทแสดงออกมามขนาด 2.5V

เมอน าตงบนโตะโดยตงฉากกบผว โลก แรงดนทแสดงออกมาท ADXL320 จะเปน 312mV/g และแรงดนทแสดงออกท ADXL203 จะเปน 1000mV/g ดงนนทกแรงดงดดคาความแมนย าบนแกน Y ทจะเหนคอ 312mV หรอ 1000mV ทแรงดน 2.5 X Accel เหมอนกบY Accel แตแกนx เมอตงฉากกบผวโลก ขา X Accel ของ ADXL 320 แรงดนทแสดงออกมาคอ 2.188V หรอ 2.812 V ขนอยกบทศทางหรอต าแหนง (+/-180 องศาของความเอยง) ADXL203 แรงดนสามารถขนไดสงกวา 1000mV/g (1.5V ท -1g และ 3.5V ท +1g) และแกปญหาไดดกวาADXL320 ท ADC เหมอนกน

การเพมประสทธภาพของ ADC คาความแมนย าของระบบ ADC นนจะเกดขนสมบรณ เมอจ านวน บตสงขนการท างานกจะดขน ตวอยางการเพมจ านว นบต กรณถาคณม 10บต

45

ADC ค านวณไดดงน 5V/1024 = 4.88mV per Bit แรงดนเปลยนเปน4.88mV ถาม12 บต 5V/4096 = 1.22mV per Bit แรงดนเปลยนเปน 1.22mV การลดADC Window PIC16F88ม 2 ขาคอ Vref - และ Vref+ คอขาแรงดนขนและแรงดนลดโดยอางองกบ ADC 16F88 นนสามารถเซตคาแรงดนไดถง1.5V และ 3.5 V

การเซตคานนอยมากดงนนการวดความแมนย าของระบบท าไดดงน 2V/1024 = 1.95mV per Bit ซงจะสามารถท าใหการท างานดขนไดดวยวธการลดADC ไดดวยการค านวณ ซงถาตองการใหADC อมตว จะตองพจารณาทแรงดน วานอยกวา 1.5 V หรอสงกวา 3.5Vการใชไจโร และ Accelerometer ส าหรบการแกวงไปมาหรอ การใชงาน UAV จะตรวจจบทกวนาท ดงนน Firmware ควรจะตองดแลเปนพเศษทการADC Saturates Amplifying the Output สญญาณอนาลอกสามารถ amplified โดยใช Single Supply Op Amp (OPA340DIP) มนคอ TI Op Ampซงพอเพยงส าหรบการขยายสญญาณและเชอมตอ ADC

2.5.3 ทฤษฎการท างานของ Sonar ค าวา Sonar ยอมาจากค าวา Sound Navigation and Ranging หลกการท างานของโซนา

คลายคลงกบประสาทรบรของคางคาวทท าใหมนรระยะหางกบวตถรอบตว โดยอปกรณโซนาจะสงคลนเสยงในชวงความถสง (ประมาณ 40-50 kHz) เปนชวงๆ โดยแตละชวงจะกนเวลาสนๆ ประมาณ 1-2 ms เสยงทสงออกไปจะกระทบวตถทขวางเสนทางเดนและสะทอนกลบมาเขาตวรบ โดยในหนงชวงของเสยงทสงออกไปจะประกอบไปดวยคลนเสยงหลาย ความถ ทงนเพอเพมโอกาสทเสยงจะถกสะทอนจากวตถหลายๆ ประเภท เนองจากคณสมบตของการสะทอนคลนเสยงของวตถแตละประเภทจะแตกตางกนอยบาง ระยะหางจากวตถจะหาไดจากระยะเวลาทใชในการทเสยงเดนทางจากตวสงไปสะทอนวตถและสะทอนกลบมาทตวรบ ระยะท างานของโซนาโดยทวไปอยประมาณ 15 cm ถง 10 m โดยความผดพลาดในการค านวณระยะ สวนหนงเกดจากการใชคาความเรวเสยงทไมถกตอง เนองจากเสยงเดนทางในสอกลางทอณหภมตางกนดวยความเรวทตางกน ขอจ ากดอกประการของโซนาคอเราไมสามารถทจะเพงเสยงทสงออกไปอยางแมนย าเหมอนล าแสง โดยบรเวณทไดรบก าลงของคลนเสยงมากทสดจะอยในกรวยทมจดยอดทจดสงเสยงและมแกนกลางตรงกบทศทางสง ดงนนเสยงอาจสะทอนมาจากจดใดกไดภายในกรวยน ซงเราสามารถค านวณระยะหางจากวตถสะทอนทใกลทสดได แตไมสามารถรไดวาวตถนนอยทมมใดในกรวย ยงวตถสะทอนอยหางโซนา ความแมนย าในการทเราจะบอกต าแหนงกยงนอยลงตามความบานของกรวย ซงโดยทวไปกรวยสงเสยงนมขนาดประมาณ 20-30 องศา ตวอยางในรปท 1.8 เสยงจะสะทอนมาจากจดทใกลสดกอน ระยะทวดไดนจ งไมไดมาจากจดทอยในทศทางการสงเสยง เรา

46

บอกไดเพยงระยะกบวตถใกลสดแตบอกไมไดวามนอยบนจดใดในสวนของวงกลมทอยในกรวยและมรศมเทากบระยะทวดได

รปท 2.47 ระยะสนสดในกรวยเสยง

จรงๆ แลวเสยงทจะสะทอนมาเขาตวรบไมไดมาจากเสยงทสงไปในกรวยเสยงทกลาวถงเทานน อาจมาจากเสยงทอยนอกกรวย แตพลงงานเสยงทอยนอกกรวยนจะมขนาดเลกกวาเสยงในกรวยท าใหเราสามารถแยกมนออกไปได โดยดจากระดบพลงงาน รปท 1.9 แสดงระดบพลงงานเสยงทมมตางๆ กน โดยกรวยเสยงทจะพจารณาเสยงสะทอนจะมขนาด 20 องศา ซงจะเหนไดวามนมพลงงานมากกวาเสยงจากมมอนๆ ภายนอกกรวยมากกวา 15 dB

รปท 2.48 ระดบพลงงานเสยงเปน dB ทมมตางๆ กน

2.5.4 ทฤษฎการท างานของ เซนเซอรอนฟราเรด เซนเซอรอนฟราเรดเปนเซนเซอรไมอาศยการสมผสทนยมมากในงานตรวจจบวตถ

โดยเฉพาะอยางยงในงานหนยนตเคลอนท เซนเซอรอนฟราเรดท างานโดยการปลอยแสงอนฟราเรดและรอตรวจจบวามแสงอนฟราเรดสะทอนกลบมาหรอไม ถาม กแสดงวามวตถขวางในระยะใกล

47

พอ (รปท 2.49) ระยะท างานของเซนเซอรอนฟราเรดอยประมาณ 50-100 ซ.ม. ในทางปฏบตแสงอนฟราเรดทปลอยออกไปจะถกเขารหสดวยการมอดเลตกบความถต าๆ เชน 100 เฮรตซ ทงนเพอจะไดไมสบสนกบแสงอนฟราเรดทเกดจากแสงแดด หรอหลอดไฟฟลออเรสเซนซ (หลอดวาวแสง) ระดบความเขมของแสงอนฟราเรดทสะทอนกลบไมไดขนกบระยะทางอยางเดยว (ยงหางกสะทอนกลบนอย) แตขนกบสและลกษณะของพนผว เชนวตถสด าไมสะทอนแสงอนฟราเรด วตถผวขรขระสะทอนแสงไดนอยกวาวตถผวเรยบมน ขอจ ากดนท าใหยากทจะใชเซนเซอรอนฟราเรดในการวดระยะหางกบวตถทตรวจจบได นนกคอบางครงเซนเซอรอนฟราเรดอาจไมสามารถตรวจจบวตถทขวางอยได แตอยางไรกตามหากเซนเซอรอนฟราเรดตรวจจบวตถขวางหนาอยได กเปนการแนนอนวามวตถขวางอยจรง (เปนไปไดยากทจะมสญญาณหลอกเกดขน ) และถงแมความเขมของแสงอนฟราเรดทรบไดจะบอกไดบางถงระยะหางจากวตถกดขวาง แตขอมลนไมมความแมนย านก รวมทงระยะท างานของเซนเซอรอนฟราเรดคอนขางสน จงเปนการดทเรมท าการหลบหลกหรอปรบการเคลอนทใหเหมาะสมทนททตรวจจบวตถไดจากเซนเซอรอนฟราเรด

รปท 2.49 การท างานของเซนเซอรอนฟราเรด

2.5.5 ทฤษฎการเปลยนสญญาณอนาลอกเปนสญญาณดจตอล (Analog to Digital Converter) สญญาณทใชในอปกรณอเลคทรอนคส ม 2 ชนด คอ สญญาณอนาลอก และสญญาณ

ดจตอล สญญาณ อนาลอก จะใชในอปกรณทวๆไป และใชในการควบคมแบบเกา ในปจจบนมไมโครโปรเซสเซอรและไมโครคอนโทรลเลอรเขามาชวยในการควบคมอปกรณตางๆ มากมาย ซงท าใหการควบคมนนท าได งาย และรวดเรวยงขน แตในการควบคมนน เราจ าเปนตองใช สญญาณดจตอลในการตดตอกบไมโครโปรเซสเซอร หรอไมโครคอนโทรลเลอร แตในความเปนจรงนน เราใชสญญาณอนาลอกในการควบคม ดงนนเราจงจ าเปนตองมการเปลยนสญญาณ อนาลอกเปนสญญาณดจตอล แลวจงน าสญญาณนนเขามาสไมโครโปรเซสเซอรหรอไมโครคอนโทรลเลอรเพอใชควบคมระบบตอไป แมวาสญญาณ อนาลอก นนมความแนนอน และแมนย าสงแตสญญาณอนาลอกนนกควบคมไดยาก เนองจากในสภาพแวดลอมมสญญาณรบกวนอยมาก และการทจะท า

48

ใหการควบคมแบบ อนาลอกมความสามารถ ควบคม เทากบการควบคมแบบดจตอลนนท าไดยากเนองจากวงจรควบคมแบบ อนาลอกจะตองมความซบซอนสง อยางไรกตามสญญาณดจตอลกไมสามารถทดแทนความละเอยดของสญญาณ อนาลอกไดอยางสมบรณแตท าใหการควบคมนนท าใหงายและสะดวกยงขน ในการแปลงสญญาณ Analog to Digital ในปจจบนนมหลายวธดวยกนเชน Successive Approximation, Flash Converter, Dual-Slope ADC, Counting Converterแตในทนผจดท าจะไดท าการยกตวอยางคอ Counting Converter เปนวธทงายทสดของการแปลงสญญาณอนาลอก เปนสญญาณดจตอล โดยใชอลกอรทม การนบคาเพมขนเรอยๆ แลวน าผลทไดจากการนบไปเปรยบเทยบกบคาทตองการทตงไว ลกษณะการท างานเปนดงรป

รปท 2.50 Analog To Digital Converter

1) จากวงจร Counter เปนอปกรณนบคาทเพมขนทละหนง แลวสงคาทไดให D/A มขา Reset รบสญญาณ Reset เมอตองการใหเรมนบใหม

2) D/A เมอรบคาทนบเพมขนทละหนงจากตวนบ กแปลงคาใหเปนสญญาณ อนาลอกทมคาความตางศกยคาๆ หนง แลวสงตอเขาไปทอปกรณตวเปรยบเทยบ (Comparator)

3) Comparator จะเปนอปกรณตวเปรยบเทยบคาความตางศกย ของอนพต และคาจากทตวนบ ถาหากทงสองสญญาณมคาเทากนสงคาความตางศกย 0 โวลตออกมา (ลอจก 0) ถาไมเทากนกจะสงความตางศกยทไมใช 0 โวลตออกมา (ลอจก 1)

4) ซงคาความตางศกยทออกมา จะน ามาเขาลอจกเกต "และ" กบ สญญาณนาฬกา จะไดคาลอจกออกมา ถาผลลพธออกมาเปนสญญาณนาฬกาแสดงวายงไมไดผลลพธเทาทตองการ สญญาณนาฬกากจะไปท าใหตวนบนบเพมขนตอไป และเมอไดคาผลลพธดจตอลทตองการแลว คาทไดจาก ตวเปรยบเทยบจะใหคาความตางศกยเปน 0 (ลอจก 0) ซงเมอน ามาเขาลอจกเกต "และ" กบสญญาณนาฬกาแลว กจะใหลอจก 0 ซงท าใหตวนบไมนบเพมอก กจะไดคาดจตอลจากตวนบทตองการ

