การออกแบบยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ

บทคัดย่อ

ปริ ญ ญานิ พ นธ์ นี้มี วั ต ถุ ป ระสงค์เ พื่ อ ออกแบบและสร้า งต้ น แบบยานร่ อ นใต้ น้ำอั ต โนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ที่ มี ต้ น ทุ น ต่ำ เพื่ อ ลดข้ อ จำกั ด ด้า นเทคโนโลยี แ ละ งบประมาณในการวิจัยของประเทศไทยอีกทั้งช่วยเพิ่มขีดจำกัดในการศึกษายานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ โดยต้นแบบสามารถเคลื่อนที่อัตโนมัติแบบฟันเลื่อย (sawtooth path) ที่ระดับความลึก 3 เมตร และ รองรับอัตราบรรทุก (payload) 3 กิโลกรัม พร้อมทั้งมีการจัดทำรายการคำนวณสำหรับการออกแบบ และพัฒนา AUG ให้เหมาะสมกับลักษณะภารกิจต่อไป การออกแบบยานร่อนแบ่งออกเป็นส่วนโครงสร้างภายนอกและระบบควบคุมภายใน โครงสร้าง ลำตัวถูกออกแบบด้วยสมการ Myring ให้มีรูปทรงตอร์ปิโด เพื่อช่วยลดแรงต้านน้ำ ส่วนปีกใช้รูปแบบ แผ่นเรียบ (flat plate) ที่มีมุมกวาด 30 องศา เพื่อลดปัญหาการติดขัดจากพืชน้ำ สำหรับระบบควบคุม ของการเคลื่อนที่ประกอบด้วย ระบบควบคุมแรงลอยตัว (buoyancy engine) แบบกระบอกสูบที่ ควบคุมปริมาตรน้ำ และกลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass mechanism) สำหรับควบคุมมุม ก้มเงย (pitch) และมีกลไกการเคลื่อนมวลแบบหมุน สำหรับการควบคุมมุมเอียง (roll) ซึ่งการทำงาน ร่วมกัน เพื่อให้ยานสามารถเคลื่อนที่ใต้น้ำในรูปแบบฟันเลื่อย (sawtooth path) ไปในทิศทางที่ ต้องการได้อย่างต่อเนื่อง ก Name Chanon Natthanicha Natthawut Kittiwat Chongsomchit Sukchai Seetison Ubonpan Thesis Title Department Advisor Academic year Design of an Autonomous Underwater Glider (AUG) Mechanical and Aerospace Engineering Asst.Prof. Baramee Patamaprohm, Ph.D. 2025 Abstract This thesis aims to design and construct a low-cost prototype of an Autonomous Underwater Glider (AUG) to overcome technological and budgetary limitations in Thai research, as well as to expand the capabilities in the study of autonomous underwater gliders. The prototype is capable of moving autonomously in a sawtooth path at a depth of 3 meters and supports a payload of 3 kilograms. Additionally, design calculations have been formulated to serve as a guideline for developing and optimizing AUGs for specific future missions. The glider's design is divided into two main parts: the external structure and the internal control system. The hull structure was designed using Myring equations to achieve a torpedo-like shape, which helps minimize hydrodynamic drag. The wings utilize a flat plate design with a 30-degree sweep angle to reduce entanglement with aquatic plants. The motion control system consists of a cylinder-type buoyancy engine that regulates water volume, a linear moving mass mechanism for pitch control, and a rotary moving mass mechanism for roll control. These systems work together to enable the glider to move continuously underwater in a controlled sawtooth trajectory toward the designated full step ข กิตติกรรมประกาศ ปริญญานิพนธ์เรื่อง การออกแบบยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ ฉบับนี้ สำเร็จลุล่วงไปได้ด้วยดีเนื่องจาก ได้รับความกรุณาและความช่วยเหลืออย่างดียิ่งจาก ผศ.ดร.บารมี ปัทมพรหม อาจารย์ที่ปรึกษา ปริญญานิพนธ์ ที่ได้สละเวลาให้คำปรึกษา ชี้แนะแนวทาง ตลอดจนตรวจสอบและแก้ไขข้อบกพร่อง ต่าง ๆ อย่างเอาใจใส่ตั้งแต่เริ่มต้นจนกระทั่งโครงงานนี้เสร็จสมบูรณ์ คณะผู้จัดทำขอขอบพระคุณเป็น อย่างสูง อีกทั้งขอขอบพระคุณ Odd dive Thailand ที่ได้ให้ความอนุเคราะห์ใช้สถานที่สำหรับการ เก็บผลการทดสอบ รวมถึงวิศวกร และ ผู้ช่วยดูแล robot academy สำหรับความช่วยเหลือในการใช้ อุปกรณ์สร้างชิ้นงาน ขอขอบคุณเพื่อน ๆ และอาจารย์ในภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลทุกท่าน ที่คอยให้ความช่วยเหลือ เป็นกำลังใจ และร่วมแลกเปลี่ยนความคิดเห็น ตลอดจนร่วมแก้ปัญหาต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างการ ทำงาน ขอขอบคุณภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัย เทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ ที่ได้เอื้อเฟื้อสถานที่ อุปกรณ์ และเครื่องมือต่าง ๆ ที่ใช้ในการ ปฏิบัติงานและการทดลองตลอดระยะเวลาการทำโครงงาน ท้ายที่สุดนี้ คณะผู้จัดทำขอกราบขอบพระคุณ บิดา มารดา และครอบครัว ที่คอยให้การ สนับสนุนทั้งด้านทุนทรัพย์และเป็นกำลังใจที่สำคัญเสมอมา จนทำให้คณะผู้จัดทำสามารถดำเนินงาน ได้อย่างราบรื่นและประสบความสำเร็จ คณะผู้จัดทำ นายชานนท์ จงสมจิตต์ นางสาวณัฏฐณิชา สุขชัย นายณัฐวุฒิ สีธิสอน นายกิตติวัฒน์ อุบลพันธุ์ ค สารบัญ บทที่ 1 บทนำ ........................................................................................................................ 1 1.1 ที่มาและความสำคัญ...........................................................................................................1 1.1.1 กลุ่มลูกค้าเป้าหมาย............................................................................................... 2 1.1.2 ความต้องการของลูกค้า ......................................................................................... 3 1.2 วัตถุประสงค์ของโครงงาน ...................................................................................................3 1.3 ขอบเขตของโครงงาน..........................................................................................................3 1.4 งบประมาณ ........................................................................................................................3 1.5 การวางแผนโครงการและโครงสร้างทีม ...............................................................................5 บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ....................................................................................................... 6 2.1 ยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG)................................6 2.1.1 Slocum Glider ................................................................................................ 7 2.1.2 Spray Glider........................................................................................................ 8 2.1.3 Seaglider ............................................................................................................. 8 2.1.4 SeaExplorer 200 ................................................................................................ 9 2.1.5 BioGlider ............................................................................................................. 9 2.2 การออกแบบโครงสร้างลำตัว (Hull Design) ................................................................... 10 2.2.1 สมการ Myring (Myring Equation) ................................................................... 10 2.2.2 แรงยกที่เกิดจากลำตัว (Lift Generated by the Hull) ...................................... 12 2.2.3 แรงต้านที่เกิดจากลำตัว (Drag generated by the Hull) .................................. 13 2.2.4 ความแข็งแรงของโครงสร้างลำตัว (Strength of Hull Design) .......................... 14 2.3 การออกแบบโครงสร้างปีก (Wing design)...................................................................... 17 2.3.1 ชนิดของปีก (Type of Wing) ............................................................................. 18 2.3.2 แรงยกที่เกิดจากลำตัว (Lift generated by the wing) ...................................... 18 ง 2.3.3 แรงต้านที่เกิดจากลำตัว (Drag generated by the wing) ................................. 19 2.4 พลศาสตร์การเคลื่อนที่ของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider Dynamics) ............................................................................................................................ 20 2.4.1 จุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) ....................................................... 20 2.4.2 จุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) ....................................... 21 2.4.3 จุดศูนย์กลางแรงต้าน (Center of Pressure: CP) .............................................. 22 2.5 กลไกการร่อน (Glide Equilibrium)................................................................................ 24 2.6 แผนภาพวิเคราะห์แรง (Free Body Diagram: FBD) ...................................................... 24 2.7 การเพิ่ ม ประสิ ท ธิ ภาพความเร็ ว และระยะทางของการเคลื่ อ นที่ ( Optimal Gliding Parameters for Maximum Speed and Horizontal Distance) .................................... 26 2.7.1 มุมร่อนที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความเร็วในแนวนอน (Optimal Glide Path Angle for Horizontal Speed) .............................................................................................. 29 2.7.2 การหามุ ม ปะทะที่ เ หมาะสมที่ สุ ด เพื่ อ เพิ่ ม ระยะทางในการร่ อ นในแนวนอน (Optimal Angleof Attack for Maximum Horizontal Distance) ........................... 30 2.8 การออกแบบระบบเครื่องยนต์แรงลอยตัว (Buoyancy Engine Design) ........................ 33 2.8.1 หลักการควบคุมแรงลอยตัว (Buoyancy Control Principle) ............................ 33 2.8.2 หลักการควบคุมมุมก้มเงย (Pitch Control Principle) ....................................... 35 2.8.3 กลไกการควบคุ ม มุ ม ก้ ม เงยด้ ว ยเคลื่ อ นย้า ยมวลภายใน (Pitch Control Mechanism Using Moving Mass) ............................................................................ 37 2.8.4 การบูรณาการระบบควบคุมแรงลอยตัวและมุมก้มเงย (Integration of Buoyancy and Pitch Control Systems) .................................................................................... 38 2.9 ระบบควบคุมอัตโนมัติ (Automatic Control System) ................................................. 38 2.10 เสถียรภาพ(Stability).................................................................................................... 39 2.10.1 ความต้านทาน Pitch (Longitudinal Stability) ............................................. 39 2.10.2 ความต้านทาน Roll (Lateral Stability) .......................................................... 40 จ 2.10.3 ความต้านทาน Yaw (Directional Stability) ................................................... 41 2.11 การหาระยะเลื่อนของ moving mass (moving length) ............................................. 42 2.12 การหาองศาการหมุนของ Rolling mass ...................................................................... 48 บทที่ 3 ขั้นตอนการออกแบบ................................................................................................ 52 3.1 ความต้องการของโครงงาน .............................................................................................. 52 3.2 ข้อกำหนดในการออกแบบ ............................................................................................... 52 3.3 มาตรฐานอ้างอิงเบื้องต้น.................................................................................................. 53 3.4 การเลือกเทคนิคและเครื่องมือที่เหมาะสมสำหรับงานวิศวกรรม ....................................... 54 3.5 แนวคิดในการออกแบบ (Conceptual Design) .............................................................. 55 3.5.1 ภายนอก (Outside) ............................................................................................ 55 3.5.2 อุปกรณ์ภายใน (Internal Components) .......................................................... 62 3.6 การคัดเลือกต้นแบบและการวิเคราะห์เพื่อการปรับปรุง ................................................... 79 3.6.1 การออกแบบส่วนของภายนอก............................................................................ 80 3.6.2 การออกแบบส่วนของภายใน ............................................................................... 81 3.8 การคำนึงถึงปัญหาสิ่งแวดล้อม ......................................................................................... 88 3.8.1 การเลือกใช้วัสดุและการออกแบบที่ลดผลกระทบ ................................................ 88 3.8.2 การใช้พลังงานและระบบขับเคลื่อน ..................................................................... 88 3.8.3 การจัดการของเสียและความเสี่ยง ....................................................................... 89 บทที่ 4 ผลการทดลองและการวิเคราะห์ผลการทดสอบ ..................................................... 90 4.1 ผลที่ได้รับจากการทดสอบการเคลื่อนที่ ............................................................................ 90 4.1.1 การทดสอบการทำมุมของยานร่อน ...................................................................... 90 4.1.1.2 การทดสอบช่วงการทำมุมดำและลอยของยานร่อนใต้น้ำ .................................. 91 บทที่ 5 สรุปผลการดำเนินงานและข้อเสนอนแนะ ............................................................ 94 5.1 สรุปผลการออกแบบ ........................................................................................................ 94 5.2 สรุปผลการทดสอบ .......................................................................................................... 95 ฉ 5.3 ข้อเสนอแนะ .................................................................................................................... 96 เอกสารอ้างอิง ........................................................................................................................... 97 ภาคผนวก..................................................................................................................................97 ช สารบัญตาราง ตารางที่ 1.1 ค่าใช้จ่ายที่ต้องใช้งบประมาณของมหาวิทยาลัย ราคาต่อหน่วย(บาท) ............................4 ตารางที่ 2.1 Myring parameters ................................................................................................. 11 ตารางที่ 3.1 แสดงค่าที่ได้จากการทดลองของ Series 58 Gertler Shapes .................................. 57 ซ สารบัญรูปภาพ ภาพที่ 1.1 แผนภาพ โพรไฟล์แนวดิ่ง (Vertical Profile) ของสมบัติน้ำทะเล ซึ่งแสดง อุณหภูมิ (Temperature), ความเค็ม (Salinity) และ ความหนาแน่น (Density) ตามความลึก [1] ..................1 ภาพที่ 1.2 แผนการทำงาน .................................................................................................................5 ภาพที่ 2.1 Slocum Glider จากบริษัท Teledyne Webb Research [4]........................................7 ภาพที่ 2.2 Spray Underwater Glider [5] ......................................................................................8 ภาพที่ 2.3 Seaglider [6] ..................................................................................................................8 ภาพที่ 2.4 SeaExplorer 200 [7]......................................................................................................9 ภาพที่ 2.5 BioGlider [8] ................................................................................................................ 10 ภาพที่ 2.6 รูปภาพแสดงลำตัวของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ ............................................................... 10 ภาพที่ 2.7 Myring equation parameters model [5] ............................................................... 11 ภาพที่ 2.8 ตัวอย่างของรูปแบบการเกิดการโก่งตัว (Buckling) ที่เกิดขึ้นพร้อมกันหลายโหมด ใน โครงสร้างลำตัวของเรือดำน้ำในงานของ Nugroho [10] ................................................................. 17 ภาพที่ 2.9 รูปภาพแสดงปีกของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ ................................................................... 17 ภาพที่ 2.10 ตำแหน่งของ CG และ CB ........................................................................................... 22 ภาพที่ 2.11 ระยะห่างระหว่าง CG กับ CP กำหนดว่า AUG จะมีเสถียรภาพมากน้อยเพียงใด......... 23 ภาพที่ 2.12 Free Body Diagram (FBD) ของ AUG ขณะทำการร่อนขึ้นในสภาวะสมดุล .............. 24 ภาพที่ 2.13 Free Body Diagram (FBD) ของ AUG ขณะทำการร่อนลงในสภาวะสมดุล ............... 25 ภาพที่ 2.14 กราฟความเร็วแนวนอนสูงสุดเทียบกับขนาดยานร่อนและอัตราส่วนของบัลลาสต์ในงาน ของ Graver [3] .............................................................................................................................. 28 ภาพที่ 2.15 กราฟส่วนประกอบของสมการความเร็วการร่อนแนวนอนจากงานของ Graver [3] ..... 29 ภาพที่ 2.16 ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้านรวม CL,total/CD,total กับมุมปะทะ AoA ................................................................................................................................................ 31 ภาพที่ 2.17 เมื่อระบบลูกสูบ (piston-type) ไม่สูบน้ำเข้าตัวกระบอก ........................................... 34 ภาพที่ 2.18 เมื่อระบบลูกสูบ (piston-type) สูบน้ำเข้าตัวกระบอก ................................................ 34 ภาพที่ 2.19 แสดงตำแหน่ง CG และ CB ณ ตำแหน่งขนานกับแนวระดับ ...................................... 35 ภาพที่ 2.20 แสดงการเคลื่อนตำแหน่งของจุด CG ขณะดำลง ........................................................ 36 ฌ ภาพที่ 2.21 แสดงมุม Pitch ที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนตำแหน่ง CG ขณะดำลง ................................ 36 ภาพที่ 2.22 แสดงการเคลื่อนตำแหน่งของจุด CG ขณะลอยขึ้น ..................................................... 36 ภาพที่ 2.23 แสดงมุม Pitch ที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนตำแหน่ง CG ขณะลอยขึ้น............................ 37 ภาพที่ 2.24 แสดงวัฏจักรการเคลื่อนที่ของ AUG ........................................................................... 38 ภาพที่ 2.25 Block Diagram แสดงการควบคุมมุมก้มเงย (pitch angle) [3] ................................. 38 ภาพที่ 2.26 อธิบาย Stability ทั้ง 3 รูปแบบ รูปภาพจาก Çengel [11] ......................................... 39 ภาพที่ 2.27 แสดงถึงเสถียรภาพตามแนวยาว (Longitudinal Stability) ที่เกิดขึ้นของระบบจาก Valasek [12] .................................................................................................................................. 40 ภาพที่ 2.28 แสดง เสถียรภาพตามแนวขวาง (Lateral Stability) ที่เกิดขึ้นของระบบ ทั้ง 3 แบบ จาก Cook [13] ...................................................................................................................................... 41 ภาพที่ 2.29 แสดง เสถียรภาพเชิงทิศทาง (Directional Stability) ที่เกิดขึ้นของระบบ โดย ครีบแนวตั้ง (Rudder) จาก Mohammad [14] ................................................................................................. 41 ภาพที่ 2.30 แสดงแบบจำลองในการหาระยะเคลื่อนที่ของมวลเคลื่อน ขณะก่อนเคลื่อนที่................42 ภาพที่ 2.31 แสดงแบบจำลองในการหาระยะเคลื่อนที่ของมวลเคลื่อน ขณะเคลื่อนที่.......................43 ภาพที่ 2.32 แสดงแบบจำลองในการหาระยะเคลื่อนที่ของมวลเคลื่อน หลังเคลื่อนที่........................44 ภาพที่ 2.33 ภาพประกอบการคำนวณมุม Pitch Angle ที่จะเกิดขึ้น................................................45 ภาพที่ 2.34 แสดงแบบจำลองในการหาระยะหมุนของมวลเคลื่อนที่ ขณะก่อนหมุน........................47 ภาพที่ 2.35 แสดงแบบจำลองในการหาระยะหมุนของมวลเคลื่อนที่ หลังจากหมุนมวล...................48 ภาพที่ 2.36 ภาพประกอบการคำนวณมุม Roll ที่เกิดขึ้น..................................................................49 ภาพที่ 3.1 Myring equation parameters model ………………………………………………………….....55 ภาพที่ 3.2 Series 58 Gertler Shapes............................................................................................56 ภาพที่ 3.3 แสดงแบบจำลองที่ใช้ปีกแบบตรง.....................................................................................58 ภาพที่ 3.4 แสดงการแบบจำลองที่ใช้ปีกแบบกวาด............................................................................59 ภาพที่ 3.5 แสดงแบบจำลองของ Single Vertical Fin.....................................................................60 ภาพที่ 3.6 แสดงแบบจำลอง Tri-Fin.................................................................................................61 ญ ภาพที่ 3.7 Ballast ที่ใช้ Acrylic เป็นถังอับเฉา.................................................................................63 ภาพที่ 3.8 Block Diagram Ballast Control Concept 1 ............................................................ 64 ภาพที่ 3.9 Ballast ที่ใช้ Syringe เป็นถังอับเฉา................................................................................67 ภาพที่ 3.10 Block Dagram Ballast Control Concept 2 .......................................................... 68 ภาพที่ 3.11 แสดงแบบจำลองในการหา Moving Length ของ Pitch Module..............................71 ภาพที่ 3.12 แบบจำลองในการหามุม Roll ของ Roll Module........................................................72 ภาพที่ 3.13 แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง Rolling angle vs Glider rolling ................................... 72 ภาพที่ 3.14 กลไก Moving Mass แบบที่รวมทั้ง 2 Module เข้าด้วยกัน..........................................73 ภาพที่ 3.15 Block Diagram Pitch&Roll Control Concept 1 ................................................... 