โดรนได้ปฏิวัติอุตสาหกรรมต่างๆ ตั้งแต่การถ่ายภาพทางอากาศไปจนถึงการบริหารจัดการ ภัยพิบัติ เหตุผลสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้โดรนบินนิ่งได้มั่นคง ต้านทานลมกระโชกและบินได้ อย่างแม่นยำก็คือ ไจโรสโคป (gyroscope) ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการรักษาเสถียรภาพการบิน เป็นอย่างมาก

บทความนี้เจาะลึกถึงการทำงานของไจโรสโคปภายในโดรน ประเภทของไจโรสโคป การผสานกับตัวควบคุมการบิน และความท้าทายที่โดรนต้องเผชิญ นักบินและวิศวกรโดรน สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานและแก้ไขปัญหาได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยการทำความเข้าใจกลไกเหล่านี้

หลักพื้นฐานของการรักษาเสถียรภาพของโดรน

การรักษาเสถียรภาพการบินต้องอาศัยการปรับแบบเรียลไทม์เพื่อต่อต้านแรงภายนอกเช่น ลม ความปั่นป่วนหรือ turbulence และการเคลื่อนไหวอย่างกะทันหัน โดรนต้องอาศัยหน่วยวัดแรงเฉื่อย (IMU) ซึ่งรวมถึงไจโรสโคป เครื่องวัดความเร่ง และบางครั้งยังรวมถึงเครื่องวัดสนามแม่เหล็กเพื่อวัดทิศทางและการเคลื่อนที่ หากไม่มีไจโรสโคป โดรนจะประสบปัญหาด้านการบินให้คงที่ ส่งผลให้เคลื่อนที่ไม่แน่นอนและอาจนำไปสู่การเกิด อุบัติเหตุได้

ไจโรสโคปคืออะไร?

ไจโรสโคปคืออุปกรณ์วัดความเร็วเชิงมุม ในที่นี้หมายถึงอัตราการหมุนรอบแกน ใช้หลักการอนุรักษ์พลังงานโมเมนตัมเชิงมุมเป็นหลัก โดยโรเตอร์ที่หมุนจะต้านทาน การเปลี่ยนแปลงทิศทาง อันเนื่องมาจากความเฉื่อย

คุณสมบัติหลักของไจโรสโคป

• ความคงตัวในอากาศ ไจโรสโคปแบบหมุนจะคงแกนไว้ได้ เว้นแต่มีแรงภายนอกมากระทำ
• การสั่นแบบสั่นสะเทือน เมื่อมีแรงเข้ามา ไจโรสโคปจะตอบสนองในแนวตั้งฉากกับอินพุต ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการรักษาเสถียรภาพ

ไจโรสโคปทำงานในโดรนอย่างไร

โดรนสมัยใหม่ใช้ไจโรสโคประบบไมโครอิเล็กโทรเมคานิกส์ (MEMS) ซึ่งตรวจจับการเคลื่อนไหวแบบหมุน โดยใช้โครงสร้างของการสั่นสะเทือน เมื่อโดรนหมุนจะเกิดสถานการณ์ดังนี้

1. เอฟเฟกต์ Coriolis ทำให้เกิดการเคลื่อนตัวที่วัดได้ในเซ็นเซอร์ MEMS
2. ตัวควบคุมการบินจะประมวลผลข้อมูลและปรับความเร็วของมอเตอร์เพื่อต่อต้านการเคลื่อน ไหวที่ไม่ต้องการ

ตัวอย่างเช่น หากโดรนเอียงไปข้างหน้า ไจโรสโคปจะตรวจจับการเปลี่ยนแปลง และตัวควบคุมการบินจะเพิ่มความเร็วของมอเตอร์ด้านหลังเพื่อสร้างสมดุล เป็นต้น

ประเภทไจโรสโคปที่ใช้ในโดรน

ไจโรสโคปแบบกลไก

• ไจโรสโคปโรเตอร์หมุนแบบดั้งเดิม
• ไม่ค่อยได้ใช้ในโดรนสมัยใหม่ เนื่องจากขนาดใหญ่และสึกหรอตามกลไก

ไจโรสโคปแบบ MEMS

• พบมากที่สุดในโดรนสำหรับผู้บริโภคและเชิงพาณิชย์
• ขนาดกะทัดรัด กินไฟน้อย และตอบสนองได้ดี
• พบได้ใน DJI, Autel และโดรนชั้นนำยี่ห้ออื่น ๆ

ไจโรสโคปไฟเบอร์ออปติก (FOG)

• ใช้การ interference ของแสงเพื่อตรวจจับการหมุน
• ความแม่นยำสูง ใช้ในโดรนทางทหารและอุตสาหกรรม

ไจโรสโคปเลเซอร์แบบวงแหวน (RLG)

• ใช้ลำแสงเลเซอร์แบบวงจรปิด (closed loop)
• มีความแม่นยำสูงมากแต่ราคาแพง ใช้ในแอพพลิเคชั่นระดับไฮเอนด์

บทบาทของไจโรสโคปในระบบควบคุมการบิน

ไจโรสโคปส่งข้อมูลไปยังตัวควบคุมการบิน (FC) เพื่อใช้กระบวนการต่างๆ เช่น การควบคุม PID (Proportional-Integral-Derivative) เพื่อรักษาเสถียรภาพของโดรน

• การปรับ Pitch, Roll และ Yaw ต้องอาศัยอินพุตจากไจโรสโคป
• หากไม่มีไจโรสโคป โหมดการบินอัตโนมัติ เช่น GPS Hold, Follow-me จะไม่สามารถเกิดขึ้นได้

ไจโรสโคปเทียบกับเครื่องวัดความเร่ง

ในขณะที่ไจโรสโคปวัดการหมุน เครื่องวัดความเร่งจะตรวจจับการเคลื่อนที่เชิงเส้น เมื่อนำมารวมกันแล้ว เครื่องวัดความเร่งจะสร้างภาพรวมที่สมบูรณ์ของการเคลื่อนที่โดรน

• ไจโรสโคป ความแม่นยำในระยะสั้น (แก้ไขอย่างรวดเร็ว)
• เครื่องวัดความเร่ง ความเสถียรในระยะยาว (ตรวจจับแรงโน้มถ่วงเพื่อปรับระดับ)

บทสรุป

ไจโรสโคปเป็นหัวใจสำคัญของการสร้างความเสถียรในการเคลื่อนที่ของโดรน ทำให้โดรนบินได้อย่างราบรื่นและทำงานได้อย่างอัตโนมัติในระดับที่สูง และเมื่อเทคโนโลยี พัฒนาขึ้น ระบบไจโรสโคปจะแม่นยำยิ่งขึ้น ปลดล็อกความเป็นไปได้ใหม่ๆ ในการใช้งานโดรนต่อไปในอนาคต