49

จากค าอธบายขางตนจะไดกราฟของ V0 ดงน

รปท 2.51 Output Voltage Graph from A/D Converter

ขอเสยของวธน คอ การนบตองเรมนบท 0 เสมอ และนบเพมขนเรอยๆ ท าใหชา เอาตพตทไดจะม Delay จงไมคอยนยมใชเทาทควร จงไดเปลยนตวนบเปนแบบนบลงไดดวย ซงจะอางองระดบจากระดบเกา ท าใหไมจ าเปนตองนบ 0 ใหม เมอมการเปลยนอนพตใหม แตใหอางองกบผลลพธเดม ท าใหไดผลลพธเรวขน

5) Successive Approximation ใชหลกการของ "Binary Search" ในการหาค าตอบ โดยน าคาผลลพธมาเปรยบเทยบกบคากงกลางของชวง เพอใหทราบวา คานนๆ มากกวา หรอนอยกวา โดยจะปรบชวงใหแคบลงมาเรอยๆ แลวเปรยบเทยบผลลพธกบคากงกลางของชวงไปเรอยๆ จนไดผลลพธทตองการ เชน เลขทเปนค าตอบคอ 3 จากชวงของค าตอบท 0-7 ครงแรกเอาคา (0+7)/2 = 4 มาเปรยบเทยบ ไดผลวา ค าตอบทตองการอยในชวงทนอยกวา 4 ครงท 2 กเลอกคา (0+4)/2 = 2 มาเปรยบเทยบ ไดผลวาค าตอบทตองการอยในชวงทมากกวา 2 แตนอยกวา 4 ครงท 3 กเลอกคา (2+4)/2 = 3 มาเปรยบเทยบ ไดผลวาค าตอบทตองการ

50

จากหลกการทกลาวมาอาจเขยน Flow Chart ไดดงน

รปท 2.52 Binary Search Strategy

ขอดของวธน คอ เวลาทใชในการหาค าตอบ n รอบ แนนอน (ส าหรบ n Bit Converter ซงอางองได 2n ระดบ และระดบ Vin ทคงท) ซงใชเวลานอยกวาแบบ "Counting Algorithm"แตมขอเสย คอถา Vin เปลยนทนททนใด ขณะทก าลงท า Binary Search อยนน ค าตอบทไดจะผดพลาด ตวอยางเชน เปลยน Vin จาก 5 Volt เปน 2 Volt

51

รปท 2.53 Binary Search

6) ชวงของ Vin คอ 1-7 ใช n=3 (เพราะวา 23=8) ครงแรก ใช 4 เปรยบเทยบกบ Vin (ซงเทากบ 5 โวลต) พบวาชวง lower ได 1xx ครงท 2 ใช 2 เปรยบเทยบกบ Vin (ซงเทากบ 5 โวลต) พบวาชวง upper ได 10x ครงท 3 ใช 3 เปรยบเทยบกบ Vin (ซงเทากบ 5 โวลต) พบวาผดพลาด ได 100

7) Dual-Slope ADC ใชหลกการของวงจร Integrator ท างานรวมกบตว Comparator

รปท 2.54 Dual Slope A/D converter

8) Input Voltage ม 2 ตว คอ คาความตางศกยอนาลอกทตองการแปลงเปนดจตอล (-Vin) และความตางศกยทคงทคาหนง (Vref) และมสวตช SW1 ซงท าหนาทเลอกคาสญญาณจากวงจรตอนเรมตนสวตช SW2 ท าหนาทคายประจของตวเกบประจ C แลวจงเปด SW2 ออก เมอสวตช SW1 สบมาท -Vin

52

รปท 2.55 Dual Slope A/D Converter Output and Timing

จากหลกของสามเหลยมคลาย จะไดสมการ เนองจาก Vref และ tn มคาคงท สญญาณอนาลอกขนกบคา tn เพราะการควบคมการ

เปลยนสญญาณดจตอล ทขนกบคา tn การแปลงเปนสญญาณดจตอลจะท าโดยจบคคา tn กบเอาตพตคาๆ หนง ตามความ

เหมาะสมส าหรบ Vref นนๆ เหมอนการเทยบคาในตาราง ความเรวของการแปลงสญญาณแบบน ขนอยกบ Vin และ Slope ของวงจร Integrator

โดยธรรมชาตแลว ลกษณะของตวเปรยบเทยบเองนน จะไมเปนอดมคต คอจะมผลตางของความตางศกยอย V โวลต แมวาจะตออนพตทงสองลงกราวดแลวกตาม ซงถา Vref ทใชอยนนมคานอยกวาคาผลตางของความตางศกยทเกดจากตวเปรยบเทยบ ความชนกจะนอย ท าใหใชเวลานานมาก กวาทจะพนคาความตางศกยทเกดจากตวเปรยบเทยบ เราจงตองน าคาความตางศกยมาเพมใหกบ Vref เพอหาผลลพธ ดงรป

รปท 2.56 Dual Slope A/D Converter – Full Circuit

53

จากวงจรดงกลาวท าใหไดกราฟดงรป

รปท 2.57 Dual Slope A/D Converter – Zero Offset

รปท 2.58 Flash Converter

หลกการของ Flash Converter คอการใชการแบงแรงดนเปน Voltage หลายๆ คา แลวเปรยบเทยบกบ Vin เปนคๆ พรอมกน แลวกระท าการทาง Logic ม Voltage เปรยบเทยบ 8 Bit

54

คาความตางศกยจะเพมขนเรอยๆ จากคาความตานทานทตอเพมขน ความตางศกยทไดนน เมอน าไปเปรยบเทยบกบ Vin แลวมากกวากจะปลอยลอจกออกมา ถามากกวากจะใหลอจก 1 ถานอยกวาหรอเทากนกจะใหลอจก 0 วธ Flash Converter นจะเรวทสด แตใช อปกรณทาง Hardware มากกวาแบบอนๆ

การแปลงสญญาณอนาลอก เปนสญญาณดจตอล มประโยชนมากในการควบคมอปกรณสวตชง ซงมลกษณะการแปลงสญญาณไดหลายวธ แตละวธจะมอลกอรทม ความรวดเรวในการท างาน และการใชอปกรณฮารดแวรตางกนดวย ท าใหขนาด และราคาตางกน ขนกบความตองการของผใชทจะตองเลอกใหเหมาะสมกบงานทใช และงบประมาณทมอย ล าดบของความเรว และความละเอยดของอลกอรทมตางๆ เปนดงรป

รปท 2.59 Summary of Analog To Digital Converter

55

2.6 ทฤษฎและหลกการท างานของโครงสรางและสวนประกอบอนๆ 2.6.1 ทฤษฎของ Battery

การเพมก าลงของแบตเตอร เราสามารถท าใหความตางศกยและกระแสไฟฟาสงขนไดโดยการน าแบตเตอรมาตอกน

รปท 2.60 การเชอมตอแบตเตอรเพอเพมก าลงใหกบแบตเตอร

การเพมกระแสไฟฟา ท าไดโดยการน าแบตเตอรมาตอกนแบบขนาน ปรมาณกระแสไฟฟาทไดนนจะเทากบผลรวมของความจของแบตเตอรแตละอน

การเพมคาความตางศกยท าไดโดยการน าแบตเตอรมาตอกนแบบอนกรม คาความตางศกยทไดจะมคาเทากบผลรวมของคาความตางศกยของแบตเตอรแตละอน

ขอสงเกตประการหนงเมอน าแบตเตอรมาตอกนกคอ แบตเตอรแตละอนจะมอตราการคายประจหรอการอดประจทไมเทากน เชน ถาเราน าแบตเตอรทใชไปแลวประมาณครงหนงจ านวนสองอนมาตอกบแบตเตอรทยงใหมจ านวนสองอน จะพบวาแบตเตอรทยงใหม ทงสองอนนจะถกใชงานมากทสด ดงนนเวลาทเราจะเปลยนแบตเตอรหรออดประจแบตเตอร เราจงควรทจะท าพรอมกนทงหมด ในท านองเดยวกน ถามแบตเตอรอนหนงหรอจ านวนหนงเสย กควรจะเปลยนแบตเตอรทเสยนนออก

56

2.6.2 ทฤษฎของใบพด 1) ขอมลทวไป

Thrust เปนแรงทใชขบเคลอน อากาศยานไปในอากาศ Thrust เปนระบผลกดนอากาศยาน ซงมอยหลายแบบและหลายวธการในการสรางระบบผลกดนนขนมา จดมงหมายของ ใบพดกคอการขบเคลอนอากาศยาน ใหเคลอนทไปในอากาศ ใบพดประกอบใบดวยใบ หรอกลบ ตงแตสองกลบ หรอสองใบขนไป ตอกนดวยทศนยกลาง ซงเรยกวา Hub ท าหนาทยด ใบพดแตละกลบ หรอแตละใบ เขากบ Shaft ของเครองยนต

รปท 2.61 ใบพด

ใบพด สรางขนใหเปน Airfoil คลายกบลกษณะของปกเครองบน เมอใบพดหมนโดยการหมนของเครองยนต ใบพดกจะสราง แรง ยก ไปทางดานหนาของเครองบน และ แรงยกสวนนเราเรยกวา Thrust ทจะท าใหเครองบนเคลอนทไปขางหนา อากาศยานสวนใหญ มใบพดแบบทใชดง เครองบน ผานไปในอากาศ ใบพดประเภทนเรยกวา ใบพดแบบ Tractor อากาศยานบางเครอง ใชใบพดแบบผลก ใหเครองบนเคลอนทไปในอากาศ เรยกใบพด ประเภทนวา Pusher

รปท 2.62 การเคลอนทผานอากาศ

57

2) ความหมายของค าทควรทราบ Leading Edge คอสวน แรกของใบพดท หมนตดกบอากาศ เมอใบพดตด

อากาศ อากาศกจะไหลผาน บนดานหนาของใบพด และสวนทเปนสวนโคงของใบพด

รปท 2.63 Leading Edge

Blade Face กคอสวนลางของ ใบพด หรอ สวนลางของ Airfoil แตเราอาจจะเรยกวาเปนดานหลงของใบพด

รปท 2.64 Blade Face

58

Thrust Face กคอสวนทมความโคงพนผว ของใบพด หรอบางทเราเรยกวาดานหนาของใบพด

รปท 2.65 Thrust Face

Blade Shank (Root) คอสวนของกลบใบพดทอยทสวนหว หรอ สวนทอยตดกบ สวนตรงกลาง (Hub)

Blade Tip คอสวนปลายสดของใบพด Plane of Rotation คอระนาบจนตนาการของการหมนของใบพดทตงฉากกบ

แกนของเครองยนต ระนาบนจะเปนระนาบวงกลม ตามทใบพดหมน

รปท 2.66 Plane of Rotation

59

Blade Angle คอมมทเกดจาก สวนของดานหลงของใบพด หรอ Blade Face กบ ระนาบการหมนของใบพด มมทเกดขนตลอดระยะ ความยาวของใบพด ตงแตโคนถงปลายใบพด จะไมเทากน เหตผลในการทมมตลอดใบพด มคาตางกน เพราะวา ระยะความยาวของใบพด จากแกนศนยกลางการหมนไมเทากน ท าใหความเรวของใบพดแตละสวนมความเรวไมเทากน ซงมผลกบแรงทเกดขน ดงนนการออกแบบจง ตองการใหทกๆสวนของใบพด ม มม Angle of Attack ของสวนของตวเองทมประสทธภาพทสดทสามารถสรางแรง Thrust ตามความเรวรอบทออกแบบ

รปท 2.67 Blade Angle

Blade Element คอสวนยอยๆของความยาวของใบพด เสมอนน าสวนยอยๆนมาตอกน ขนมาเปนใบพดหรอ Blade Airfoil สวนยอยๆน วางอยในต าแหนง ทท ามมกบระนาบการหมนทตางกน