74 ภาพที่ 3.16 กลไกของ Moving Mass แบบแยก Module.................................................................76 ภาพที่ 3.17 Block Diagram Pitch&Roll Control Concept 2 ................................................... 77 ภาพที่ 3.18 Pressure Hull ที่ทำการ Redesign แก้ไขปัญหาจากชุด Ballast ............................... 83 ภาพที่ 3.19 ชุด Ballast ที่ได้รับการแก้ไขแล้ว ................................................................................ 85 ภาพที่ 3.20 การทดสอบชุด Ballast ............................................................................................... 85 ภาพที่ 3.21 แสดงการคำนวณระยะทางเคลื่อนมวลที่เพิ่มขึ้นจากการใช้มวล 1 กิโลกรัมเคลื่อนที่ .... 86 ภาพที่ 3.22 แสดงการคำนวณระยะทางเคลื่อนมวลจากการใช้มวล 3 กิโลกรัมเคลื่อนที่ .................. 86 ภาพที่ 3.23 แสดงผลการทดสอบติดตั้งมวล 3 กิโลกรัมกับชุด Pitch Module ............................... 87 ภาพที่ 3.24 Motor ตัวใหม่ที่นำมาทดแทน Stepper Motor ตัวเดิม ............................................. 87 ภาพที่ 4.1 ทดสอบการทำ neutral buoyancy ที่ระดับผิวน้ำ...........................................................90 ภาพที่ 4.2 การทดสอบยานร่อนขณะดำลง........................................................................................91 ภาพที่ 4.3 การทดสอบยานร่อนขณะดำลง........................................................................................91 ภาพที่ 4.4 ภาพการทดสอบการร่อนของยานร่อน.............................................................................92 ภาพที่ 4.5 กราฟแสดงเส้นทางการเคลื่อนที่ของยานร่อนจากการทดสอบ……………………………….92 ฎ 3.81 บทที่ 1 cm บทนำ การสำรวจใต้พื้นสมุทรเป็นเรื่องที่อยู่ในความสนใจของมนุษย์มานาน และได้รับความสนใจมาก ขึ้นจากการค้นพบสินแร่ใต้ท้องทะเล และปัญหาสิ่งแวดล้อมที่ในท้องทะเลที่เกิดขึ้น ความต้องการ ศึกษาเกี่ย วกับ ใต้ พื้น สมุท รที่ มากขึ้น แต่เดิม การดำเนิน การเก็บ ข้ อ มูล ทางทะเลในอดี ตต้ อ งใช้ งบประมาณสูงในแต่ละรอบการสำรวจ ทั้งในด้านอุปกรณ์ บุคลากร และค่าดำเนินการ จนกระทั่งมี การพัฒนาเทคโนโลยียานร่อนใต้น้ำ (Underwater Glider: UG) ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการลดต้นทุน การสำรวจและเพิ่มความสามารถในการเก็บข้อมูลใต้น้ำได้อย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพ 1.1 ที่มาและความสำคัญ ปัจจุบัน โลกให้ความสนใจการสำรวจใต้พื้นสมุทรมากขึ้น จากปัญหาด้านทรัพยากรแร่และ พลังงาน และปัญหาสภาพแวดล้อมใต้ทะเลที่เกิดขึ้น เช่น การรั่วไหลของน้ำมันในทะเล การเสื่อม โทรมของระบบนิเวศทางทะเล และผลกระทบจากภาวะโลกร้อน ซึ่งนำไปสู่อุณหภูมิน้ำทะเลที่เพิ่ม สูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง การดำเนินงานด้านการศึกษาและสำรวจใต้พื้นสมุทรนับเป็นภารกิจที่มีความยาก และเต็มไปด้ว ยข้อจำกัด โดยเฉพาะในด้านการเก็บรวบรวมข้อมูล ทางวิทยาศาสตร์ เช่น ข้อมูล อุณหภูมิ ปริมาณออกซิเจนละลายน้ำ และกระแสน้ำ ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญในการวิเคราะห์ ความ เปลี่ยนแปลงทางพลวัตของระบบมหาสมุทร ทั้งนี้ การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในแนวตั้งของคอลัมน์น้ำ ตามระดับความลึกมีผลกระทบมากกว่าการเปลี่ยนแปลงในแนวนอน ทำให้การเก็บข้อมูลจำเป็นต้อง ดำเนินการโดยตรงในพื้นที่จริง ด้วยการนำเซนเซอร์ลงไปติดตั้งในระดับความลึกที่ต้องการ ภาพที่ 1.1 แผนภาพ โพรไฟล์แนวดิ่ง (Vertical Profile) ของสมบัติน้ำทะเล ซึ่งแสดง อุณหภูมิ (Temperature), ความเค็ม (Salinity) และ ความหนาแน่น (Density) ตามความลึก [1] 1 ในอดีต การเก็บข้อมูลทางทะเลจำเป็นต้องอาศัยเรือสำรวจซึ่งมีต้นทุนสูงทั้งในด้านค่าเช่า ค่า เชื้อเพลิง และค่าบุคลากร โดยมีต้นทุนเฉลี่ยประมาณ 20,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อวัน (ประมาณ 6 แสน บาทต่อวัน ณ อัตราแลกเปลี่ยน 1 USD ≈ 32.52 THB) โดยมีข้อจำกัดเรื่องระยะเวลาการปฏิบัติการ และรัศมีการสำรวจ ส่งผลให้การเก็บข้อมูลในพื้นที่กว้างของมหาสมุทรไม่สามารถดำเนินการได้อย่างมี ประสิทธิภาพ จากรายงานของมหาวิทยาลัย Oregon State University (OSU) ระบุว่า ยานร่อนใต้น้ำที่ใช้งาน จริงมีความยาวประมาณ 7 ฟุต (ประมาณ 2.13 เมตร) และมีน้ำหนักประมาณ 100 ปอนด์ (ประมาณ 45.36 กิโลกรัม) โดยติดตั้งเซนเซอร์สำหรับวัดอุณหภูมิ ความเค็ม ปริมาณคลอโรฟิลล์ และออกซิเจน ละลายน้ำ สามารถปฏิบัติภารกิจได้ต่อเนื่อง 3–5 สัปดาห์ และส่งข้อมูลกลับมาทางดาวเทียมทุก 6 ชั่วโมง โดยยานร่อนใต้น้ำหนึ่งตัวมีมูลค่าประมาณ 100,000 ดอลลาร์สหรัฐ แต่สามารถประหยัด ต้นทุนได้ถึง 600,000 ดอลลาร์ภายในเวลา 5 สัปดาห์ เมื่อเทียบกับการใช้เรือสำรวจแบบเดิม “ภายในเวลา 5 สัปดาห์ คุณสามารถประหยัดงบประมาณได้ถึง 600,000 ดอลลาร์ และไม่มีใครเมา เรือ” — Jack Barth, OSU [2] ในปัจจุบัน ยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ได้รับการพัฒนา และนำไปใช้ งานอย่า งแพร่ ห ลายในต่า งประเทศ ทั้ ง ในภารกิ จ ด้า นความมั่ น คง ( Military Applications) และงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ (Scientific Research) อย่างไรก็ตาม ในบริบทของ ประเทศไทย ยังพบว่าการศึกษาและพัฒนาเทคโนโลยี AUG ยังคงอยู่ในวงจำกัด อีกทั้งอุปกรณ์ AUG ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดยังมีราคาสูง ซึ่งส่งผลให้หน่วยงานวิจัยหรือบุคคลทั่วไปที่มีข้อจำกัดด้าน งบประมาณไม่สามารถเข้าถึงเทคโนโลยีดังกล่าวได้อย่างทั่วถึง ดังนั้น โครงการนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อออกแบบและพัฒ นาต้นแบบยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ที่สามารถนำไปต่อยอดในการศึกษาวิจัยและใช้งานจริง ในอนาคต โดยมุ่งเน้นการพัฒนาให้มีต้นทุนไม่สูง รองรับการปรับเปลี่ยนอัตราบรรทุก (payload) ได้ ตามลักษณะของภารกิจ รวมถึงการจัดทำรายการคำนวณสำหรับการออกแบบระบบในด้านต่าง ๆ เพื่อใช้เป็นแนวทางสำหรับการออกแบบและพัฒนา AUG ในรูปแบบอื่น ๆ ทั้งนี้เพื่อให้ผู้ที่มีความ ประสงค์จะออกแบบ AUG สามารถใช้งานวิจัยฉบับนี้เป็นแนวทางเบื้องต้นในการพัฒนาและต่อยอดได้ ต่อไป 1.1.1 กลุ่มลูกค้าเป้าหมาย กลุ่มผู้ใช้เป้าหมายของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติประกอบด้วย นักวิจัยด้านสมุทรศาสตร์และ สิ่งแวดล้อม ที่ต้องการออกแบบและสร้างยานร่อนใต้น้ำในการเก็บข้อมูลใต้พื้นสมุทรและ หน่วยงาน ภาคการศึกษา ที่ต้องการออกแบบยานร่อนใต้น้ำ และระบบควบคุมอัตโนมัติ รวมถึงการทำต้นแบบ เพื่อการศึกษาและวิจัย 2 1.1.2 ความต้องการของลูกค้า ความต้องการของผู้ใช้งานที่ได้จากการสัมภาษณ์และวิเคราะห์กลุ่มเป้าหมายสามารถสรุปได้ดังนี้ 1. ต้องการต้นทุนการผลิตที่ต่ำกว่ายานร่อนเชิงพาณิชย์ 2. สามารถปรับเปลี่ยนอัตราบรรทุก (payload) ได้ตามประเภทงานวิจัย 3. มีความสามารถในการเคลื่อนที่แม่นยำตามเส้นทางที่กำหนด 1.2 วัตถุประสงค์ของโครงงาน 1. เพื่อสร้างยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติต้นแบบ สำหรับทดสอบประสิทธิภาพการออกแบบ 2. สร้างรายการคำนวณเพื่อการออกแบบสำหรับอัตราบรรทุก (payload) ขนาดต่างๆ 1.3 ขอบเขตของโครงงาน 1. สร้างยานร่อนใต้น้ำต้นแบบที่สามารถเคลื่อนที่ได้แบบอัตโนมัติ ตามเส้นทางรูปแบบฟันเลื่อย (sawtooth path) 2. ยานร่อนใต้น้ำสามารถเคลื่อนที่ได้แบบอัตโนมัติ ที่ระดับความลึกทดสอบ 3 เมตร 3. ยานร่อนใต้น้ำสามารถเคลื่อนโดยที่มีอัตราบรรทุก (payload) 3 กิโลกรัม 1.4 งบประมาณ โครงการนี้ได้ประเมินงบประมาณเบื้องต้นสำหรับการจัดซื้ออุปกรณ์หลักที่ใช้ในการสร้าง ต้นแบบยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) โดยใช้อุปกรณ์พื้นฐาน เช่ น ท่ อ อะคริ ลิ ก (Acrylic tube), ชุ ด เซนเซอร์ (Sensor Module), ไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontroller Unit: MCU), แบตเตอรี่ (battery pack), ระบบบัลลาสต์ (ballast system) และ เซอร์โวมอเตอร์ (Servo motor) โดยมีรายละเอียดงบประมาณ ดังแสดงในตารางที่ 1.1 3 ตารางที่ 1.1 ค่าใช้จ่ายที่ต้องใช้งบประมาณของมหาวิทยาลัย ราคาต่อหน่วย (บาท) ราคาต่ อหน่ว ย รา คา ร ว ม (บาท) (บาท) 1. ท่ออะคริลิกใส (OD 140 mm, หนา 3 mm, ยาว 1 m) 1 ท่อน 1,700.00 1,700.00 2. Microcontroller (Arduino Nano RP2040) 1 ตัว 950.00 950.00 3. Sensor วัดความดันน้ำ 1 ตัว 1,285.00 1,285.00 4. แบตเตอรี่+ที่ชาร์จ 1 ก้อน 1,000.00 1,000.00 5. ตะกั่วถ่วงน้ำหนัก 3 กล่อง 950.00 950.00 6. Stepper motor 3 ตัว 800.00 2,400.00 7. อลูมิเนียมและแผ่นอะคริลิค 5 แผ่น 160.00 800.00 8. Filament 4 ม้วน 600.00 2,400.00 งบประมาณรวมเบื้องต้นโดยประมาณ 11,485.00 หมายเหตุ เป็นงบประมาณราคาไม่สุทธิ ราคาสินค้าเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับร้านค้า รายละเอียด จำนวน หน่วย 4 1.5 การวางแผนโครงการและโครงสร้างทีม ภาพที่ 1.2 แผนการทำงาน 5 บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ในบทนี้เป็น การรวบรวมองค์ความรู้ที่เ กี่ยวข้ องกับ การออกแบบยานร่อนใต้น้ำ อัตโนมั ติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) โดยเริ่ ม จากการศึ ก ษางานวิ จั ย ที่ มี การพั ฒ นาเป็ น ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ [3] เพื่อเป็นแนวทางในการออกแบบโครงงานนี้ จากการศึกษางานวิจัยดังกล่าว สามารถระบุองค์ประกอบสำคัญที่ต้องออกแบบ ได้แก่ โครงสร้างลำตัว (hull), ปีก (wing), ระบบ สร้างแรงลอยตัว (buoyancy engine), ระบบควบคุมอัตโนมัติ (Automatic Control System), และ เสถียรภาพของตัวยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (stability) 2.1 ยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) คือยานพาหนะไร้ คนขับที่ออกแบบมาเพื่อปฏิบัติภารกิจสำรวจใต้ทะเลโดยไม่จำเป็นต้องใช้ระบบขับเคลื่อนแบบใบพัด เหมือนยานใต้น้ำทั่วไป โดย AUG ทำงานโดยอาศัยหลักการเปลี่ยนแรงลอยตัว (buoyancy) และ กลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass system) เพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง และสร้างแรง ร่อนที่ทำให้ยานสามารถเคลื่อนที่ในแนวลาดเอียงได้อย่างต่อเนื่อง เป็นรูปแบบฟันเลื่อย (sawtooth path) ระหว่างการร่อนลงและร่อนขึ้น ซึ่งเกิดจากการสลับระหว่างสถานะการจมและลอยตัว ผ่าน ระบบกลไกที่ปรับปริมาตรของของเหลวภายในห้องลอยตัว โดยไม่ใช้พลังงานในการขับเคลื่อนโดยตรง เช่น ถุงควบคุมแรงลอยตัว (bladder) หรือ ระบบบัลลาสต์ (ballast system) ยาน AUG มักติดตั้งเซนเซอร์สำหรับการเก็บข้อมูลทางสมุทรศาสตร์ เช่น เซนเซอร์วัด อุณหภูมิ ความเค็ม ความดัน ปริมาณออกซิเจน หรือกระแสน้ำ รวมถึงสามารถปรับเปลี่ยนอัตรา บรรทุก (payload) ให้เหมาะสมกับภารกิจเฉพาะทางได้ เช่น การติดกล้องถ่ายภาพใต้น้ำหรือระบบ การตรวจวัดทางชีวภาพ นอกจากนี้ AUG ยังสามารถควบคุมการนำทางได้อย่างแม่นยำผ่านระบบนำ ทางภายใน ซึ่ ง ประกอบด้ ว ย หน่ ว ยวั ด ความเฉื่ อ ย (Inertial Measurement Unit: IMU) และ เซนเซอร์ วั ด ความดั น (Pressure Sensor) โดยจะใช้ ระบบกำหนดตำแหน่ ง บนโลก (Global Positioning System: GPS) เฉพาะเมื่อยานขึ้นสู่ผิวน้ำเท่านั้น การออกแบบระบบนำทางในลักษณะ ดังกล่าว ส่งผลให้ AUG เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสูง เหมาะสำหรับการเก็บรวบรวมข้อมูลใน พื้นที่ทะเลลึก การติดตามการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมใต้ทะเล ตลอดจนภารกิจที่ต้องการความ ประหยัดพลังงานและการดำเนินงานอย่างต่อเนื่องในระยะยาว 6 ณ ปี ค.ศ. 2003 ยานร่ อ นใต้ น้ำ อั ต โนมั ติ ที่ ขั บ เคลื่ อ นด้ ว ยการปรั บ แรงลอยตั ว (buoyancy- driven) จำนวนสามรุ่น ได้แก่ Slocum, Spray และ Seaglider ได้รับการพัฒนาและ นำไปใช้งานภาคสนามจริงในหลายพื้นที่ทั่วโลก ทั้งในด้านการสำรวจสมุทรศาสตร์และการติดตาม ข้อมูลสิ่งแวดล้อมระยะยาว ยานเหล่านี้นับเป็นต้นแบบที่สำคัญของเทคโนโลยี AUG สมัยใหม่ และ เป็นกรณีศึกษาที่มีการอ้างอิงอย่างแพร่หลายในวงการวิจัย ด้วยเหตุนี้ การศึกษาแนวทางการออกแบบ ของยานรุ่นดังกล่าว จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนา AUG ต้นแบบในโครงการนี้ โดยผู้วิจัยได้ ทำการรวบรวมข้อมูล เพื่อนำมาเปรียบเทียบด้านโครงสร้าง สำหรับเป็นแนวทางในการออกแบบต่อไป 2.1.1 Slocum Glider Slocum Glider เป็ น ยานร่ อ นใต้ น้ำ อั ต โนมั ติ แ บบดั้ ง เดิ ม ที่ พั ฒ นาโดย Webb Research Corporation ซึ่งมีส องรุ่น หลักคือ รุ่นใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ (Slocum Electric) และรุ่นที่ใช้ พลังงานจากความต่างอุณหภูมิของน้ำ จุดเด่นของ Slocum คือโครงสร้างสมมาตรและเรียบง่าย ใช้ ระบบลูกสูบ (piston-type) เพื่อปรับแรงลอยตัว และใช้การเลื่อนมวลภายใน เพื่อควบคุมมุมก้มเงย (pitch angle) และมุมเอียงข้าง (roll angle) รูปร่างของตัวถังมีลักษณะเหมือนตอร์ปิโด (torpedo shape) ภาพที่ 2.1 Slocum Glider จากบริษัท Teledyne Webb Research [4] 7 2.1.2 Spray Glider Spray Glider เป็ น ยานที่ ใ ช้ ก ลไกการร่ อ นใต้ น้ำ ที่ พั ฒ นาโดย Scripps Institution of Oceanography โดยมีเป้าหมายเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพในการเดินทางระยะไกลกว่า Slocum โดยมีแรงต้าน ต่ำกว่า Slocum ถึง 50% จากการออกแบบลำตัวที่มีความลู่ น้ำสูง ระบบควบคุมของ Spray ใช้การเลื่อนแบตเตอรี่ภายในในแนวแกน (axial translation) เพื่อควบคุมมุมก้มเงย (pitch angle) และมุมเอียงข้าง (roll angle) เพื่อบังคับเลี้ยว ภาพที่ 2.2 Spray Underwater Glider [5] 2.1.3 Seaglider Seaglider ถู ก พั ฒ นาขึ้ น ที่ University of Washington โดยเน้ น การใช้ พ ลั ง งานอย่า งมี ประสิทธิภาพสูงสุดเพื่อรองรับภารกิจระยะไกลและเวลาปฏิบัติงานต่อเนื่องยาวนาน จุดเด่นคือการใช้ ร่างกายที่ออกแบบเฉพาะสำหรับ การไหลแบบค่าจำนวนเรย์โนลด์ (Reynolds number: Re) ต่ำ เพื่อให้มีแรงต้านต่ำที่สุด ใช้ระบบลูกสูบเช่นเดียวกับ Slocum และ Spray แต่เพิ่มความสามารถของ แบตเตอรี่ ภาพที่ 2.3 Seaglider [6] 8 2.1.4 SeaExplorer 200 SeaExplorer 200 เป็นยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติรุ่นใหม่จากบริษัท ALSEAMAR ซึ่งได้รับการ พัฒนาต่อยอดจากแนวคิดการออกแบบแบบดั้งเดิม โดยยังคงใช้ระบบปรับแรงลอยตัวด้วยถุงน้ำมัน (Oil Bladder System) เช่นเดียวกับยานรุ่นก่อนหน้า อย่างไรก็ตาม SeaExplorer 200 ได้รับการ ปรับปรุงให้มีคุณสมบัติพลศาสตร์ของไหลใต้น้ำ (Hydrodynamic Characteristics) ที่ทันสมัยและมี ประสิทธิภาพยิ่ง ขึ้ น ด้ว ยลักษณะรู ป ทรงที่เ หมาะสมสำหรั บ การลดแรงต้านในน้ำ ซึ่งช่ว ยเพิ่ ม ประสิทธิภาพในการร่อน ได้อย่างมีนัยสำคัญ ภาพที่ 2.4 SeaExplorer 200 [7] 2.1.5 BioGlider BioGlider เป็นยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ที่ได้รับ การพัฒนาต่อยอดจาก Seaglider โดยอยู่ภายใต้โครงการ BioGlider ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่าง หลายองค์กรในทวีปยุโรป จุดเด่นสำคัญของ BioGlider คือการปรับปรุงประสิทธิภาพของ Seaglider ดั้งเดิมให้สามารถเก็บข้อมูลทางชีววิทยาในทะเลได้อย่างละเอียดและมีความแม่นยำมากยิ่งขึ้น การ ปรับปรุงดังกล่าวประกอบด้วยการติดตั้งเซนเซอร์เฉพาะทาง เช่น ระบบอคูสติกความถี่หลายช่วง (Multi-Frequency Acoustic System) รุ่น EK80 สำหรับการตรวจวัดสิ่งมีชีวิตในทะเล และอุปกรณ์ ถ่ายภาพและวิเคราะห์แพลงก์ตอน (Underwater Vision Profiler: UVP6) ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถ ในการศึกษาองค์ประกอบทางชีววิทยาในคอลัมน์น้ำได้ในระดับจุลภาค ด้านโครงสร้าง ยังคงมีลักษณะ เป็นทรงตอร์ปิโด (torpedo shape) เช่นเดียวกับ Seaglider รุ่นดั้งเดิม และใช้ระบบปรับแรงลอยตัว ด้วยระบบลูกสูบ (piston-type) ควบคู่กับกลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass system) เพื่อ ควบคุมการเคลื่อนไหวของตัวยานอย่างมีเสถียรภาพ 9 ภาพที่ 2.5 BioGlider [8] 2.2 การออกแบบโครงสร้างลำตัว (Hull design) ภาพที่ 2.6 รูปภาพแสดงลำตัวของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ จากการศึกษางานวิจัยดังกล่าวจะโครงสร้างลำตัว (hull) ของยานร่อนใต้น้ำถูกออกแบบให้มี ลักษณะแตกต่างกันตามลักษณะภารกิจที่ใช้งาน โดยปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณาในการออกแบบ ได้แก่ รูปทรงภายนอก แรงยก (lift) และแรงต้าน (drag) ที่เกิดขึ้นจากการไหลของของไหลผ่านพื้นผิว ของลำตัว โดยการออกแบบรูปทรงที่เหมาะสมสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการร่อนและลดการ สูญเสียพลังงานระหว่างการเคลื่อนที่ได้อย่างมีนัยสำคัญ หนึ่งในแนวทางที่นิยมใช้ในการออกแบบ รูปทรงลำตัวคือการประยุกต์ใช้สมการเชิงประจักษ์ที่เหมาะสมกับพลศาสตร์ของไหลใต้น้ำ 2.2.1 สมการ Myring (Myring Equation) สมการ Myring เป็นสมการเชิงประจักษ์ (empirical equation) ที่นำมาใช้เป็นแนวทางในการ กำหนดเส้นรอบรูปของส่วนหัวและส่วนท้ายของวัตถุทรงแกนสมมาตรที่เคลื่อนที่ในของไหล เช่น ยาน ร่อนใต้น้ำ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อให้รูปทรงลำตัวมีแรงต้าน (drag) ต่ำที่สุด รูปทรงที่ได้จากสมการนี้จะ 10 ช่วยลดการแยกตัวของกระแสน้ำ (flow separation) และลดแรงต้านจากความดัน (pressure drag) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยสมการดังกล่าวมีพื้นฐานมาจากการทดลอง (empirical) และสามารถ ประยุกต์ใช้กับรูปทรงแบบสมมาตรหรือไม่สมมาตรได้ตามลักษณะภารกิจ ซึ่งสามารถคำนวณได้ตาม สมการที่ (2.1) และ (2.2) 1 1 Ξ + aoffset − a 2 n r(Ξ) = 2 · d · [1 − ( ) ] a r(Ξ) = (2.1) (2.2) 1 3d tanθ d tanθ · d − [( 2 − )] (Ξ − l)2 + [ 2 − ] (Ξ − lf )3 2 2c c c c ตารางที่ 2.1 Myring parameters Parameters Description Units a Nose section length เมตร aoffset Nose offset เมตร b Constant radius center section length เมตร c Tail section length เมตร coffset Tail offset เมตร n Exponential coefficient - θ Included tail angle เรเดียน d Maximum Hull diameter เมตร l Vehicle total length เมตร lf Vehicle forward length เมตร ภาพที่ 2.7 Myring equation parameters model [5] 11 2.2.2 แรงยกที่เกิดจากลำตัว (Lift Generated by the Hull) แรงยก (lift) คือแรงที่กระทำในแนวตั้งฉากกับทิศทางการไหลของของไหลที่เคลื่อนที่ผ่านผิว ของวัตถุ สำหรับกรณีของโครงสร้างลำตัว (hull) แรงยกสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อรูปร่างของลำตัวไม่ สมมาตร หรือเมื่อยานร่อนใต้น้ำมีมุมเอียงกับทิศทางการไหลของกระแสน้ำ โดยที่แรงยกที่เกิดจาก ลำตัว มักจะมีค่าน้อยกว่าที่เกิดจากปีก แต่มีบทบาทที่สำคัญในการปรับท่าทางและสมดุลของยานร่อน ใต้น้ำ ในระหว่างการเคลื่อนที่ โดยพฤติกรรมทางกลศาสตร์ของไหลนี้สามารถวิเคราะห์ได้ในลักษณะ เดีย วกัน กับ แรงยกของแผ่น ปีกบางในของไหลที่ มีความเร็ว ต่ำ ซึ่งการคำนวณแรงยกของลำตั ว (𝐹𝐿,𝐻𝑢𝑙𝑙 ) แสดงในสมการที่ (2.3) 1 (2.3) FL,Hull = ρv 2 Aproj CL,Hull 2 เมื่อ ρ คือ ความหนาแน่นของของไหล (กิโลกรัมต่อลูกบากศ์เมตร) v คือ ความเร็วสัมพัทธ์ของของไหล (เมตรต่อวินาที) Aproj คือ พื้นที่ฉายด้านข้างของลำตัว (ตารางเมตร) CL,Hull คือ สัมประสิทธิ์แรงยกของลำตัว (ขึ้นกับรูปร่างและมุมปะทะ) สัมประสิทธิ์แรงยกของลำตัว (CL,Hull ) สามารถคำนวณผ่านแนวคิดทฤษฎีของ Hopkins S (2.4) CL,Hull,AProj = 2(k 2 − k1 ) star α AProj โดยที่ค่า (𝑘2 − 𝑘1 ) เป็นฟังก์ชั่นของค่าค่าความชะลูด สามารถคำนวณให้จากสมการใช้ในช่วง 4≤ L Dmax (k 2 − k1 ) = −0.0006548( ≤ 19 L Dmax )2 + 0.0256 L Dmax + 0.73 (2.5) จาก DATCOM ให้แนวคิดไว้ว่าให้ใช้พื้นหน้าตัดอ้างอิงที่ xstar โดยสามารถประมาณค่าได้ดังนี้ 𝑥𝑠𝑡𝑎𝑟 = 0.378𝐿 + 0.527 𝑥1 (2.6) โดย x1 = xat minimum(dr) dx Sstar = πr( xstar )2 α = มุมปะทะ ในหน่วยของ เรเดียน 12 2.2.3 แรงต้านที่เกิดจากลำตัว (Drag generated by the Hull) แรงต้า นจะเกิ ดขึ น้ เมื่ อ มี การเคลื่ อ นที่ ข องวัต ถุผ่า นของไหล ซึ่ง มี ทิ ศ ตรงข้า มกับ ทิ ศทางของ ความเร็วสัมพัทธ์ โดยในทางกลศาสตร์ของไหลที่ศึกษาพฤติกรรมของวัตถุท่ีเคลื่อนที่ผ่านของไหล แรงต้านของ ลาตั ว (hull drag) แบ่ ง ออกเป็ น แรงต้า นจากความหนื ด (viscous drag) และแรงต้า นจากความดั น (pressure drag) โดยแรงต้านจากความหนืดเกิดจากแรงเฉือนของของไหลที่ไหลผ่านผิวของลาตัว ส่วนแรง ต้านจากความดันเกิดจากความต่างของความดันระหว่างด้านหน้ากับด้านหลังของยาน โดยเฉพาะเมื่อมีการ แยกตัวของกระแสของไหล ซึ่งรวมเรียกว่าแรงต้านรวมของลาตัว (𝐹𝐷,ℎ𝑢𝑙𝑙 ) ดังแสดงในสมการที่ (2.7) 1 FD,Hull = ρv 2 Awet CD,Hull 2 เมื่อ Awet (2.7) คือ พื้นที่ผิวสัมผัสน้ำของลำตัว (ตารางเมตร) CD,Hull คือ สัมประสิทธิ์แรงต้านของลำตัว สัมประสิทธิ์แรงต้านของลำตัว (𝐶𝐷,𝐻𝑢𝑙𝑙 ) หรือเรียกแทนค่าว่า 𝐶𝐷 ที่เกิดจากเป็นสัมประสิทธิ๋ค่าแรง ต้านของลำตัวที่เกิดขึ้นจาก Skin friction โปรไฟล์ของรูปทรงของ Hull CD = CD0 + CD2 α2 2 C CD = kCf + L,Hull α2 πeAR (2.8) (2.9) โปรไฟล์ของรูปทรงของ Hull โดยใช้ข้อมูลของ ITTC-1957 ที่ใช้ในการประมาณค่า 𝐶𝑓 เป็นฟังก์ชั่น ของ Reynold number โดยให้คิดเป็นส่วนของ Reynold number ที่เกิดจากส่วนของความยาว ลำตัวของ Hull โดยได้สมการดังนี้ Cf = (log 0.075 10 Re−2) โดย Re = เมื่อ ρ 2 ρVL 𝜇 คือ ความหนาแน่นของของไหล (กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร) V คือ ความเร็วสัมพัทธ์ของของไหล (เมตรต่อวินาที) L คือ ความยาวของลำตัว Hull μ คือ ความหนืดของ Fluid (ปาสคาลวินาที) 13 (2.10) (2.11) DATCOM 1978 ได้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับการประมาณค่า form factor ไว้ว่าเป็นฟังก์ชั่นของ Slenderness ( L Dmax ) ดังสมการต่อไปนี้ 60 k=1+ ( L Dmax ) 3 + ( L ) Dmax (2.12) 400 2.2.4 ความแข็งแรงของโครงสร้างลำตัว (Strength of Hull Design) เมื่อโครงสร้างลำตัวที่มีลักษณะเป็นท่อหรือกระบอกบาง (Thin-Walled cylinder) ถูกกระทำ ด้วยแรงดันภายนอก เช่น แรงดันจากน้ำทะเล สุญญากาศ หรือแรงดันจากชั้นดินทะเล การวิเคราะห์ จะเกี่ยวข้องกับความเค้นในลักษณะเยื่อบาง (Membrane stress) ที่เกิดขึ้นบนผนังของโครงสร้าง ทั้ง ในแนวรอบวง (Hoop direction) และแนวแกน (Axial direction) รวมถึงการประเมินเสถียรภาพต่อ การบัคกลิ้งหรือยุบตัว (Buckling) เนื่องจากแรงดันภายนอกสามารถทำให้โครงสร้างเกิดความไม่ เสถียรทั้งในเชิงยืดหยุ่น (Elastic Instability) และในเชิงพลาสติก (Plastic instability) ได้ก่อนที่จะ ถึงค่าความเค้นคราก (Yielding) การวิเคราะห์ดังกล่าวเริ่มต้นจากการตรวจสอบว่าโครงสร้างดังกล่าว เข้าเงื่อนไขของกระบอกบางหรือไม่ โดยพิจารณาจากอัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกต่อ ความหนาผนัง ตามเกณฑ์ที่กำหนดไว้ในงานของ Boresi [9] Do t > 20 (2.13) เมือ่ Do คือ เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (มิลลิเมตร) t คือ ความหนาของผนังโครงสร้างลำตัว (มิลลิเมตร) ในการวิเคราะห์ดังกล่าว ยังมีการตั้งสมมติฐานเพิ่มเติมว่า โครงสร้างลำตัวทำจากวัสดุที่เป็นเนื้อ เดียวกันและมีคุณสมบัติเชิงกลเหมือนกันในทุกทิศทาง (Isotropic and Homogeneous) โดยแรงดัน ภายนอกที่กระทำกับโครงสร้างมีค่าสม่ำเสมอทั่วทั้งผิว ยกเว้นบริเวณปลายของลำตัวที่อาจได้รับ ผลกระทบจากสภาพขอบของโครงสร้าง 14 2.2.4.1 ความเค้นในแนวรอบวงและแนวแกน (Hoop and Axial Stresses) แรงดันภายในที่กระทำต่อผนังของทรงกระบอกจะก่อให้เกิดความเค้นแบบดึง (hoop tension) ในแนวรอบวงของผนั ง โครงสร้า งลำตั ว ขณะที่ แ รงดั น ภายนอกจะก่ อ ให้ เ กิ ดความเค้ น แบบอัด (compressive stress) ซึ่งอาจนำไปสู่ความไม่เสถียรของโครงสร้างได้ ทั้งนี้ความสัมพันธ์ของความ เค้นที่เกิดขึ้น ดังแสดงในสมการที่ (2.14) และ (2.15) [9] ความเค้นแนวรอบวง (hoop stress, 𝜎𝜃 ) 𝜎𝜃 = − 𝑝𝐷𝑜 (2.14) 2𝑡 ความเค้นในแนวแกน (axial Stress, 𝜎𝑎 ) σa = − เมื่อ p pDo (2.15) 4t คือความดันที่เกิดขึ้น (เมกะพาสกาล) Do คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (เมตร) t คือความหนาของผนังโครงสร้างลำตัว (เมตร) 2.2.4.2 การยุบตัวเนื่องจากการบัคกลิ้ง (Collapse by Buckling หรือ Critical Pressure) แรงดัน ภายนอกที่ ก ระทำต่ อโครงสร้างลำตัว (hull) อาจทำให้เ กิ ด การโก่ งตัว หรื อยุ บ ตั ว (buckling) ก่ อ นที่ จะถึ ง ค่า ความเค้ น คราก (yield stress) ซึ่ ง ถื อ เป็ น ลั ก ษณะความเสี ยหายเชิง เสถียรภาพ ดังนั้นในการออกแบบจึงต้องคำนึงถึงค่าความดันวิกฤติ( critical pressure) ซึ่งเป็นค่า ความดันสูงสุดที่โครงสร้างสามารถรับได้ก่อนเกิดการโก่งตัวหรือยุบตัว โดยสามารถคำนวณได้จาก สมการของ Boresi [9] ดังแสดงในสมการที่ (2.16) ความดันวิกฤติ (critical pressure, Pcr ) Pcr = เมื่อ E 2E t 3 (D ) 2 √3(1−ν ) o คือ โมดูลัสของยัง (Young’s modulus) (เมกะพาสกาล) 15 (2.16) v คือ ค่าสัมประสิทธิ์ของปัวซอง (Poisson’s ratio) โดยกรณีที่จะเหมาะสำหรับใช้สมการนี้ได้ ความยาวของโครงสร้างลำตัวต้องมากกว่า 10 เท่า ของเส้นผ่านศูนย์กลางของโครงสร้างลำตัว 2.2.4.3 การวิบัติแบบคราก (Yield Collapse) โครงสร้างลำตัว (hull) ที่มีความหนาและ ใช้ภายในสถานการณ์ที่แรงดันที่สูงมาก วัสดุจะเกิด การครากก่อนที่จะเกิดการโก่งตัว (Buckling) โดย โครงสร้างลำตัว จะเสียรูปเมื่อ ความเค้นรอบวง (hoop stress) มี ค่า สู ง ถึ ง ค่า ครากในแนวแรงอั ด (Compressive yield strength) จากความดั น ภายนอกที่กระทำต่อโครงสร้างลำตัว ดังแสดงในสมการที่ (2.17) ค่าความดันที่ทำให้เกิดการคราก (yield pressure, Py ) Py = 2tSy Do (2.17) เมื่อ Sy คือ ความเค้นครากของวัสดุ (yield strength) (เมกะพาสกาล) 2.2.4.4 การโก่งตัวในโครงสร้างลำตัว (Buckling in Hull) โครงสร้างลำตัว (hull) ของ ยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) หากไม่ได้ใช้ในภารกิจที่มีความลึกมาก การโก่งตัว (buckling) จะทำให้ โครงสร้างลำตัว (hull) เสียรูปก่อนถึงความเค้นครากของวัสดุ (yield strength) เพราะฉะนั้นจึงจำเป็นต้องให้ความสำคัญกับ การโก่งตัว (buckling) โดยในยานร่อนใต้น้ำการโก่งตัวจะเกิดจาก ความดันภายนอก (External Pressure) โดยลักษณะของการ การโก่งตัว จะเกิดลักษณะความเสียหายเป็น “บุบเป็นคลื่นวงรี” (local ovalization) ซึ่งเรียกว่า โหมดการโก่งตัว (Buckling mode) โดยโหมดการโก่งตัว (Buckling mode) ของโครงสร้างลำตัว (hull) จะแตกต่างกันไปตามสัดส่วนความยาวโครงสร้างลำตัวต่อเส้น ผ่านศูนย์กลางและเส้นผ่านศูนย์กลางต่อความหนาของโครงสร้างลำตัว สำหรับ AUG ที่มีโครงสร้าง ลำตัว (Hull) ยาวไม่มากและผนังไม่บางมาก อาจเกิดโหมดการโก่งตัว (Buckling mode) แบบหลาย แฉกโดยรอบ (circumferential lobes) โดยแสดงในรู ป ด้า นล่า งนี้ โหมดการโก่ ง ตั ว (Buckling mode) ของโครงสร้างลำตัว ในกรณีของเรือดำน้ำ (submarine) ที่เกิดโหมดการโก่งตัว ที่แตกต่างกัน เป็นผลมาจากลักษณะรูปทรง (geometry) ที่ต่างกัน 16 ภาพที่ 2.8 ตัวอย่างของรูปแบบการเกิดการโก่งตัว (buckling) ที่เกิดขึ้นพร้อมกันหลายโหมด ใน โครงสร้างลำตัวของเรือดำน้ำในงานของ Nugroho [10] 2.3 การออกแบบโครงสร้างปีก (Wing design) ภาพที่ 2.9 รูปภาพแสดงปีกของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ ปีกเป็นองค์ประกอบสำคัญที่ใช้สร้างแรงยกให้กับยานร่อนใต้น้ำ โดยต้องออกแบบให้เหมาะสม กับความเร็ว มุมปะทะ และค่าจำนวนเรย์โนลด์ (Reynolds number: Re) เพื่อให้ได้อัตราส่วนแรงยก ต่อแรงต้าน (lift-to-drag ratio: L/D) เหมาะสมที่สุด 17 2.3.1 ชนิดของปีก (Type of Wing) ชนิดของปีกมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการร่อน ในการช่วยพยุงยานร่อนและลดแรงต้านจาก การเคลื่อนที่ โดยปีกที่นิยมใช้ในยานใต้น้ำประกอบด้วย - ปีกสมมาตร (Symmetric hydrofoil) หมายถึงปีกที่มีลักษณะสมมาตรระหว่างด้านบนและ ด้านล่างทำให้เกิดแรงยกเกิดขึ้นในมุมปะทะที่ศูนย์ มีค่าเท่ากันทั้งสองด้าน ปีกชนิดนี้เหมาะ สำหรับการเคลื่อนที่ในทิศทางคงที่และมีความเสถียรสูง - ปีกไม่สมมาตร (Cambered hydrofoil) หมายถึงแผ่นปีกที่มีลักษณะไม่สมมาตรกันระหว่าง ด้านบนและด้านล่าง ซึ่งทำให้มีความสามารถในการสร้างแรงยกได้มากกว่าปีกแบบสมมาตร ในมุมปะทะเดียวกัน ปีกชนิดนี้จะเหมาะสำหรับยานที่ต้องการแรงยกสูงหรือมีข้อ จำกัด ทางด้านความเร็ว - ปีกแบบแผ่นเรียบ (flat plate) ปีกลักษณะนี้มีลักษณะเป็นแผ่นเรียบไม่มีความโค้ง โครงสร้าง เรียบง่ายและน้ำหนักเบา เหมาะกับลักษณะงานที่ไม่ต้องการแรงยกที่สูง เช่น การทดสอบ ต้นแบบหรือระบบเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ 2.3.2 แรงยกที่เกิดจากลำตัว (Lift generated by the wing) แรงยก (lift) คือแรงที่กระทำตั้งฉากกับทิศทางการไหลของของไหลที่เคลื่อนที่ผ่านผิว ของปีก โดยที่แรงนี้เกิดจากความแตกต่างของความดันระหว่างด้านบนและด้านล่างของปีก ซึ่งเป็นผล จากรูปทรงของปีกและมุมปะทะ (Angle of Attack: AoA) ในทางกลศาสตร์ของไหล แรงยกสามารถ วิเคราะห์ได้โดยใช้หลักการของสมการเบอร์นูลลีและทฤษฎีปีกบาง โดยในการประมาณค่าแรงยกใน กรณีที่มีมุมปะทะไม่สูงมาก จะใช้ความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างค่าสัมประสิทธิ์แรงยกกับมุมปะทะดังนี้ ซึ่งการคำนวณแรงยกของปีก (FL,wing ) แสดงในสมการที่ (2.18) 1 FL,wing = ρV 2 Awing CL,wing 2 เมื่อ Awing คือ พืน้ ที่ปีก (ตารางเมตร) CL,wing คือ สัมประสิทธิ์แรงยกของปี ก (ขึน้ กับรูปร่างและมุมปะทะ) 18 (2.18) โดย 𝐶𝐿,𝑤𝑖𝑛𝑔 สามารถประมาณค่าได้จากสมการ Prandtl’s lifting-line (LLT) 𝐶𝐿,𝑤𝑖𝑛𝑔 = เมื่อ e 2𝜋 1+ 2𝜋 𝜋𝑒𝐴𝑅 𝛼 (2.19) คือ ค่า Oswald factor AR คือ Aspect Ratio α คือ มุมปะทะ 2.3.3 แรงต้านที่เกิดจากลำตัว (Drag generated by the wing) แรงต้าน (drag) คือแรงที่กระทำในทิศทางตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุผ่านของไหล ซึ่งในกรณีของยานร่อนใต้น้ำ แรงต้านจะเกิดจากการปะทะและไหลของมวลน้ำกับผิวปีก โดยแรงนี้ ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการร่อน ระยะทาง และพลังงานที่ใช้ในแต่ละรอบการปฏิบัติงาน ในทางกลศาสตร์ของไหล แรงต้านของปีกสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทหลัก ได้แก่ แรงต้านจาก ความหนืดและพื้นผิว (Viscous drag / Skin friction) เกิดจากการเสียดทานของของไหลกับผิวของ ปีก และแรงต้านจากการเปลี่ยนทิศทางของของไหล (Form drag และ Induced drag) เกิดจากการ ไหลปั่นป่วนที่ตามหลังวัตถุหรือปลายปีก แรงต้านรวมสามารถประมาณได้จากสัมประสิทธิ์แรงต้าน (CD ) ซึ่งเป็นฟังก์ชันค่าจำนวนเรย์โนลด์ (Reynolds number: Re) และรูปทรงของปีก โดยสามารถ คำนวณแรงต้านของปีก (FD,wing ) ดังแสดงในสมการที่ (2.20) 1 FD,wing = ρV 2 Awing CD,wing 2 เมื่อ 𝐶𝐷,𝑤𝑖𝑛𝑔 คือ สัมประสิทธิ์แรงต้านของปีก (ขึ้นกับรูปร่างและมุมปะทะ) สัมประสิทธิ์แรงต้านของปีกที่เกิดขึ้น สามารถคำนวณได้จาก lift-line-theory CD,wing = CD0 + CD2 α2 CD,wing = CD,skinfriction at wing + CD2,Induced drag α2 19 (2.20) CD,skinfriction at wing = 2Cskinfriction FF โดย Cskinfriction = (2.20) 0.075 (log10 Re−2)2 ซึง่ ปีกที่เป็นปีกบางจะต้องคิดที่ 2 เท่าเมื่อเทียบกับ Awing เมื่อ Re คือ Reynolds Numbers ของปีก FF คือ ค่า Formfactor ที่ขึ้นอยู่กับรูปร่างของปีก CD2 = CL,wing2 πeAR (2.21) ในส่วนของ Induced drag หรือ แรงต้านเหนี่ยวนำ คือ แรงต้านที่เกิดขึ้นโดยอ้อมจากการ สร้างแรงยกของปีกเครื่องร่อน เกิดจากการที่อากาศใต้ปีกซึ่งมีความดันสูงกว่า ไหลขึ้นไปผสมกับ อากาศเหนือปีกที่มีความดันต่ำกว่าบริเวณปลายปีก ทำให้เกิดการหมุนวนของอากาศ (vortex) ที่ ปลายปีก ซึ่งเป็นการเบี่ยงอากาศลง ทำให้เกิดแรงผลักไปข้างหลังที่ต้านการเคลื่อนที่ของ เครื่องบิน แรงต้านชนิดนี้จะลดลงเมื่อความเร็วเครื่องร่อนเพิ่มขึ้น 2.4 พลศาสตร์การเคลื่อนที่ของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider Dynamics) ยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) เคลื่อนที่โดยใช้หลักการ เปลี่ยนแปลงแรงลอยตัว (Buoyancy Control) และการควบคุมสมดุลเชิงสถิต (Static Stability) ผ่านการปรับตำแหน่งจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) โดยไม่ใช้ระบบขับเคลื่อนแบบ ใบพัด ทำให้ประหยัดพลังงานและสามารถปฏิบัติภารกิจได้ยาวนาน การออกแบบพลศาสตร์ของ AUG จำเป็นต้องพิจารณาความสัมพันธ์ของจุดสำคัญสามจุด ได้แก่ จุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG), จุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) และจุดศูนย์กลางแรงต้าน (Center of Pressure: CP) เพื่อให้มั่นใจว่า ยานสามารถทรงตัวและเคลื่อนที่ได้อย่างเสถียรและควบคุมได้ตาม ต้องการ 2.4.1 จุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) จุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) คือจุดที่แรงโน้มถ่วงของโลกกระทำเสมือนว่ามวล ของวัตถุทั้งหมดถูกรวมอยู่ที่จุดนั้น เป็นจุดที่ใช้ในการวิเคราะห์พฤติกรรมการเคลื่อนที่ของระบบ 20 โดยเฉพาะในวัตถุที่ต้องการความสมดุลในการเคลื่อนไหวอย่าง AUG ตำแหน่งของ CG มีผลโดยตรง ต่อมุมก้มเงย (pitch angle) ของยาน หาก CG อยู่ใกล้ส่วนหัวของยาน มากเกินไปจะทำให้ยานก้มลง ในขณะที่หากอยู่ใกล้ส่วนท้าย มากเกินไปจะทำให้ยานเชิดหัวขึ้น และอาจทำให้การควบคุมทิศทางไม่ แม่นยำ โดยสามารถคำนวณหาค่า CG ทำได้ดังสมการที่ (2.22) xCG = เมื่อ Σ(mi ∙xi ) Σmi (2.22) m𝑖 คือ มวลของชิ้นส่วนที่ i (กิโลกรัม) xi คือ ตำแหน่งของชิ้นส่วนนั้นตามแนวแกนที่สนใจ (เช่น แนวแกน x) (เมตร) xCG คือ ตำแหน่งของจุดศูนย์กลางมวลรวม (เมตร) ในทางปฏิบัติ สามารถใช้ซอฟต์แวร์ CAD เช่น SolidWorks เพื่อใส่มวลและตำแหน่งของแต่ละ ชิ้นส่วน แล้วใช้คำสั่ง เพื่อให้ซอฟต์แวร์วิเคราะห์หาตำแหน่ง CG ได้โดยอัตโนมัติ 2.4.2 จุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) จุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) คือจุดที่แรงลอยตัวรวมซึ่งเกิดจากการ แทนที่ของของไหลกระทำเสมือนว่ามาจากจุดเดียว โดยแรงลอยตัวจะกระทำในแนวดิ่งขึ้น จุด CB ขึ้นอยู่กับรูปร่างภายนอกของวัตถุและปริมาตรที่จมน้ำ สำหรับ AUG การจัดตำแหน่งของ CB ควบคู่กับ CG เป็นสิ่งสำคัญมากในการรักษาเสถียรภาพ ในแนวการเคลื่อนที่มุมก้มเงย (pitch angle) หาก CB อยู่เหนือ CG เล็กน้อยจะช่วยให้ยานกลับสู่ ตำแหน่งสมดุลได้เมื่อมีการเอียงโดยสามารถคำนวณหาค่า CG ทำได้ดังสมการที่ (2.23) xCB = เมื่อ Σ(Vi ∙xi ) ΣVi 𝑉𝑖 คือ ปริมาตรของชิ้นส่วนที่แทนน้ำ (ลูกบาศก์เมตร) 𝑥𝑖 คือ ตำแหน่งของปริมาตรนั้น (เมตร) 𝑥𝐶𝐵 คือ ตำแหน่งของจุดศูนย์ลอยตัวรวม (เมตร) 21 (2.23) ในทางปฏิบัติ สามารถวิเคราะห์ได้จากโมเดล 3 มิติของ AUG โดยใช้ซอฟต์แวร์ CAD หรือซอฟต์แวร์ วิเคราะห์การไหลของของไหล (CFD) โดยการจัดวางตำแหน่งระหว่างจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) และจุดศูนย์กลาง แรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเสถียรภาพของยานร่อนใต้ น้ำ ในแนวการเคลื่อนมุมก้มเงย (pitch angle) โดยเฉพาะในระบบที่เคลื่อนไหวในของเหลวอย่าง AUG หากตำแหน่งของ CG อยู่ ต่ำกว่า ตำแหน่งของ CB (ในแนวดิ่ง) จะเกิดแรงโมเมนต์คืนกลับ (Restoring Moment) ซึ่งช่วยให้ยานสามารถกลับสู่ตำแหน่งสมดุลได้อย่างรวดเร็ว เมื่อเกิดการเอียง ส่งผลให้ยานมีเสถียรภาพสูง และสามารถรักษาทิศทางการเคลื่อนที่ได้ดีแม้มีการรบกวนจากภายนอก ในทางตรงกันข้าม หาก CG อยู่ สูงกว่า CB ยานจะมีเสถียรภาพต่ำ และมีแนวโน้มที่จะพลิก หรือแกว่งมากเมื่อถูกรบกวน โดยเฉพาะในสภาพน้ำที่มีความปั่นป่วน ด้วยเหตุนี้ ในการออกแบบ AUG ที่มีประสิทธิภาพ เราจะจัดให้ตำแหน่งของ CG อยู่ ต่ำกว่า CB เล็กน้อย เพื่อให้ระบบเกิดโมเมนต์คืนกลับที่เหมาะสม และสามารถรักษาสมดุลในการเคลื่อนที่ ร่อนใต้น้ำได้อย่างมีเสถียรภาพ ภาพที่ 2.10 ตำแหน่งของ CG และ CB 2.4.3 จุดศูนย์กลางแรงต้าน (Center of Pressure: CP) จุดศูนย์กลางแรงต้าน (Center of Pressure: CP) คือจุดที่แรงยก (lift) และแรงต้าน (drag) ที่ เกิดจากการไหลของของไหลกระทำรวมกัน จุดนี้มีความสำคัญอย่างมากในชิ้นส่วนอย่างปีก หรือ รูปร่างที่สัมผัสกับการไหลของของเหลว โดยเราสามารถประมาณการตำแหน่งของ CP สำหรับ flat plate ดังสมการที่ (2.24) xCP = xLE + (0.25 ∙ c) 22 (2.24) เมื่อ xLE คือ ตำแหน่งขอบนำ (Leading Edge) ของปีก (เมตร) c คือ ความยาวคอร์ดของปีก (Chord Length) (เมตร) xCP คือ โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 25% ของ คอร์ดจากตำแหน่ง ขอบนำ (Leading Edge) (เมตร) โดยการวางตำแหน่งของ CG และ CP มีผ ลโดยตรงต่อเสถียรภาพของยาน โดยเฉพาะใน พฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงมุมก้มเงย (pitch angle) ของปีก หากตำแหน่งของ CP อยู่ ด้านหลัง CG จะเกิดโมเมนต์คืนกลับที่ช่วยให้ยานสามารถกลับสู่แนว เคลื่อนที่เดิมได้เมื่อเกิดการเบี่ยงเบน ส่งผลให้ยานมีเสถียรภาพสูง (stable) และควบคุมทิศทางได้ อย่างแม่นยำ ในทางกลับกัน หาก CP อยู่ ด้านหน้า CG ยานจะเกิดโมเมนต์ที่ส่งผลให้การเอียงเพิ่มขึ้นเมื่อถูกรบกวน ทำให้เกิดอาการไม่เสถียร (unstable) และอาจสูญเสียการควบคุม ด้วยเหตุนี้ ในการออกแบบที่เหมาะสม ควรวางตำแหน่งของ CG ให้อยู่ก่อนหน้า CP เล็กน้อย เพื่อให้ระบบสามารถสร้างโมเมนต์คืนกลับได้อย่างมีประสิทธิภาพ และรักษาเสถียรภาพของยาน ในขณะเคลื่อนที่ผ่านของไหล CG CP CG CP CG CP ภาพที่ 2.11 ระยะห่างระหว่าง CG กับ CP กำหนดว่า AUG จะมีเสถียรภาพมากน้อยเพียงใด 23 2.5 กลไกการร่อน (Glide Equilibrium) จากการศึกษากลไกการร่อน (Glide equilibrium) พบว่าการออกแบบ AUG ต้องพิจารณา องค์ประกอบสำคัญ ได้แก่ ขนาดลำตัว , ปริมาตรของระบบบัล ลาสต์ (ballast system), มุมร่อน (glide path angle), ความเร็วร่อน และอัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้าน (lift-to-drag ratio: L/D) โดย แต่ ละปั จ จั ย สั ม พั น ธ์ กั น ผ่า นการวิ เ คราะห์ พ ลศาสตร์ เช่ น แผนภาพวิ เ คราะห์ แ รง (Free Body Diagram: FBD) และ มุมปะทะ (Angle of Attack: AoA) ตัวอย่างเช่น AUG ทั่วไปมักออกแบบให้มี glide path angle ค่อนข้างชัน (~35°) [3] เพื่อให้ได้ความเร็วสูงสุดตามขนาด ballast ในขณะที่ การออกแบบสำหรับ glide path angle ตื้นจะต้องอาศัยค่า L/D ที่สูงขึ้น กล่าวโดยสรุป การออกแบบ AUG เราจะเน้นการประเมินสมรรถนะผ่าน 4 ประเด็นหลัก ได้แก่ แผนภาพวิเคราะห์ แรง (Free Body Diagram: FBD), การกำหนดมุมสำคัญ (Angle Definition), ความเร็วร่อน (speed) และอัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้าน (lift-to-drag ratio: L/D) ซึ่งเป็นปัจจัยที่ กำหนดประสิทธิภาพและความเสถียรของ AUG 2.6 แผนภาพวิเคราะห์แรง (Free Body Diagram: FBD) ยานร่ อ นใต้ น้ำ อั ต โนมั ติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) เคลื่ อ นที่ โ ดยการ เปลี่ยนแปลงแรงลอยตัว (buoyancy) และการกระจายมวลภายในลำตัวเพื่อปรับทิศทางมุมก้มเงย (pitch angle) โดยไม่ต้องใช้ใบพัดแบบทั่ว ไป การวิเคราะห์ แรงจึงเป็นหัว ใจสำคัญในการเข้า ใจ พฤติกรรมการทรงตัวและเส้นทางการเคลื่อนที่ของ AUG โดยแสดงแรงต่าง ๆ ที่กระทำกับตัวกลไก ใน ระหว่างอยู่ในภาวะการร่อน ดังภาพที่ 2.12 และ 2.13 ภาพที่ 2.12 Free Body Diagram (FBD) ของ AUG ขณะทำการร่อนขึ้นในสภาวะสมดุล 24 ภาพที่ 2.13 Free Body Diagram (FBD) ของ AUG ขณะทำการร่อนลงในสภาวะสมดุล เมื่อ W คื อ น้ำ หนั ก (weight) (นิ ว ตั น ) มาจากมวลรวมของ AUG และชี้ ล งในแนวดิ่ ง โลก (downward in inertial frame) หาได้จากสมการที่ (2.25) W=m∙g (2.25) คือ แรงลอยตัว (buoyancy force) (นิวตัน) เกิดจากการแทนที่ของของเหลว (น้ำจืด) โดยปริมาตรของ AUG และมีทิศตรงข้ามกับแรงโน้มถ่วง หาได้จากสมการที่ (2.26) Fb Fb = ρwater ∙ Vdisplaced ∙ g (2.26) คือ แรงยก (lift force) (นิวตัน) เกิดจากปีกโดยทำมุมกับการไหลของกระแสน้ำ ทำให้ เกิดแรงยกตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ หาได้จากสมการที่ (2.27) FL 1 FL = ρv 2 As CL 2 (2.27) FD คือ แรงต้าน (drag force) (นิวตัน) เป็นแรงที่เกิดจากความต้านทานของของเหลวต่อ การเคลื่อนที่ของ AUG มีทิศตรงกันข้ามกับทิศความเร็วสัมพัทธ์ หาได้จากสมการที่ (2.28) 1 FD = ρv 2 As CD 2 (2.28) คื อ มุ ม ก้ ม เงย (pitch angle) เป็ น มุ ม ระหว่า งแนวลำตั ว ของ AUG กั บ แนวนอน (horizontal axis) (เรเดียน) θ คื อ มุ ม ร่ อ น (glide path angle) เป็ น มุ ม ระหว่า งแนวการเคลื่ อ นที่ ข อง AUG กั บ แนวนอน (horizontal axis) (เรเดียน) ξ 25 คือ มุมปะทะ (Angle of Attack: AoA) เป็นมุมระหว่างแนวลำตัวกับแนวการไหลของของไหล (เรเดียน) α 2.7 การเพิ่ ม ประสิ ท ธิ ภาพความเร็ ว และระยะทางของการเคลื่ อ นที่ (Optimal Gliding Parameters for Maximum Speed and Horizontal Distance) ในการออกแบบยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ความเร็ว ในการเคลื่อนที่ในแนวนอน (horizontal speed) ถือเป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อประสิทธิภาพของ ภารกิจ เช่น ความรวดเร็วในการสำรวจหรือการเคลื่อนที่ไปยังจุดเป้าหมาย ความเร็วสูงสุดในแนวนอน ของกลไกการร่อนใต้น้ำ (gliding) จึงสามารถประเมินได้จากการพิจารณาปัจจัย 3 ประการหลัก ได้แก่ ปริมาตรของตัวกลไก (glider volume, Vol), สัดส่วนมวลบัลลาสต์ (ballast fraction, nb ) และ แรงต้านทานของตัวกลไก (drag force) โดยจะมีสมการและความสัมพันธ์ที่สำคัญดังนี้ - สมการความเร็วสูงสุดในแนวนอน (Vx ) คือ สมการพื้นฐานที่ใช้คำนวณความเร็วสูงสุดใน แนวนอน จากสมดุลแรงและแรงต้านของเหลวในแนวการเคลื่อนที่ ดังแสดงในสมการที่ (2.29) [3] Vx = (1 2 เมื่อ m0 1 2 m0 g 2 ρCD Vol3 1 ) (sinξ)2 cosξ คือ มวลสุทธิ (Net buoyant mass) (กิโลกรัม) ρ คือ ความหนาแน่นของน้ำ (กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร) CD คือ สัมประสิทธิ์แรงต้าน 1 (Sinξ)2 cosξ คือ ค่าที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุดตามมุมการร่อนจาก ภาพที่ 2.15 26 (2.29) - การนิยามสัดส่วนมวลบัลลาสต์ (ballast fraction, 𝑛𝑏 ) สัดส่วนมวลบัลลาสต์ (ballast fraction, nb ) เป็นตัวแปรที่แสดงถึงความสามารถของระบบบัล ลาสต์ในการสร้างแรงลอยตัวสุทธิ (Net buoyancy force) เมื่อเทียบกับมวลรวมของระบบโดยหาได้ จากสมการ (2.30) nb = m0 ρVol (2.30) - การเปรียบเทียบสเกลของความเร็วกับ volume และ ballast fraction กรณีที่ 1: รักษาค่า nb คงที่ และเพิ่มขนาดปริมาตรของกลไกจะได้ว่า 1 Vx ∝ Vol ⁄6 จากความสัมพันธ์ข้างต้น แสดงให้เห็นว่าความเร็วเพิ่มขึ้นในอัตราที่ช้ากว่าการเพิ่มปริมาตร กล่าวคือ การเพิ่มปริมาตรของกลไก 8 เท่า จะทำให้ความเร็วเพิ่มขึ้นเพียง 2 เท่า ทั้งนี้พฤติกรรม ดังกล่าวเป็นไปตามความสัมพันธ์เชิงลอการิทึม (Logarithmic relationship) ไม่ใช่เชิงเส้น กรณีที่ 2: รักษา volume คงที่ และเพิ่มค่า 𝑛𝑏 1 Vx ∝ nb ⁄2 จากความสัมพันธ์ข้างต้น แสดงให้เห็นถึง หากเพิ่มค่า ballast fraction เป็น 4 เท่า ความเร็ว ในแนวนอนของยานจะเพิ่ ม ขึ้ น ประมาณ 2 เท่า จากสมการข้า งต้ น สามารถจั ด ทำกราฟแสดง ความสัมพันธ์ระหว่าง glider volume (แกน x) และ ความเร็วในแนวนอนสูงสุด (𝑉𝑥 , แกน y) สำหรับ ค่า ballast fraction ที่แตกต่างกันได้ ดังแสดงในภาพที่ 2.14 27 ภาพที่ 2.14 กราฟความเร็วแนวนอนสูงสุดเทียบกับขนาดยานร่อนและอัตราส่วนของบัลลาสต์ในงาน ของ Graver [3] จากกราฟจะเห็น ว่า เส้น โค้งแต่ละเส้นแทนค่า คงที่ ข อง ballast fraction โดยมีค่าตั้ ง แต่ nb =0.005 (เช่ น กรณี Slocum) ไปจนถึ ง nb =0.4 ซึ่ ง ถื อ ว่า เป็ น ค่า ที่ สู ง มากในการใช้ งานจริ ง จุดสำคัญที่สังเกตได้คือ ความเร็วสูงสุดในแนวนอนของกลไก ( Vx ) จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงที่ กลไกมีขนาดเล็ก โดยเฉพาะเมื่อปริมาตรอยู่ในช่วงประมาณ 0.01–0.1 ลูกบาศก์เมตร ซึ่งสะท้อนให้ เห็นว่า AUG ขนาดเล็กมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรอย่างชัดเจน อย่างไรก็ตาม เมื่อ ปริมาตรเพิ่มขึ้นต่อเนื่อง ความเร็วสูงสุดกลับเพิ่มในอัตราที่ช้าลง แสดงถึงความสัมพันธ์แบบกำลังน้อย 1 ระหว่าง Vx และ Vol ซึ่งสอดคล้องกับการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีที่ได้ว่า Vx ∝ Vol ⁄6 นอกจากนี้ ยังพบว่า ballast fraction (nb ) มีอิทธิพลต่อความเร็วมากกว่าการเพิ่มขนาดกลไก ที่ปริมาตรยาน เท่าเดิม หากเพิ่ม 𝑛𝑏 =จาก 0.005 ไปเป็น 0.1 ความเร็วจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญจากประมาณ 0.5 m/s เป็นมากกว่า 2 m/s ซึ่งเป็นการเพิ่มความเร็วถึง 4 เท่า ในขณะที่ปริมาตรไม่เปลี่ยนแปลง แสดง ให้เห็นว่า ballast fraction เป็นตัวแปรที่สามารถปรับใช้เพื่อควบคุมสมรรถนะของกลไกได้อย่างมี ประสิทธิภาพกว่าการเพิ่มปริมาตร เพียงอย่างเดียว ท้ายที่สุด เส้นโค้งของ AUG รุ่น Slocum ซึ่งมี nb =0.005 และปริมาตรราว 0.05 m³ ได้ แสดงให้เห็นขีดจำกัดของความเร็วตามการออกแบบในปัจจุบัน และสามารถใช้เป็นจุดอ้างอิงเพื่อ 28 เปรีย บเทีย บกับ แนวทางการออกแบบใหม่ ที่เน้น การเพิ่ม nb เพื่อให้ได้ความเร็ว สูงขึ้น โดยไม่ จำเป็นต้องเพิ่มขนาดกลไกมากนัก โดยรวมแล้ว กราฟชี้ให้เห็นว่า หากเป้าหมายของการออกแบบคือความเร็วสูงสุด การเพิ่ม ballast fraction ให้มากขึ้นจะให้ผลลัพธ์ที่คุ้มค่ากว่าการเพิ่มขนาดของกลไกเพียงอย่างเดียว อย่างไร ก็ตามการเพิ่ม nb ยังต้องคำนึงถึงพลังงานที่ใช้ในการปั้มของเหลว (pumping work) และระบบ ควบคุมภายในที่ซับซ้อนขึ้นด้วย 2.7.1 มุมร่อนที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความเร็วในแนวนอน (Optimal Glide Path Angle for Horizontal Speed) การเคลื่อนที่ของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ที่ใช้ แรงลอยตัวเป็นแรงขับเคลื่อนสามารถวิเคราะห์ได้จากพฤติกรรมของความเร็วในแนวนอน Vx ซึ่งมี รูปแบบเป็นไปตามสมการที่ (2.18) ความสัมพันธ์นี้แสดงให้เห็นว่า ความเร็วในแนวนอนจะขึ้นอยู่กับ 1 ค่าของพจน์ (sinξ)2 cosξ โดยตรงซึ่งสามารถแสดงพฤติกรรมของฟังก์ชันดังกล่าวได้จากกราฟหน้า ถัดไป ภาพที่ 2.15 กราฟส่วนประกอบของสมการความเร็วการร่อนแนวนอนจากงานของ Graver [3] 29 1 จากกราฟจะพบว่าฟังก์ชัน (sinξ)2cosξ มีค่าสูงสุดที่ Glide Path Angle ประมาณ 35 องศา ซึ่งหมายความว่า ความเร็วในแนวนอน (Vx ) ของยานจะมีค่ามากที่สุดเมื่อ Glide Path Angle อยู่ ใกล้เคีย งกับ 35° ดังนั้น ค่ามุมนี้จึงถือเป็นค่าที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบวิถี การเคลื่ อ นที่ (trajectory) หากเป้าหมายคือการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วในแนวนอน (Vx ) ที่มากที่สุด 2.7.2 การหามุมปะทะที่เหมาะสมที่สุดเพื่อเพิ่มระยะทางในการร่อนในแนวนอน (Optimal Angleof Attack for Maximum Horizontal Distance) เพื่อให้ยานใต้น้ำแบบร่อนสามารถเคลื่อนที่ในแนวนอนได้ไกลที่สุดโดยไม่ใช้พลังงานขับเคลื่อน เพิ่มเติม จำเป็น