2. ใบพัดสวนกัน แรงบิด และการหมุนตัว

ในหน้าก่อนเรารู้ว่าแรงยกมาจากใบพัด แต่ใบพัดมีผลข้างเคียงที่แก้ไม่ได้ด้วยการอยากให้มันไม่เกิด คือ มันบิดตัวโดรนกลับ หน้านี้อธิบายว่าเกิดอะไรขึ้นและโดรนแก้ปัญหานี้ยังไง

ตัวอย่างที่เห็นได้เอง: เก้าอี้หมุนCopy Anchor Link

นั่งบนเก้าอี้ที่หมุนได้ ถือขวดน้ำหนักๆ ไว้ในมือ แล้วเหวี่ยงแขนวนไปทางขวา ตัวเรากับเก้าอี้จะหมุนไปทางซ้ายช้าๆ ไม่ต้องใช้แรงจากไหน มันเกิดเอง เพราะ ทุกแรงมีแรงตอบสนองตรงข้ามเสมอ (กฎข้อสามของนิวตัน)

มอเตอร์ก็เป็นแบบนั้น มอเตอร์ออกแรงหมุนใบพัดไปทางหนึ่ง ใบพัดก็ออกแรงบิดตัวมอเตอร์ (ซึ่งยึดติดกับโดรน) ไปอีกทาง เรียกว่า แรงบิดปฏิกิริยา (reaction torque) ถ้ามีใบพัดเดียว ตัวโดรนจะหมุนติ้วสวนทิศใบพัด

วิธีแก้: หมุนสองทิศให้หักล้างกันCopy Anchor Link

• ใบพัด 2 ใบหมุนตามเข็ม (ฟ้า) บิดตัวโดรนทวนเข็ม
• ใบพัด 2 ใบหมุนทวนเข็ม (แดง) บิดตัวโดรนตามเข็ม
• ถ้าความเร็วเท่ากัน แรงบิดสองฝั่ง เท่ากันพอดีและตรงข้ามกัน จึงหักล้างหมด ตัวโดรนไม่หมุน

ในโดรน 4 ใบพัดแบบ X ทั่วไป จะจัดให้ใบพัดที่อยู่ ทแยงมุมกัน หมุนทิศเดียวกัน ภาพข้างบนใช้แบบนี้ (M1 กับ M3 ตามเข็ม M2 กับ M4 ทวนเข็ม) ซึ่งเป็นแบบเดียวกับโมเดล 3 มิติในเว็บ ส่วนการติดตั้งจริงบน RCSA EDU ให้ยึดตามสีปลั๊กมอเตอร์ (ดำ/ขาว) และจุดขาวบนโมดูลตามที่คู่มือกำหนด

หมุนหัว (Yaw) ทำยังไงCopy Anchor Link

พอเข้าใจว่า "ความเร็วเท่ากัน = ไม่หมุน" ก็รู้เลยว่าการหมุนหัวทำอย่างไร คือ ทำให้ความเร็วสองคู่ไม่เท่ากันโดยไม่เปลี่ยนแรงยกรวม

• อยากให้โดรนหมุนทวนเข็ม: เพิ่มความเร็วคู่ตามเข็ม ลดความเร็วคู่ทวนเข็มในจำนวนที่เท่ากัน แรงบิดสุทธิเหลือไปทางทวนเข็ม ส่วนแรงยกรวมแทบไม่เปลี่ยน (ฝั่งหนึ่งเพิ่ม อีกฝั่งลด)
• อยากให้หมุนตามเข็ม: ทำตรงกันข้าม

ที่ต้องเพิ่ม และ ลดไปพร้อมกัน เพราะถ้าเพิ่มอย่างเดียวโดรนจะลอยสูงขึ้นด้วย

ตัวเลขประกอบCopy Anchor Link

สมมติโดรนลอยนิ่ง ใบพัดทุกใบหมุนที่ระดับ 100 หน่วย แรงยกรวม = 4 × 100 = 400 หน่วย ต้องการให้หมุนทวนเข็ม

ก่อน:    M1=100  M2=100  M3=100  M4=100    รวม 400
หลัง:    M1=110  M2= 90  M3=110  M4= 90    รวม 400

M1 กับ M3 (ตามเข็ม) เร็วขึ้น 10 M2 กับ M4 (ทวนเข็ม) ช้าลง 10 แรงยกรวมยังเท่าเดิม แต่แรงบิดไม่หักล้างกันแล้ว ตัวโดรนจึงเริ่มหมุน ตัวเลข "หน่วย" ตรงนี้เป็นภาพประกอบหลักการ ไม่ใช่รอบจริงของมอเตอร์

ทำไมการหมุนหัวช้ากว่าเอียงCopy Anchor Link

แรงบิดจากใบพัดมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับแรงยก (เพราะแรงบิดมาจากแรงต้านอากาศที่ใบพัด ซึ่งน้อยกว่าแรงยกมาก) โดรนจึงหมุนหัวได้ช้ากว่าที่เอียงได้ ในโค้ดของชมรมคำสั่งหมุนหัวต้อง รอเวลา ให้ครบมุม (YAW_MS_PER_DEG = 42 มิลลิวินาทีต่อองศา เช่น 90° = 3.78 วินาที) และต้องค่อยๆ หยุดเพื่อไม่ให้หมุนเลยมุม อ่านรายละเอียดที่ หมุนหัวด้วยโค้ด

ลองทำCopy Anchor Link

1. ตั้งโดรนบนโต๊ะ (ถอดใบพัดออกก่อน) หมุนมอเตอร์ด้วยมือทีละตัว ดูว่าตัวไหนหมุนทิศไหน เทียบกับสีปลั๊กดำ/ขาว
2. ถ้า M1 และ M3 หมุนเร็วกว่า M2 และ M4 อยู่ 20% โดรนจะหมุนไปทางไหน (คำตอบ: ทวนเข็ม เพราะแรงบิดจากคู่ตามเข็มมากกว่า)
3. ทำไมโดรนที่มีใบพัด 3 ใบ (Tricopter) ต้องเอียงมอเตอร์ท้ายเพื่อแก้แรงบิด (คำตอบ: เพราะมีแรงบิดข้างเดียว หักล้างไม่ครบ)

พังตรงไหนบ่อยCopy Anchor Link

• โดรนหมุนติ้วทันทีที่ขึ้นบิน → มอเตอร์หรือใบพัดผิดทิศอย่างน้อยหนึ่งตัว
• โดรนหันหัวเบี่ยงไปเรื่อยๆ ขณะลอย → ใบพัดตัวหนึ่งบิ่นหรือโค้ง แรงยกไม่เท่ากัน เปลี่ยนใบพัด