เหตผลในการวางสวนตางๆทมมตางกน เพราะวา สวนยอยๆตางๆของใบพดนนมความเรวในการหมนทตางกน สวนของใบพด ทอย ดานใน ตดกบศนยกลาง จะม ความเรวทชา กวา สวนทอยไกลออกไปท สวนปลาย ของใบพด ถาหากวาทกสวนตลอดความยาวของใบพด มมมเทากนหมด ทศทางของลมทกระทบกบใบพด กจะ ไมกระทบกบใบพด ทมม Angle of Attack ทเทากน นเปนเพราะ ความเรว ของใบพดตลอด ระ ยะความยาว จะไมเทากนใบพดจะมลกษณะบด

60

เปนเกลยวเลกนอย (เนองจากการมมมทตางกนในแตละสวนของใบพด) ในตวของมน ดวยเหตผลทส าคญ เมอใบพดหมนไปรอบๆ แตละสวนของใบพด หมนดวยความเรวทตางกน การทใบพด บดเลกนอย นนหมายความวา แตละสวน ทเคลอนทไปขางหนา ดวยความเรวเทากน จงท าใหไมเกดแรง ทสวนใดสวนหนง ของใบพด มากกวากน ซงจะท าใหเกดอาการงอได (Bending)

Thrust ทเกดจากใบพดทตดอยกบ Shaft ของเครองยนต ขณะทใบพดหมน ขณะท าการบน แตละสวนเคลอนไหว พรอมกบการเคล อนทไปขางหนา ของเครองบน และ การหมนรอบ ของใบพด สวนทหมนชา กจะมมม Angle of Attack ทมากกวา ในการสราง Thrust ดงนน รปราง (Cross Section) ของใบพด จ าเปนตองเปลยนแปลง จาก โคนใบพดไปจนถงปลายของใบพด และการเปลยนรปรางเชนน ท าใหใบพดมลกษณะ บด (Twist) ของใบพด

รปท 2.68 Relative Wind

Relative Wind คอลมทผาน Airfoil เมอ Airfoil เคลอนทผานอากาศ Angle of Attack เปนมมระหวาง Chord ของ Element กบ Relative Wind

ส าหรบใบพดแลว มมทมประสทธภาพจะอยระหวาง 2 ถง 4 องศา Blade Path เปนทางเดนทใบพดเคลอนทไป

รปท 2.69 Blade Path

61

12) Pitch อางถง ระยะทาง ทเปนเกลยว เหมอน เกลยวของสกร ทเคลอนทไปขางหนา หนงรอบ ซงกเหมอนใบพด เคลอนทไปขางหนา เมอหมนอยในอากาศ

13) Geometric Pitch เปนระยะทางในทาง ทฤษฎทใบพดควรจะเคลอนทไปขางหนาเมอใบพดหมนไป หนงรอบ

รปท 2.70 Geometric Pitch

14) Effective Pitch เปนระยะทางในทางปฏบตจรงๆ เมอใบพดหมนหนงรอบ ในขณะท าการบนในอากาศ Effective Pitch จะมระยะทางสนกวา Geometric Pitch เสมอ เนองจาก อากาศทเปนของไหล จะ ลนไถล (Slip) 2.6.3 แรง และ ความลา ทกระท าบนใบพด ขณะท าการบน

1) แรง (Force) กระท าตอใบพดขณะท าการบน คอ : Thrust เปนแรงของอากาศบนใบพด ซง ขนานกบ ทศทางทไปขางหนา และ

กอใหเกด แรงทท าใหใบพดมอาการทจะงอ Centrifugal Force เปนแรงหนศนยกลาง เกดจากการหมนของใบพด มอาการท

พยายาม เหวยงใบพด ออกไปจากศนยกลาง Torsion or Twisting Forces ภายในตวของใบพดเอง ซงเกดจากผลของ แรงท

เกดจากอากาศ ทพยายามจะบด ใบของใบพด ไปหา มมทต ากวา หรอไปหามมทแบน

62

รปท 2.71 แรงและความลา ทกระท าบนใบพดขณะท าการบน

2) The Stress ทกระท าตอใบพดขณะท าการบนคอ : Bending Stresses ซงเกดจากแรง Trust ทกระท าตอใบพด Stresses อนน

พยายามทจะโคงงอ ใบพดไปขางหนา ขณะทเครองบนเคลอนทไป ในอากาศ ดวยใบพด Tensile Stresses เกดจากแรงหนศนยกลางของใบพดเอง Torsion Stresses แรงบดนเกดจากการ หมนของใบพดเอง ดวยแรงบดสองแรง

แรงแรก เกดจากแรงทกระท าตอบโตกบแรงลมทเกดจากใบพด ทเรยกวา Aerodynamic Twisting Moment อกแรงหนง เกดจากแรงหนศนยกลาง และเรยกแรงนวา Centrifugal Twisting Moment.

บทท 3 การออกแบบและการสรางโครงงาน

เครองบนแบบ QUADCOPTER นนมความนาสนใจอยตรงทระบบควบคมทศทางและเสถยรภาพการบน ทสรางขนเพอชวยในการควบคมแบบอตโนมต ท าใหระบบการน าทางสามารถท างานไดอยางถกตอง และมความเสยงตอการสญเสยในสวนของการควบคมนอยลง

3.1 แผนการด าเนนงาน

แผนการด าเนนการท าระบบตามตาราง จะเรมตงแตวางแผนงานจนถงสนสดทการท าปรญญานพนธ ดงตารางท 3.1

ตารางท 3.1 เวลาการท างานระบบควบคมการบนอตโนมตส าหรบอากาศยานสใบพด

ขนตอนการด าเนนการ

เวลาด าเนนงาน

พฤศจ

กายน

53

ธนวาคม

53

มกราคม

54

กมภาพน

ธ 54

มนาคม

54

เมษายน

54

พฤษภ

าคม

54

1. ก าหนดขนตอนการท าโครงงาน 2. รวบรวมขอมลและศกษารายละเอยดเกยวกบโครงงาน

3. ออกแบบโครงสรางและแผนผงวงจรของระบบบงคบการบนเครองบน

4. ตรวจทานแบบ และจดเตรยมอปกรณทใชในการด าเนนการ

5. ทดสอบอปกรณทงหมด โดยการแยกทดสอบ กอนประกอบลงโครงเครองบน

64

ตารางท 3.1 เวลาการท างานระบบควบคมการบนอตโนมตส าหรบอากาศยานสใบพด (ตอ)

ขนตอนการด าเนนการ

เวลาด าเนนงาน

พฤศจ

กายน

54

ธนวาคม

54

มกราคม

55

กมภาพน

ธ 55

มนาคม

55

6. ประกอบและทดสอบการท างานของวงจรควบคมเครองบนพรอมทงแกไขและปรบปรง

7. ตดตงระบบน าทางอตโนมตพรอมทงปรบตงอปกรณควบคมเครองบน

8. ตดตงและทดสอบระบบหลบหลกสงกดขวางกบอปกรณน าทางเครองบน

9. ทดสอบระบบน าทางและระบบการบนทกภาพ 10. เขยนและทดสอบโปรแกรมตงคาขอมลการบน 11. ทดสอบการท างานโดยรวมของระบบ โดยจ าลองการท างานในสถานการณจรง

12. รวบรวมขอมลทงหมดท าปรญญานพนธ หมายเหต : เนองจากสถานการณอทกภยท าใหการด าเนนงานจรงไมเปนไปตามแผนทก าหนดไว แตไดมการด าเนนงาน โดยรวมขนตอนการด าเนนงานในบางขนตอนเขาไวดวยกน

แสดงแผนการด าเนนงาน แสดงการด าเนนงานจรง

65

3.2 ภาพรวมการออกแบบ ในการออกแบบภาพรวมของระบบนน การเพมความสามารถของอปกรณนนเปนสงส าคญตอการออกแบบ ดงนนตวระบบควบคม จงมการเพมความสามารถของระบบควบคมโดยก ารใชอปกรณตรวจวดเพอเพมความสามารถในการตรวจวดและตดสนใจของระบบควบคม อกทงยงตองมการเลอกใช Microcontroller ทมความสามารถเพยงพอตอการประมวลผล และมอนเตอรเฟสเชอมตอทเพยงพอในการเชอมตออปกรณตางๆ

GPS

Motor4

Motor3

Motor2

Motor1

ESC4

ESC3

ESC2

ESC1

Buzzer

Camera

ArduinoPro mini

ArduinoATMega 1280

Water Sensor

Compass

XBee

Voltmeter

Barometer

Sonar Sensor

Infrared Sensor

รปท 3.1 สวนประกอบของระบบควบคม

66

3.2.1 การออกแบบของฮารดแวร

Control UnitGPS/XBee

AccelerometerGyroscope

Infrared Sensor

Magnetometer Breakout

Ultrasonic Range Finder

Voltage and Current Breakout

Barometer

รปท 3.2 สวนประมวลผลของระบบควบคม

จากรปท 3.2 สวนประมวลผลของระบบควบคมนน มการประมวลผลจากสญญาณทไดจากอปกรณตรวจวด เชน อปกรณตรวจจบความเรง อปกรณตรวจวดระยะทางจาก อปกรณเซนเซอรอนฟ ราเรด อปกรณตรวจวดความเรงเชงมม เขมทศ และอปกรณรบสญญาณจากระบบก าหนดต าแหนงบนพนโลก ซงสามารถอธบายใชงานของอปกรณตางทใชไดดงน

1) Infrared Sensor ใชในการวดระยะทางในแนวระนาบของเครองบน เพอใชตรวจจบสงกดขวาง ตดตงอยในบรเวณแกนของเครองบนทง 4 แกน

2) Magnetometer Breakout ใชในการค านวณทศทางของตวเครองบน เพอค านวณทศทางของการบน และชวยค านวณทศทางในกรณทมการขาดหายของสญญาณน าทาง

3) Accelerometer ใชเพอชวยในการวดอตราเรงเพอพจารณาเพม-ลดความเรงในกรณทเครองบนตองการลด-เพมความเรว หรอพจารณาความเรงเพอปองกนการสญเสยการควบคม

4) Voltage and Current Breakout ใชในการตรวจวดระดบพลงงานแบตเตอร 5) Barometer ใชในการตรวจจบความดนอากาศเพอเปลยนมาเปนความสง

67

6) Ultrasonic Range Finder ใชในการตรวจวดความสงของเครองบนในกรณทตองการรกษาระดบการบน หรอการหลบหลกสงกดขวางบนพนดน

7) Gyroscope ใชในการรกษาสมดลการบนจากการวดอตราการเปลยนแปลงความเรวเชงมม เพอปรบเรงความเรวมอเตอร ในการรกษาเสถยรภาพการทรงตว

Control Unit

Motor BL Motor BR

Motor FL Motor FR

ESC ESC

ESCESC

Camera

XBee

รปท 3.3 การควบคมอปกรณ Output ของ Microcontroller

จากรปท 3.3 เปนการแสดงสวนควบคมอปกรณ OUTPUT ของ Microcontroller ทแสดงใหเหนวาระบบมการควบคมความเรวของมอเตอรแตละตว ทตดตงบรเวณรมสดของแกนเครองบน ทมการควบคมความเรวอยางอสระ ผานสญญาณ PWM ทออกไปยงมอเตอรแตละตว โดยมเพมก าลงขบของมอเตอร ผานโมดล ESC (Electronic Speed Control) และควบคมทศทางไดจาก Microcontroller

68

3.2.2 Algorithm การควบคมของฮารดแวร

Micro Controller

’1'

Motor X1=RH-Y

Motor X2=RH+X

Motor Y1=RH

Motor Y2=RH

Motor X1=RH-X

Motor X2=RH-X

Motor Y1=RH-X

Motor Y2=RH-X

Motor X1=RH+X

Motor X2=RH+X

Motor Y1=RH+X

Motor Y2=RH+X

Motor X1=RH+X

Motor X2=RH-Y

Motor Y1=RH

Motor Y2=RH

Motor X1=RH

Motor X2=RH

Motor Y1=RH-Y

Motor Y2=RH+X

Motor X1=RH

Motor X2=RH

Motor Y1=RH+X

Motor Y2=RH-Y

RH = Condition1 = 2 = 3 = 4 = 5 = 6 = 7 =

Motor X1=RH-X

Motor X2=RH-X

Motor Y1=RH-Y

Motor Y2=RH-Y

’2'

’3'

’4'

’5'

’6'

’7'

N

N

N

N

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

N

N

N

รปท 3.4 Algorithm ในการเคลอนท

จากรปท 3.4 เปน Algorithm ในการเคลอนทของเครองบน QUADCOPTER โดยเครองบนชนดนจะมมอเตอรจ านวน 4 ตวเพอใชในการเคลอนทและควบคมทศทางของเครองบนโดยจะเรยกมอเตอร ดานหนาวา X1 ดานหลงวา X2 และดานซายวา Y1 ดานขวาดวย Y2 โดยการควบคมนน จะเปนการปรบเพมลดความเรวของมอเตอรแตละตว ท าใหเครองบนเกดแรงหมน หรอเคลอนทจากการทมอเตอรท างานดวยความเรวไมเทากน ซงเปนหลกการเบ องตนในการเคลอนทของอปกรณ

69

Sensor(Front)==1

Check Sensor

Start

Sensor(TOP)==1

Y

MOTOR = LEFT

Sensor(Right)==1

Sensor(Left)==1

MOTOR = Right

N

MOTOR = ForwardN

Sensor(Bottom)==1

MOTOR = UP

MOTOR = DOWN

Sensor(REAR)==1

Y

MOTOR = REAR

Y

Y

Check timer >=30s.