ต้องออกแบบให้มีประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนระยะทางในแนวนอนกับการ เปลี่ยนแปลงระดับความลึกในแนวดิ่งอย่างสูงสุด ตัวแปรที่ใช้ประเมินประสิทธิภาพในลักษณะนี้คือ C อัตราส่วนระหว่างแรงยกต่อแรงต้านรวม ซึ่งแสดงในรูปของสัมประสิทธิ์แรงคือ C L,total D,total โดยพิจารณาสถานะที่ยานกำลังร่อนในแนวเฉียงภายใต้สมดุลของแรงจาก ภาพที่ 2.13 เราจะ สามารถเขียนสมการสมดุลในทิศทางของการร่อนดังนี้ พิจารณาสมดุลแรงแกน x ; โดยที่ ∑Fx = 0 ; (W − Fb )sinξ = FD 1 FD = 2 ρv 2 CD,total As 1 จะได้ (2.31) (W − Fb )sinξ = ρv 2 CD,total As 2 พิจารณาสมดุลแรงแกน y ; ∑Fy = 0 ; (W − Fb )cosξ = FL 1 โดยที่ FL = 2 ρv 2 CL,total As จะได้ (W − Fb )cosξ = 2 ρv 2 CL,total As 1 (2.32) นำสมการที่ (2.32) หารด้วย สมการที่ (2.31) จะได้ CL,total ⁄C = cot ξ D,total C ซึ่งแสดงให้เห็นว่าอัตราส่วน C L,total มีความสัมพันธ์โดยตรงกับมุมร่อน (glide path angle, D,total ξ)กล่าวคือ หากต้องการให้ยานเคลื่อนที่ได้ระยะทางในแนวนอนมากที่สุด ควรเลือกมุมปะทะ 30 C (Angle of Attack: AoA) ที่ให้ค่า C L,total สูงที่สุด เพราะจะส่งผลให้ 𝜉 มีค่าต่ำ และอัตราส่วน D,total การร่อน (glide ratio) มีค่าสูงที่สุดตามไปด้วย ทั้งนี้ เนื่องจาก CL,total และ CD,total ต่างเป็นฟังก์ชันของ AoA การศึกษาความสัมพันธ์ของ CL,total CD,total กับ AoA จึงเป็นวิธีที่สำคัญในการเลือกมุมปะทะที่เหมาะสมที่สุดต่อการเพิ่มประสิทธิภาพ ในการร่อนของยาน C กราฟในรูปถัดไปจึงถูกใช้เพื่อแสดงพฤติกรรมของอัตราส่วน C L,total ตามการเปลี่ยนแปลงของ D,total AoA ซึ่งช่วยระบุมุมที่ให้ค่าสูงสุดได้โดยตรง ภาพที่ 2.16 ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้านรวม CL,total/CD,total กับมุมปะทะ AoA C จากกราฟใน ภาพที่ 2.16 จะเห็นได้ว่า ค่า C L,total มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเมื่อมุม AoA เพิ่มขึ้น D,total ในช่วงต้น และจะเริ่มลดลงหลังจากถึงจุดสูงสุด ซึ่งจุดสูงสุดของกราฟดังกล่าวมีความหมายที่สำคัญใน เชิงพลศาสตร์การร่อน เนื่องจากเป็นค่าที่แสดงถึง ประสิทธิภาพสูงสุดในการแลกเปลี่ยนระหว่าง ระยะทางในแนวนอนและระยะทางในแนวดิ่ง C กล่าวคือ ยิ่งอัตราส่วน C L,total มีค่าสูง ยานจะสามารถเคลื่อนที่ในแนวนอนได้ไกลขึ้นต่อการ D,total ลดระดับความลึกหนึ่งหน่วย ซึ่งเป็นสิ่งที่ต้องการในระบบที่ใช้พลังงานจากแรงลอยตัวของ AUG ที่เน้น การร่อนแบบประหยัดพลังงาน 31 ค่ามุมปะทะ (Angle of Attack: AoA) ที่สอดคล้องกับจุดสูงสุดของกราฟจึงมีบทบาทเป็น จุดอ้างอิงสำคัญในการกำหนดวิถีการเคลื่อนที่ (trajectory) ของยาน กล่าวคือจะนำไปใช้ในการ ออกแบบมุ ม ร่ อ น (glide path angle, ξ) ที่ เ หมาะสมที่ สุ ด เพื่ อ ให้ สามารถควบคุม ทิ ศ ทางและ ระยะทางของการร่อนได้ไกลที่สุด นอกจากนี้ ค่ามุมปะทะที่เหมาะสมยังช่วยลดแรงต้านรวมของยาน ส่งผลให้ไม่เพียงแค่ได้ระยะ ทางไกลขึ้น แต่ยังลดการสูญเสียพลังงาน ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับยานร่อนใต้น้ำที่มีแหล่ง พลังงานจำกัด เช่น ระบบแบตเตอรี่ภายใน หรือที่ทำงานในระยะเวลานานโดยไม่มีการเติมพลังงาน ระหว่างทาง C ด้ว ยเหตุนี้ จุดสูงสุดของกราฟ C L,total จึงถือเป็นปัจจัยสำคัญทางวิศวกรรมที่ใช้ในการ D,total ออกแบบโครงสร้างและกลยุทธ์การควบคุมของยานร่อนใต้น้ำ ด้วยเช่นกัน เพื่อให้สามารถดำเนิน ภารกิจในทะเลได้อย่างหลากหลายและมีประสิทธิภาพสูงสุด ทว่าในทางปฏิบัติ การเคลื่อนที่ด้วยมุม ร่อนนี้อาจทำให้ยานมีความเร็วช้าเกินกว่าที่จะต้านทานกระแสน้ำเฉลี่ยในทะเลได้ 2.7.3 การถ่วงดุลระหว่างความเร็วและระยะทางของการร่อน (Design Trade-Off Between Speed and Range in Glider Motion) ในการออกแบบพฤติ ก รรมการเคลื่ อ นที่ ข องยานร่ อ นใต้ น้ำ อั ต โนมั ติ ( Autonomous Underwater Glider: AUG) เป้า หมายด้า นประสิ ท ธิ ภาพมั ก แบ่ ง ออกเป็ น สองด้า นหลั ก ได้ แ ก่ ความเร็วในการเคลื่อนที่ และระยะทางในการร่อน ซึ่งมีปัจจัยควบคุมหลักที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน นั่นคือ มุมร่อน (glide path angle, ξ) และมุมปะทะ (Angle of Attack: AoA) ตามลำดับ หากต้องการให้ยานเคลื่อนที่ด้วย ความเร็วในแนวนอนสูงสุด จะต้องพิจารณามุมร่อน เนื่องจาก พลั ง งานขั บ เคลื่ อ นของยานในระบบที่ ใ ช้ แ รงลอยตั ว มาจากการเคลื่ อ นที่ ใ นทิ ศ เฉี ย ง ดั ง นั้ น องค์ประกอบของความเร็วในแนวนอนความเร็วในแนวนอน (Vx ) จะขึ้นอยู่กับฟังก์ชันของ มุมร่อน (glide path angle, ξ) ซึ่งจะมีค่าสูงสุดที่ glide path angle ( ξ ) ที่ 35 องศา ดังแสดงในกราฟที่ ศึกษาไว้ก่อนหน้านี้ ค่า glide path angle ที่เหมาะสมจึงเป็นตัวกำหนด trajectory ที่ให้ความเร็ว การเคลื่อนที่มีประสิทธิภาพที่สุด ในทางตรงกันข้าม หากเป้าหมายคือการร่อนให้ได้ระยะทางไกลที่สุดต่อการร่อนหนึ่งรอบ จะต้องพิจารณา มุมปะทะ (Angle of Attack: AoA) เนื่องจากระยะทางในการร่อนสัมพันธ์โดยตรง 32 C กับอัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้าน C L,total ซึ่งมีค่าสูงสุดที่ AoA ที่เหมาะสมระดับหนึ่ง โดยทั่วไปจะอยู่ D,total C ในช่วงค่าปานกลางไม่ต่ำหรือสูงเกินไป จุดที่ C L,total สูงสุดจึงถูกใช้เป็นแนวทางในการเลือก AoA D,total เพื่อให้ได้ glider ratio สูงที่สุด ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อระยะทางที่ AUG จะเคลื่อนที่ได้ต่อหนึ่ง cycle กล่าวโดยสรุป การเพิ่มความเร็วและการเพิ่มระยะทางของการร่อนเป็น เป้าหมายที่ ต้อ ง ออกแบบบนพื้นฐานของพารามิเตอร์ต่างกัน หากต้องการออกแบบให้เหมาะกับภารกิจเฉพาะ ต้อง พิจารณาเลือกใช้ glide path angle และ AoA ให้เหมาะสมกับวัตถุประสงค์ 2.8 การออกแบบระบบเครื่องยนต์แรงลอยตัว (Buoyancy Engine Design) การออกแบบระบบเครื่องยนต์แรงลอยตัว (buoyancy engine) สำหรับยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) มีบทบาทสำคัญในการควบคุมการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง ผ่านการเปลี่ยนแปลงแรงลอยตัวและการควบคุมมุมปะทะผ่านการเปลี่ยนตำแหน่งจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) กลไกที่ใช้งานในโครงการนี้ประกอบด้วยระบบผสมผสานระหว่างระบบ ลูกสูบ (piston-type) สำหรับควบคุมแรงลอยตัว และกลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass system) สำหรับควบคุมมุมก้มเงยของยาน (pitch angle) 2.8.1 หลักการควบคุมแรงลอยตัว (Buoyancy Control Principle) แรงลอยตัวเกิดจากแรงกระทำของของไหลที่กระทำในทิศตรงข้ามกับแรงโน้มถ่วงตามกฎของ อาร์คิมีดีส ซึ่งสามารถเขียนในรูปสมการได้ดังนี้ Fb = ρfluid ⋅ g ⋅ V เมื่อ Fb (2.33) คือ แรงลอยตัว (นิวตัน) ρfluid คือ ความหนาแน่นของของไหล (กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร) g คือ ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (เมตรต่อวินาทีกำลังสอง) V คือ ปริมาตรของของไหลที่ถูกแทนที่ (ลูกบาศก์เมตร) การควบคุมแรงลอยตัวสามารถทำได้โดยการปรับเปลี่ยนมวลของยานในขณะที่ปริมาตรคงที่ เพื่อเปลี่ยนความหนาแน่นเฉลี่ยของระบบ ซึ่งอธิบายได้โดยสมการนี้ 33 ρglider = เมื่อ ∆𝑚 mglider +∆m Vglider (2.34) คือ มวลของของเหลวที่ piston สูบเข้า/ออก (กิโลกรัม) 𝑚glider คือ มวลของโครงสร้างและอุปกรณ์ที่ติดตั้งอยู่ในยาน (กิโลกรัม) Vglider คือ ปริมาตรของยาน (ลูกบาศก์เมตร) และ m0 = mglider + ∆m + 0.5ρfluid (Vballast ) เป็นตัว ที่จะบอกถึง แรงลอยตั ว ว่า ยานร่อนจะเกิดการลอยขึ้นหรือดำลง(กิโลกรัม) - กรณีที่ Piston ไม่ได้สูบน้ำเข้า (∆m = 0) ภาพที่ 2.17 เมื่อระบบลูกสูบ (piston-type) ไม่สูบน้ำเข้าตัวกระบอก เมื่อระบบลูกสูบ สูบน้ำเข้าสู่ภายในจะทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของมวลน้ำในยาน (∆m = 0 ) ส่งผลให้มวลรวมของยานเพิ่มขึ้น ขณะที่ปริมาตรภายนอกยังคงเท่าเดิม น้ำหนักสุทธิของยาน (Wnet ) จึงเพิ่มขึ้นโดยที่แรงลอยตัว ( Fb ) ไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากยังแทนที่น้ำในปริมาตรเท่าเดิม เมื่อแรง ลอยตัวมีค่ามากกว่าน้ำหนัก Fb > Wnet จะเกิดแรงสุทธิในทิศขึ้น ทำให้ยานลอยขึ้น ในแง่ของ ความหนาแน่น กรณีนี้หมายถึงความหนาแน่นเฉลี่ยของยานน้อยกว่าความหนาแน่นของของไหล กล่าวคือ ρglider < ρfluid - กรณีที่ piston สูบน้ำเข้า (∆m > 0) ภาพที่ 2.18 เมื่อระบบลูกสูบ (piston-type) สูบน้ำเข้าตัวกระบอก เมื่อระบบลูกสูบ สูบน้ำเข้าสู่ตัวกระบอก จะทำให้มวลของยานเพิ่มขึ้น (∆𝑚 > 0) ขณะที่ ปริมาตรภายนอกของยานยังคงเท่าเดิม ส่งผลให้น้ำหนักสิทธิของยาน (Wnet ) เพิ่มขึ้น ในขณะที่แรง 34 ลอยตัว (Fb ) ยังคงเท่าเดิม เนื่องจากไม่ได้มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่แทนที่น้ำ เมื่อแรงลอยตัวมีค่า น้อยกว่าน้ำหนัก (Fb < Wnet ) จะเกิดแรงสุทธิในทิศลง ทำให้ยานจมลงในแนวดิ่ง ในมุมมองของ ความหนาแน่น สถานะนี้หมายถึงความหนาแน่นเฉลี่ยของยานมากกว่าความหนาแน่นของของไหล รอบตัว กล่าวคือ ρglider > ρfluid 2.8.2 หลักการควบคุมมุมก้มเงย (Pitch Control Principle) การควบคุมมุมก้มเงยของยาน (pitch angle) มีบทบาทสำคัญในการกำหนดทิศทางของการร่อน เนื่องจากการปรับมุมของลำตัวยานจะส่งผลต่อทิศทางของแรงยก (lift) ซึ่งเป็นแรงหลักที่ทำให้ยาน เคลื่อนที่ในแนวราบ หากไม่สามารถควบคุม pitch angle ได้ ยานจะเคลื่อนที่ในแนวดิ่งเท่านั้น ซึ่งไม่ สอดคล้องกับวัตถุประสงค์ในการร่อนระยะไกล วิธีหนึ่งในการควบคุม pitch angle อย่างมีประสิทธิภาพคือ การปรับตำแหน่งของจุดศูนย์กลาง มวล (Center of Gravity: CG) ให้สัมพันธ์กับตำแหน่งของจุด ศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) ซึ่งจะนำไปสู่การเกิดโมเมนต์รอบแกน pitch อันเป็นหัวใจสำคัญของการเคลื่อนที่ แบบการร่อน - กรณีที่ 1: AUG ขณะอยู่ในสภาวะ neutral buoyancy ( Fb = Wnet ; ∆m = 0.5ρfluid (Vballast ) ) ภาพที่ 2.19 แสดงตำแหน่ง CG และ CB ณ ตำแหน่งขนานกับแนวระดับ เมื่อ piston ไม่ได้สูบน้ำเข้า–ออก มวลของยานคงที่และความหนาแน่นเฉลี่ยเท่ากับน้ำ ส่งผล ให้แรงลอยตัวสมดุลกับน้ำหนัก และยานลอยนิ่งอยู่ในระดับความลึกเดิม โดยหากตำแหน่ง CG และ CB อยู่ในแนวตั้งฉากเดียวกันโดยไม่มีการเลื่อนมวล จะไม่มีโมเมนต์รอบแกน pitch เกิดขึ้น ทำให้ยาน รักษาท่าทางขนานกับแนวระดับของทะเลและไม่เข้าสู่การร่อน 35 - กรณีที่ 2: AUG ขณะอยู่ในสภาวะ Negative buoyancy ( Fb < Wnet ; ∆m > 0.5ρfluid (𝑉𝑏𝑎𝑙𝑙𝑎𝑠𝑡 ) ) ภาพที่ 2.20 แสดงการเคลื่อนตำแหน่งของจุด CG ขณะดำลง เมื่อ piston สูบน้ำเข้า มวลของยานเพิ่มขึ้นจนความหนาแน่นเฉลี่ยมากกว่าน้ำ ทำให้ยานจมลง และเมื่อเลื่อนตำแหน่ง CG ไปด้านหน้าด้วยกลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass system) โดยที่ CB คงที่ จะเกิดโมเมนต์รอบแกน pitch ส่งผลให้หัวของยานเอียงลงและเข้าสู่การร่อน ภาพที่ 2.21 แสดงมุม Pitch ที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนตำแหน่ง CG ขณะดำลง เมื่อ piston สูบน้ำเข้า มวลของยานเพิ่มขึ้นจนความหนาแน่นเฉลี่ยมากกว่าน้ำ ทำให้ยานจมลง และเมื่อเลื่อนตำแหน่ง CG ไปด้านหน้าด้วยกลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass system) โดยที่ CB คงที่ จะเกิดโมเมนต์รอบแกน pitch ส่งผลให้หัวของยานเอียงลงและเข้าสู่การร่อน - กรณีที่ 3: AUG ขณะอยู่ในสภาวะ positive buoyancy (Fb > Wnet ; ∆m = 0) ภาพที่ 2.22 แสดงการเคลื่อนตำแหน่งของจุด CG ขณะลอยขึ้น 36 เมื่อ piston ดันน้ำออก มวลของยานลดลงจนความหนาแน่นเฉลี่ยน้อยกว่าน้ำ ส่งผลให้ยานลอย ขึ้น และเมื่อเลื่อนตำแหน่ง CG ไปด้านท้ายด้วยกลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass system) โดยที่ CB คงที่ จะเกิดโมเมนต์รอบแกน pitch ที่ทำให้หัวของยานเอียงขึ้นและเข้าสู่การร่อนขึ้น ภาพที่ 2.23 แสดงมุม Pitch ที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนตำแหน่ง CG ขณะลอยขึ้น แนวคิดนี้นำไปสู่การออกแบบระบบที่เรียกว่า กลไกการควบคุมมุมก้มเงยด้วยเคลื่อนย้ายมวล ภายใน (Pitch Control Mechanism Using Moving Mass) 2.8.3 กลไกการควบคุมมุมก้มเงยด้วยเคลื่อนย้ายมวลภายใน (Pitch Control Mechanism Using Moving Mass) กลไกนี้ ใ ช้ ห ลั ก การเคลื่ อ นย้า ยมวล (moving mass system) เพื่ อ เปลี่ ย นตำแหน่ ง ของจุ ด ศูนย์กลางมวล (CG) บนแนวแกนตามยาวของยาน การเคลื่อนมวลไปทางด้านหัวหรือท้ายของยานจะ ทำให้เกิดโมเมนต์รอบจุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (CB) ซึ่งส่งผลต่อการเอียงมุมก้มเงย (pitch angle) ของยานตามต้องการ โดยทั่วไปมวลที่ใช้จะอยู่บนรางเลื่อนและขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์เกลียว (lead screw motor) หรือระบบ linear actuator ที่มีความแม่นยำสูง การเลือกตำแหน่งเริ่มต้นของจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) ให้อยู่ใกล้กับจุด ศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) ทั้งในแนวแกนตามยาวและแนวดิ่ง โดยเฉพาะ การกำหนดให้ CG อยู่ต่ำกว่า CB จะทำให้เกิดโมเมนต์เสถียรภาพเมื่อเกิดการเอียง ทำให้ยานมี เสถียรภาพเชิงสถิตสูงขึ้น นอกจากนี้ การจำกัดระยะการเคลื่อนที่ของมวลให้อยู่ภายในช่วงที่ควบคุม ได้ยังช่วยให้สามารถปรับมุมก้มเงย (pitch angle) ได้อย่างแม่นยำและปลอดภัยระหว่างการทำงานใต้ น้ำ 37 2.8.4 การบูรณาการระบบควบคุมแรงลอยตัวและมุมก้มเงย (Integration of Buoyancy and Pitch Control Systems) ในการควบคุมการเคลื่อนที่ของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ทั้งระบบลูกสูบ (piston-type) และกลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass system) ต้อง ทำงานร่วมกันเป็นวัฏจักร (cycle) เพื่อให้เกิดการเคลื่อนที่ลักษณะฟันเลื่อย (sawtooth path) ใต้น้ำ ภาพที่ 2.24 แสดงวัฏจักรการเคลื่อนที่ของ AUG การผสานการทำงานของทั้งสองระบบจึงเป็นหัวใจของการควบคุมวิถีการเคลื่อนที่ (trajectory) ของ AUG ให้สามารถเคลื่อนที่ได้ประสิทธิภาพสูง ประหยัดพลังงาน และอยู่ใต้น้ำได้ยาวนาน 2.9 ระบบควบคุมอัตโนมัติ (Automatic Control System) ระบบควบคุมของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ระบบที่ ใช้ควบคุมอุป กรณ์ห รือกระบวณการแบบอัตโนมัติ โดยใน AUG นี้จะใช้ในการมุมก้มเงย (pitch angle) มุ ม เอี ย งข้า ง (roll angle) ของตั ว AUG จากงานของ Graver [3] สามารถใช้ ห ลั ก การ คอนโทรลเลอร์ PID Controller ในการทำการควบคุมได้เบื้องต้น โดยในการควบคุมเบื้องต้นที่สำคัญ ของ AUG คื อ การมุ ม ก้ ม เงย (pitch angle) ที่ จะเป็ น ตั ว ที่ ใ ช้ ในการเคลื่ อ นที่ ลั ก ษณะคลื่นไซน์ (sinusoidal) ของยานร่อนตามภารกิจที่กำหนดและระดับความลึกที่นักวิจัยต้องการพัฒนาระบบ AUG ภาพที่ 2.25 Block Diagram แสดงการควบคุมมุมก้มเงย (pitch angle) [3] 38 2.10 เสถียรภาพ(Stability) เสถียรภาพ (Stability) ถือเป็นคุณสมบัติที่ต้องคำนึงถึงของ ที่มีผลต่อการควบคุมการร่อน ทิศ ทางการเคลื่อนที่ และประสิทธิภาพโดยรวมของยานร่อน กล่าวคือความสามารถของยานในการกลับสู่ สมดุลเมื่อถูกรบกวนโดยแบ่งออกเป็น Stable คือระบบมีแนวโน้มกลับสู่สมดุลเดิมได้ ดังแสดงในรูป (a) Neutrally stable คือไม่กลับสมดุลเดิม แต่ไม่เบี่ยงเบนต่อเนื่อง หากได้รับการรบกวน ระบบจะ สร้างสเถียรภาพที่จุดสมดุลใหม่ ดังแสดงในรูป (b) Unstable คือหากถูกรบกวนแล้วจะหลุดออกจาก สมดุลและไม่สามารถเกิดสมดุลใหม่ได้ ดังแสดงในรูป (c) ภาพที่ 2.26 อธิบาย Stability ทั้ง 3 รูปแบบ รูปภาพจาก Çengel [11] โดย เสถี ย รภาพของยานร่ อ นใต้ น้ำ อั ต โนมั ติ (Stability in Autonomous Underwater Glider)สามารถแบ่งเป็นเสถียรภาพหมุน 3 แกน เรียกแทนด้วยความต้านทานการเคลื่อนในแกนหมุน ทั้ง 3 แกน ประกอบด้ว ย ความต้านทาน Pitch (Longitudinal Stability), ความต้านทาน Roll (Lateral Stability) และความต้านทาน Yaw (Directional Stability) 2.10.1 ความต้านทาน Pitch (Longitudinal Stability) เสถียรภาพตามแนวยาว (Longitudinal stability) ก็จะเกี่ยวกับการเชิดหัวขึ้นหรือลงของตัว ยานร่ อ น ซึ่ ง จะส่ ง ผลต่ อ มุ ม ร่ อ น (glide path angle, ξ ) โดยปั จ จั ย ที่ ส่ ง ผลต่ อ เสถี ย รภาพ ประกอบด้วย จุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) ให้อยู่ใกล้กับจุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) การจัดวางปีก โมเมนต์ความเฉื่อย โดยเบื้องต้นใช้การอธิบายโมเดล เครื่องบิน ในการรักษา เสถียรภาพตามแนวยาว โดยภาพ (a) แสดงตัว เครื่องบิน ที่ยังไม่ได้รับผลหรือ ได้รับการรบกวน ภาพ (b) แสดงถึงตัวโมเดลเครื่องบินที่เจอการรบกวน และโมเดล เครื่องบินสามารถ เข้าสู่จุดสมดุลเดิมได้ 39 ภาพที่ 2.27 แสดงถึงเสถียรภาพตามแนวยาว (Longitudinal Stability) ที่เกิดขึ้นของระบบจาก Valasek [12] 2.10.2 ความต้านทาน Roll (Lateral Stability) เสถียรภาพตามแนวขวาง (Lateral stability) โดยหลักจะเกี่ยวกับการรักษาเสถียรภาพจาก การหมุนรอบแกนตามขวางของยานร่อน (roll) เมื่อระบบถูกรบกวน ระบบที่มีเสถียรภาพจะเกิด โมเมนต์ฟื้นตัว (restoring moment) ทำให้ตัวลำสามารถกลับเข้าสู่สมดุลได้ ซึ่งส่งผลกับการทรงตัว ของการร่อน โดยปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อเสถียรภาพ ประกอบด้วย ความสมมาตรของลำตัว ตำแหน่ง ของ จุดศูนย์ถ่วง-จุดศูนย์แรงลอยตัว กับปีก โดยแสดงตามในรูปด้านล่าง ที่แสดงถึงความสามารถของ เสถียรภาพหมุนทั้ง 3 กรณีที่เกิดขึ้นประกอบด้วย เสถียรภาพ (stable) ระบบพบการรบกวนและ สามารถกลับเข้าสู่สมดุลเดิมได้ เสถียรภาพแบบเป็นกลาง (Neutrally stable) แสดงถึงระบบที่เจอ การรบกวนและเข้าสู่สมดุลในจุดสมดุลใหม่ และไม่เสถียร (Unstable) แสดงถึงระบบที่พบการรบกวน แต่ไม่สามารถเข้าสู่สมดุลได้ ที่แสดงอยู่ใน ภาพที่ 2.28 หน้าถัดไป โดยใช้เป็นโมเดลเครื่องบินในการ อธิบาย 40 ภาพที่ 2.28 แสดง เสถียรภาพตามแนวขวาง (Lateral Stability) ที่เกิดขึ้นของระบบ ทั้ง 3 แบบ จาก Cook [13] 2.10.3 ความต้านทาน Yaw (Directional Stability) เสถียรภาพเชิงทิศทาง (Directional stability) เกี่ยวกับส่ายของยานร่อนไปทางซ้ายหรือขวา เสถียรภาพเชิงทิศทาง เป็นตัวกำหนดความสามารถของยานร่อน ในการรักษาทิศทาง (heading control) ได้ดีมากน้อยเพียงใด ปัจจัยสำคัญประกอบด้วย ครีบแนวตั้ง (rudder) รูปร่างลำตัว การ หน่วงการหมุน ปัจจัยเหล่านี้จะส่งผลให้ระบบสามารถในการรักษาทิศทางได้มากยิ่งขึ้น โดยภาพ ด้านล่างแสดงถึง เสถียรภาพเชิงทิศทาง (Directional stability) ที่เกิดขึ้นโดยมี ครีบแนวตั้ง (rudder) ช่วยสร้างโมเมนต์ฟื้นตัว (restoring moment) ให้ระบบสามารถกลับเข้าสู่สมดุลเดิมได้ ตามที่เขียน ไว้ในงานของ Graver [3] ภาพที่ 2.29 แสดง เสถียรภาพเชิงทิศทาง (Directional Stability) ที่เกิดขึ้นของระบบ โดย ครีบ แนวตั้ง (rudder) จาก Mohammad [14] 41 2.11 การหาระยะเลื่อนของ moving mass (moving length) การควบคุมการทรงตัวของยานใต้น้ำ หรือกลไกที่สามารถเปลี่ยนมุมเอียงของลำตัว (pitch control system) จำเป็นต้องอาศัยการปรับตำแหน่งของมวลภายใน (moving mass) เพื่อเปลี่ยน ตำแหน่งของจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity, CG) ของระบบ การเปลี่ยนตำแหน่งของมวลนี้ ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงมุมเอียง (pitch) ของลำตัว ซึ่งมีผลโดยตรงต่อทิศทางการเคลื่อนที่และ ความเสถียรของระบบในน้ำ ในหัวข้อนี้จะทำการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของมวลภายในในแนวแกน x และ y โดยพิจารณา จากสมดุลของแรงและโมเมนต์รอบจุดศูนย์กลางมวลเริ่มต้น ( 𝐶𝐺0 ) เพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่าง ตำแหน่งของมวลเคลื่อนที่ ( 𝑥0 , 𝑙, 𝛥𝑙) กับ อัตราส่วนมวลเคลื่อนที่ (Moving Mass Ratio, MMR) รวมถึงการหาค่าจุดศูน ย์กลางมวลใหม่ในแนว x (𝐶𝐺𝑥 ) และแนว y (𝐶𝐺𝑦 ) หลังจากมวลภายใน เคลื่อนที่ 42 พิจารณาที่สภาวะเริ่มต้น (ยังไม่เคลื่อนระยะเลื่อน) ภาพที่ 2.30 แสดงแบบจำลองในการหาระยะเคลื่อนที่ของมวลเคลื่อน ขณะก่อนเคลื่อนที่ พิจารณาสมดุลโมเมนต์ของน้ำหนักรอบจุด CG0 ΣMCG0 = 0 (mmoving )(l0 −x0 ) = (mbody )x0 x0 = [ กำหนด จะได้ mmoving ]l mmoving +mbody 0 (MMR) = mmoving mmoving +mbody x0 = (MMR)l0 43 (2.35) พิจารณาที่สภาวะจม (เคลื่อนระยะเลื่อนไปด้านหน้า) ภาพที่ 2.31 แสดงแบบจำลองในการหาระยะเคลื่อนที่ของมวลเคลื่อน ขณะเคลื่อนที่ พิจารณาสมดุลโมเมนต์ของแรงรอบจุด CG เพื่อหาระยะศูนย์กลางมวลแกน x ΣMCG = 0 (mbody )(CGx +x0 ) = (mmoving )(l − x0 − CGx ) จะได้ CGx = mmoving (l − x0 ) − mbody x0 mmoving + mbody CGx = mmoving (l − x0 ) − mbody x0 mmoving + mbody CGx = (MMR)l − x0 44 (2.36) พิจารณาหาระยะศูนย์กลางมวลแกน y ภาพที่ 2.32 แสดงแบบจำลองในการหาระยะเคลื่อนที่ของมวลเคลื่อน ขณะหลังเคลื่อนที่ พิจารณาหาจุด 𝐶𝐺𝑦 ; Σ(mi ∙yi ) CGy = CGy = Σmi mbody (hbody ) + mmoving (hmoving ) mbody + mmoving mmoving mmoving +mbody จาก MMR = จะได้ mmoving = ( ดังนั้น CGy = hbody + (hmoving − hbody )MMR MMR ) mbody 1−MMR 45 (2.37) (2.38) พิจารณาหามุม pitch ภาพที่ 2.33 ภาพประกอบการคำนวณมุม pitch angle ที่จะเกิดขึ้น จะได้ tan θ = CGx CGy θ = tan−1 ( = (MMR)l−x0 hbody +(hmoving −hbody )MMR (MMR)l−x0 CGx ) = tan−1 (h CG y body +(hmoving −hbody )MMR ) (2.39) จะได้ระยะเลื่อน (moving length) จาก CGx = (MMR)l − x0 จะได้ l= จาก x0 = (MMR)l0 จะได้ l0 = CGx +x0 (2.40) MMR x0 (2.41) MMR ดังนั้นระยะเคลื่อนที่ของ moving mass (moving length), ∆𝑙 ∆l = l − l0 = CGx + x0 x0 − MMR MMR ∆l = CGx MMR 46 (2.42) นิยามตัวแปร mmoving : มวลเลื่อน (moving mass) (กิโลกรัม) mbody : มวลส่วนที่เหลือของลำตัวทั้งหมดที่ ไม่รวม มวลเลื่อน (กิโลกรัม) MMR : อัตราส่วนมวลเลื่อน (Moving-Mass Ratio) CG0 : ตำแหน่งศูนย์กลางมวลของยานในสภาวะอ้างอิง (ก่อนเลื่อน) CGy : พิกัดแนวดิ่งของศูนย์กลางมวล (แกน y) CGx : พิกัดแนวดิ่งของศูนย์กลางมวล (แกน x) x0 : ระยะตามยาวจาก CG0 (ศูนย์กลางมวลสภาวะอ้างอิง ไปยังตำแหน่งมวลลำตัว) (เมตร) Hmoving : ระดับความสูง (พิกัด y) ของตำแหน่งมวลเลื่อนเทียบกับเส้นอ้างอิง (เมตร) hbody : ระดับความสูง (พิกัด y) ของตำแหน่งมวลลำตัวเทียบกับเส้นอ้างอิง (เมตร) CB : จุดศูนย์กลางการลอยตัว (Center of Buoyancy) ของลำตัว FB : แรงลอยตัว (นิวตัน) l0 : ระยะห่างตามยาวระหว่างตำแหน่งมวลเลื่อนกับตำแหน่งมวลลำตัว ในสภาวะอ้างอิง (ก่อนเลื่อน) (เมตร) l : ระยะตามยาวระหว่างตำแหน่งมวลเลื่อนกับตำแหน่งมวลลำตัว (หลังเลื่อน) (เมตร) ∆l : ระยะเลื่อนของมวลเลื่อน (เมตร) 47 2.12 การหาองศาการหมุนของ Rolling mass ในการวิเคราะห์การเคลื่อนที่แบบหมุนของวัตถุที่มีมวลบางส่ว นเคลื่อนที่ได้ (rolling mass) จำเป็นต้องพิจารณาผลของการเคลื่อนที่ของมวลภายในที่มีต่อจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity, CG) ของระบบทั้ ง หมด การเปลี่ ย นตำแหน่ ง ของมวลที่ เ คลื่ อ นที่ ไ ด้ จะทำให้ ตำแหน่ ง ของ CG เปลี่ยนแปลง ส่งผลให้เกิดแรงโมเมนต์และมุมเอียง (roll angle, 𝜔) ซึ่งมีผลโดยตรงต่อการทรงตัว และทิศทางการเคลื่อนที่ของระบบ เมื่อมวลที่หมุนได้ (rolling mass) เคลื่อนที่ไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง จะทำให้จุดศูนย์กลางมวล ของระบบ (CG) เคลื่อนออกจากตำแหน่งเดิม ส่งผลให้เกิดโมเมนต์รอบจุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (CB) ซึ่งเป็นแรงที่กระทำในแนวดิ่งสวนทางกับแรงน้ำหนักของระบบ โมเมนต์ดังกล่าวจะทำให้ตัวเรือหรือ โครงสร้างเกิดการเอียง (roll motion) ไปจนกว่าจะเกิดสมดุลใหม่ที่แรงยกตัว ( FB ) และน้ำหนักรวม