Check all SensorRandom_Direction

MOTOR =Random_Direction

Check timer <=45s.&&

Sensor(Front)==0

N

N

N

N

Y

Y

N

Y

Y

N

รปท 3.5 Algorithm ในการหลบหลกสงกดขวาง

จากรปท 3.5 เปน Algorithm ทแสดงใหเหนการควบคมมอเตอรเพอหลบหลกสงกดขวางทตรวจพบจากเซนเซอร ทตดตงอยรอบตวเครองบน โดยการท างานจะท าการ เชคเซนเซอรทอยในแนวราบกอน แลวจงคอยไปพจารณาเซนเซอรในแนวระดบ ซงหา กมกรณทเซนเซอร ดานหนา ซาย ขวา บน และลาง ตรวจพบสงกดขวาง ระบบจะตดสนใจใหเครองบนถอยหลง และยงพจารณาอกวา ถาเครองบนใชเวลาในการหลบหลกเกน 30 วนาท ระบบจะท าการสมทศทางทวาง แลวจะเคลอนทไปยงทศทางนน เปนเวลา 15 วนาท หากไมส ามารถหลบหลกสงกดขวางได เครองบนจะบนกลบไปยงพกดเรมตน

70

SONAR >= 500 cm Throttle == Throttle-1

SENSOR

SONAR >= 500 cm

&&

SONAR >= 20 cmY

N

N

Y

รปท 3.6 Algorithm การควบคมการลงจอด

จากรปท 3.6 แสดงใหเหนถงการควบคมการลงจอด ซงสามารถอธบายไดวา ในการลงจอดของเครองบน QUADCOPTER ทกครงจะมการตรวจสอบ Sensor Sonar เพอตรวจสอบดความสงของเครองบนหารมความสงอยในชวงท Sonar ตรวจจบไดกเรมลดความเรวมอเตอรลงเพอใหเครองบนลดระดบในการลงจอด และเมอลดระดบถง 20 cm. กจะจบโปรแกรม

71

Batt >=65%

Y

Batt >=20%&&<65%

N

Y

Batt <=20%

ON LED && BUZZER

N

Y

N

HALT

รปท 3.7 Algorithm การตรวจเชคระดบแบตเตอร

จากรปท 3.7 การตรวจเชคระดบแบตเตอร โดยมตรวจวดระดบพลงงานเพอปองกนความเสยหายทอาจเกดขนไดกบเครองบน โดยเมอมระดบพลงงาน 65-100% เครองบนจะสามารถบนไปยงเปาหมายได แตถาระดบพลงงานอยในชวง 65-20% เครองบนจะมการตรวจสอบพกดปจจบนแลวท าการเคลอนทกลบมายงจดเรมตน และหากพลงงานอยในชวงวกฤต ระบบจะท าการลงจอด และเปดเสยง Buzzer เพอแจงใหทราบถงการลงจอดอยางผดปกต

72

== Servo

GPS

Y

N

รปท 3.8 Algorithm การถายภาพ

จากรปท 3.8 Algorithm การถายภาพ โดยหลกการท างานคอ โปรแกรมนจะท าการตรวจสอบพกดวาใชพกดทถายภาพหรอไม ถาใชใหท าการถายภาพและสนสดโปรแกรม

73

A = B &&

A = B

A < B

A = B A = B

N

Y

A < B

N

Y

N

N

X ==0

X = 1Y X = 0 Y

Y

N

NY

รปท 3.9 Algorithm การเคลอนทตามพกดของ GPS

จากรปท 3.9 การเคลอนทตามพกดของ GPS โดยหลกการท างานคอ โปรแกรมนจะท าการตรวจสอบพกดวาใชพกดท เครองบนอยหรอไม ถาใช ใหท าการ ลอยนง ถาไมใช ใหท าการเคลอนทตามทไดโปรแกรมไว

74

A = B &&

A = B

N

Y

Y

Y

A < B

Y

N

Y

N

N

i == 0

i = 1y++

N i = 0

y < 2Y

,

Y

N

N

A = B A < B Y

A = B

N

A < BY

A < B

N

รปท 3.10 Algorithm การเคลอนทตามพกดของ GPS แบบตดโปรแกรม

จากรปท 3.10 แสดงการเคลอนทตามพกดของ GPS แบบตดโปรแกรม โดยอธบายโปรแกรมการเคลอนทตามพกด GPS โดยละเอยด

75

Sensor F N

Sensor L N

Sensor R N

Sensor B N

Y

Y

Y

Y

รปท 3.11 Algorithm การเคลอนทเมอ Sensor ท างาน

จากรปท 3.11 แสดงการเคลอนทเมอ Sensor ท างาน โดยเมอตรวจพบวตถเครองบนจะท าการหลกเลยงตามโปรแกรม

76

3.2.3 Algorithm โปรแกรมควบคม

Read Serial

(Serial_Lat>=13000000)

&&

(Serial_Lat<=15000000)

Serial_Long>=90000000

N

Read_Receiver();

Write_AutoPilot();

Read_Compess();

Read_Barometer();

Read_Battery();

Print_Data();

Y

Auto_Lat = Serial_Lat;

Auto_Long = Serial_Long;

Command1 =(int(Serial_Lat));

Command2 =(int(Serial_Long));

Y

N

รปท 3.12 Algorithm การรบสงคาภายในโปรแกรม

จากรปท 3.12 แสดงการรบสงคาภายในโปรแกรม โดยอธบายขนตอนการท างานของโปรแกรมในเรองของการรบและสงคาตาง ๆ ภายในโปรแกรม เพอก ารควบคมในการท างานแตละสวนตางๆ ของโปรแกรม

77

Throttle, Yaw Receiver

Throttle<1000 CH3.write(Throttle)

CH4.write(Yaw)Y

N

รปท 3.13 Algorithm การควบคมการเปด-ปดเครองบน

จากรปท 3.13 Algorithm การควบคมการเปด-ปดเครองบน โดยอธบายขนตอนการท างานของโปรแกรมในเรองของการรบและสงคา เพอการควบคมในการสงงานใหเครองบนท างาน

Cam > 0

digitalWrite(CameraPin, HIGH); CAM--

Y

N

รปท 3.14 Algorithm การควบคมการถายภาพ

จากรปท 3.14 แสดง Algorithm การควบคมการถายภาพ โดยอธบายขนตอนการท างานของโปรแกรมในเรองของต าแหนงการถายภาพ การสงการของโปรแกรมเมอถงต าแหนงทตองการ

78

IR SENSOR

IR_FRONT<90

IR_BACK<90

IR_LEFT<90

IR_RIGHT<90

CH1.write((AP_Pitch+30))Y

CH1.write((AP_Pitch-30))

CH2.write((AP_Pitch+30))

CH2.write((AP_Pitch-30))

Y

Y

Y

N

N

N

N

รปท 3.15 Algorithm การท างานของ IR Sensor

จากรปท 3.15 แสดงการท างานของ IR Sensor โดยอธบายขนตอนการท างานของ IR Sensor เมอตรวจสอบพบสงกดขวาง เครองบนจะท าการหลบหลกตามทโปรแกรมไว

79

Read Sonar

((Holder < (Sonar-5))&&

(fead==1))||Sonar>250)

(Holder > (Sonar-5))&&

(fead==0)||(Sonar<100)

N

Holder =Sonar

AP_Thorttle = AP_Thorttle +3 CH3.write(AP_Thorttle)

AP_Thorttle = AP_Thorttle -1 CH3.write(AP_Thorttle)

Y

Y

N

รปท 3.16 Algorithm การท างานของ Sonar Sensor

จากรปท 3.16 การท างานของ Sonar Sensor โดยอธบายขนตอน การท างาน Sonar Sensor เมอตรวจสอบความสงของเครองบนตามทโปรแกรมไว เครองบนจะปรบเครองใหอยทต าแหนงความสงเทาเดม

Sonar Sensor

Sonar[1]>Sonar[2] Sonar[2]>Sonar[3]

Sonar[2]<Sonar[3]

N

Y Fead=Fead In

Fead=Fead OUTY

Y

N

N

รปท 3.17 Algorithm การเปรยบเทยบคาในการควบคมความสง

จากรปท 3.17 Algorithm การเปรยบเทยบคาในการควบคมความสง โดยทโปรแกรมจะท าการเปรยบเทยบแลวสงคาไปยงโปรแกรมควบคมการบนอกท

80

Pitch, Roll,

Throttle, Yaw Receiver

Roll >=1800

Roll <=1400

Pitch >=1800

Pitch <=1400

N

N

N

AP_Roll ++

Beep on

AP_Roll –

Beep on

AP_Pitch ++

Beep on

AP_Pitch –

Beep onY

Y

Y

Y

N

รปท 3.18 Algorithm ภายในโปรแกรมส าหรบการ Trim

จากรปท 3.18 Algorithm ภายในโปรแกรมส าหรบการ Trim โดยอธบายขนตอนการท างานของโปรแกรมในเรองของการปรบแตงคาส าหรบการทรงตวใหกบเครองบนแบบสใบพด และเพอเตรยมพรอมส าหรบการบนในรปแบบตางๆ

81

รปท 3.19 Diagram การเชอมตออปกรณทงหมด

82

3.3 การออกแบบโปรแกรมควบคม เปนการออกแบบโปรแกรมทใชในตงคาพกดจดหมายไปยงอปกรณถายภาพเพอความสะดวกตอการตงคาของตวอปกรณ

รปท 3.20 ภาพตวอยางของระบบน ารองและคนหาเสนทาง

ตารางท 3.2 ความหมายในแตละสวนของระบบน ารองและคนหาเสนทาง

รปแบบเครองมอ ความหมาย Start คาพกดเรมตนของ QUADCOPTER

Current คาพกดปจจบนของ QUADCOPTER Finish คาพกดเปาหมายของ QUADCOPTER Status สถานะโปรแกรมของ QUADCOPTER Height ความสงของ QUADCOPTER Battery คาแบตเตอร

Update Time เวลาทมการอพเดทขอมลลาสด

83

ระบบควบคมทศทาง จะเปนโปรแกรมทตดตอกบผใช จะท าการรบต าแหนงเปาหมายทเราก าหนดน าไปแสดงผลซง User สามารถดรายละเอยดสามารถตรวจสอบการเคลอนททตองการได 3.4 การออกแบบดานโครงสราง

ในการออกแบบดานโครงสรางของเครองบน สมดลน าหนกของเครองบนเปนสงส าคญทจะท าใหเครองบนนนมการควบคมทงายขน และการออกแบบควรค านงถง ต าแหนงของ อปกรณตอเชอม จดยดมอเตอร หรอจดทตองเสรมความแขงแรงใหกบโครงสราง

รปท 3.21 สวนโครงสรางของระบบควบคม

84

รปท 3.22 สวนโครงสรางของอปกรณเซนเซอร

ESC

IR Sensor

ESC

ESC

ESC

IR Sensor

IR Sensor IR Sensor

Motor Motor

Motor Motor

บทท 4 ผลการด าเนนงานและการวเคราะห

จากการวเคราะหผลการด าเนนงานน เปนการน าเอาสวน ประกอบ ทงหมดมาทดลองการท างานวาแตละสวนท างานไดตามวตถประสงคหรอไม โดยมสวนส าคญสองสวนคอ สวนของตวโครงงาน และสวนการท างานของโปรแกรม โดยจะแบงโหมดการท างานออกเปน 4 โหมด คอ 1) Throttle การเพม-ลดคนเรง 2) Yaw การหมนตว 3) Pitch การเดนหนา- ถอยหลง 4) Roll การเอยงตวซาย-ขวา 4.1 ผลทไดจากการทดสอบและวดผล 4.1.1 ออกแบบระบบเครองบนอตโนมตแบบสใบพดส าหรบการถายภาพทางอากาศ 4.1.2 สามารถควบคมใหการถายภาพทางอากาศส าเรจได 4.1.3 สามารถควบคมเครองบนแบบสใบพด เพอสงการใหเคลอนทได 4.1.4 เครองบนแบบสใบพดสามารถประมวลผลตามค าสงได 4.1.5 เครองบนแบบสใบพดสามารถเคลอนทไดบนพนททก าหนดได

86

4.2 หนาทการท างานของปมตางๆ ในการควบคมเครองบนแบบสใบพด

รปท 4.1 โปรแกรมควบคมเครองบนแบบสใบพด 4.2.1 ความหมายของคาตางๆ ในเมน Monitor

1) Start คาพกดเรมตนของ QUADCOPTER (ละตจด, ลองจจด) 2) Current คาพกดปจจบนของ QUADCOPTER (ละตจด, ลองจจด) 3) Finish คาพกดเปาหมายของ QUADCOPTER (ละตจด, ลองจจด) 4) Status สถานะโปรแกรมของ QUADCOPTER

Nomal การควบคมดวยรโมท Trim ปรบคาความเรวของมอเตอร Mode ควบคมตามโปรแกรม

5) Height ความสงของ QUADCOPTER 6) Battery คาแบตเตอร โดยจะบอกเปนปรมาณแบตเตอรทสามารถใชงานได และบอกคาแรงดนของแบตเตอรในขณะนน 7) Update Time เวลาทมการอพเดทขอมลลาสด

87

4.3 การวเคราะห / การทดลอง

รปท 4.2 การแกวงของเขมทศดจตอลเมอวางนงอยบนระนาบ

จากรปท 4.2 เปนการทดลองหาความแกวงของเขมทศดจตอลเมอวางนงอยบนระนาบ ในการทดลองนน เขมทศทเราเลอกใชมการสงคาทแกวงในบางครง ในชวง -2 ถง 2 องศา ซงการทดลองนควรระวงการรบกวนจากอปกรณสงสญญาณเปนอยางมาก เพราะอาจสงผลกระทบตอการทดลองได

88

รปท 4.3 การแกวงของคาความสงจากระดบน าทะเล

จากรปท 4.3 เปนการทดลองหาคาความสงจากระดบน าทะเล เพอดความแกวงของคาความสง โดยการทดลองพบวา คาของความสง ณ ระนาบทไมมการเปลยนแปลง มการแกวงของคาอยทประมาณ -1.5 ถง 1.5 เมตร

89

รปท 4.4 การวดความผดพลาดในการสงสญญาณ PWM

จากรปท 4.4 เปนการทดลองวดความผดพลาดในการสงสญญาณ PWM ไปยงบอรดควบคม Arduino Pro Mini ซงแสดงใหเหนวาการสงคา ทต าแหนง Max Min Mid มการแกวงของคาประมาณ -0.030 ms ถง 0.030 ms ซงมผลตอการควบคมการบนและอาจเกดการสนของเครองได

90

รปท 4.5 การวดคาระยะทางจากเปาหมาย 30, 40, 50, 60, 70 cm. ตามล าดบ

จากรปท 4.5 การทดลองนเปนการทดลองวดคาระยะทางจากเปาหมาย ของอปกรณ Sensor รน Sharp GP2Y0A02YK0F แลวเทยบคาจรงและทดสอบการ แกวงของคาระยะทาง โดยพบวา ทระยะทาง 30 cm. มความผดพลาดจากคาจรงประมาณ - 5 cm. และแกวงในชวง ±3 cm.โดยพบวา ทระยะทาง 40 cm. มความผดพลาดจากคาจรงประมาณ - 7 cm. และแกวงในชวง ±3 cm.โดยพบวา ทระยะทาง 50 cm. มความผดพลาดจากคาจรงประมาณ - 7 cm. และแกวงในชวง ±5 cm.ระยะทางมากกวา 60 cm. ขนไป ไมอาจประมาณคาจรงไดเพราะมความแกวงของ Sensor มาก

91

รปท 4.6 การวดคาระยะทางจากเปาหมาย 30, 40, 50 cm. ตามล าดบ

จากรปท 4.6 การทดลองนเปนการทดลองวดคาระยะทางจากเปาหมายของอปกรณ Sensor รน Sharp GP2Y0A21YK แลวเปรยบเทยบคาจรงและทดสอบการแกวงของคาระยะทาง โดยพบวา ทระยะทาง 30 cm. มความผดพลาดจากคาจรงประมาณ - 3 cm. และแกวงในชวง ±3 cm.โดยพบวา ทระยะทาง 40 cm. มความผดพลาดจากคาจรงประมาณ - 5 cm. และแกวงในชวง ±3 cm.ระยะทางมากกวา 50 cm. ขนไป ไมอาจประมาณคาจรงไดเพราะมความแกวงของ Sensor มาก

92

รปท 4.7 การวดคาระยะทางจากเปาหมาย 100, 200, 300, 400 cm. ตามล าดบ

จากรปท 4.7 การทดลองนเปนการทดลองวดคาระยะทางจากเปาหมายของอปกรณ Sonar รน XL-EZ1 แลวเปรยบเทยบคาจรงและทดสอบการแกวงของคาระยะทาง โดยพบวา ทระยะทาง 100 cm. ผดพลาดจากคาจรงประมาณ - 3 cm. และแกวงในชวง ±3 cm. โดยพบวา ทระยะทาง 200 cm. ผดพลาดจากคาจรงประมาณ - 10 cm. และแกวงในชวง ±10 cm. โดยพบวา ทระยะทาง 300 cm. ผดพลาดจากคาจรงประมาณ - 3 cm. และแกวงในชวง ±3 cm.ระยะทางมากกวา 400 cm. ขนไป ไมอาจประมาณคาจรงไดเพราะมความแกวงของ Sensor มาก

93

ตารางท 4.1 การทดสอบระยะเวลาในการเคลอนทเมอมการถวงน าหนก (5 เมตร)

ครงท การเคลอนทเมอมการถวงน าหนก (10 เมตร)

ถวงน าหนก (กรม) ระยะเวลา (วนาท)

1 0 2 2 50 5 3 100 9 4 150 15 5 200 18 6 250 23 7 300 33 8 350 40 9 400 41

จากตารางท 4.1 ท าการทดลอง 9 ครง โดยมการเคลอนทไปดานหนาเปนระยะทาง 5 เมตร และถวงน าหนกไวทตวเครองบน ใชการจบเวลาในการทดลอง ไดผลการทดลองดงน เมอน าหนกเพมเครองบนจะเดนทางไดชามาก เนองจาก การรกษาสมดลและแรงพยายามสกบสภาพอากาศ ทสงผลตานการเคลอนทในการเดนทาง

94

ตารางท 4.2 การใชพลงงานแรงดนไฟฟาเมอมการเพมคนเรงตลอดเวลา

ชวงเวลา (วนาท) แรงดนไฟฟา Amplitude (AMP) 0 - 20 1.5 – 1.9 20 - 30 1.8 – 10.0 30 - 40 10.0 – 13.0 40 - 50 10.5 – 13.2 50 - 60 11.8 – 14.5 60 - 70 13.5 – 14.5 70 - 80 14.0 – 15.5 80 - 90 14.2 – 15.7 90 - 100 14.4 – 15.9

รปท 4.8 การใชพลงงานแรงดนไฟฟาเมอมการเพมคนเรงตลอดเวลา

จากตารางท 4.2 ท าการทดลองการใชพลงงานแรงดนไฟฟาเมอมการเพมคนเรงตลอดเวลาแลวดผลวา เครองบนแบบสใบพดมการใชพลงงานอยางไร ไดผลวาในชวงแรกมการใชพลงงานนอยและตอมาอาจมการเพมคนเรงเรวท าใหแรงดนเพมกะทนหนและกลบไปคงทในระดบหนง

95

ตารางท 4.3 การทดลองการเคลอนทในแนวราบระยะทาง 800 เมตร

ครงท การเคลอนทในแนวราบ

ระยะเวลา (นาท)

1 2.43 2 2.54 3 2.14 4 2.55 5 2.35 6 2.44 7 3.12 8 2.43 9 4.21

ตารางท 4.4 การทดลองบนไตระดบความสง

ครงท การเคลอนทไตระดบความสง

ความสง (เมตร) ครงท 1 (วนาท) ครงท 2 (วนาท)

1 1 1.0 0.7 2 2 1.2 1.0 3 3 1.7 2.0 4 4 2.1 2.7 5 5 2.9 2.4 6 6 3.5 3.7 7 7 3.1 2.9 8 8 4.1 4.4 9 9 5 5.9

96

ตารางท 4.5 การทดสอบการลอยตวอยนง

ครงท การลอยตวอยนง 10 วนาท

ระยะสไลดของเครองบน (เมตร) ความสง (เมตร)

1 10 1 2 20 3 3 30 6 4 30 3 5 25 3 6 15 4 7 30 8 8 8 6 9 14 7

ตารางท 4.6 การทดสอบการหลบสงกดขวาง

ครงท การเคลอนทหลบหลก

วดผล ระยะทาง (เซนตเมตร)

1 ตรวจจบเจอ/หลบทน 100 2 ตรวจจบเจอ/หลบไมทน 50 3 ตรวจจบไมเจอ 130 4 ตรวจจบเจอ/หลบทน 90 5 ตรวจจบเจอ/หลบไมทน 60 6 ตรวจจบไมเจอ 115 7 ตรวจจบเจอ/หลบทน 70 8 ตรวจจบเจอ/หลบไมทน 65

97

ตารางท 4.7 การเคลอนทเขาสเปาหมาย

ครงท การเคลอนทเขาสเปาหมาย

วดผล ระยะทาง (เมตร) เครองตกถงพน (ครง)

1 ถงเปาหมาย 50 -

2 ไมถงเปาหมาย 100 (จอดท 70 เมตร)

3 ถงเปาหมาย 200 1

4 ไมถงเปาหมาย 300 (จอดท 150 เมตร)

5 ถงเปาหมาย 400 5

6 ถงเปาหมาย 500 3

7 ไมถงเปาหมาย 600 (จอดท 400 เมตร)

8 ถงเปาหมาย 800 2

บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ

หลงจากไดท าการออกแบบและด าเนนงานมาจนถงกระบวนการทดลองตามขนตอนตางๆ ทไดปฏบตไปจะพบกบปญหามากมายเกนความตงใจเอาไวซงเปนจดๆ หนงททางคณะผจดท ารสกภาคภมใจกบโครงงานชนนกคอ ความรวมมอของคณะผจดท าในการ คนควาหาขอมล ตางๆ ทใชในโครงงานชนน ซงไดมาหลายวธมาก อาท เชน การปรกษากบอาจารยทปรกษาซ งไดใหความกรณาขอมลตางๆ ทจ าเปน การคนควาทางอนเตอร เนต การคนควา ทางหองสมด และอนๆ อกหลายวธ ซงขอมลเหลานกไดถกน ามารวบรวม เปน เนอหาทส าคญ และน า มาเปนฐานขอมลทเชอถอไดส าหรบการสรางและการออกแบบโครงงานน การสรางและทดสอบกท าเปนขนตอนเพอใหแนใจวาแตละขนตอนถกตองและสมบรณ ทสดตามทไดออกแบบไว ถงกระนนกยงพบปญหาทกขนตอน ตงแตปญหาทเกดขนกอนการด าเนนงาน ปญหาทเกดขนระหวางการด าเนนงานและปญหาทเกดขนหลงการด าเนนงาน ซงในสวนทายของบทท 5 จะเปนการกลาวถงปญหาตางๆ และวธการแกปญหาตางๆ ทเกดขนจากการท าโครงงานน 5.1 สรป โครงงาน เครองบนอตโนมตแบบสใบพด ส าหรบการถายภาพทางอากาศ (AUTOPILOT QUADCOPTER FOR PHOTOGRAPHY) นถกแบงออกเปน 2 สวน คอ สวนของฮารดแวร ประกอบไปดวย ชดบอรด Arduino อปกรณตรวจวด วสดของสวนประกอบโครงงาน ซงในสวนของอปกรณตรวจวดทใชมประสทธภาพไมเพยงพอ สมดลของส วนประกอบทใชในการจดวางทกสวน สงผลตอการทรงตวและการ เคลอนทอยางมาก และยงสงผลตอการท างานในสวนของโปรแกรมดวย ซงในสวนของซอฟตแวรกจะประกอบไปดวย โปรแกรมทอยในชดของบอรด Arduino และ โปรแกรมทใชในการตดตอเพอควบคมการเคลอนทของเครองบนแบบสใบพด ซอฟตแวรเหลานถกสรางขนเพอรองรบการควบคม โดยเฉพาะ ส าหรบคาตางๆ ทน ามาค านวณอาจไมคงท และ การตรวจสอบความถกตองของขอมลทแทจรง นน ท าไดยากเนองจากขอมลอาจ ถกรบกวนดวยปจจย จากหลายดาน เชน สภาพอากาศ และการค านวณของอปกรณตรวจวดทไมแนนอน รวมทงสญญาณรบกวนตางๆ การทดลองเพอคนหาคาทน ามาใชนนมการเปลยนแปลงคาอยตลอด และในแตละคามความส าคญตอกนมาก การเลอกคาทน ามาค า นวณเพอท าใหเครองมประสทธภาพนนควรใชคาท เหมาะสมทสด และควรใชสวนตาง ๆ ทใหมการแสดงสถา นะเพอการปรบปรงและแกไขตอไป