ของระบบอยู่ในแนวเดียวกันอีกครั้ง ในการศึกษานี้ได้ทำการสร้าง Free Body Diagram (FBD) ของระบบในระนาบ z–y ทั้งในกรณีที่ ยังไม่เกิดการหมุนและเมื่อเกิดการหมุนแล้ว เพื่อแสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงยกตัว (buoyancy force, FB ) กับตำแหน่งของจุดศูนย์กลางมวล (CG) และจุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (CB) จากนั้นได้ทำ การคำนวณหาค่าตำแหน่งของ CG ในแนวแกน z (CGz ) และ y (CGy ) รวมถึงนิยามอัตราส่วนของ มวลที่หมุนได้ (Roll Mass Ratio, RMR) เพื่อใช้ในการวิเคราะห์มุมเอียงของระบบ (tan ω) - Free body diagram ที่ z-y plan ขณะยังไม่เกิด roll ภาพที่ 2.34 แสดงแบบจำลองในการหาระยะหมุนของมวลเคลื่อนที่ ขณะก่อนหมุน 48 - Free body diagram ที่ z-y plan ขณะเกิด roll ภาพที่ 2.35 แสดงแบบจำลองในการหาระยะหมุนของมวลเคลื่อนที่ หลังจากหมุนมวล พิจารณาหาจุด CGz ; CGz = จะได้ CGz = กำหนด RMR = ดังนั้น Σ(mi ∙zi ) Σmi mroll (CGroll,z ) mroll +mfixed mroll mroll +mfixed (2.43) CGz = RMR(CGroll,z ) Σ(mi ∙yi ) พิจารณาหาจุด CGy ; CGy = จะได้ CGy = ดังนั้น CGy = RMR(CGroll,y ) + (1 − RMR)CGfixed,y Σmi mroll (CGroll,y )+mfixed (CGfixed,y ) mroll +mfixed 49 (2.44) - พิจารณาหามุม Roll (𝜔) ภาพที่ 2.36 ภาพประกอบการคำนวณมุม roll ที่เกิดขึ้น จะได้ กำหนด tan(ω) = CGz CGy = RMR(CGroll,z ) RMR(CGroll,y )+(1−RMR)CGfixed,y R = √(CGroll,z )2 + (CGroll,y )2 ดังนั้น CGroll,y = √R2 − (CGroll,z )2 จะได้ tan(ω) = CGz CGy = RMR(CGroll,z) RMR√R2 −(CGroll,z)2 +(1−RMR)CGfixed,y 50 (2.45) นิยามตัวแปร CGfixed : จุดศูนย์กลางมวลของส่วนที่ไม่เคลื่อนที่ (fixed part) CGroll : จุดศูนย์กลางมวลของส่วนที่เคลื่อนที่ขณะเอียง CGtotal : จุดศูนย์กลางมวลรวมของระบบ mfixed : มวลของส่วนที่ไม่เคลื่อนที่ (fixed mass) (กิโลกรัม) mroll : มวลของส่วนที่เคลื่อนที่ขณะเอียง (กิโลกรัม) ω : มุมเอียง (roll angle) RMR : คืออัตราส่วนของมวลที่เคลื่อนที่ได้ต่อมวลรวมทั้งหมดของระบบ (Roll Mass Ratio.) R : คือระยะรัศมีจากจุดศูนย์กลางการลอยตัว (center of buoyancy) ไปยังจุดศูนย์กลาง มวลของมวลที่เคลื่อนที่ได้ (CGroll ) เมื่อ AUG เกิดการ roll การกระจายของแรง Hydrodynamics และแรงต้านระหว่างด้านซ้าย– ขวาของตัวยานจะไม่สมมาตรกัน ส่งผลให้เกิดโมเมนต์ในแกน yaw ตามมา ส่งผลให้เกิดการ yaw ใน ทิศตรงข้ามกับทิศทางการการหมุนของปีก ซึ่งเรียกว่า adverse yaw Adverse yaw คือ การที่ด้านหน้า ของยานจะหมุนในแกน yaw ไปทางด้านนอกของการเลี้ยว หรือหมุนสวนกับทิศทางการ roll ที่ต้องการ โดยสาเหตุหลักเกิดจากปีกด้านนอกวงเลี้ยวสร้างแรงยก มากกว่า จึงเกิด induced drag สูงกว่าด้วย ทำให้ยานเกิดโมเมนต์ yaw สวนทิศการเลี้ยว [18] 51 บทที่ 3 ขั้นตอนการออกแบบ บทนี้แสดงรายละเอียดเบื้องต้นของการออกแบบเชิงวิศวกรรมสำหรับโครงงานยานร่อนใต้น้ำ อัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) โดยมุ่งเน้นการกำหนดความต้ องการของ โครงงาน ข้อจำกัดด้านเทคนิค และมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง เพื่อใช้เป็นแนวทางในการพัฒนาและ ออกแบบต้นแบบในอนาคต ทั้งนี้ ณ ขณะดำเนินโครงงาน ยังไม่มีการสร้างต้นแบบทางกายภาพหรือดำเนินการทดสอบใน สภาพแวดล้อมจริงมาก่อน แบบจำลองและข้อกำหนดที่นำเสนอในบทนี้จึงเป็นกรอบเบื้องต้นในการ สนับสนุนแนวคิดการออกแบบและการต่อยอดโครงการในระยะถัดไป 3.1 ความต้องการของโครงงาน โครงงานนี้มีความต้องการในการออกแบบและพัฒนายานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติที่สามารถ ตอบสนองต่อความต้องการของผู้ใช้งานและข้อจำกัดเชิงวิศวกรรม โดยสามารถสรุปความต้องการ หลักได้ดังนี้ 1. ออกแบบระบบเคลื่อนที่ให้สามารถเคลื่อนที่ในแนวฟันเลื่อย (sawtooth path) ได้อย่าง แม่นยำและต่อเนื่อง 2. รองรับอัตราบรรทุก (payload) ได้ไม่เกิน 3 กิโลกรัม และสามารถปรับเปลี่ยน Payload ได้ตามลักษณะภารกิจ 3. พัฒนาระบบควบคุมมุมก้มเงย (Pitch control) เพื่อใช้ควบคุมทิศทางการเคลื่อนที่ ใน แนวดิ่งของยาน 4. สร้างเครื่องมือช่วยคำนวณเบื้องต้นสำหรับใช้ออกแบบตามขนาด Payload ที่แตกต่างกัน 5. สามารถนำยานต้น แบบไปทดสอบในสระน้ำที่มี ค วามลึก ประมาณ 3 เมตร ได้ อ ย่า ง ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ 6. มีต้นทุนในการพัฒนาที่ต่ำกว่ายานเชิงพาณิชย์ เพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งานในระดับ งานวิจัยหรือการศึกษา 3.2 ข้อกำหนดในการออกแบบ ในการออกแบบ AUG เพื่อให้สอดคล้องกับวัตถุประสงค์ของโครงการและข้อจำกัดเชิงปฏิบัติ จึงมีการกำหนดข้อกำหนดพื้นฐานในการออกแบบดังต่อไปนี้ 52 รูปทรงและขนาดของลำตัว (hull) - ความยาวลำตัวไม่เกิน 1 เมตรและขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 5 นิ้ว - มีพื้นที่ภายในเพียงพอสำหรับติดตั้งระบบควบคุม แบตเตอรี่ และมวลเคลื่อนที่ - ออกแบบเป็นรูปทรงตอร์ปิโด (torpedo shape) ปีก (wing) - ต้องสามารถสร้างแรงยกได้เพียงพอในการร่อน - ลักษณะปีกเป็นแผ่นเรียบ (flat plate) - ระยะช่วงปีก (wingspan) ไม่เกิน 1 เมตร ระบบสร้างแรงลอยตัว (buoyancy engine) และการควบคุมทิศทาง - ใช้หลักการควบคุมแรงลอยตัวด้วยการเปลี่ยนแปลงปริมาตรหรือมวลภายใน - สามารถบรรจุอยู่ได้ภายในลำตัว (hull) - ต้องสามารถปรับมุมก้ม-เงย (pitch) ได้ผ่านระบบภายในลำตัว - มีระบบควบคุมทิศทางอัตโนมัติสำหรับรักษาทิศทางและเส้นทางร่อน โหลดบรรทุก - ต้องสามารถติดตั้งเซนเซอร์เพิ่มเติมได้ เช่น เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ วัดสารเจือปน หรือวัด ความลึก - รองรับอัตราบรรทุก (payload) ได้ไม่เกิน 3 กิโลกรัม 3.3 มาตรฐานอ้างอิงเบื้องต้น ในการออกแบบและพัฒ นาต้นแบบยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ให้ สามารถทำงานได้ อ ย่า งมี ป ระสิ ท ธิ ภาพและปลอดภั ย จำเป็ น ต้ อ งพิ จารณา มาตรฐานสากลที่เกี่ยวข้องทั้งด้านโครงสร้าง ระบบอิเล็กทรอนิกส์ และความสามารถในการทำงานใต้ น้ำ มาตรฐานเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการกำหนดแนวทางการออกแบบให้สามารถตอบสนองต่อ สภาวะแวดล้อมใต้น้ำได้อย่างเหมาะสม รวมถึงช่วยควบคุมคุณภาพของการผลิตและประกอบชิ้นส่วน ต่าง ๆ ของระบบ ตัวอย่างมาตรฐานที่มีความเกี่ยวข้องและถูกนำมาพิจารณาในโครงงานนี้ ได้แก่ 53 1. ABS Underwater Vehicles and Hyperbaric Facilities Rules (ABS, 2018) [15] มาตรฐานของ American Bureau of Shipping (ABS) ได้ กำหนดแนวทางการออกแบ โครงสร้างของยานใต้น้ำ โดยเฉพาะในส่วนของลำตัว (hull) และส่วนควบคุมภายใน ให้สามารถ รองรับแรงดันน้ำที่ระดับความลึกต่าง ๆ ได้อย่างปลอดภัย มาตรฐานดังกล่าวยังครอบคลุมถึงวัสดุ ที่ควรใช้ การคำนวณค่าความแข็งแรง และค่า Safety Factor ที่เหมาะสมสำหรับยานใต้น้ำใน ภารกิจระยะยาว 2. ISO 5411 – Submersibles — Vocabulary [16] ให้คำนิยามเชิงเทคนิคของคำศัพท์ที่เกี่ยวข้องกับยานใต้น้ำ เช่น “Autonomous Underwater Vehicle”, “Ballast System”, “Hydrodynamic Profile” ซึ่ ง มี ป ระโยชน์ สำหรั บ การจั ดทำ เอกสารทางวิชาการหรือคู่มือทางเทคนิคให้มีความถูกต้องและสอดคล้องในระดับสากล 3.4 การเลือกเทคนิคและเครื่องมือที่เหมาะสมสำหรับงานวิศวกรรม ในการดำเนินงานวิจัยครั้งนี้ ได้มีการเลือกใช้เครื่องมือและซอฟต์แวร์ที่เหมาะสมกับลักษณะ ของงานวิศวกรรม เพื่อให้สามารถออกแบบ วิเคราะห์ และประมวลผลข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนี้ 1. SolidWorks ซอฟต์แวร์ SolidWorks ถูกเลือกใช้สำหรับการออกแบบชิ้นส่วนและโมเดลสามมิติ เนื่องจาก สามารถสร้างแบบจำลอง (3D Model) ที่มีความละเอียดและถูกต้องตามหลักวิศวกรรม อีกทั้งยัง สามารถคำนวณหาค่าทางกลศาสตร์ที่สำคัญ เช่น จุดศูนย์กลางมวล (Centre of Gravity: CG), ปริมาตร, มวล และโมเมนต์ความเฉื่อย ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญในการวิเคราะห์สมดุลและเสถียรภาพ ของระบบ 2. Microsoft Excel โปรแกรม Microsoft Excel ถูกเลือกใช้เป็นเครื่องมือในการประมวลผลข้อมูล เชิงตัว เลข เนื่องจากสามารถกำหนดสูตรคำนวณ (formula) และทำการแก้ไขค่าพารามิเตอร์ได้อย่างยืดหยุ่น รวมถึงมีความสามารถในการสร้างกราฟและตารางข้อมูล เพื่อใช้ในการวิเคราะห์เปรียบเทียบผล การทดสอบ ทั้งนี้ Excel เป็นโปรแกรมที่เป็นที่รู้จักและใช้งานแพร่หลาย ทำให้สะดวกต่อการ สื่อสารและแลกเปลี่ยนข้อมูลกับผู้วิจัยหรือผู้เชี่ยวชาญอื่น ๆ 54 3.5 แนวคิดในการออกแบบ (Conceptual Design) 3.5.1 ภายนอก (Outside) 3.5.1.1 ลำตัว (Hull) สำหรับลำตัว ปัจจัยหลักสำคัญที่ต้องพิจารณาในการออกแบบ รูปทรงภายนอก ที่เกิดขึ้นจาก การไหลของของไหลผ่านพื้นผิวของลำตัว โดยการออกแบบรูปทรงที่เหมาะสมสามารถช่ว ยเพิ่ ม ประสิทธิภาพการร่อนและลดการสูญเสียพลังงานระหว่างการเคลื่อนที่ได้อย่างมีนัยสำคัญ แนวในการออกแบบที่ 1 : ใช้ สมการ Myring ในการออกแบบ ภาพที่ 3.1 Myring equation parameters model [5] จากภาพข้างต้น เป็นการออกแบบส่วนของลำตัว ที่ใช้ Myring ในการออกแบบ รูปทรงมีความ สมมาตร ทำให้เกิดแรงต้านที่ไม่สูงมาก ถ้าเทียบกับรูปร่างที่ไม่สมมาตร 1). สมการที่ใช้ในการออกแบบ ในช่วงของการออกแบบจะเป็น 3 ส่วน ดังนี้ (1). ส่วนหัว (bow) : 0 ≤ x ≤ a ให้ระยะ a เป็นความยาวของส่วนหัว d x n r(x) = √1 − (1 − ) 2 a (2). ลำตัว (cylindrical mid-body) : ระยะ a ≤ x ≤ a + b ให้ระยะ b เป็นความยาว ของส่วนลำตัว r(𝑥) = 𝑑 2 (3). ส่วนท้าย (stern) : a + b ≤ x ≤ a + b + c 55 2). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - ยืดหยุ่นสามารถปรับขนาดรูปทรงได้ทำให้ไม่มีข้อจำกัดเรื่อง Component ภายในได้ ตามความเหมาะสม ข้อเสีย: - แหล่งอ้างอิงค่อนข้างน้อยกว่า - ต้องปรับ Parameter บางตัวให้เหมาะสมกับการใช้ไม่งั้นอาจปัญหาได้ แนวในการออกแบบที่ 2 : Series 58 Gertler Shapes ภาพที่ 3.2 Series 58 Gertler Shapes [17] 1). สมการที่ใช้ในการออกแบบ ใช้การออกแบบตามรูปทรงตาม Series 58 Gertler Shapes ใช้การออกแบบรูปทรงของเรือ เหาะหรือรูปทรงของเรือดำน้ำ เป็นรูปทรงที่สมมาตร มีการเก็บค่าที่ได้จากการทดลอง 56 ตารางที่ 3.1 แสดงค่าที่ได้จากการทดลองของ Series 58 Gertler Shapes (2). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - มีข้อมูลรองรับพร้อมข้อมูลหลักฐาน และมีข้อมูลที่รองรับได้หน้าเชื่อถือ - คาดการณ์การสัมประสิทธิ์แรงต้านได้ ข้อเสีย: - ความยืดหยุ่นเรื่องรูปร่างน้อยเนื่องจากรูปร่างถูกกำหนด จะกลายเป็นข้อจำกัดใน การออกแบบ 3.5.1.2 ปีก (Wings) การประยุกต์จากทฤษฎีที่ใช้ การออกแบบจะใช้ทฤษฎีออกแบบปีกแบบจำกัดสแปน (Finite-Wing) เป็นทฤษฎีหลัก ในการ ออกแบบภายใต้แนวคิดที่ปีกสร้างวอร์เท็กซ์ทำให้เกิดทำให้แรงยกลดลงในหน้าตัด 2 มิติ โดยมีผลมา จาก Span efficiency และ ผลของมุมกวาดของปีก ผ่านสมการ เพื่อให้ได้สัมประสิทธิ์ของแรงยก จากปีก 𝐶𝐿,𝑤𝑖𝑛𝑔 = 𝑎𝑤 𝛼 57 เมื่อ 𝑎𝑤 = 2𝜋𝐶𝑜𝑠(𝛬) 2𝜋𝐶𝑜𝑠(𝛬) 1+ 𝜋𝑒𝐴𝑅 แนวในการออกแบบที่ 1 ภาพที่ 3.3 แสดงแบบจำลองที่ใช้ปีกแบบตรง 1). หลักการทำงาน ปีกตรง (unswept): ให้แรงยกสูงกว่าที่ AR เดียวกัน นอกจากนี้ยังเป็นปีกที่ทำให้เกิด Induced Drag เกิดขึ้นได้น้อยกว่า (CDi ) 2). การออกแบบ การออกแบบปีกของยานร่อนใต้น้ำ (AUG) มีความสัมพันธ์โดยตรงกับมุมเส้นทางการเคลื่อนที่ (glider path angle) ที่ต้องการใช้งาน ซึ่งมุมดังกล่าวขึ้นอยู่กับอัตราส่วนระหว่างแรงยก (lift force) ต่อแรงต้าน (drag force) ดังนั้นในการออกแบบจึงจำเป็นต้องพิจารณาว่าปีกสามารถสร้างแรงยกได้ เพียงพอสำหรับการเคลื่อนที่ ขณะเดียวกันต้องลดแรงต้านให้น้อยที่สุด และไม่ใช้มุมปะทะ (Angle of Attack) ที่มากเกินไป สำหรับปีกแบบแผ่นราบ (flat plate) แม้อัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้าน (lift-todrag Ratio) จะไม่สูงนัก แต่ก็เพียงพอต่อความต้องการของงานวิจัยครั้งนี้ เนื่องจากการปฏิบัติการ ของยานไม่จำเป็นต้องใช้อัตราส่วน lift-to-drag ที่สูงมากนัก 3). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - แรงยกที่สามารถสร้างต่อพื้นที่ปีกและ AR ได้มากกว่า swept wing - Induced drag เกิดขึ้นน้อยกว่า swept wing 58 ข้อเสีย: - จะเกิด stall ได้ง่ายทำให้ AOA ที่ operate ได้ไม่สูงมาก - หากมีวัชพืชมาติดที่ปีก ปีกจะไม่สามารถคลายวัชพืชออกได้ แนวในการออกแบบที่ 2 ภาพที่ 3.4 แสดงการแบบจำลองที่ใช้ปีกแบบตรง 1). หลักการทำงาน ปีกกวาด (swept, มุมกวาด α): ความเร็วที่ตั้งฉากและปะทะกับลดลง ทำให้ส่งผลต่อ Aspect ratio ลดลง AReff ≈ ARCos2 Λ ซึ่งส่งผลให้แรงยกที่ได้ลดลงและเกิด Induced drag เกิดมากขึ้น แต่จะลดโอกาสที่วัชพืชนั้นจะเข้ามาเกี่ยวปีเมื่อเทียบกับการออกแบบที่ 1 2). การออกแบบ การออกแบบมีความใกล้เคียงกับ flat plate แต่มีข้อแตกต่างคือออกแบบเพื่อให้เหมาะสมต่อ การปฏิบัติงานในสภาพแวดล้อมที่มีสิ่งกีดขวาง เช่น วัชพืชในน้ำ เป็นต้น จึงจำเป็นต้องออกแบบให้มี Lift Force มุ ม กวาด ซึ่ ง ส่ ง ผลให้แ รงยกลดลง แต่ เ นื่ อ งจากความต้อ งการ Drag Force ของระบบไม่ ไ ด้สู ง ผลกระทบนี้จึงไม่เป็นข้อจำกัด 3). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - มีมุมในการคลายวัชพืชในระหว่างที่ AUG ทำงาน - ลดการเกิด Stall ลง เพิ่ม AOA ที่สามารถ Operate ได้มากขึ้น 59 ข้อเสีย: - สร้างแรงยกได้น้อยกว่าที่ AOA เท่ากันเมื่อเทียบกับ flat plate - Induced drag เกิดขึ้นมากกว่า flat plate ปกติ 3.5.1.3 ครีบหาง (tail fin) ครีบของยานร่อนใต้น้ำ (AUG) ในการออกแบบครั้งนี้ไม่ได้ถูกใช้เพื่อการควบคุมทิศทางการ เคลื่อนที่ห รือการเลี้ย วโดยตรง แต่มีห น้าที่ห ลักในการเพิ่มเสถียรภาพเชิงทิศทาง ( Directional Stability) ของยานระหว่างการเคลื่อนที่ เพื่อให้สามารถรักษาทิศทางได้อย่างมั่นคงและลดการแกว่ง ตัวจากผลกระทบของกระแสน้ำ แนวในการออกแบบที่ 1: Single Vertical Fin ภาพที่ 3.5 แสดงแบบจำลองของ Single Vertical Fin 1). หลักการทำงาน ทำหน้าที่รักษาเสถียรภาพ โดยใช้หลักการคล้ายครีบหางแนวดิ่งของเครื่องบิน เมื่อยานเกิดมุม เบี่ยงหัว (yaw angle) จะเกิดแรงยกด้านข้าง (side force) บนครีบ ซึ่งแรงนี้จะสร้างโมเมนต์หมุนให้ หัวเรือกลับ (restoring moment) เข้าสู่แนวการเคลื่อนที่ตามเดิม 2). การออกแบบ การออกแบบครีบเดี่ยวเน้นความเรียบง่ายและแรงต้านต่ำ ช่วยลดการเกิดแรงยกเทียม (parasitic lift) ที่อาจทำให้เกิดการบิดตัวของลำ 60 3). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - โครงสร้างเรียบง่าย ติดตั้งและผลิตได้ง่าย ใช้วัสดุน้อยและน้ำหนักเบา - ให้เสถียรภาพเชิงทิศทาง (Yaw stability) ได้เพียงพอสำหรับการร่อนใต้น้ำในแนว ตรง - มีแรงต้านน้ำต่ำ (low drag) ช่ว ยเพิ่มประสิทธิภาพของการร่อ นและลดการใช้ พลังงาน ข้อเสีย: - ให้แรงคืนรูปเฉพาะในแนว yaw เท่านั้น - การทรงตัวลดลงเมื่อเผชิญกระแสน้ำปั่นป่วนหรือสภาวะที่แรงลอยไม่สมดุล แนวในการออกแบบที่ 2 : Tri-Fin ภาพที่ 3.6 แสดงแบบจำลอง Tri-Fin 1). หลักการทำงาน ครีบสามแผ่นถูกจัดเรียงรอบแกนลำในมุม 120 องศา ทำให้ยานมีสมมาตรในทุกทิศทาง เมื่อ เกิดการเบี่ยงหัว (yaw) หรือการเอียง (roll) ครีบที่อยู่ด้านรับกระแสน้ำจะสร้างแรงยกด้านข้าง (side force) ส่งผลให้เกิดโมเมนต์คืนรูป (restoring moment) ที่ช่วยดึงลำตัวกลับสู่แนวเดิมโดยอัตโนมัติ 61 2). การออกแบบ แนวคิดของ Tri-Tail ถูกพัฒนาขึ้นจากหลัก Axisymmetric stability ที่ใช้ในยานใต้น้ำและ จรวดขนาดเล็ก พื้นที่รวมของครีบทั้งสามคิดเป็นประมาณ 8–12% ของพื้นที่ฉายด้านข้างของลำตัว เพื่อให้เกิดสมดุลระหว่างแรงต้านและแรงคืนรูป 3). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - โครงสร้างสมมาตร ทำให้แรงด้านข้างกระจายอย่างสมดุล - ให้เสถียรภาพเชิงทิศทางสูง เนื่องจากแรงคืนรูปเกิดจากหลายทิศทางรอบแกนลำตัว - ช่วยลดการหมุนควง (Rolling oscillation) และทำให้การเคลื่อนที่ราบรื่นต่อเนื่อง ระหว่างการร่อนใต้น้ำ ข้อเสีย: - เพิ่มแรงต้านน้ำ มากกว่าครีบขนาดเล็กหรือลักษณะเรียบง่าย - การบำรุงรักษาทำได้ยากกว่า เนื่องจากมีหลายจุดยึด 3.5.2 อุปกรณ์ภายใน (Internal Components) 3.5.2.1 ถังอับเฉา (ballast) ระบบบัลลาสต์ของยานร่อนใต้น้ำ (AUG) มีบทบาทสำคัญในการปรับปริมาตรน้ำภายในห้องบัล ลาสต์ เพื่อควบคุมแรงลอยตัวให้สอดคล้องกับการทำงานที่กำหนด ไม่ว่าจะเป็นการจม การลอย หรือ การทรงตัวในระดับความลึกที่ต้องการ ดังนั้นการออกแบบกลไกขับเคลื่อนระบบบัลลาสต์จึงถือเป็น ขั้นตอนที่สำคัญอันดับแรก เนื่องจากเป็นกลไกหลักที่กำหนดความสามารถในการควบคุมการเคลื่อนที่ ในแนวดิ่งของยาน การประยุกต์จากทฤษฎีที่ใช้ ในส่วนนี้เป็นการคำนวณหาค่า มวลส่วนเกิน (excess mass, 𝑚0 ) เพื่อให้ระบบสามารถเกิด ทั้ง positive net buoyancy และ negative net buoyancy ได้ โดยใช้สมการที่ 2.29 แสดงทาง ด้านล่าง ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง ความเร็วขณะเคลื่อนที่ในแนวระนาบ (Vx ) กับแรงโน้มถ่วง และแรงต้านของของไหล 62 Vx = √ρC 2m0 g 2/3 D,vol Vol sin1/2 (ξ) cos(ξ) จากข้อกำหนด (requirement) Vxmax = 0.5 m/s โดยที่มุมร่อนของกลไก (glider path angle) ต้องเป็น 35 องศา เพราะเป็นมุมที่เกิดความเร็วในแนวราบสูงสุด และจะมี ค่าสัมประสิทธิ์แรง ต้าน CD,vol at 35° = 0.084 และปริมาตรรวมของตัว glider เป็น Vol = 0.00964 m3 เมื่อนำค่า ทั้งหมดแทนลงในสมการที่ 2.29 จะได้ค่ามวลส่วนเกิน (m0 ) เท่ากับ 0.126 kg ดังนัน้ Ballast Size จะเท่ากับ 2m0 = 0.25 kg เพื่อให้เกิด positive net buoyancy และ negative net buoyancy เราจึงเลือกใช้ค่าประมาณที่ 0.35 kg ballast size 350 cc แนวในการออกแบบที่ 1: Acyclic Cylinder with Stud Screw and Limit Switch ภาพที่ 3.7 Ballast ที่ใช้ Acrylic เป็นถังอับเฉา 1). หลักการทำงาน ด้านการออกแบบ สร้างระบบ ballast โดยใช้ Acrylic cylinder ร่วมกับฝาปิดและก้านสูบที่ ผลิตขึ้นจากการพิมพ์สามมิติ รวมถึงใช้โอริงในการซีล หลักการทำงานคือก้านสูบภายในถูกขับเคลื่อนด้วยการหมุนของมอเตอร์ผ่านเกลียวยาว (Stud screw) ซึ่งเปลี่ยนการหมุนเป็น การเลื่อนเชิงเส้น จากนั้นจะหยุดการเคลื่อนที่ควบคุมโดย Limit switch 63 2). โครงสร้าง โครงสร้างของระบบนี้ถูกออกแบบขึ้นเอง (DIY) โดยใช้วัสดุพื้นฐานที่สามารถหาได้ทั่วไป แต่ ประกอบและปรับแต่งให้เหมาะสมกับงาน - ตัวกระบอก (chamber): ใช้ท่ออะคริลิกใสที่มีความแข็งแรงมากกว่าพลาสติกของ syringe สามารถกำหนดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวตามต้องการ - ฝาหัว–ท้าย (end caps): สร้างขึ้นเอง เช่น โดยการพิมพ์สามมิติ และออกแบบให้มี ร่องใส่โอ ริง เพื่อทำหน้าที่ซีลกันน้ำเข้าสู่ตัวถัง - ลูกสูบ (piston): แผ่นดิสก์ที่เลื่อนภายในกระบอก พร้อมโอริงรอบ ๆ เพื่อป้องกันการรั่วซึม - กลไกขับเคลื่อน (actuation): มอเตอร์หมุนเกลียวยาว ส่งให้การหมุนถูกแปลงเป็นการเลื่อน ตรงของลูกสูบ - limit switch: ติดตั้งปลายที่ stroke ทั้งสองด้าน เมื่อ piston ชน limit switch ระบบจะ หยุดการทำงานทันที 3). การควบคุม ระบบควบคุ ม ปริ มาตรน้ำ ของ ballast แบบ open-loop ใช้ คำสั่ ง เชิ ง ตรรกะ (Fill/Release หรือกำหนดเวลา/รอบ) ขับมอเตอร์ผ่านเกลียวยาวให้ลูกสูบเลื่อนในกระบอกอะคริลิก ปริมาตรน้ำจึงเปลี่ยน ทำให้แรงลอยตัวเปลี่ยน โดยมี limit switch เป็นตัว หยุดเมื่อสุดระยะ และมี โหลด/แรงรบกวน (disturbance) ภาพที่ 3.8 Block Diagram Ballast Control Concept 1 (1). Desired Command (Input) บทบาท: คำสั่งที่ผู้ใช้/ซอฟต์แวร์ให้ระบบทำงาน เช่น ดูดน้ำเข้า หรือปล่อยน้ำออก สัญญาณ: คำสั่งลอจิกที่จะถูกแปลงเป็นสัญญาณควบคุมมอเตอร์ 64 (2). Microcontroller + Logic อินพุต: Desired command และสถานะจาก limit switch หน้าที่: - แปลคำสั่งเป็นทิศทาง - บริหาร interlock: ถ้า limit switch ทำงานให้ หยุดทันที - สร้าง time/turn mapping ภายใน (ใช้เวลา/รอบ ≈ ตำแหน่งโดยประมาณ) - จัดการลำดับการทำงาน (เริ่ม–หยุด–ผิดปกติ) เอาต์พุต: สัญญาณควบคุมไปยังไดรเวอร์มอเตอร์ (3). Electrical Energy บทบาท: แหล่งพลังงานไฟฟ้าสำหรับ ไมโครคอนโทรลเลอร์ และ ชุดมอเตอร์/ไดรเวอร์ (4). Motor + Driver + Stud screw อินพุต: สัญญาณควบคุมจากไมโครคอนโทรลเลอร์ หน้าที่: - ไดรเวอร์แปลงสัญญาณลอจิกเป็นกระแสกำลังให้มอเตอร์ - มอเตอร์สร้างแรงบิด หมุน stud screw - แปลงการหมุน ไปเป็นการเลื่อนเชิงเส้นของลูกสูบ เอาต์พุต: แรง และ การเคลื่อนที่เชิงเส้นที่ป้อนเข้า piston (5). Acrylic cylinder + piston อินพุต: การเลื่อนของลูกสูบจากมอเตอร์ หน้าที่: - ลูกสูบเลื่อนภายในกระบอกอะคริลิก เปลี่ยน ปริมาตรน้ำ ในห้อง ballast - ปริมาตรน้ำที่เปลี่ยนทำให้ แรงลอยตัว ของลำตัวเปลี่ยนแปลงการหมุน ไปเป็นการ เลื่อนเชิงเส้นของลูกสูบ เอาต์พุต: actual volume (ปริมาตรน้ำจริงที่เปลี่ยนได้) (6). disturbance สัญญาณรบกวน: - โหลดภายนอก: แรงดันน้ำ, ความหนืด, อุณหภูมิ - กลไก: แรงเสียดทานจากซีล, การรั่ว 65 - เพาเวอร์: แรงดันตกทำให้แรงบิดลดลง ผลกระทบ: ทำให้การเลื่อนจริง และ ปริมาตรจริง คลาดเคลื่อน (7). limit switch เอาต์พุต: สถานะสวิตช์ส่งตรงกลับไป Microcontroller หน้าที่: เมื่อถูกกด จะหยุดมอเตอร์ทันที (8). actual volume (output) ความหมาย: ปริมาตรน้ำจริงที่ถูกดูด/ปล่อยออกจากห้อง ballast ซึ่งสัมพันธ์กับแรงลอยตัวที่ เกิดขึ้นกับตัวเครื่อง 4). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - เลือกขนาดกระบอก หรือระยะชักตามต้องการ ออกแบบให้ทนแรงได้สูง ทำให้ โครงสร้างแข็งแรงและขยายสเกลง่าย - วงจรควบคุมเรียบง่าย เดินสายและดูแลรักษาง่าย - ได้ mechanical advantage มาก จากเกลียว เคลื่อนที่นิ่ง เหมาะกับโหลดสูง - มีลิมิตสวิตช์หยุดทันทีเมื่อถึงปลายชัก ทำให้มีความปลอดภัยเชิงกลที่ชัดเจน - ไม่มีเซนเซอร์ตำแหน่งแบบสัมผัสยาว จึงลดปัญหาเสถียรภาพในความชื้น ข้อเสีย: - ความแม่นยำตำแหน่งจำกัด เพราะไม่มีฟีดแบ็กต่อเนื่อง ทำให้ปริมาตรน้ำผิดไปจาก ที่กำหนดได้ และเกิดความคลาดเคลื่อนสะสม - ต้องทำการปรับเทียบค่า (calibration) เป็นระยะเพื่อลดความคลาดเคลื่อนสะสม ของระบบ 66 แนวในการออกแบบที่ 2: Syringe + Stud screw + Slide Potentiometer ภาพที่ 3.9 Ballast ที่ใช้ Syringe เป็นถังอับเฉา 1). หลักการทำงาน ระบบนี้ใช้กระบอกฉีดยา (syringe) เป็น ballast แต่ก้านสูบผลิตขึ้นจากการ การพิมพ์สามมิติ และใช้โอริงในการซีล ลูกสูบภายในถูกขับเคลื่อนด้วยการหมุนของมอเตอร์ผ่านเกลียวยาว (Stud screw) ซึ่งเปลี่ยนการหมุนเป็นการเลื่อนเชิงเส้น จะทำให้ปริมาตรน้ำในกระบอกเปลี่ยน ส่งผลต่อแรง ลอยตัวของตัวเครื่อง และระบบติดตั้ง ตัวต้านทานปรับค่าแบบเลื่อน (slide linear potentiometer) ควบคู่ก้านลูกสูบเพื่อวัดตำแหน่งจริงแบบต่อเนื่อง 2). โครงสร้าง โครงสร้างหลักของระบบนี้อาศัยการนำเอา กระบอกฉีดยา ซึ่งโดยปกติถูกใช้ในงานทางการแพทย์ มาใช้เป็นส่วนประกอบหลักในการสร้างถัง อับเฉา จุดเด่นคือเป็นอุปกรณ์ที่หาได้ง่าย มีความเรียบง่าย ในโครงสร้าง - ตัวกระบอก (chamber): ใช้ท่ออะคริลิกใสที่มีความแข็งแรงมากกว่าพลาสติกของ syringe สามารถกำหนดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวตามต้องการ - ลูกสูบ (piston): พิมพ์สามมิติเพื่อให้เข้ากับระบบกลไกที่เลื่อนเข้า–ออกตามแนวแกนภายใน กระบอก เพื่อดูดหรือปล่อยน้ำ - กลไกขับเคลื่อน (actuation): มอเตอร์หมุนเกลียวยาว ส่งให้การหมุนถูกแปลงเป็นการเลื่อน ตรงของลูกสูบ 67 - slide variable resistance: ติดตั้งขนานกับก้านลูกสูบ ตัวต้านทานแบบเลื่อนนี้จะเลื่อน ตำแหน่งตามการเคลื่อนที่ของ piston ทำให้สามารถวัดตำแหน่งลูกสูบได้แบบต่อเนื่อง 3). การควบคุม ปริมาตรน้ำของ ballast แบบ closed loop ใช้คำสั่ง Fill/Release ขับมอเตอร์ผ่านเกลียว ยาวให้ลูกสูบเลื่อนใน cylinder ปริมาตรน้ำจึงเปลี่ยน ทำให้แรงลอยตัวเปลี่ยน โดยมี slide linear potentiometer (feedback sensor) เป็ น ตั ว คอยตรวจสอบความแม่ น ยำ และมี disturbance (โหลด/แรงรบกวน) ภาพที่ 3.10 Block Diagram Ballast Control Concept 2 (1). Desired command (Input) บทบาท: คำสั่งที่ผู้ใช้/ซอฟต์แวร์ให้ระบบทำงาน เช่น “ดูดน้ำเข้า” หรือ “ปล่อยน้ำออก” สัญญาณ: คำสั่งเชิงตรรกะที่จะถูกแปลงเป็นสัญญาณควบคุมมอเตอร์ (2). Microcontroller + Logic อินพุต: Desired command และสัญญาณวัดตำแหน่งจาก slide linear potentiometer หน้าที่: - คำนวณ error = setpoint − measurement - ประมวลผลแบบ Closed Loop เช่น PI/PID - กรองสัญญาณวัด และเงื่อนไขความปลอดภัย - จัดการลำดับการทำงาน (เริ่ม–หยุด–ผิดปกติ) เอาต์พุต: สัญญาณควบคุมไปยังไดรเวอร์มอเตอร์ 68 (3). Electrical energy บทบาท: แหล่งพลังงานไฟฟ้าสำหรับ ไมโครคอนโทรลเลอร์ และ ชุดมอเตอร์/ไดรเวอร์ (4). Motor + Driver + Stud screw อินพุต: สัญญาณควบคุมจากไมโครคอนโทรลเลอร์ หน้าที่: - Driver แปลงสัญญาณเชิงตรรกะเป็นกระแสกำลังให้มอเตอร์ - มอเตอร์สร้างแรงบิด หมุนผ่าน Stud screw - แปลงการหมุน ไปเป็นการเลื่อนเชิงเส้นของลูกสูบ เอาต์พุต: แรง และ การเคลื่อนที่เชิงเส้นที่ป้อนเข้า (5). cylinder + piston อินพุต: การเลื่อนของลูกสูบจากมอเตอร์ หน้าที่: - ลูกสูบเลื่อนภายในกระบอกอะคริลิก เปลี่ยน ปริมาตรน้ำ ในห้อง ballast - ปริมาตรน้ำที่เปลี่ยนทำให้ แรงลอยตัว ของลำตัวเปลี่ยนแปลงการหมุน ไปเป็นการ เลื่อนเชิงเส้นของลูกสูบ เอาต์พุต: actual volume (ปริมาตรน้ำจริงที่เปลี่ยนได้) (6). Disturbance สัญญาณรบกวน: - โหลดภายนอก: แรงดันน้ำ, ความหนืด, อุณหภูมิ - กลไก: แรงเสียดทานจากซีล, การรั่ว - เพาเวอร์: แรงดันตกทำให้แรงบิดลด ผลกระทบ: ทำให้การเลื่อนจริง และ ปริมาตรจริง คลาดเคลื่อน แต่ลูปป้อนกลับจะชดเชย เพื่อดึงเอาต์พุตกลับสู่ค่าที่ตั้ง (7). Slide Linear Potentiometer (Feedback sensor) เอาต์พุต: การเคลื่อนที่ของก้าน/ลูกสูบ (กลไกโยงกับสไลด์) หน้าที่: แปลงตำแหน่งเชิงกล ไปเป็นแรงดันอนาล็อกที่แปรผันตามตำแหน่งจริง โดยผ่านการ กรอง/ADC 69 เอาต์พุต: ส่งค่าที่วัดได้กลับไปยังคอนโทรลเลอร์เพื่อคำนวณ error และ Closed Loop (8). Actual Volume (Output) ความหมาย: ปริมาตรน้ำจริงที่ถูกดูด/ปล่อยออกจากห้อง ballast ซึ่งสัมพันธ์กับแรงลอยตัวที่เกิด ขึ้นกับตัวเครื่อง (ค่าจริงนี้ถูกวัดผ่านสไลด์พ็อตในรูปแบบของตำแหน่งลูกสูบ) 4). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - ควบคุมละเอียดและทำซ้ำได้ดี โดยวัดตำแหน่งลูกสูบแบบต่อเนื่องจึงตั้งปริมาตรได้ ละเอียด และคงที่เมื่อปรับเทียบค่า (calibration) แล้ว - Feedback error แบบ Real time ทำให้ distribution มีผลน้อยลง - มี Feedback value ตลอดเวลา เหมาะกับการบันทึกข้อมูล - Sof landing ลดการกระแทกของโอริง และลด overshoot ในระบบควบคุม - โครงสร้างต้นแบบติดตั้งง่าย ข้อเสีย: - ความซับซ้อนทางอิเล็กทรอนิกส์/ซอฟต์แวร์ เพราะมี ADC, การกรองสัญญาณ, อัลกอริทึมควบคุม และการจูนพารามิเตอร์ - ต้องคำนึงถึงความทนมานของ Sensor เพราะมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลา - ข้อจำกัดทางโครงสร้างของกระบอกฉีดยาเรื่องของ ขนาด/ปริมาตรและความทน แรงดันมีเพดานจากวัสดุพลาสติก - งานกลเชิงละเอียด เพราะการต่อโยงสไลด์พ็อตกับก้านลูกสูบต้องแม่นยำ มิฉะนั้นจะ อ่านค่าคลาดเคลื่อนได้ 3.5.2.2 ระบบควบคุมการก้ม-เงย และการเลี้ยว (Pitch & Roll module) การควบคุมทิศทางถือเป็นหัวใจสำคัญของระบบ AUG โดยเฉพาะในส่วนของการเคลื่อนไหว รอบแกน pitch (ก้ม–เงย) และ roll (หมุนรอบแกนลำตัว) ซึ่งทั้งสองการเคลื่อนไหวนี้เป็นตัวกำหนด รู ป แบบการเคลื่ อ นที่ ใ นลั ก ษณะ saw-tooth path ของการร่ อ นใต้ น้ำ โดยระบบ pitch & roll mechanism จะทำหน้าที่ปรับมุมเอียงของตัวเครื่องให้สอดคล้องกับแรงลอยตัวและแรงโน้มถ่วง เพื่อให้การเคลื่อนที่มีเสถียรภาพและควบคุมทิศทางได้อย่างแม่นยำ 70 การประยุกต์จากทฤษฎีที่ใช้ การประยุกต์ทฤษฎีนี้อาศัยหลักการปรับตำแหน่งของจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) ให้สัมพันธ์กับจุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) เพื่อควบคุมการทรงตัวของ ระบบ โดยการเคลื่อนที่ข องมวลภายในผ่านกลไก Moving mass mechanism และ Roll Mass Mechanism จะก่อให้เกิดโมเมนต์รอบแกน pitch และ roll ซึ่งส่งผลต่อการเอียงของระบบทั้งใน แนวดิ่งและแนวขวาง ช่วยให้ระบบสามารถปรับสมดุลและควบคุมทิศทางได้อย่างมีเสถียรภาพ 1). การหาระยะเลื่อนของ moving mass (moving length) ภาพที่ 3.11 แสดงแบบจำลองในการหา Moving Length ของ Pitch module การคำนวณนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อหาระยะเลื่อนสูงสุดของระบบ โดยกำหนดให้มุม pitch มีค่า 45 องศา ซึ่งเป็นมุมเอียงสูงสุดที่ระบบสามารถทำได้ในขณะทำการส่งสัญญาณ จากสมการที่ 2.39 และ 2.42 โดยกำหนด mmoving = 3 kg ,mbody = 11.05 kg, θ = 45 ° , l0 = 5 cm hmoving = 0.1016 𝑐𝑚, hbody = 0.762 cm จะได้ Max moving length (∆lmax ) = 3.82 cm และ total moving length คือ 2(∆lmax ) = 7.64 cm 71 2). การหาองศาการหมุนของ Rolling mass ภาพที่ 3.12 แบบจำลองในการหามุม roll ของ roll module การคำนวณนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อต้องการหาค่าการเอียงของยานร่อน (Glider rolling) ที่เกิดขึ้น จากการเปลี่ยนแปลงของ มุมเอียงหลักของระบบ (Rolling angle) ภายใต้เงื่อนไขมวลและตำแหน่ง จุดศูนย์กลางมวลที่กำหนดไว้ เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างมุมเอียงของโครงสร้างหลักกับมุมเอียง ของตัวกลไกขณะทำงาน จากสมการที่ 2.45 โดยกำหนด mroll = 3 kg ,mfixed = 11.05 kg, R = 1.5 inch , CGfixed,y = 0.5 inch จะได้ความสัมพันธ์ดังภาพที่ 3.4 Glider rolling (Degree) Rolling angle vs Glider rolling 50.00 45.00 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 Rolling angle(Degree) ภาพที่ 3.13 แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง Rolling angle vs Glider rolling 72 แนวในการออกแบบที่ 1: Combined Mass Control ภาพที่ 3.14 กลไก Moving Mass แบบที่รวมทั้ง 2 Module เข้าด้วยกัน 1). หลักการทำงาน กลไกแบบ Combined mass ใช้ battery pack ก้อนเดียว ทำหน้าที่เป็นมวลควบคุมทั้ง pitch และ roll โดยอาศัยการเปลี่ยนตำแหน่งจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity, CG) ดังนี้ - pitch control: เลื่อนแบตเตอรี่ตามแนวยาวของลำกล้อง (longitudinal axis) ด้วย linear actuator ส่งผลให้ CG เคลื่อนหน้า/หลัง เลยเกิด Pitch moment - roll control: หมุนแบตเตอรี่รอบแกนลำตัวด้วย stepper motor + spur gear ส่งผลให้ CG เคลื่อนออกด้านข้าง เลยเกิด roll moment 2). โครงสร้าง - battery pack: เซลล์ลิเธียมไอออนหลายก้อน จัดเรียงรอบแกนหมุน โดย offset ออกจาก แกนกลางเล็กน้อย - Linear actuator (Leadscrew + Nut Block): สำหรับเลื่อน battery pack ไป–กลับตาม แกนยาว - Stepper motor + Spur gear: สำหรับหมุน battery pack รอบแกน (±90°) - Flanged sleeve bearings: รองรับการเลื่อนและหมุน ลดแรงเสียดทานและรักษาศูนย์ Aluminium frame: ยึด actuator, motor, bearing และ battery pack เข้ากับ hull 73 3). การควบคุม กลไกนี้ใช้ battery pack เพียงก้อนเดียว เป็นทั้ง pitch mass และ roll mass โดยระบบ ควบคุมทำงานแบบ Closed-loop feedback ดังนี้ ภาพที่ 3.15 Block Diagram pitch&roll Control Concept 1 (1). Desired command (Input) บทบาท: มุม pitch และ roll ที่กำหนด สัญญาณ: ค่ามุมที่ต้องการ ป้อนเข้า PID Controllers (2). PID Controllers อินพุต: Desired command + error จาก error calculation หน้าที่: - คำนวณค่าความคลาดเคลื่อน (error) ระหว่าง setpoint และค่าจริง - ประมวลผลด้วย PID เพื่อสร้างสัญญาณควบคุม - จำกัดค่า (saturation) และป้องกัน windup เอาต์พุต: สัญญาณควบคุมไปยัง actuator และ motor (3). Electrical energy บทบาท: จ่ายไฟฟ้าให้กับ Linear actuator, Stepper motor, Driver และ Controller เอาต์พุต: พลังงานไฟฟ้า รวมถึงแปลงเป็นพลังงานกล (4). Linear actuator + Stepper motor อินพุต: สัญญาณควบคุมจาก PID 74 หน้าที่: - Linear actuator ทำการเลื่อน battery pack เปลี่ยน pitch - Stepper motor + gear ทำการหมุน battery pack (เปลี่ยน roll) เอาต์พุต: การเคลื่อนที่ของมวล (เลื่อน/หมุน) (5). glider dynamics อินพุต: การเลื่อน/หมุนของ battery pack หน้าที่: การเปลี่ยนตำแหน่งศูนย์ถ่วง (CG) ส่งผลต่อ pitch และ roll dynamics ของ AUG เอาต์พุต: actual dynamics (pitch, roll) (6). disturbance สัญญาณรบกวน: - โหลดภายนอก: กระแสน้ำ, แรงดันน้ำ, ความหนืด - กลไก: friction, backlash, leakage - เพาเวอร์: แรงดันตก ผลกระทบ: ทำให้ actual dynamics ไม่ตรงกับที่สั่ง (7). Sensors (IMU + Encoder) หน้าที่: - IMU Sensor: วัด pitch และ roll มุมจริง - Encoder: วัดตำแหน่งการเลื่อนและการหมุนของ battery pack เอาต์พุต: ค่าสถานะจริงส่งกลับไปยัง Error calculation (8). Error calculation อินพุต: Desired command และค่าจริงจาก IMU/Encoder หน้าที่: คำนวณหาค่าส่วนต่างที่ผิดพลาดไป เอาต์พุต: Error signal ป้อนกลับเข้าสู่ PID Controllers (9). Actual dynamic (Output) ความหมาย: ลักษณะการเคลื่อนที่ pitch และ roll ของ AUG 75 4). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - ประหยัดพื้นที่ภายในของ hull - สามารถประกอบเข้า hull ได้ง่ายเนื่องจากขนาดกระทัดรัด - การควบคุมเป็น Single mass control ทำให้ลดน้ำหนักรวมของระบบ ข้อเสีย: - เมื่อ disturbance ภายนอกมาก เช่น คลื่นหรือกระแสน้ำ การคุมสมดุลอาจทำได้ไม่ ดีเพราะทั้งสองแกนพึ่งพามวลเดียวกัน - การประกอบค่อนข้างยากเนื่องจากชิ้นส่วนต้องร่วมศูนย์กัน แนวในการออกแบบที่ 2: Separated Mass Control ภาพที่ 3.16 กลไกของ Moving Mass แบบแยก Module 1). หลักการทำงาน กลไกแบบ Separated Mass คือจะแยกมวลควบคุม pitch และ roll ออกจากกัน เพื่อให้การ ทำงานอิสระและมีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่ยังคงมีความสามารถทำหน้าที่ควบคุมทั้ง pitch และ roll โดยอาศัยการเปลี่ยนตำแหน่งจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity, CG) ดังนี้ - Pitch control: ใช้ Linear mass (แบตเตอรี่ติดตั้งบน rack & pinion) เลื่อนตามแกนยาว ทำให้เปลี่ยนตำแหน่ง CG หน้า–หลัง เลยเกิด pitch moment - Roll control: ใช้ Rotary mass (มวลทองเหลืองแขวนกับ servo motor) แกว่ง/หมุนเป็น pendulum ทำให้ CG เคลื่อนออกด้านข้าง เลยเกิด Roll moment 2). โครงสร้าง - Linear mass (battery หรือก้อนน้ำหนัก): ติดตั้งบน Linear plate ใช้เลื่อนตามแกนยาว - Linear servo motor + Rack & Pinion: ขับเคลื่อน Pitch mass ไป–กลับ 76 - Rotary mass (Brass weight): มวลแขวนกับ Servo motor สำหรับสร้าง roll moment Rotary servo motor: ขับเคลื่อนมวลแขวนให้แกว่งหรือหมุนรอบแกน roll Guide rails & bearings: สำหรับรองรับ linear plate และ rotary mass ให้เคลื่อนที่ได้ลื่น Modular frame / Mounting plate: โครงสร้างรองรับทั้ง linear และ rotary subsystem แยกจากกัน 3). การควบคุม กลไกนี้แยกมวลสำหรับ pitch และ roll ออกจากกัน โดยระบบควบคุมถูกแบ่งเป็น 2 ระดับทำ ให้มีความยืดหยุ่นและเสถียร โดยระบบควบคุมทำงานแบบ Closed-loop Feedback ดังนี้ ภาพที่ 3.17 Block Diagram pitch&roll Control Concept 2 (1). Desired Command (Input) บทบาท: มุม pitch และ roll ที่กำหนด สัญญาณ: ค่ามุมที่ต้องการ ส่งไปยัง PID Controllers (pitch) และ Servo Control (roll) (2). PID Controllers อินพุต: Desired Command (pitch) + Error จาก Error calculation หน้าที่: - ประมวลผล error ของ pitch - สร้างสัญญาณควบคุมไปยัง Linear Servo Motor (Rack & Pinion) - จำกัดค่า (saturation) และป้องกัน windup เอาต์พุต: สัญญาณควบคุมไปยัง Linear Servo Motor (3). Servo Control อินพุต: Desired Command (roll) + Error จาก Error calculation 77 หน้าที่: - ประมวลผล error ของ roll - ควบคุม roll โดยตรงผ่าน Rotary servo motor - จัดการสัญญาณกำลัง (PWM, torque control) เอาต์พุต: สัญญาณควบคุมไปยัง Rotary servo (4). Electrical Energy บทบาท: แหล่งจ่ายไฟให้ Linear servo, Rotary servo, Controller และ Sensors เอาต์พุต: พลังงานไฟฟ้า รวมถึงแปลงเป็นพลังงานกล (5). Linear Servo Motor + Rack & Pinion อินพุต: คำสั่งจาก PID Controller หน้าที่: เลื่อน Mass เชิงเส้นเพื่อเปลี่ยน pitch (CG shift) เอาต์พุต: การเคลื่อนที่ของมวล (เลื่อน) (6). Rotary Servo Motor อินพุต: คำสั่งจาก Servo control หน้าที่: หมุน mass ควบคุม roll เอาต์พุต: การเคลื่อนที่ของมวล (หมุน) (7). Glider Dynamics อินพุต: การเลื่อน pitch mass และการหมุน roll mass หน้าที่: เปลี่ยนศูนย์ถ่วง (CG) และโมเมนต์ ส่งผลต่อ Pitch และ Roll ของ AUG เอาต์พุต: Actual Dynamics (Pith, Roll) (8). Disturbance สัญญาณรบกวน: - โหลดภายนอก: กระแสน้ำ, แรงดันน้ำ, ความหนืด - กลไก: friction, backlash, leakage - เพาเวอร์: แรงดันตก ผลกระทบ: ทำให้ Actual Dynamics ไม่ตรงกับที่สั่ง (9). Oriental Sensor: หน้าที่: วัด Pitch และ Roll มุมจริง 78 เอาต์พุต: ค่าสถานะจริงส่งกลับไปยัง Error Calculation (10). Error Calculation อินพุต: Desired Command และค่าจริงจาก IMU/Encoder หน้าที่: คำนวณหาค่าส่วนต่างที่ผิดพลาดไป เอาต์พุต: ส่งค่าความคลาดเคลื่อนกลับไปยัง PID Controllers และ Servo Control (11). Actual Dynamic (Output) ความหมาย: ลักษณะการเคลื่อนที่ pitch และ roll ของ AUG 4). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - สามารถควบคุม pitch, roll, และ depth ได้ อิสระ กันมากขึ้น และตอบสนอง disturbance ได้แม่นยำกว่า - การประกอบง่ายเนื่องจากอุปกรณ์ของทั้งสองไม่จำเป็นต้องเกี่ยวเนื่องกัน - หากเปลี่ยน มวล ก็ไม่จำเป็นต้องคำนวณการเคลื่อนที่ใหม่ทั้งหมด ข้อเสีย: - โครงสร้างต้องการพื้นที่ ทำให้ต้องการพื้นที่และการจัด layout ที่ดี - น้ำหนักเพิ่มขึ้นเนื่องจากอุปกรณ์มากและมวล มากขึ้น - การบำรุงรักษาเพิ่มขึ้น ตามอุปกรณ์ที่เพิ่มขึ้นมา เนื่องจาก support แยกกัน 3.6 การคัดเลือกต้นแบบและการวิเคราะห์เพื่อการปรับปรุง ต้นแบบของยานร่อนใต้น้ำ ประกอบด้วยองค์ประกอบหลักทั้งภายนอกและภายใน โดยส่วน ภายนอกประกอบด้วยโครงสร้างลำตัว ปีก และครีบหาง ขณะที่ส่วนภายในติดตั้งกลไกสำคัญสำหรับ การควบคุมจำนวน 3 ชุด ได้แก่ ชุดถังอับเฉา (ballast system) สำหรับการควบคุมแรงลอยตัว ชุด ควบคุม pitch สำหรับปรับสมดุลในแนวระนาบ และชุดควบคุม roll สำหรับควบคุมการทรงตัวใน แนวขวาง 79 3.6.1 การออกแบบส่วนของภายนอก 3.6.1.1 โครงสร้างลำตัว การออกแบบลำตัวยานร่อนใต้น้ำใช้สมการ Myring เป็นพื้นฐาน โดยมีลักษณะโดยรวมเป็น รูปทรงคล้ายตอร์ปิโด ส่วนหัวและส่วนท้ายออกแบบให้มีความโค้งมนเพื่อเพิ่มความลู่ streamlined ในการไหลของน้ำ โครงสร้างถูกแบ่งออกเป็นสามส่วน ได้แก่ 1. ส่ ว นหั ว (nose section) และ ส่ ว นท้า ย (tail section) ทำหน้า ที่ เ ป็ น พื้ น ที่ เ ปี ย ก (wet section) โดยมีการเจาะช่องเพื่อให้น้ำสามารถไหลเข้าและออกได้ 2. ส่วนกลางลำตัว (pressure hull) เป็นพื้นที่แห้ง (dry section) ใช้สำหรับติดตั้งและปกป้อง อุปกรณ์ภายในทั้งหมด โดยมีการซีลระหว่างส่วนหัว ส่วนกลาง และส่วนท้าย เพื่อรักษาความ ดันภายใน การออกแบบโครงสร้างลำตัวในลักษณะนี้ช่วยลดแรงต้านการเคลื่อนที่ (drag force) ได้อย่างมี ประสิทธิภาพ เนื่องจากสามารถลดการแยกตัวของกระแสน้ำ (flow separation) ขณะเคลื่อนที่ใน ของไหลได้ จากการคำนวณสามารถสรุประยะการออกแบบได้ดังนี้ - โครงสร้างลำตัวยานร่อนใต้น้ำที่ออกแบบมีความยาวรวม 1142 มิลลิเมตร โดยแบ่งออกเป็น สามส่วนหลัก ได้แก่ ส่วนหัวที่มีความยาว 122 มิลลิเมตร ส่วนกลางลำตัวซึ่งใช้ท่อ อะคริลิค ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 นิ้ว ความยาว 828 มิลลิเมตร และส่วนท้ายที่มีความยาว 192 มิลลิเมตร การแบ่งโครงสร้างในลักษณะดังกล่าวทำให้สามารถติดตั้งอุปกรณ์ภายในได้สะดวก และยังคงคุณสมบัติด้านความแข็งแรงและความลู่ streamlined ของรูปทรงไว้ 3.6.1.2 ปีก การออกแบบปีกของยานร่อนใต้น้ำเลือกใช้ปีกลักษณะเป็นแผ่นบาง (flat plate) และออกแบบ ให้มีมุมกวาดไปทางด้านหลัง (swept wing) โดยมุมกวาดอยู่ที่ 30 องศา การเลือกใช้รูปแบบปีก ดังกล่าว มีวัตถุประสงค์เพื่อให้ยานสามารถปฏิบัติภารกิจใต้น้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยเพิ่ม ความสามารถในการหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางใต้น้ำ เช่น สาหร่าย พืชน้ำ และอวนได้ดีขึ้น สำหรับการคำนวณออกแบบ ได้กำหนดให้ปีกผลิตจากแผ่นอลูมิเนียมหนา 2 มิลลิเมตร โดยเมื่อ ประกอบเข้ากับลำตัวยาน จะได้ระยะกางปลายปีก (wingspan) รวมเท่ากับ 600 มิลลิเมตร ซึ่งถือเป็น ขนาดที่เหมาะสมต่อการสร้างแรงยกเพียงพอและลดแรงต้านให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้ 80 3.6.1.3 ครีบแนวดิ่ง ส่วนครีบของยานร่อนใต้น้ำถูกออกแบบและติดตั้งบริเวณส่วนท้ายของโครงสร้างลำตัว โดยมี ลักษณะเป็นครีบแนวดิ่ง (vertical fin) เพื่อเพิ่มเสถียรภาพเชิงทิศทาง (Directional Stability) ใน การเคลื่อนที่ จากผลการคำนวณพบว่าแรงต้านที่เกิดขึ้นจากครีบมีค่าไม่สูงนัก ดังนั้น การกำหนด ขนาดของครีบจึงอ้างอิงจากการประมาณอัตราส่วนระหว่างมิติของลำตัวและขนาดครีบ เพื่อให้ได้ สัดส่วนที่ 3.6.2 การออกแบบส่วนของภายใน 3.6.2.1 ชุดถังอับเฉา (Ballast) การออกแบบระบบกระบอกสูบสำหรับกลไกถังอับเฉเลือกใช้การสร้างกระบอกสูบขึ้นเอง โดยมี โครงสร้างหลักเป็นตัวถังกระบอก พร้อมฝาหัวและฝาท้ายซึ่งผลิตจากวัสดุซุปเปอร์ลีน (Polyacetal – POM) และทำการซีลด้วยโอริงเพื่อป้องกันการรั่วซึม ลูกสูบภายในถูกขับเคลื่อนด้วยการหมุนของ มอเตอร์ผ่านเกลียวยาว (Stud Screw) ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนการเคลื่อนที่แบบหมุนให้เป็นการเลื่อนเชิง เส้น (Linear motion) ระยะการเคลื่อนที่ของลูกสูบถูกควบคุมโดยตัวต้านทานปรับค่าแบบเลื่อน (Slide linear potentiometer) ซึ่งช่วยให้สามารถกำหนดตำแหน่งการเคลื่อนที่ได้อย่างแม่นยำ รูปแบบการออกแบบดังกล่าวมีข้อดีคือสามารถประกอบได้ง่าย มีประสิทธิภาพสูงทั้งในด้านการ ซีลและการควบคุมการเคลื่อนที่ อีกทั้งจากการคำนวณปริมาตรของน้ำที่ต้องใช้ในการปฏิบัติงาน พบว่าการเลือกใช้กระบอกสูบขนาด 350 ซีซี สามารถรองรับการทำงานได้ทั้งในช่วงการดำลงและการ ลอยขึ้นตามที่กำหนด 3.6.2.2 ระบบควบคุมการก้ม-เงย (Pitch module) ระบบควบคุมการหมุนขึ้น–ลงรอบแกนที่ขนานกับปีก (Pitch module) ได้รับการออกแบบให้ ใช้ Battery pack ทำหน้าที่เป็นมวลเคลื่อนที่สำหรับการควบคุมมุม pitch การขับเคลื่อนของมวล ดังกล่าว ใช้สเตปมอเตอร์ร่วมกับลีดสกรู (Lead screw) เพื่อแปลงการเคลื่อนที่เชิงหมุนเป็นการ เคลื่อนที่เชิงเส้น ซึ่งช่วยเพิ่มความแม่นยำในการควบคุมมุมของยานร่อนใต้น้ำ 81 จากการคำนวณออกแบบ กำหนดให้มวลควบคุมมีน้ำหนัก 3 กิโลกรัม และสามารถเลื่ อน ตำแหน่งได้ในระยะรวม 10 เซนติเมตร เพื่อสร้างแรงโมเมนต์ในการปรับมุม pitch สำหรับการดำลง และลอยขึ้น มุมการทำงานสูงสุดที่ออกแบบไว้คือ 45 องศา โดยที่มุม 35 องศายานสามารถรักษา ความเร็ ว สูง สุ ด ตามที่ งานของ Graver [3] ได้ แ นะนำไว้ และตามการเคลื่อ นที่ ตามที่ กำหนดได้ นอกจากนี้ยังได้เผื่อระยะการเคลื่อนที่สำหรับการยกเสาส่งสัญญาณบริเวณส่วนท้ายของลำตัวอีกด้วย 3.6.2.2 ระบบควบคุมการเลี้ยว (Roll module) การออกแบบระบบควบคุมการหมุนรอบแกน Roll ได้ถูกพัฒนาขึ้นให้ทำงานร่วมกับ pitch module โดยใช้สเตปมอเตอร์เป็นต้นกำลังร่วมกับชุดเฟืองดาวเคราะห์ (Planetary Gear) เพื่อทำ หน้าที่ทดรอบและเพิ่มค่าแรงบิดให้เพียงพอต่อการหมุน จึงเลือกใช้ มอเตอร์ที่มี ชุดเฟืองดาวเคราะห์ (Planetary Gear) มาพร้อมกับ มอเตอร์ เป็น มอเตอร์ Hanpose ให้อัตราทดที่ 5.18: 1 สามารถรองรับการทำงานได้ 3.7 ปัญหาที่พบและวิธีการแก้ไขปัญหา จากการทำงานพบว่ามีประเด็นปัญหาหลายอย่างที่เกิดขึ้น ทำให้ไม่เป็นไปตามการออกแบบ โดยสามารถแบ่งประเด็นปัญหาที่พบออกเป็น 2 ส่วน คือ ส่วนภายนอก (External design) และ ส่วนภายใน (Internal design) 3.7.1 ปัญหาส่วนภายนอก (External Design) ปัญหาที่เกิดขึ้นในขณะพัฒ นาต้นแบบที่ทำให้ไม่สามารถทำตามที่ออกแบบได้ในส่ว นของ ภายนอก มี 2 ส่วนคือ 1. ส่วนกลางของลำตัว (Pressure hull) 2.ส่วนปีก (wing) 3.ส่วนต่อกลาง ลำตัวกับหัว (Nose connector) 4. ส่วนต่อกลางลำตัวกับหาง (Tail connector) 3.7.1.1 ส่วนกลางลำตัว (Pressure hull) จากการออกแบบได้กำหนดให้ความยาวรวมอยู่ที่ 1 เมตร โดยกำหนดให้ส่วนตัว mid straight cylinder ที่เป็นส่วนกลางลำตัว กำหนดให้ใช้ความยาวที่ 0.6 เมตร หรือ 60 เซนติเมตร แต่เนื่องจาก ขนาดของ Syringe ที่ได้รับแตกต่างจากขนาดที่ระบุไว้ทำให้เกิดปัญหาเนื่องจากระยะของชุด ballast มีความยาวเพิ่มขึ้น ทำให้ต้องปรับเปลี่ยนความยาวในส่วนของ mid straight cylinder เพิ่มเป็น 0.8 82 เมตร หรือ 80 เซนติเมตร ทำให้เกิด แรงต้าน (Drag Force) ที่เพิ่มขึ้นและทำให้ปริมาตรของยาน เพิ่มขึ้น ส่งผลให้แรงลอยตัวเพิ่มขึ้นและน้ำหนักที่ต้องถ่วงจาก 3 กิโลกรัมเพิ่มขึ้นเป็น 6 กิโลกรัม นอกจากการนี้ยังพบปัญหาจากการใช้ท่อ PVC ที่นำมาใช้ทำมีค่าคลาดเคลื่อนของท่อประมาณ 1-2 มิลลิเมตร ซึ่งทำให้ไม่สามารถ Seal เพื่อป้องกันน้ำรั่วซึม จึงทำให้จำเป็นต้องเปลี่ยนจากท่อ PVC เป็นท่อ acrylic ที่มีความคลาดเคลื่อนน้อยกว่า ภาพที่ 3.18 pressure hull ที่ทำการ redesign แก้ไขปัญหาจากชุด ballast 3.7.1.2 ส่วนของปีก (Wing) พบปัญหาจากการสั่งซื้อทำให้ได้แผ่นอลูมิเนียมไม่ตรงขนาดตามที่ต้องการจากความหนาที่ ออกแบบไว้ที่ 3 มิลลิเมตร บริษัทที่จัดซื้อไม่มีสามารถจัดหาความหนาดังกล่าวได้จึงลดความหนาเป็น 2 มิลลิเมตรแทน จากปัญหาดังกล่าว ผู้พัฒนาจึงแก้ปัญหาโดยการทำการคำนวณใหม่ตามขนาดที่ ได้มา 3.7.1.3 ส่วนต่อกลางลำตัวกับหัว (Nose connector) พบปัญหาในการออกแบบเพื่อเลือกใช้ O-ring เนื่องจากในข่วงแรกพบว่าร่อง O-ring มีความ ลึกและความกว้างไม่เพียงพอทำให้ O-ring ไม่สามารถใส่ได้เพราะขยายตัวไม่ได้ พร้อมทั้งปัญหาจาก พิกัดความคลาดเคลื่อนของท่อ PVC ทำให้ไม่สามารถป้องการรั่วซึมได้ ผู้พัฒนาจึงแก้ปัญหาโดยการ แก้ไขร่อง O-ring และ ทำการปรับขนาด O-ring ให้เหมาะสมทำ ทำให้สามารถป้องการรั่วซึมได้ 3.7.1.4 ส่วนต่อกลางลำตัวกับหาง (Tail connector) พบปัญหาในการออกแบบคล้ายกับส่วนหัวคือการออกแบบเพื่อการเลือกใช้ O-ring เนื่องจาก ในข่วงแรกพบว่าร่อง O-ring มีความลึกและความกว้างไม่เพียงพอทำให้ O-ring ไม่สามารถใส่ได้ เพราะขยายตัวไม่ได้ พร้อมทั้งปัญหาจาก พิกัดความคลาดเคลื่อนของท่อ PVC ทำให้ไม่สามารถป้อง การรั่ว ซึมได้ ผู้พัฒ นาจึงแก้ปัญหาโดยการแก้ ไขร่ อง O-ring และ ทำการปรับขนาด O-ring ให้ เหมาะสมทำ ทำให้สามารถป้องการรั่วซึมได้ 83 3.7.2 ปัญหาส่วนภายใน (Internal design) ปัญหาที่เกิดขึ้นจากภายในส่วนมากเกิดจากขนาดของ ชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่ได้รับไม่ตรงตามที่ระบุ ไว้นอกจากนี้ยังเกิดจากการประกอบชิ้นส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกันที่เกิดปัญหาขึ้นจึงมีการปรับปรุงเพื่อ แก้ไขปัญหาดังกล่าวที่เกิดขึ้น โดยปัญหาที่เกิดขึ้นสามารถแบ่งออกเป็น 3 ส่วน คือ 1.ส่วนชุด Ballast 2.ส่วนชุด Pitch module 3.