99

5.2 ปญหาและอปสรรคในการด าเนนโครงงานน ในการท างานทางคณะผจดท าไดพบปญหามากมาย ในการท างานจงท าใหเกดความลาชา โดยปญหาทเกดขนคอ 5.2.1 คณะผจดท าโครงงานขาดประสบการณและความช านาญ ท าใหใชเวลาคอนขางมากในการศกษาคนควา รวมทงขนตอนการตดสนใจเพอเลอกซออปกรณ 5.2.2 อปกรณตรวจวด ทใช (Sensor Sonar) มประสทธภาพนอยเกนไป ท าใหไดรบคาทน ามาค านวณไมแนนอน สงผลกระทบตอสมดลของเครองบน และยากตอการควบคม 5.2.3 เครอง บนแบบสใบพด ท าการทดสอบไดยาก จง มสงผล ในการทดลอง ท าใหประสทธภาพของโครงงานท าไดไมเตมท 5.2.4 โครงงานนหาสมดลในการลอยนงไดล าบาก เนองจากสมดลของโครงงาน ไดรบผลกระทบจากสภาพแวดลอมและสถานททไมพรอมในการทดสอบ 5.2.5 การเขยนโปรแกรมเปนค าสงเฉพาะทาง การรวบรวมขอมลเพอน ามาประยกตใชมศพทเทคนคมากมาย และคาคงทส าหรบสมการตาง ๆ ไมเหมาะสม ท าใหใชเวลาในการศกษามาก 5.2.6 การจดวางโครงสรางและสวนประกอบทงหมด ต าแหนงของอปกรณ การเดนสายไฟ การเชอมตอแตละสวนเขาดวยกน มความส าคญและสงผลตอเครองบนแบบสใบพดอยางมาก 5.3 ขอเสนอแนะ

5.3.1 ในโครงงานนเปนการสราง เครองบนแบบสใบพดทสามารถสรางสมดลดวยตวเองได ซงควรเปนเครองบนแบบสใบพด ทมความเรวในการเขาสเสถยรภาพมากกวาน จงควรแกปญหาโดยการใชอปกรณตรวจวดทมคณภาพมากกวาน

5.3.2 การศกษาคนควาควรหาจากผทมประสบการณดานอปกรณทใชทงหมดในโครงงานนโดยตรงเพอใหเกดความเขาใจทถกตองในการสรางเครอง บนแบบสใบพดและการเลอกอปกรณทเหมาะสมในการใชงาน

5.3.3 ในขนตอนการทดลองควรใชสถานททพรอมและรองรบการ ตกกระแทกของโครงงานไดอยางเหมาะสม

5.3.4 ต าแหนงของสวนประกอบตาง ๆ ควรมการศกษาค นควา เพอการจดวางอยางแนนหนา และเปนระเบยบ มระยะหางระหวางกนเหมาะสมไมตดกนมาก สรางจดเชอมตอรวมกนเพองายตอการพฒนา และปรบปรงแกไข

5.3.5 การสรางโปรแกรมควรมการสงคาทเหมาะสมทสด การใชสมการเพอชวยใหการควบคมมประสทธภาพ และค าอธบายแตละสวนของโปรแกรมเพอการประยกตใชในงานดานอน ๆ

บรรณานกรม [1] สมบรณ เนยมกล ำ. 2549. เรยนรและประยกตใชงาน Arduino Microcontroller พมพครงท1. กรงเทพฯ : เอดสนเพรสโปรดกส. [2] แมคคอมบ กอรดอน . 2547 . เสนทางสนกประดษฐหนยนต . พมพครงท 1 . กรงเทพฯ : สมำคมสงเสรมเทคโนโลย (ไทย-ญปน). [3] ทมงำนสมำรทเลรนนง. 2550. Arduino Microcontroller Learning-By-Doing ดวยภาษา C ฉบบรวมเครองโปรแกรมและอปกรณครบชด. พมพครงท 1. กรงเทพฯ : สมำรทเลรนนง. [4] arducopter@code.google.com 2551. ArduCopter Quad - The Full Featured UAV Multicopter! [ออนไลน] เขำถงไดจำก : http://code.google.com/p/arducopter/

ภาคผนวก ก วธการใชงานโปรแกรม

102

วธการใชงานโปรแกรม 1. เปดโปรแกรม QUADCOPTER Control 2. เลอก Com Port ของอปกรณทใชสอสารกบ QUADCOPTER 3. คลกทปม Connect เพอเชอมตอกบ QUADCOPTER และเมอเชอมตอส าเรจ QUADCOPTER จะมการสงคากลบมาทโปรแกรมใน Tab “Data”

รปท ก.1 โปรแกรม QUADCOPTER Control

4. ท าการระบพกดเปาหมายทชอง Enter the target coordinates. (การระบพกดเปาหมาย )สามารถท าไดหลายวธ ซงวธการตางๆ สามารถดไดทหวขอ “การระบพกดเปาหมาย” 5. คลกปม Start หากเกดกรณฉกเฉนทตองการให QUADCOPTER บนกลบมายงพกดเรมตน ใหท าการคลกทปม Return

103

รปท ก.2 ขอมลตางๆ ภายในโปรแกรม

ความหมายของคาตางๆ ในเมน Monitor 1) Start คาพกดเรมตนของ QUADCOPTER (ละตจด, ลองจจด) 2) Current คาพกดปจจบนของ QUADCOPTER (ละตจด, ลองจจด) 3) Finish คาพกดเปาหมายของ QUADCOPTER (ละตจด, ลองจจด) 4) Status สถานะโปรแกรมของ QUADCOPTER

Nomal การควบคมดวยรโมท Trim ปรบคาความเรวของมอเตอร Mode ควบคมตามโปรแกรม

5) Height ความสงของ QUADCOPTER 6) Battery คาแบตเตอร โดยจะบอกเปนปรมาณแบตเตอรทสามารถใชงานได และบอกคาแรงดนของแบตเตอรในขณะนน 7) Update Time เวลาทมการอพเดทขอมลลาสด

104

การระบพกดเปาหมาย การระบพกดเปาหมายสามารถท าไดหลายวธ ดงน - กรอกทชอง Enter the target coordinates.โดยตรง โดยใสคาละตจดและลองจจดทตองการลงไป ตวอยางเชน 14.032211, 100.723847 - คนหาจาก Google API (สามารถดวธการใชงาน Google API ไดในหวขอ การใชงานของแทบตางๆ >> Google API) - คนหาจากMap(สามารถดวธการใชงานMapไดในหวขอการใชงานของแทบตางๆ>>Map) การใชงานของแทบตางๆ Data ใชเกบขอมลตางๆของ QUADCOPTER ทมการสงกลบมาทโปรแกรม - Open Data การเปดขอมลทไดมการบนทกไว - Save Data การบนทกขอมล - Clear Data การลางหนาจอ Data - Start Data, Pause Data การเรมหรอหยดการแสดงขอมล

รปท ก.3 Tab “Data”

105

Google API เปนสวนทใชรบคาพกดจาก Google API เพอใชในการระบพกดเปาหมาย 1. ท าการลากจดสแดงทแผนทไปยงต าแหนงทตองการ 2. คลกทปม Enter คาพกดทไดจะถกก าหนดทชอง Enter the target coordinates. ในกรณท Google API ไมสามารถเปดไดเนองจาก Server มปญหา ใหคลกทปม Server2 เพอเปด Google API จาก Server ส ารอง

รปท ก.4 Tab “Google API”

106

Map ใชในการรบคาพกดจากแผนท ทไดมการจดเกบรปถายแผนทและคาพกดไวเรยบรอย 1. คลกทปม Choose Map เพอเลอกแผนท ทตองการ 2. คลกทปม Open เพอท าการเรยกคาพกดทไดบนทกไว

รปท ก.5 Tab “Map”

3. ท าการคลกทแผนทในต าแหนงทตองการ แลวคาพกดจะถกสงไปทชอง Enter the target coordinates.

107

รปท ก.6 การตงคาแผนทส าหรบใชค านวณ

วธการเพมแผนท 1. ท าการตดรปแผนททตองการจาก Google Map โดยใชวธการ Print Screen หนาจอแลวตดเอาเฉพาะสวนของแผนท 2. คลกทปม Choose Map แลวเลอกแผนท ทไดท าการตดเรยบรอยแลว 3. คลกทแผนท ทไดเปดขนมาในโปรแกรม จะมหนาตาง Input Value ขนมา ใหท าการใสคาพกดของต าแหนงทเราคลกลงไป โดยสามารถดคาพกดไดจาก Google Map เสรจแลวคลกปม OK 4. ท าตามขอ 3 อกครง แตใหท าการคลกทต าแหนงอนของแผนท 5. โปรแกรมจะท าการค านวณพกดของแตละจดในแผนทใหโดยอตโนมต เสรจแลวคลกทปม Save แตถาตองการค านวณพกดใหมใหคลกทปม Reset แลวเรมท าตงแตขนตอนท 3 ใหม

108

Google Map เปนสวนทใชดต าแหนงของ QUADCOPTER โดยสามารถเลอกดไดทง ต าแหนงเรมตน, ต าแหนงปจจบน, ต าแหนงเปาหมาย และต าแหนงทชอง Enter the target coordinates.

รปท ก.7 Tab “Google Map” - เมอเปดขนมา Google Map จะแสดงต าแหนงพกดปจจบนของ QUADCOPTER - สามารถดพกดตางๆ ไดโดยการคลกทขอความทมแถบสสมดานบน Google Map กจะแสดงต าแหนงของพกดนนออกมา

109

รปท ก.8 การเรยกดคาพกดตางๆ

110

Tracking ใชดการเคลอนทของ QUADCOPTER วามการเคลอนทในลกษณะใด - เมอมการเชอมตอกบ QUADCOPTER แลว ใหท าการคลกทปม Start Tracking ตวโปรแกรม Tracking กจะท างาน โดยจะมลกศรชแสดงทศทางการเคลอนทของ QUADCOPTER และลกศรจะมการเปลยนต าแหนงตามลกษณะการเคลอนทของ QUADCOPTER

รปท ก.9 Tab “Tracking”

คา Ratio คอ คาเรมตนของอตราสวนในการแสดงผล โดยสามารถเปลยนแปลงไดแตตองท าการเปลยนแปลงขณะทโปรแกรม Tracking ไมมการท างาน

Zoom คอ การเพมหรอลดอตราสวนในการแสดงผลในขณะทโปรแกรม Tracking ก าลงท างาน หรอ ไมท างานกได

111

Mode ใชก าหนดรปแบบการท างานของ QUADCOPTER โดยมรปแบบดงน Auto Control บนอตโนมต Manual Control บนโดยคลกทควบคมในโปรแกรมหรอการกดปมท Keyboard Auto Control เมอเลอกโหมดนจะเปนการบนแบบอตโนมตไปตามพกดทไดก าหนดไว

รปท ก.10 Tab “Mode Auto Control”

เมนตางๆ ทใชใน Mode Auto Option เปนการก าหนดการเปดใชงานกลอง โดยถาท าเครองหมายถกแสดงวา เปดใชงาน

กลอง สวนตวเลขขางหลงแสดงจ านวนรปทถาย Distance Scope เปนการก าหนดขอบเขตในการบน โดยจะไมสามารถก าหนดพกด

เปาหมายไดเกนขอบเขตทก าหนด ส าหรบขอบเขตในการบนผใชสามารถเปลยนแปลงได Flight Format เปนการก าหนดรปแบบการบน คอ Go to finish : บนไปยงพกดเปาหมายเทานน Go to finish and back to start : บนไปยงพกดเปาหมายแลวบนกลบมายงจดเรมตน

112

Success เปนการก าหนดการท างานเมอบนตามรปแบบการบนส าเรจแลว Hold : ลอยนง Landing : ลงจอด

Manual Control เมอเลอกโหมดนจะสามารถควบคมการบนได 2 รปแบบคอโดยการคลกทปมควบคมในโปรแกรม หรอการกดปมท Keyboard โดยมปมทใชควบคมดงน W เดนหนา S ถอยหลง A ไปทางซาย D ไปทางขวา

K ลอยนง O ขน L ลง Q ถายรป

รปท ก.11 Tab “Mode Manual Control”

113

Trim ใชส าหรบดการตงคา Trim และองศาของ QUADCOPTER

รปท ก.12 Tab “Trim”

114

Debug เปนสวนทใชส าหรบตรวจสอบการท างานของ QUADCOPTER โดยทไมมการตดสวนของขอมลทถกสงเขามายงโปรแกรมออกเลย

รปท ก.13 Tab “Debug”

Open การเปดขอมล Debug ทไดมการบนทกไว Save การบนทกขอมล Debug Clear การลางหนาจอ Debug Pause การเรมหรอหยดการแสดงขอมล Debug

ภาคผนวก ข การใชงาน XBee เบองตน

116

การใชงาน XBee เบองตน 1) รจก X-CTU

X-CTU เปน Software Interface บนคอมพวเตอรทจะชวยในการ Update Firmware หรอ ทดสอบการใชงาน หรอ ปรบ Parameter ใหกบ XBee

รปท ข.1 Software X-CTU ทใชรวมกบ XBee

2) รจก Firmware

ส าหรบ XBee แตละรนทซอมานนจะม Firmware ทโปรแกรมมาแลวจากทางโรงงาน ซงเราสามารถดงคามาดไดโดยไปท Tab “Modem Configuration” แลวกดปม Read

หากซอ XBee Pro Series 1 มา จะตองเลอก Firmware Version ทสามารถใชรวมกน คอ 1081, 1082, 1083, 1084, etc. ซง Firmware ลาสดจะถก set ใหโดยอตโนมต

หากเลอก XBee รนธรรมดา (ไม Pro) จะตองเลอก Group XB24xxxx เปนตนไป ถาเลอกรน Pro มา ตองเลอก XBP24xxxx

ส าหรบแตละ Series นน จะลงทายไมเหมอนกน เชน Series2 ZB จะเปน XB24-ZB

117

รปท ข.2 Tab “Modem Configuration”

การ Set Parameter ใน Tab “Modem Configuration” ไดงายๆ แลวกด Write Firmware สามารถทดลองใชงานงายๆ ดวยการใชอปกรณ Dongle และ XBee 1 ค ในการสรางเครอขายแบบ Point-to-Point รวมกบ X-CTU เพอก าหนด Parameter ใหกบ XBee ผาน Firmware และ X-CTU สามารถเปดหลายหนาตางได

118

อปกรณทน ามาใชในปรญญานพนธ อปกรณทน ามาใชในปรญญานพนธประกอบดวย XBee Pro Series 1 และ USB Dongle ส าหรบเสยบอปกรณกบคอมพวเตอร

รปท ข.3 Mini XBee USB Dongle

จากรปท ข.3 เปน Tool ทใชส าหรบการท างานรวมกนเพอ Update Firmware หรอ การ Config Parameter ผานคอมพวเตอรรวมกบ Software X-CTU โดยทสามารถตอ XBee รวมกบ Mini XBee USB Dongle ผาน USB Port ไดโดยตรง ซงคอมพวเตอรจะมองการเชอมตอในลกษณะ Com Port (Serial UART) เนองจากใช IC FT232RL ซงเปน USB to Serial ในบอรดเดยวไมตองตออปกรณใดๆ เพมเตมสามารถใชรวมกบ XBee ไดทกรน

รปท ข.4 XBee Convert PIN to 2.54 Pitch

จากรปท ข.4 เปน PCB ส าหรบแปลงขาของ XBee ใหสามารถเสยบกบ Protoboard ไดโดยตรง

119

ทดสอบการใชงาน XBee และ Software X-CTU 1) ท าการ Set Parameter ใหตดตอกนแบบ Point to Point เมอท าการตอ XBee Pro Series 1 และ USB Dongle เขากบ PC ทง 2 ชดเรยบรอยแลว ใหเปดโปรแกรม X-CTU ขน 2 ชดเชนกน แลวท าการเลอก Com Port (UART) ในแตละชดใหถกตอง

รปท ข.5 การเลอก Com Port (UART)

120

2) ในโปรแกรม X-CTU ใหเลอก Tab “Modem Configuration” แลวท าการ Set Parameter โดยใหฝงหนงเปน End Device และอกฝงเปน Coordinator ดวยการ Set Parameter ในหมวด Networking & Security End Device ตงคา CE = 0 และ คา MY = 1 Coordinator ตงคา CE = 1 และ คา MY = 2 Set Baud Rate ทตว XBee ทง 2 ตว ใหเปนคา 9600 bps (BD = 3)

รปท ข.6 การ Set Parameter ในหมวด Networking & Security

3) ท าการ Set ให Parameter DH และ DL ของแตละฝงใหมคาเทากบ SH และ SL ของฝงตรงขาม โดย SH และ SL เปนคา address ทเราเปลยนไมได (Read Only) เปนคาทใสมาจากโรงงาน

วธการดคา SH และ SL ใน XBee สามารถดได 2 วธคอ วธท 1 กด Read เพอ Load คาของ XBee เขามา จะท าใหดคา SH และ SL ได วธท 2 ดจากใตตว XBee จะม Sticker แปะหมายเลข SH และ SL มาใหแลว

4) กด Write Firmware แลวทดสอบใชงาน

121

ปญหาพบบอย ๆ เกยวกบการใชงาน X-CTU 1) หากมการ Set Parameter อยาลม กด Write Firmware ทกครง 2) การก าหนดใหเปนเครอขาย เชน Point-to-Point อยางนอยจะตอง Set Firmware ให XBee ฝงหนงเปน End Device อกฝงเปน Coordinator หรอ Router 3) ทกครงทมการเปลยน Baud Rate ใน Parameter ของ XBee นนหมายถงก าลงเปลยน Baud Rate ท XBee อยาลม มาท Tab PC Setting (การ Set Baud Rate ทคอมพวเตอร) แลวกด Test/Query ใหตรงกบ Baud Rate ท XBee มเชนนน จะเหมอนกบวาเราตง Baud Rate ท XBee และทคอมพวเตอรไมตรงกน 4) จากขอ 3 เมอน ามาตอกบ Microcontroller กเชนกน เราตองตง Baud Rate ระหวาง XBee กบ Microcontroller ใหตรงกน 5) หากท าการ Re-write Firmware หลงจากท Set คา Parameter เรยบรอยแลว แตเกดผดปกต Write ไมเขา แลวเกดอาการไมเจอ Firmware และไมสามารถหา Baud Rate ทใชงานปจจบนได ใหท าการเลอก Modem XBee, Function Set และ Version ใหม เพอท าการ Write Firmware ทเปนคา Default ลงไป หาก Write ไมได ให Check Box ท Always Update Firmware

122

Tab ตางๆ ทนาสนใจของ X-CTU 1) Tab “Range Test” เราสามารถเชค Packet Lost ซงแสดงใหเหนวาขอมลมการสญหายในการรบสง ซงมกจะเกดจากมระยะทไกลเกนทสญญาณจะตดตอสอสารกนได หรอ มสงกดขวางมากเกนไป

รปท ข.7 Tab “Range Test”

123

2) Tab “Terminal” ซงถอวาเปน Tab ทสามารถใชประโยชนในการ Debug จบสญญาณขอมลทรบสงกนได เปรยบเสมอนโปรแกรม Serial Monitor สแดง คอ ขอมลทรบได สน าเงน คอ ขอมลทสงออกไป

รปท ข.8 Tab “Terminal”

การใช AT Command กบ X-CTU ไปท Tab “Terminal” แลวสง “+++” โดยทไมตอง Enter จะมการตอบ “OK” กลบมาทนท (ใหรอการตอบกลบ) ส าหรบการสง “+++” เปนการบอกวาจะเรมท าการ Config แตถาไมสง “+++” ไปกอน XBee จะเขาใจวาเปนขอมล ซงจะม Time Out ประมาณ 10 วนาท หากไมพมพค าสง ตอ ตองสง “+++” ใหม เราสามารถ Set ไดจาก Parameter CT ตอไปเปนการก าหนด Parameter ผาน AT Command โดย Parameter พนฐานเชน ID, DH, DL, MY, WR, CN, VR, ND, DN, RO, BD โปรดสงเกตวา Command ตอไปจะพมพตดๆ กนเสรจแลว Enter

124

รปท ข.9 การใช AT Command กบ X-CTU

สน าเงน เปนค าสง AT Command ทเราสงไป สแดง เปนการตอบกลบมาจาก XBee XBee series2 (Znet2.5) จะม Parameter แตกตางกน ATIDxxxx[ENTER] เปนการก าหนด ID การสอสาร (PAN ID) ซงทง 2 ตวจะตองตงใหเหมอนกน ไมเชนนน XBee จะเขาใจวาเปนคนละเครอขาย โดย xxxx เปนไดตงแต 0 – FFFF ATDHxxx[ENTER] เปนการก าหนดหมายเลขของ XBee ปลายทางเปาหมาย (บตสง) ATDLxxx[ENTER] เปนการก าหนดหมายเลขของ XBee ปลายทางเปาหมาย (บตต า)

ส าหรบ DH และ DL มองวา XBee คน ฝงหนงจะตองช DH กบ DL Parameter ไปทตวตรงขาม (หากใช XBee รวมกนหลายตว จะใช Set Destination Address ทตองการจะตดตอกน) ATMYxxx[ENTER] เปนการก าหนดหมายเลขของตวมนเอง ATWR[ENTER] เปนการสงใหบนทกคาทเราก าหนดไวบน XBee ถาไมไดใชค าสงน XBee กยงจะสามารถท างานไดปกต แตถาไฟดบ XBee จะกลบไปเปนคาทท าการบนทกไวครงสดทาย ATCN[ENTER] จบการ Config ATVR[ENTER] ด Firmware Version ของ XBee ตอนน

125

ATND[ENTER] สงใหคนหา Node อนๆ และท าการรายงานสถานะ ATDN[STRING][ENTER] ใหก าหนด Destination Node ตามหมายเลข SH และ SL ของ [STRING] ซงเปนชอ Node ทสามารถตงไดไมเกน 20 ตวอกษร ASCII ATROxxx[ENTER] ก าหนดคา Packetization Timeout (ได 255 คา ตงแต 0-0xFF) ATBDx[ENTER] ก าหนดคา Baud Rate ของ XBee ทใชตดตอกบ ไมโครคอนโทรลเลอร หรอ คอมพวเตอร เมอหมดเวลา Time Out ของ Command โหมด หรอ เมอใชค าสง ATCN[ENTER] หลงจากรบสงขอมล ใน Tab “Terminal” ของ X-CTU ส าหรบรายละเอยดเกยวกบ Parameter สามารถอานความหมายของแตละ Parameter โดยละเอยด และการ Set คาทงหมดไดจาก Datasheet