ส่วนชุด Roll module 3.7.2.1 ส่วนชุด Ballast ชิ้ น ส่ ว นที่ มี ปั ญ หาเรื่ อ งขนาดในส่ ว นของชุ ด ballast คื อ syringe motor และ linear potentiometer นอกจากนี้ยังมีส่วนปัญหาเรื่องวัสดุ POM ที่ออกแบบใช้เป็น piston รวมกับ Oring โดยพบว่า วัสดุ POM มีความยากในการ machining ทางผู้พัฒนาได้ทำการแก้ปัญหา โดยที่เริ่มจาก syringe ที่ขนาดความยาวไม่ตรงตามที่ร้านแจ้ง ไว้ทำให้ความยาวรวมของชุด ballast เพิ่มขึ้น จีงออกแบบใหม่ปรับให้ชุด ballast ขยับยื่นเข้าไปใน ส่วน Nose มากขึ้น ต่อมาคือปัญหาของ motor ที่ใช้ในชุด ballast โดยในตอนแรกใช้เป็น Motor Gear 6V 1000 RPM จากการประเมินพบว่าแรงบิดไม่เพียงพอจึงแก้ไขเบื้องต้นโดยการนำ Stepper Motor (Nema17) ซึ่งเป็น motor ของ ชุด roll module มาใช้แทนในเบื้องต้น ในส่วนของ linear potentiometer ที่จัดหามาพบว่ามีขนาดค่อนข้างเล็กไม่เหมาะกับการใช้ในการ feedback motor จึงทำการแก้ไขเปลี่ยนเป็นใช้ limits switch ในการ feedback แทน ต่อมาในส่วนของ POM ที่มี ความยากในการ machining จึงเปลี่ยนไปใช้ rubber ที่ได้มาพร้อม syringe ใช้เป็น เพื่อแก้ปัญหา ดังกล่าว นอกจากหลังจากการทดสอบดำลงของยานร่อนพบปัญหาในช่วงการลอยขึ้น ชุด ballast ไม่ สามารถผลักดัน น้ำออกได้ เนื่องจากการดำลงในน้ำที่มีระดับความลึกจะมีแรงดันมหาศาลจาก ภายนอกดันทำให้เกิดภาระกรรมในการดผลักดันน้ำออกอย่างมาก ซึ่งมอเตอร์ชุด ballast กำลังไม่ เพียงพอต่อการผลักดันน้ำได้ จึงทำให้ไม่สามารถลอยขึ้นได้ 84 ภาพที่ 3.19 ชุด ballast ที่ได้รับการแก้ไขแล้ว ผลการแก้ไขปัญหาดังกล่าว พบว่า ชุด ballast สามารถสูบน้ำได้ ไม่มีการรั่วซึม ภาพที่ 3.20 การทดสอบชุด ballast 3.7.2.2 ส่วนชุด Pitch module ปัญหาที่เกิดขึ้นในชุด pitch module เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงขนาดของ pressure hull ที่ทำให้น้ำหนักรวมของยานร่อนต้องเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้ระยะที่ต้องใช้ในการเคลื่อนมวล 1 กิโลกรัม 85 ให้สามารถสร้าง pitch angle ที่ 45 องศา เพิ่มขึ้น มากกว่าระยะเคลื่อนไปกลับที่ออกแบบไว้ที่ 10 เซนติเมตร ส่งผลทำให้ยากต่อการเคลื่อนจุดศูนย์กลางมวลได้ระยะจากจุดศูนย์กลางแรงลอยตัว และ การปรับระยะเคลื่อนมวลให้ยาวขึ้นจะทำให้เกิดปัญหาขนาดของยานร่อนเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ภาพที่ 3.21 แสดงการคำนวณระยะทางเคลื่อนมวลที่เพิ่มขึ้นจากการใช้มวล 1 กิโลกรัมเคลื่อนที่ ปัญหานี้ทำการแก้ไขด้วยทำการเพิ่มน้ำหนักมวลเคลื่อนมวลจาก 1 กิโลกรัมเป็น 3 กิโลกรัมแทน เพื่อให้อัตราส่วนเพิ่มของมวลเคลื่อนที่ต่อมวลมวลรวมของยานร่อนทำให้สามารถทำงานได้ในระยะ เคลื่อนมวลไปกลับที่ 10 เซนติเมตรได้ นอกจากนี้ยังทำการปรับเพิ่ม limits switch เพื่อ set ระยะ และ ความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้นด้วย ภาพที่ 3.22 แสดงการคำนวณระยะทางเคลื่อนมวลจากการใช้มวล 3 กิโลกรัมเคลื่อนที่ จากการทดสอบการใช้ มวลเคลื่อนที่ 3 กิโลกรัม motor ยังคงสามารถทำงานได้ตามที่ต้องการ 86 ภาพที่ 3.23 แสดงผลการทดสอบติดตั้งมวล 3 กิโลกรัมกับชุด pitch module 3.7.2.3 ส่วนชุด Roll Module ในส่วนของชุดนี้ ปัญหาเกิดต่อเนื่องมาจากชุด pitch module น้ำหนักที่ motor ของชุดนี้ต้อง รองรับน้ำหนักเพิ่มขึ้นจากที่ประเมินไว้ จากการทดสอบพบว่า Motor ที่เลือกใช้มาไม่สามารถคงระยะ การหมุนไว้ได้เนื่องจากการน้ำหนักที่มากกว่าเกินไป ปัญหาดังกล่าวทำให้ต้องแก้ไขจาก motor ที่ออกแบบไว้ใช้ stepper motor (Nema17) แรงบิ ด 42 N.cm 1.5A (17HS4401S) เปลี่ ย นเป็ น 2.07 N.m planetary gearbox ratio 5.18:1 Nema17 stepper motor (17HS4401S-PG5.18) เพิ่มอัตราทดขึ้นให้ Motor สามารถรองรับการ คงระยะการหมุนมวลได้ ภาพที่ 3.24 Motor ตัวใหม่ที่นำมาทดแทน Stepper motor ตัวเดิม 87 3.8 การคำนึงถึงปัญหาสิ่งแวดล้อม ในปัจจุบัน งานวิศวกรรมทุกแขนงไม่เพียงมุ่งเน้นที่สมรรถนะและต้นทุน แต่ยังต้องพิจารณา ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมทั้งระยะสั้นและระยะยาว โดยการที่พัฒนา AUG ซึ่งถูกออกแบบมาเพื่อการ สำรวจและติดตามข้อมูลในทะเลหรือแหล่งน้ำธรรมชาติ ความสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมจึงมีความชัดเจน และต้องให้ความสำคัญเป็นพิเศษ เพราะหากการออกแบบไม่คำนึงถึงผลกระทบ อาจก่อให้เกิดปัญหา เช่น การรบกวนสัตว์น้ำ การปล่อยมลพิษทางเสียง หรือแม้กระทั่งการทิ้งขยะอิเล็กทรอนิกส์ลงในทะเล 3.8.1 การเลือกใช้วัสดุและการออกแบบที่ลดผลกระทบ - โครงสร้างของ AUG เลือกใช้ท่ออคิลิค ที่สามารถรีไซเคิลได้เมื่อหมดอายุการใช้งาน เพื่อลด การสร้างขยะพลาสติกถาวรในธรรมชาติ - ออกแบบให้สามารถถอดเปลี่ยนเฉพาะส่วนที่เสียหาย เช่น ฝาปิด ปีก หรือระบบซีล ทำให้ไม่ จำเป็นต้องทิ้งทั้งลำเรือเมื่อมีปัญหา - หลีกเลี่ยงการใช้กาวหรือสารเคลือบที่อาจละลายลงน้ำและก่อให้เกิดสารพิษตกค้าง - ออกแบบให้ระบบขับเคลื่อนทุกระบบอยู่ภายใน pressure hull ทำให้ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่จึง ไม่เป็นอันตรายที่สัตว์น้ำ มีเสียงรบกวนและลดความเสี่ยงต่อการรั่วไหลต่ำ 3.8.2 การใช้พลังงานและระบบขับเคลื่อน - ลดการใช้พลังงาน: แต่ละรอบการร่อน (sawtooth cycle) ใช้พลังงานต่ำมาก ทำให้ไม่ต้องใช้ แบตเตอรี่ขนาดใหญ่ ลดความเสี่ยงต่อการเกิดของเสียอันตราย - พลังงานไฟฟ้าแทนเชื้อเพลิง: ไม่มีการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล ไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจก - ลดเสียงใต้น้ำ: ระบบปั๊มปรับแรงดัน และมอเตอร์ขนาดเล็กทำงานเงียบกว่าระบบใบพัด ซึ่ง ช่วยลดการรบกวนสัตว์น้ำ โดยเฉพาะสัตว์ที่ใช้การสื่อสารด้วยคลื่นเสียง - การเคลื่อนที่เลียนแบบธรรมชาติ: รูปแบบ Sawtooth ที่อาศัยแรงลอยตัวใกล้เคียงกับการ เคลื่อนที่ของสัตว์น้ำ ทำให้ไม่ก่อกระแสน้ำแรงผิดธรรมชาติ 88 3.8.3 การจัดการของเสียและความเสี่ยง - แบตเตอรี่: มีมาตรการจัดเก็บและทิ้งแบตเตอรี่ตามมาตรฐาน ไม่ทิ้งลงน้ำหรือแหล่งขยะทั่วไป - ระบบกู้คืน (recovery): มีเชือกนิรภัยและดึงกลับทุกครั้งที่ทดสอบ ป้องกันไม่ให้ AUG สูญ หายและกลายเป็นขยะอิเล็กทรอนิกส์ใต้น้ำ - เศษวัสดุการผลิต: เศษพลาสติกจากการพิมพ์ 3 มิติหรือการตัดแต่งชิ้นงานถูกเก็บแยกและจะ ถูกนำไปส่งไปรีไซเคิล 89 บทที่ 4 ผลการทดลองและการวิเคราะห์ผลการทดสอบ 4.1 ผลที่ได้รับจากการทดสอบการเคลื่อนที่ ในการทดสอบการเคลื่อนที่ของยานร่อนใต้อัตโนมัติ เป็นการทดสอบความสามารถในการทำ มุมของยานร่อน รูปแบบการเคลื่อนที่แบบฟันเลื่อย ที่ระดับความลึก 3 เมตร และความเร็วในการดำ ของยานร่อ นตามที่ อ อกแบบในชุ ดการคำนวณ โดยทำการทดสอบที่ส ระทดสอบ ที่ Odd dive Thailand ในช่วงเดือนมีนาคม 2569 4.1.1 การทดสอบการทำมุมของยานร่อน ในการทดสอบการเคลื่อนที่ของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ เป็นการทดสอบการทำมุมของยานร่อน จากระบบ Moving mass โดยแบ่งออกเป็น 2 ช่วง คือ 1. ช่วงการมุมที่ผิวน้ำ ต้องการให้ยานร่อน สามารถทำมุม pitch angle ที่ 45 องศา เป็นการจำลองการส่งผ่านข้อมูลขึ้นกับ GPS 2.ช่วงการมุม ในระหว่างการดำและลอยของยานร่อนใต้น้ำ โดยระหว่างการดำลงต้องการระบบสามารถทำมุม pitch ตอบสนองการ 4.1.1.1 ทดสอบการทำ neutral buoyancy ที่ระดับผิวน้ำ ภาพที่ 4.1 ทดสอบการทำ neutral buoyancy ที่ระดับผิวน้ำ จากการทดสอบ การปรับน้ำหนักให้เท่ากับแรงลอยตัว โดยใช้น้ำหนักตามที่ได้คำนวณไว้ มี ความสามารถในการทำ neutral buoyancy ที่ระดับผิวน้ำได้ ภาพที่ 4.2 ทดสอบการทำ neutral buoyancy ที่ระดับผิวน้ำ 90 4.1.1.2 การทดสอบช่วงการทำมุมดำและลอยของยานร่อนใต้น้ำ ภาพที่ 4.2 การทดสอบยานร่อนขณะดำลง จากการทดสอบผลยานร่อนใต้น้ำ สามารถทำมุมได้ตามที่สั่ง โดยมุมในการทดสอบการดำใน ครั้งนี้กำหนดเป้าหมายคือ glider path angle อยู่ที่ 35 องศา ผ่านการสั่งการเคลื่อนที่ moving mass ให้เกิดมุม pitch ภาพที 4.3การทดสอบยานร่ การทดสอบยานร่ออนขณะลอยขึ นขณะลอยขึ้น้น รูปที่่4.3 จากการทดสอบ ยานร่อนใต้น้ำ สามารถทำมุมได้ตามที่สั่ง โดยมุมในการทดสอบการลอยในครั้ง นี้กำหนดเป้าหมายคือ glider path angle อยู่ที่ 35 องศา ผ่านการสั่งการเคลื่อนที่ moving mass ให้ เกิดมุม pitch พบปัญหาเรื่องของ inertia ของยานเนื่องจากมีน้ำหนักมายานมี inertia มากทำให้ ตอบสนองช้าในการเปลี่ยนเฟสจากดำลงสู่การลอยขึ้น 91 4.1.2 ผลการทดสอบการร่อนของยานร่อน ในการทดสอบครั้งนี้เป็นการดูความสามารถในการทำงานของยานร่อน เป็นการทดสอบการ ทำงานของยานร่อน โดยทำการจับภาพระหว่างที่ยานร่อนเคลื่อนที่เพื่อคำนวณย้อนกลับดูเส้นทางการ เคลื่อนที่ของยานร่อน ในการทดสอบครั้งนี้เนื่องจากติดปัญหาจากแรงดันของน้ำที่ระดับความลึก ทำ ให้เกิดโหลดมาก ชุด ballast ไม่สามารถผลักดันน้ำออกจาก ballast ได้ ทำให้ได้ผลการทดสอบแค่ใน ส่วนของการดำลง โดยในการทดสอบครั้งนี้ทดสอบการทำงานของยานร่อนใช้เวลาทั้งหมด 35 วินาที ภาพที่ 4.4 ภาพการทดสอบการร่อนของยานร่อน 4.1.2.1 ผลการคำนวณเส้นทางการเคลื่อนที่ของยานร่อน ทำการ plot แสดงการเคลื่อนที่ของยานร่อนโดยยึดที่จุดกลางลำตัวของยานร่อนเป็นจุดอ้างอิง ในการดูเส้นทางการเคลื่อนและได้ผลการเคลื่อนที่เป็นดังกราฟนี้ ภาพที่ 4.5 กราฟแสดงเส้นทางการเคลื่อนที่ของยานร่อนจากการทดสอบ 92 จากกราฟที่ได้จากการทำ image analysis ยานร่อนสามารถดำลงไปได้ถึง 4.2 เมตรโดยไม่มี ปัญหาการรั่วซึมของน้ำ ระยะทางการเคลื่อนที่รวมอยู่ที่ 8.72 เมตร ใช้เวลา 35 วินาที ความเร็วเฉลี่ย อยู่ 0.249 เมตรต่อวินาที ระยะการเคลื่อนที่ในแนวขนานกับพื้นน้ำอยู่ 7.4 ในความลึกที่ 4.2 เมตร ได้ glider ratio อยู่ที่ 1.76 คำนวณย้อนกลับได้ glider path angle อยู่ที่ 29.6 องศา นอกจากการ ทดสอบนี้ยังพบว่ายานเกิดการ yaw โดยที่ไม่สั่งเกิด yaw เฉลี่ยอยู่ที่ 0.033 องศาต่อวินาที yaw ที่ เกิดขึ้นอาจเกิดจากครีบแนวดิ่ง ไม่สามารถสร้างเสถียรภาพในเชิงทิศทางได้มากพอ หรืออาจเกิดจาก การติดตัง้ ในส่วนของปีกที่อาจจะยังมีการเอียงอยู่ทำให้เกิด yaw ขึ้นโดยที่ไม่ได้สั่ง 93 บทที่ 5 สรุปผลการดำเนินงานและข้อเสนอแนะ จากการออกแบบและทดสอบออกแบบยานร่ อ นใต้ น้ำ อั ต โนมั ติ ทำให้ สามารถได้ ผ ลการ ดำเนินงาน ดังนี้ 5.1 สรุปผลการออกแบบ การออกแบบ AUG สามารถแบ่งออกเป็น 2 ส่วนหลักได้แก่ 1.ส่วนประกอบภายนอกยานร่อนใต้น้ำ ประกอบด้วย 1.1 ส่วนหัว (nose) ทำหน้าที่ช่วยลด drag force 1.2 ส่วนต่อกลางลำตัวกับหัว (nose connector) ทำหน้าที่ปิด pressure hull ด้านหน้าและ เป็นร่องให้กับ O-ring ป้องกันน้ำรั่วซึมเข้ายานร่อนใต้น้ำ 1.3 ส่วนกลางลำตัว (pressure hull) เป็นพื้นสำหรับติดตั้งอุปกรณ์ภายในของยานร่อนใต้น้ำ 1.4 ปีก (wing) ทำหน้าที่ช่วยสร้างแรงยกให้กับยานร่อน 1.5 ส่วนต่อกลางลำตัวกับหาง (tail connector) ทำหน้าที่ปิด pressure hull ด้านหลังและ เป็นร่องให้กับ O-ring ป้องกันน้ำรั่วซึมเข้ายานร่อนใต้น้ำ 1.6 ส่วนหาง (tail) ทำหน้าที่ในการช่วยลด drag force ที่เกิดขึ้นกับยานร่อนใต้น้ำ 1.7 ครีบแนวดิ่ง (vertical fin) ใช้ในการเพิ่มเสถียรภาพเชิงทิศทาง (directional stability) ให้กับยานร่อนใต้น้ำ 2.ส่วนประกอบภายในยานร่อนใต้น้ำ 2.1 ชุด ballast ทำหน้าทีค่ วบคุมแรงลอยตัว 2.2 ชุด pitch module ทำหน้าที่ในการควบคุม pitch angle ของยานร่อนใต้น้ำ 2.3 ชุด roll module ทำหน้าที่ในการควบคุม roll angle ของยานร่อนใต้น้ำ 94 5.2 สรุปผลการทดสอบ จากการทดสอบพบว่า ยานร่อนใต้น้ำมีความสามารถในการที่จะทำมุมร่อนให้เกิดการเคลื่อนที่ ไปข้างหน้าในการทดสอบ และชุดคำนวณที่ใช้ในการออกแบบการยานร่อนนั้นสามารถทำใช้ในการ ออกแบบได้เบื้องต้น ในการทดสอบพบปัญหาหลายอย่างในระหว่างการดำเนินการ ทั้งในส่วนภายใน และภายนอก ปัญหาหลักของภายนอกคือ การป้องกันรั่วซึมที่เกิดจากการค่าความคลาดเคลื่อนของ ชิ้นส่วนส่งผลให้เกิดช่องว่างในการประกอบทำให้เกิดการรั่วซึมของน้ำได้ ในส่วนของปัญหาภายในที่ เกิดขึ้น นั้นจะมาจากประเด็นการพื้นที่การถ่วงน้ำหนักที่มีจำกัดทำให้จำเป็นต้องปรับการออกแบบและ ทำให้เกิดปัญหากระทบการวางสายไฟภายในตัวยานและนำไปสู่การเกิดปัญหาในการประกอบเข้ายาน และการทำงานของระบบภายใน ซึ่งการทดสอบนี้ยานร่อนใต้น้ำของเราสามารถร่อนได้เป็นลึกถึง 4.2 เมตร ในสระทดสอบโดยที่ไม่เกิดการรั่วซึมของน้ำ สามารถสร้างความเร็วในแนวขนานกับพื้นน้ำได้อยู่ ที่ 0.211 เมตรต่อวินาที ต่ำกว่าที่ออกแบบด้วยชุดคำนวณที่ 0.5 เมตรต่อวินาที เนื่องจากยานร่อนอาจ มีแรงต้านมากกว่าที่คำนวณด้วยชุดคำนวณ นอกจากนี้ยานร่อนยังเกิดการ yaw โดยที่ไม่ได้สั่งซึ่งอาจ เกิดจากครีบแนวดิ่งไม่สามารถสร้างเสถียรภาพเชิงทิศทางได้เพียงพอ รวมถึงการติดตั้งปีกที่อาจเอียง จากการติดตั้งทำให้เกิดการ yaw ขึ้น และยานร่อนไม่สามารถลอยขึ้นได้เนื่องจากปัญหากำลังของชุด ballast ที่ไม่เพียงพอที่สูบจะน้ำออกจากballast ที่ระดับความลึกทดสอบได้ ซึ่งแรงดันน้ำต้านทาน การทำงานของ ballast ทำให้ไม่สามารถทดสอบการลอยขึ้นได้ แต่อย่างไรก็ตามจากการทดสอบ ในช่วงการดำลงทำให้เชื่อได้ว่าหากสามารถสูบน้ำออกจาก ballast ยานจะสามารถลอยขึ้นและแสดง การเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้อย่างแน่นอน 95 5.3 ข้อเสนอแนะ จากการดำเนินงานพบปัญหาในหลายส่วนของการออกแบบและสร้างต้นแบบ สามารถสรุปเป็น ข้อเสนอแนะในการพัฒนา ได้ดังนี้ 1.การออกแบบป้องกันการรั่วซึมด้วย O-ring เหมาะสมกับงานที่ความแม่นยำค่อนข้างสูงหากใช้ กับงานออกแบบทั่วไปอาจทำให้ไม่ได้ประสิทธิภาพการป้องกันการรั่วซึมที่ต้องการ 2.แนะนำให้ออกแบบชุด ballast ที่ให้มีความจุมากกว่าที่ได้จากชุดคำนวณจะทำให้ในการปรับ แรงลอยตัวของยานร่อนใต้น้ำทำได้ง่ายขึ้นทั้งยังเพิ่มประสิทธิภาพในสร้างความเร็วสูงสุดของยานร่อน ใต้น้ำอีกด้วย 3.แนะนำให้ออกแบบชุด pitch module ให้เป็นส่วนที่มีน้ำหนักมากที่สุดในการออกแบบ จะ ทำให้ใช้ระยะเคลื่อนที่น้อยกว่า นำไปสู่การที่ลดความยาวโดยรวมของยานร่อน ทำให้ลดน้ำหนักที่ จะต้องใช้ในการถ่วงน้ำหนักลงได้ 4.การออกแบบโดยชุดคำนวณนั้น สามารถใช้ออกแบบในส่วนของรูปร่างและสัดส่วนได้ใน เบื้องต้นเท่านั้น หากต้องการทำให้ประสิทธิภาพในการออกแบบเพิ่มมากขึ้นอาจจะต้องใช้การทำ CFD เพื่อให้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของยานร่อนใต้น้ำได้ 96 เอกสารอ้างอิง [1] The Open University. (2025). The oceans: vertical distribution of properties. OpenLearn [Online]. Available: https://www.open.edu/openlearn/natureenvironment/environmental-studies/the-oceans-vertical-distribution-properties [2] Jack Barth and Kipp Shearman, Undersea Gliders Making Waves as Valuable New Tool in Marine Research, Oregon State University News [Online], 2007, Available: https://news.oregonstate.edu/news/undersea-gliders-making-waves-valuable-newtool-marine-research [3] J. G. Graver, Underwater Gliders: Dynamics, Control and Design, Ph.D. dissertation, Dept. Mech. and Aero. Eng., Princeton Univ., Princeton, NJ, USA, 2005. [4] Teledyne Marine, “Slocum Glider,” [Online]. Available: https://www.teledynemarine.com/brands/webb-research/slocum-glider. [Accessed: 26-Jul-2025]. [5] Spray Data, “About the Spray Underwater Glider,” Instrument Development Group, Scripps Institution of Oceanography, University of California San Diego. [Online]. Available: https://spraydata.ucsd.edu/about/spray-glider. Accessed: 26-Jul2025. [6] APL‑UW Integrative Observational Platforms, “Seaglider,” University of Washington. [Online]. Available: https://apl.uw.edu/project/project.php?id=seaglider. Accessed: 26-Jul-2025. [7] Ocean Science Technology, “ALSEAMAR – SeaExplorer 200,” [Online]. Available: https://www.oceansciencetechnology.com/company/alseamar/seaexplorer-200/. [Accessed: 26-Jul-2025]. [8] Cyprus Subsea Consulting and Services, “Bioglider Project,” [Online]. Available: https://cyprus-subsea.com/projects/bioglider/. [Accessed: 26-Jul-2025]. [9] A. P. Boresi and R. J. Schmidt, Advanced Mechanics of Materials, 6th ed., Wiley, 2003. 97 [10] W. H. Nugroho, N. J. H. Purnomo, and T. Soedarto, “An experimental work on wireless structural health monitoring system applying on a submarine model scale,” in *Journal of Physics: Conference Series*, vol. 776, no. 1, p. 012094, Nov. 2016, doi: 10.1088/1742-6596/776/1/012094 [11] Y. A. Çengel and J. M. Cimbala, Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications, 4th ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill Education, 2018. [12] J. R. Valasek, “Aircraft Stability & Control,” Introduction to Aerospace Flight Vehicles, Eagle Pubs, Embry-Riddle Aeronautical University, [Online]. Available: https://eaglepubs.erau.edu/introductiontoaerospaceflightvehicles/chapter/aircraftstability-control/ [13] M. V. Cook, Flight Dynamics Principles: A Linear Systems Approach to Aircraft Stability and Control, 3rd ed., Butterworth-Heinemann, 2013. [14] S. T. Mohammad, “Aircraft directional stability and vertical tail design: A review of semi-empirical methods,” *Prog. Aerosp. Sci.*, vol. 115, p. 100620, 2020. [15] American Bureau of Shipping, Rules for Building and Classing Underwater Vehicles, Systems and Hyperbaric Facilities, ABS, 2018. [Online]. Available: https://ww2.eagle.org [16] International Organization for Standardization, ISO 5411: Submersibles — Vocabulary, ISO, 2016. [Online]. Available: https://www.iso.org/standard/6383.html [17] “Airshipworlds Gertler 58,” RC Groups Forums. [Online]. Available: https://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?4139439-Airshipworlds-Gertler58#post49239107. [Accessed: Mar. 22, 2026]. [18] U.S. Department of Transportation, Federal Aviation Administration, Airplane Flying Handbook, FAA-H-8083-3C, Washington, DC, USA: Flight Standards Service, 2021, Glossary, p. G-1. 98 ภาคผนวก 99 BOM - Internal Part 100 BOM - Internal Part 101 Shop floor drawing-External Part 102 Shop floor drawing-External Part 103 Shop floor drawing-External Part 104 Calculate Sheet 105 106 INPUT Length total Outer Diameter Pipe Inner Diameter Pipe Vx Targets OUTPUT = 1.17 m = 140 mm = 134 mm = 0.5 m/s Estimate Shape 0.1 0.05 0 -0.05 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 -0.1 Estimate Length each Part Nose Length (a) : L_nose=0.1L_total = 117 mm Mid Length (b) : L_mid =0.79L_total = 831 mm Tail Length (c) : L_tail = 0.19L_total = 222 mm Formula for plot nose a = 8.233566768 b = -5.33749 c = 1.1088 d = 0.000265294 Tail Angle atan(|dr/dx|) at trailing end = 28.1 degree Estimate Carries Weight Carries Weight = Volume_mid_Length*ρwater *9.81*Factors = 14.05 kg 107 108 INPUT Wing thickness Chords Wingspan Sweep Angle CL/CD target value FIN Root Chord Tip Chord Span LE sweep OUTPUT Plot AOA vs CL/CD = 2 mm = 100 mm = 0.6 m = 30 deg = 1.4 = 50 mm = 30 mm = 80 mm = 18 deg CL/CD AOA vs CL/CD -5 -3 5 4 3 2 1 0 -1 -1 -2 -3 -4 1 3 5 7 AOA AOA at CL/CD target = find_AOA_make_CL/CDtot_Near_CL/CD_Target = 1.34 CL/CD ใกล้เคียงอยู่ที่ = CL/CD_at_CL/CD_target CL_beforeAOA_tot = CL_Hull + CL_Wing CD0tot = CD0_WING+CD0_Hull+CD0_Fin Cltot = (CL_beforeAoA_tot)*AOA = 0.374 Cdtot = CD0tot+(Cltot^2 / (PI*AR*Span efficiency)) = 0.267 109 Dragforce = 0.5*Cdtot*𝜌𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 *Velocity^2 *A_ref = 0.770101 N Dragforce (g) = Dragforce(N)*1000/9.81 liftforce = 0.5*Cltot*𝜌𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 *Velocity^2 *A_ref = 1.079625 N liftforce (g) = liftforce(N)*1000/9.81=110.0535 g 110 OUTPUT Excess_mass =(((Vx targets/((sin(35.2)^1/2)/cos(35.2)))^2)* 𝜌𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 *CD_vol*(Volume^(2/3))/(2*9.81))*1000 = 135.96 g 111 112 INPUT m,body = 9.5 kg h,body = 0.762 cm h,moving = 1.016 cm Design Pitch angle = 45 degree l_0 = 5 cm OUTPUT Plot Effect of Moving Length on Pitch Angle Effect of Moving Length on Pitch Angle Pitch Angle (Degree) 75 60 45 30 15 0 0 2 4 Moving Length (cm.) 6 8 10 m,moving = 4.55 kg moving_Length (∆l) = matching Design Pitch Angle and Moving_Length = 2.61 cm 113 Strength of Hull 114 Calculate at Mid Straight Cylindral ทำการรวมความเค้นที่เกิดขึ้นโดยใช้ Von mise (𝜎𝑣 = √𝜎𝜃 2 + 𝜎𝑎 2 − 𝜎𝜃 𝜎𝑎 ) โดยความเค้นที่เกิดขึ้นจาก External Pressure ทำให้ค่าความเค้นเป็นเกิดขึ้นเป็นความเค้นแบบกด 𝑝𝐷 𝑝𝐷 (Compressive Stress) โดยที่ Hoop stress 𝜎𝜃 = − 𝑡 𝑜 และ Axial Stress 𝜎𝑎 = − 2𝑡𝑜 𝜎 หรือ 𝜎𝑎 = 2𝜃จากการทำรวมความเค้นให้กลายโดยใช้แนวคิดของ Von mise 𝜎𝑣 = 1 1 4 2 √𝜎𝜃 2 + 𝜎𝜃 2 − 𝜎𝜃 2 = √3 𝜎 2 𝜃 โดยที่มองว่าความดันจากดำลงของAUG ทำให้เกิด Hoop 𝑝 𝐷 𝑜 Stress โดยความเค้นที่เกิดจากการทำงานให้แทนด้วยตัวแปร 𝜎𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑒 = 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑒 และ 𝑡 𝜎𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤 เป็นความเค้นของท่อมาตรฐานแนะนำให้ใช้ โดยสามารถหาค่าได้จากความดันที่มาตรฐาน 𝑝 𝐷 𝑜 แนะนำ 𝜎𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤 = 𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤 ในการออกแบบอ้างอิงจากคุณสมบัติทางกลดังนี้ Young's 𝑡 Modulus(E) ที่ 2.9 GPa และ tensile strengthที่ 70 MPa คิดSafety factor ที่ 2 σallow √3 = σ SF 2 operate σallow √3 poperate Do = SF 2 t σallow √3 poperate Do = SF 2 t 2 σallow t poperate = √3 Do SF 70 MPa ∗ 0.003 0.14 ∗ 2 √3 poperate ≈ 0.866 MPa poperate = 2 ∗ จากนั้นทำการแปลงความดันกลับเป็นความลึกที่สามารถใช้งานได้ hoperate = poperate ρg 0.866 ∗ 106 hoperate = m (1000 ∗ 9.81) hoperate = 88.27 m 115 นอกจากนี้ตัว Hull ยังสามารถพังได้จากการเกิด Buckling สามารถคำนวณประมาณค่าได้ ดังนี้ pCritical,Buckling = pCritical,Buckling = 2E t ( )3 √3(1 − v 2 ) R 2 ∗ 2.7 ∗ 109 0.003 3 ) √3(1 − 0.352 ) 0.07 ( pCritical,Buckling = 261986.68 Pa โดยทำการคิดที่ Safety Factor ที่ 2 hCritical,Buckling = pCritical,Buckling ρgSF hCritical,Buckling = 261986.68 1000 ∗ 9.81 ∗ 2 hCritical,Buckling = 13.35 m จากการคำนวณความลึกที่ AUG สามารถดำได้ลึกสุด โดยเปรียบเทียบจาก Buckling และ Hoop stress สามารถดำได้ลึกสุดที่ 13.35 เมตร โดยจะเกิดการเสียรูปจากการ Buckling ก่อน 116 Flow Chart 117

Abstract