รปท ข.10 ZigBee Nodes

Introduction ZigBee and XBee Basic ระบบสอสารไรสาย (Wireless Telecommunication) มมากมายหลายรปแบบ เชน GSM, CDMA, วทยยาน 27 MHz และ 433 MHz, Wireless LAN, Wi-Fi, WiMAX ฯลฯ ส าหรบในสมยกอน การจะท าเครองสงเครองรบ ตองมความรทางดาน RF Engineer ซงจะสามารถออกแบบวงจรเครองสง เครองรบ มหนาทท าการ Matching สายอากาศ การออกแบบสายอากาศส าหรบยานความถตางๆ ฯลฯ แตสมยน ม IC RF ท Integrated รวมเอาภาคการออกแบบของ RF Engineer เขาไปหลายสวน ท าใหงาย ในระดบทไมตองมความรทางดาน RF Engineer กสามารถสรางวงจรสงและรบไดแลว งานทางดานไมโครคอนโทรลเลอร จะมความเกยวของกบการสอสารทงสน เชน การสรางเครอขายของระบบหนงๆ , การตดตอสอสารใชงานอปกรณ RF Module และ ทคนเคยกนดกคอการสอสาร เพอใชงานตดตอกบอปกรณอน ๆ ผาน Interface ตางๆ เชน RS232(UART), SPI,

126

I2C, CAN, RS485, Ethernet, LAN, TCP/IP, USB ฯลฯ ผทเคยเขยน Software ทเกยวของกบการสอสารตางๆ จะมความเขาใจเกยวกบโปรโตคอลสอสาร สามารถเรยนรการสอสารแบบอน ๆ ไดไมยาก การเขยน Software ลกษณะการ รบ Stream Data เพอมาเกบใน Buffer แลวท าการ Encapsulate, De-Encapsulate ขอมล เชน การเขยนโปรแกรมทางดาน Network Security, UART, I2C ฯลฯ แลวน าขอมลไปใชงาน เปนสงจ าเปนส าหรบงานทางดานการตดตอสอสารเกอบทกรปแบบ ส าหรบการอธบายในเชงทฤษฎนน การสอสารแตละแบบควรทจะอธบาย และอางองกบ OSI Layer ได ยกตวอยาง ระบบเครอขาย LAN จะใชโปรโตคอล TCP/IP ซงสามารถทจะแยกไดวา ขนตอนไหนจดอยในล าดบชน OSI Layer อะไร ส าหรบ การสอสารไรสาย กจะสามารถอางองไดวา เปนภาคทางดาน Physical Layer หรอชนทสงขน แยกแยะไดตาม OSI Layer เชนกน แตในทางการปฏบตใชงานจรง นกพฒนาเพยงทราบทฤษฎเพยงเลกนอย กพอทจะสามารถน าไปพฒนางานไดแลว ZigBee เปนหวขอทนาสนใจ เพราะว ายงมปญหาทตองการ การวจย และการ แกไขใหเหมาะสมกบ Application ตางๆ อกมาก เชน เรอง ของ Routing, เรองการประหยดพลงงาน ฯลฯ ส าหรบนกศกษาทตองการท าวจยเรอง ZigBee ควรจะมความรทางทฤษฎ เกยวกบ OSI Layer บาง เพอใหเขาใจในทางทฤษฎหลกของ ZigBee เมอน ามาเปรยบเทยบกบ OSI Layer แลวเปนอยางไร ซงในเชงทฤษฎ จะคลายๆ วชา Computer Network จงอยากใหเขาใจ OSI Layer มาบาง หรอ เคยอาน TCP/IP Protocol มากจะดมาก ผลพลอยไดกคอ เวลาสอบหวขอวจย นกศกษาจะไดมพนฐาน สามารถตอบค าถามไดอยางถกตอง นอกจากน หากไดลองศกษา ZigBee จากหนงสอดวยตวเองนน จะสามารถเขยนโปรแกรม ZigBee Network ได และ สามารถสรางเครอขาย XBee ทเหมาะสมกบ Application นนๆ ได จงเปนการท าวจยเรอง ZigBee อยางแทจรง

127

เทคโนโลยไรสาย เทคโนโลยไรสายแบงไดเปน 5 ประเภท 1) Wi-Fi เปนระบบเทคโนโลยไรสายความเรวสง เพอเชอมตอระบบอนเทอรเนตและอปกรณคอมพวเตอรอน 2) WiMAX เปนระบบเทคโนโลยทมลกษณะคลายกบการท างานของ Wi-Fi แตกตางทมรศมการสงคลนสญญาณไดไกลกวาหลายสบเทา (รศมการสงคลนไดประมาณ 40-50 กโลเมตร) 3) Mobile-Fi เปนระบบเทคโนโลยทใชเชอมตอระหวางระบบไรสายความเรวสงกบยานพาหนะก าลงเคลอนท 4) ZigBee เปนระบบเทคโนโลยไรสายทรวมกนสอสารขอมลผานเซนเซอรขนาดเลก 5) Ultrawideband เปนระบบเทคโนโลยทสามารถจะสงขอมลไดเปนจ านวนมาก แต ไดในระยะทางทสนๆ เทคโนโลยไรสายประเภท ZigBee ZigBee เปนโปรโตคอลใหมทอยบนมาตรฐาน IEEE 802.15.4 โดยมาตรฐาน IEEE 802.15 เปนการท างานแบบ WPAN (Wireless Personal Area Network) ซงไดแบงเปน 3 คลาส ไดแก 1) IEEE802.15.1/Bluetooth รองรบการท างานในการสอสารระหวาง Mobilephone กบ

PDA และม QoS ทเหมาะสมกบ Voice Communication

2) IEEE802.15.3/WiMedia รองรบการรบสงขอมลประเภทมลตมเดย Very High QoS

3) IEEE802.15.4/LR-WPAN (Low Data Rate WPAN) โดยมชอเรยกทางการคาวา

ZigBee รองรบการท างานกบอปกรณประเภท Low Data Rate และ Long Battery Life ซงเปน

อปกรณเกยวกบ Sensor ดานการแพทย อตสาหกรรม และการรกษาความปลอดภย

ZigBee มระยะการสอสารอยในชวง 10-75 เมตร โดยใชความถทอยในชวงของ unlicensed

RF Worldwide (2.4GHz Global, 915MHz Americas or 868 MHz Europe). ซงในแตละความถม

อตราการรบสงขอมลดงน 250kbps ท 2.4GHz, 40kbps ท 915MHz และ 20kbps ท 868MHz ซงใน

ประเทศไทยใชความถท 2.4GHz ซงมอตราการรบสงขอมลท 250 kbps ในระบบ ZigBee Network

อปกรณแตละตวสามารถมสถานะเปน Full - Function Device หรอ Reduced - Function Device

128

FFD สามารถทจะท างานไดสาม Mode คอ PAN Coordinator, Coordinator, or Device ซงใน ZigBee Network ตองม FFD อยางนอยหนงตวซงจะท าหนาทเปน PAN coordinator โดย FFD สามารถทจะตดตอไดทง FFD และ RFD แต RFD จะสามารถตดตอไดเพยง FFD เทานน Network Topology โปรโตคอล ZigBee สามารถสรางระบบเครอขาย ไดสามรปแบบคอ 1) Star Topology เมอ FFD ท างานเปนครงแรก มนจะท าการสราง Network ของตนเอง

และจะกลายเปน PAN Coordinator หลงจากนนจะท าการเลอก PAN Identifier ซงจะตองไมถกใช

ในระบบเนตเวรกอน

Applcation : Home Automation, Personal Computer Peripheral, Toys and Games

2) Peer - to - Peer Topology จะมอปกรณตวหนงทท าหนาทเปน PAN Coordinator ซง

อปกรณทกตวสามารถสอสารกบอปกรณอนๆแบบ Peer to Peer ได และ Peer to Peer Network

สามารถทจะเปนไดทง Ad Hoc, Self-Organizing และ Self-Healing

Application : Industrial Control and Monitoring, Wireless Sensor Networks Asset

and Inventory Tracking

3) Cluster Tree Topology ในการสรางระบบ Cluster Tree PAN Coordinator จะใช

ตวเองเปน Cluster แรกเรยกวา Cluster Head (CLH) และ Cluster Identifier (CID) เปนศนย

หลงจากนนท าการเลอก PAN Identifier และท าการ Broadcasting Beacon Frame ไปยงอปกรณ

ขางเคยง และเมออปกรณตวอนไดรบกจะสง Request ไปท CLH จากนน CLH ท าการยอมรบและ

เพมชออปกรณใน Neighbor List แบบเปนลกขาย (Child) ในขณะทอปกรณทเขามาใหมจะเพมชอ

CLH ตวนนใน Neighbor List วาเปนแมขาย (Parent) หลงจากนนกท าการสง Beacon ไปยงอปกรณ

ตวอนๆ ตอไป

129

รปท ข.11 One ZigBee Coordinator per Network

Can be very large (255 cluster of 254 nodes) Span over wide areas Mesh and Cluster Tree Provides redundant routes Automatic retries and acknowledge

130

ตารางท ข.1 Specifications of the XBee

Specifications of the XBee

Performance Indoor/Urban Range up to 133 ft. (40 m) Outdoor RF line-of-sight Range up to 400 ft. (120 m) Transmit Power Output 2mW (+3dBm), boost mode enabled

1.25mW (+1dBm), boost mode disabled RF Data Rate 250,000 bps Data Throughput up to 35000 bps (see chapter 4) Serial Interface Data Rate (Software selectable)

1200 bps - 1 Mbps (non-standard baud rates also supported)

Receiver Sensitivity -96 dBm, boost mode enabled -95 dBm, boost mode disabled

Power Requirements Supply Voltage 2.1 - 3.6 V Operating Current (Transmit, max output power)

40mA (@ 3.3 V, boost mode enabled) 35mA (@ 3.3 V, boost mode disabled)

Operating Current (Receive)) 40mA (@ 3.3 V, boost mode enabled) 38mA (@ 3.3 V, boost mode disabled)

Idle Current (Receiver off) 15mA Power-down Current < 1 uA @ 25oC General Operating Frequency Band ISM 2.4 GHz Dimensions 0.960” x 1.087” (2.438cm x 2.761cm) Operating Temperature -40 to 85º C (industrial) Antenna Options Integrated Whip, Chip, RPSMA, or

U.FL Connector

131

ตารางท ข.1 Specifications of the XBee (ตอ)

Specifications of the XBee

Networking & Security Supported Network Topologies Point-to-point, Point-to-multipoint,

Peer-to-peer, and Mesh Number of Channels 16 Direct Sequence Channels Channels 11 to 26 Addressing Options PAN ID and Addresses, Cluster IDs and

Endpoints (optional) Agency Approvals United States (FCC Part 15.247) FCC ID: OUR-XBEE2 Industry Canada (IC) IC: 4214A-XBEE2 Europe (CE) ETSI Australia C-Tick Japan R201WW07215215 RoHS Compliant

ประวตผจดท าปรญญานพนธ

133

ประวตผจดท าปรญญานพนธ

ชอ นายอครพนธ สงขวงษ รหส 115110462012-5 สาขาวชา/ภาควชา ภาควชาวศวกรรมคอมพวเตอร วน-เดอน-ป เกด วนท 7 กรกฎาคม 2533 สถานทเกด จงหวดสระบร ทอย 230/41 ม.8 ต.หวยทราย อ.หนองแค จ.สระบร 18230 ประวตการศกษา มธยมศกษาตอนปลาย (ม.6) โรงเรยนหนองแคสรกจพทยา 2550

134

ประวตผจดท าปรญญานพนธ

ชอ นายจตพล ศรสวาง รหส 115110462033-1 สาขา/ภาควชา ภาควชาวศวกรรมคอมพวเตอร วน-เดอน-ป เกด วนท 30 ธนวาคม 2529 สถานทเกด จงหวดกรงเทพมหานคร ทอย 132/183 ม.5 ต.ลาดหญา อ.เมอง จ.กาญจนบร 71190 ประวตการศกษา ประกาศนยบตรวชาชพ (ปวช.3) โรงเรยนเทคโนโลยกาญจนบร 2547

135

ประวตผจดท าปรญญานพนธ

ชอ นาย สรวศ ไพฑรยวงศ รหส 115110462056-2 สาขา/ภาควชา ภาควชาวศวกรรมคอมพวเตอร วน-เดอน-ป-เกด วนท 26 กรกฎาคม พ.ศ. 2533 สถานทเกด จงหวดกรงเทพมหานคร ทอย 99/490 ถ.รงสต-นครนายก ต.ล าผกกด อ.ธญบร จ.ปทมธาน 12110 ประวตการศกษา มธยมศกษาตอนปลาย (ม.6) โรงเรยนธญรตน 2550