This thesis aims to design and construct a low-cost prototype of an Autonomous Underwater Glider (AUG) to overcome technological and budgetary limitations in Thai research, as well as to expand the capabilities in the study of autonomous underwater gliders. The prototype is capable of moving autonomously in a sawtooth path at a depth of 3 meters and supports a payload of 3 kilograms. Additionally, design calculations have been formulated to serve as a guideline for developing and optimizing AUGs for specific future missions. The glider's design is divided into two main parts: the external structure and the internal control system. The hull structure was designed using Myring equations to achieve a torpedo-like shape, which helps minimize hydrodynamic drag. The wings utilize a flat plate design with a 30-degree sweep angle to reduce entanglement with aquatic plants. The motion control system consists of a cylinder-type buoyancy engine that regulates water volume, a linear moving mass mechanism for pitch control, and a rotary moving mass mechanism for roll control. These systems work together to enable the glider to move continuously underwater in a controlled sawtooth trajectory toward the designated full step ข กิตติกรรมประกาศ ปริญญานิพนธ์เรื่อง การออกแบบยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ ฉบับนี้ สำเร็จลุล่วงไปได้ด้วยดีเนื่องจาก ได้รับความกรุณาและความช่วยเหลืออย่างดียิ่งจาก ผศ.ดร.บารมี ปัทมพรหม อาจารย์ที่ปรึกษา ปริญญานิพนธ์ ที่ได้สละเวลาให้คำปรึกษา ชี้แนะแนวทาง ตลอดจนตรวจสอบและแก้ไขข้อบกพร่อง ต่าง ๆ อย่างเอาใจใส่ตั้งแต่เริ่มต้นจนกระทั่งโครงงานนี้เสร็จสมบูรณ์ คณะผู้จัดทำขอขอบพระคุณเป็น อย่างสูง อีกทั้งขอขอบพระคุณ Odd dive Thailand ที่ได้ให้ความอนุเคราะห์ใช้สถานที่สำหรับการ เก็บผลการทดสอบ รวมถึงวิศวกร และ ผู้ช่วยดูแล robot academy สำหรับความช่วยเหลือในการใช้ อุปกรณ์สร้างชิ้นงาน ขอขอบคุณเพื่อน ๆ และอาจารย์ในภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลทุกท่าน ที่คอยให้ความช่วยเหลือ เป็นกำลังใจ และร่วมแลกเปลี่ยนความคิดเห็น ตลอดจนร่วมแก้ปัญหาต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างการ ทำงาน ขอขอบคุณภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัย เทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ ที่ได้เอื้อเฟื้อสถานที่ อุปกรณ์ และเครื่องมือต่าง ๆ ที่ใช้ในการ ปฏิบัติงานและการทดลองตลอดระยะเวลาการทำโครงงาน ท้ายที่สุดนี้ คณะผู้จัดทำขอกราบขอบพระคุณ บิดา มารดา และครอบครัว ที่คอยให้การ สนับสนุนทั้งด้านทุนทรัพย์และเป็นกำลังใจที่สำคัญเสมอมา จนทำให้คณะผู้จัดทำสามารถดำเนินงาน ได้อย่างราบรื่นและประสบความสำเร็จ คณะผู้จัดทำ นายชานนท์ จงสมจิตต์ นางสาวณัฏฐณิชา สุขชัย นายณัฐวุฒิ สีธิสอน นายกิตติวัฒน์ อุบลพันธุ์ ค สารบัญ บทที่ 1 บทนำ ........................................................................................................................ 1 1.1 ที่มาและความสำคัญ...........................................................................................................1 1.1.1 กลุ่มลูกค้าเป้าหมาย............................................................................................... 2 1.1.2 ความต้องการของลูกค้า ......................................................................................... 3 1.2 วัตถุประสงค์ของโครงงาน ...................................................................................................3 1.3 ขอบเขตของโครงงาน..........................................................................................................3 1.4 งบประมาณ ........................................................................................................................3 1.5 การวางแผนโครงการและโครงสร้างทีม ...............................................................................5 บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ....................................................................................................... 6 2.1 ยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG)................................6 2.1.1 Slocum Glider ................................................................................................ 7 2.1.2 Spray Glider........................................................................................................ 8 2.1.3 Seaglider ............................................................................................................. 8 2.1.4 SeaExplorer 200 ................................................................................................ 9 2.1.5 BioGlider ............................................................................................................. 9 2.2 การออกแบบโครงสร้างลำตัว (Hull Design) ................................................................... 10 2.2.1 สมการ Myring (Myring Equation) ................................................................... 10 2.2.2 แรงยกที่เกิดจากลำตัว (Lift Generated by the Hull) ...................................... 12 2.2.3 แรงต้านที่เกิดจากลำตัว (Drag generated by the Hull) .................................. 13 2.2.4 ความแข็งแรงของโครงสร้างลำตัว (Strength of Hull Design) .......................... 14 2.3 การออกแบบโครงสร้างปีก (Wing design)...................................................................... 17 2.3.1 ชนิดของปีก (Type of Wing) ............................................................................. 18 2.3.2 แรงยกที่เกิดจากลำตัว (Lift generated by the wing) ...................................... 18 ง 2.3.3 แรงต้านที่เกิดจากลำตัว (Drag generated by the wing) ................................. 19 2.4 พลศาสตร์การเคลื่อนที่ของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider Dynamics) ............................................................................................................................ 20 2.4.1 จุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) ....................................................... 20 2.4.2 จุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) ....................................... 21 2.4.3 จุดศูนย์กลางแรงต้าน (Center of Pressure: CP) .............................................. 22 2.5 กลไกการร่อน (Glide Equilibrium)................................................................................ 24 2.6 แผนภาพวิเคราะห์แรง (Free Body Diagram: FBD) ...................................................... 24 2.7 การเพิ ่ ม ประสิ ท ธิ ภ าพความเร็ ว และระยะทางของการเคลื ่ อ นที ่ ( Optimal Gliding Parameters for Maximum Speed and Horizontal Distance) .................................... 26 2.7.1 มุมร่อนที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความเร็วในแนวนอน (Optimal Glide Path Angle for Horizontal Speed) .............................................................................................. 29 2.7.2 การหามุ ม ปะทะที ่ เ หมาะสมที ่ ส ุ ด เพื ่ อ เพิ ่ ม ระยะทางในการร่ อ นในแนวนอน (Optimal Angleof Attack for Maximum Horizontal Distance) ........................... 30 2.8 การออกแบบระบบเครื่องยนต์แรงลอยตัว (Buoyancy Engine Design) ........................ 33 2.8.1 หลักการควบคุมแรงลอยตัว (Buoyancy Control Principle) ............................ 33 2.8.2 หลักการควบคุมมุมก้มเงย (Pitch Control Principle) ....................................... 35 2.8.3 กลไกการควบคุ ม มุ ม ก้ ม เงยด้ ว ยเคลื ่ อ นย้ า ยมวลภายใน (Pitch Control Mechanism Using Moving Mass) ............................................................................ 37 2.8.4 การบูรณาการระบบควบคุมแรงลอยตัวและมุมก้มเงย (Integration of Buoyancy and Pitch Control Systems) .................................................................................... 38 2.9 ระบบควบคุมอัตโนมัติ (Automatic Control System) ................................................. 38 2.10 เสถียรภาพ(Stability).................................................................................................... 39 2.10.1 ความต้านทาน Pitch (Longitudinal Stability) ............................................. 39 2.10.2 ความต้านทาน Roll (Lateral Stability) .......................................................... 40 จ 2.10.3 ความต้านทาน Yaw (Directional Stability) ................................................... 41 2.11 การหาระยะเลื่อนของ moving mass (moving length) ............................................. 42 2.12 การหาองศาการหมุนของ Rolling mass ...................................................................... 48 บทที่ 3 ขั้นตอนการออกแบบ................................................................................................ 52 3.1 ความต้องการของโครงงาน .............................................................................................. 52 3.2 ข้อกำหนดในการออกแบบ ............................................................................................... 52 3.3 มาตรฐานอ้างอิงเบื้องต้น.................................................................................................. 53 3.4 การเลือกเทคนิคและเครื่องมือที่เหมาะสมสำหรับงานวิศวกรรม ....................................... 54 3.5 แนวคิดในการออกแบบ (Conceptual Design) .............................................................. 55 3.5.1 ภายนอก (Outside) ............................................................................................ 55 3.5.2 อุปกรณ์ภายใน (Internal Components) .......................................................... 62 3.6 การคัดเลือกต้นแบบและการวิเคราะห์เพื่อการปรับปรุง ................................................... 79 3.6.1 การออกแบบส่วนของภายนอก............................................................................ 80 3.6.2 การออกแบบส่วนของภายใน ............................................................................... 81 3.8 การคำนึงถึงปัญหาสิ่งแวดล้อม ......................................................................................... 88 3.8.1 การเลือกใช้วัสดุและการออกแบบที่ลดผลกระทบ ................................................ 88 3.8.2 การใช้พลังงานและระบบขับเคลื่อน ..................................................................... 88 3.8.3 การจัดการของเสียและความเสี่ยง ....................................................................... 89 บทที่ 4 ผลการทดลองและการวิเคราะห์ผลการทดสอบ ..................................................... 90 4.1 ผลที่ได้รับจากการทดสอบการเคลื่อนที่ ............................................................................ 90 4.1.1 การทดสอบการทำมุมของยานร่อน ...................................................................... 90 4.1.1.2 การทดสอบช่วงการทำมุมดำและลอยของยานร่อนใต้น้ำ .................................. 91 บทที่ 5 สรุปผลการดำเนินงานและข้อเสนอนแนะ ............................................................ 94 5.1 สรุปผลการออกแบบ ........................................................................................................ 94 5.2 สรุปผลการทดสอบ .......................................................................................................... 95 ฉ 5.3 ข้อเสนอแนะ .................................................................................................................... 96 เอกสารอ้างอิง ........................................................................................................................... 97 ภาคผนวก..................................................................................................................................97 ช สารบัญตาราง ตารางที่ 1.1 ค่าใช้จ่ายที่ต้องใช้งบประมาณของมหาวิทยาลัย ราคาต่อหน่วย(บาท) ............................4 ตารางที่ 2.1 Myring parameters ................................................................................................. 11 ตารางที่ 3.1 แสดงค่าที่ได้จากการทดลองของ Series 58 Gertler Shapes .................................. 57 ซ สารบัญรูปภาพ ภาพที่ 1.1 แผนภาพ โพรไฟล์แนวดิ่ง (Vertical Profile) ของสมบัติน้ำทะเล ซึ่งแสดง อุณหภูมิ (Temperature), ความเค็ม (Salinity) และ ความหนาแน่น (Density) ตามความลึก [1] ..................1 ภาพที่ 1.2 แผนการทำงาน .................................................................................................................5 ภาพที่ 2.1 Slocum Glider จากบริษัท Teledyne Webb Research [4]........................................7 ภาพที่ 2.2 Spray Underwater Glider [5] ......................................................................................8 ภาพที่ 2.3 Seaglider [6] ..................................................................................................................8 ภาพที่ 2.4 SeaExplorer 200 [7]......................................................................................................9 ภาพที่ 2.5 BioGlider [8] ................................................................................................................ 10 ภาพที่ 2.6 รูปภาพแสดงลำตัวของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ ............................................................... 10 ภาพที่ 2.7 Myring equation parameters model [5] ............................................................... 11 ภาพที่ 2.8 ตัวอย่างของรูปแบบการเกิดการโก่งตัว (Buckling) ที่เกิดขึ้นพร้อมกันหลายโหมด ใน โครงสร้างลำตัวของเรือดำน้ำในงานของ Nugroho [10] ................................................................. 17 ภาพที่ 2.9 รูปภาพแสดงปีกของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ ................................................................... 17 ภาพที่ 2.10 ตำแหน่งของ CG และ CB ........................................................................................... 22 ภาพที่ 2.11 ระยะห่างระหว่าง CG กับ CP กำหนดว่า AUG จะมีเสถียรภาพมากน้อยเพียงใด......... 23 ภาพที่ 2.12 Free Body Diagram (FBD) ของ AUG ขณะทำการร่อนขึ้นในสภาวะสมดุล .............. 24 ภาพที่ 2.13 Free Body Diagram (FBD) ของ AUG ขณะทำการร่อนลงในสภาวะสมดุล ............... 25 ภาพที่ 2.14 กราฟความเร็วแนวนอนสูงสุดเทียบกับขนาดยานร่อนและอัตราส่วนของบัลลาสต์ในงาน ของ Graver [3] .............................................................................................................................. 28 ภาพที่ 2.15 กราฟส่วนประกอบของสมการความเร็วการร่อนแนวนอนจากงานของ Graver [3] ..... 29 ภาพที่ 2.16 ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้านรวม CL,total/CD,total กับมุมปะทะ AoA ................................................................................................................................................ 31 ภาพที่ 2.17 เมื่อระบบลูกสูบ (piston-type) ไม่สูบน้ำเข้าตัวกระบอก ........................................... 34 ภาพที่ 2.18 เมื่อระบบลูกสูบ (piston-type) สูบน้ำเข้าตัวกระบอก ................................................ 34 ภาพที่ 2.19 แสดงตำแหน่ง CG และ CB ณ ตำแหน่งขนานกับแนวระดับ ...................................... 35 ภาพที่ 2.20 แสดงการเคลื่อนตำแหน่งของจุด CG ขณะดำลง ........................................................ 36 ฌ ภาพที่ 2.21 แสดงมุม Pitch ที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนตำแหน่ง CG ขณะดำลง ................................ 36 ภาพที่ 2.22 แสดงการเคลื่อนตำแหน่งของจุด CG ขณะลอยขึ้น ..................................................... 36 ภาพที่ 2.23 แสดงมุม Pitch ที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนตำแหน่ง CG ขณะลอยขึ้น............................ 37 ภาพที่ 2.24 แสดงวัฏจักรการเคลื่อนที่ของ AUG ........................................................................... 38 ภาพที่ 2.25 Block Diagram แสดงการควบคุมมุมก้มเงย (pitch angle) [3] ................................. 38 ภาพที่ 2.26 อธิบาย Stability ทั้ง 3 รูปแบบ รูปภาพจาก Çengel [11] ......................................... 39 ภาพที่ 2.27 แสดงถึงเสถียรภาพตามแนวยาว (Longitudinal Stability) ที่เกิดขึ้นของระบบจาก Valasek [12] .................................................................................................................................. 40 ภาพที่ 2.28 แสดง เสถียรภาพตามแนวขวาง (Lateral Stability) ที่เกิดขึ้นของระบบ ทั้ง 3 แบบ จาก Cook [13] ...................................................................................................................................... 41 ภาพที่ 2.29 แสดง เสถียรภาพเชิงทิศทาง (Directional Stability) ที่เกิดขึ้นของระบบ โดย ครีบแนวตั้ง (Rudder) จาก Mohammad [14] ................................................................................................. 41 ภาพที่ 2.30 แสดงแบบจำลองในการหาระยะเคลื่อนที่ของมวลเคลื่อน ขณะก่อนเคลื่อนที่................42 ภาพที่ 2.31 แสดงแบบจำลองในการหาระยะเคลื่อนที่ของมวลเคลื่อน ขณะเคลื่อนที่.......................43 ภาพที่ 2.32 แสดงแบบจำลองในการหาระยะเคลื่อนที่ของมวลเคลื่อน หลังเคลื่อนที่........................44 ภาพที่ 2.33 ภาพประกอบการคำนวณมุม Pitch Angle ที่จะเกิดขึ้น................................................45 ภาพที่ 2.34 แสดงแบบจำลองในการหาระยะหมุนของมวลเคลื่อนที่ ขณะก่อนหมุน........................47 ภาพที่ 2.35 แสดงแบบจำลองในการหาระยะหมุนของมวลเคลื่อนที่ หลังจากหมุนมวล...................48 ภาพที่ 2.36 ภาพประกอบการคำนวณมุม Roll ที่เกิดขึ้น..................................................................49 ภาพที่ 3.1 Myring equation parameters model ………………………………………………………….....55 ภาพที่ 3.2 Series 58 Gertler Shapes............................................................................................56 ภาพที่ 3.3 แสดงแบบจำลองที่ใช้ปีกแบบตรง.....................................................................................58 ภาพที่ 3.4 แสดงการแบบจำลองที่ใช้ปีกแบบกวาด............................................................................59 ภาพที่ 3.5 แสดงแบบจำลองของ Single Vertical Fin.....................................................................60 ภาพที่ 3.6 แสดงแบบจำลอง Tri-Fin.................................................................................................61 ญ ภาพที่ 3.7 Ballast ที่ใช้ Acrylic เป็นถังอับเฉา.................................................................................63 ภาพที่ 3.8 Block Diagram Ballast Control Concept 1 ............................................................ 64 ภาพที่ 3.9 Ballast ที่ใช้ Syringe เป็นถังอับเฉา................................................................................67 ภาพที่ 3.10 Block Dagram Ballast Control Concept 2 .......................................................... 68 ภาพที่ 3.11 แสดงแบบจำลองในการหา Moving Length ของ Pitch Module..............................71 ภาพที่ 3.12 แบบจำลองในการหามุม Roll ของ Roll Module........................................................72 ภาพที่ 3.13 แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง Rolling angle vs Glider rolling ................................... 72 ภาพที่ 3.14 กลไก Moving Mass แบบที่รวมทั้ง 2 Module เข้าด้วยกัน..........................................73 ภาพที่ 3.15 Block Diagram Pitch&Roll Control Concept 1 ................................................... 74 ภาพที่ 3.16 กลไกของ Moving Mass แบบแยก Module.................................................................76 ภาพที่ 3.17 Block Diagram Pitch&Roll Control Concept 2 ................................................... 77 ภาพที่ 3.18 Pressure Hull ที่ทำการ Redesign แก้ไขปัญหาจากชุด Ballast ............................... 83 ภาพที่ 3.19 ชุด Ballast ที่ได้รับการแก้ไขแล้ว ................................................................................ 85 ภาพที่ 3.20 การทดสอบชุด Ballast ............................................................................................... 85 ภาพที่ 3.21 แสดงการคำนวณระยะทางเคลื่อนมวลที่เพิ่มขึ้นจากการใช้มวล 1 กิโลกรัมเคลื่อนที่ .... 86 ภาพที่ 3.22 แสดงการคำนวณระยะทางเคลื่อนมวลจากการใช้มวล 3 กิโลกรัมเคลื่อนที่ .................. 86 ภาพที่ 3.23 แสดงผลการทดสอบติดตั้งมวล 3 กิโลกรัมกับชุด Pitch Module ............................... 87 ภาพที่ 3.24 Motor ตัวใหม่ที่นำมาทดแทน Stepper Motor ตัวเดิม ............................................. 87 ภาพที่ 4.1 ทดสอบการทำ neutral buoyancy ที่ระดับผิวน้ำ...........................................................90 ภาพที่ 4.2 การทดสอบยานร่อนขณะดำลง........................................................................................91 ภาพที่ 4.3 การทดสอบยานร่อนขณะดำลง........................................................................................91 ภาพที่ 4.4 ภาพการทดสอบการร่อนของยานร่อน.............................................................................92 ภาพที่ 4.5 กราฟแสดงเส้นทางการเคลื่อนที่ของยานร่อนจากการทดสอบ……………………………….92 ฎ 3.81 บทที่ 1 cm บทนำ การสำรวจใต้พื้นสมุทรเป็นเรื่องที่อยู่ในความสนใจของมนุษย์มานาน และได้รับความสนใจมาก ขึ้นจากการค้นพบสินแร่ใต้ท้องทะเล และปัญหาสิ่งแวดล้อมที่ในท้องทะเลที่เกิดขึ้น ความต้องการ ศึกษาเกี่ย วกับ ใต้ พื้น สมุท รที่ มากขึ้น แต่เดิม การดำเนิน การเก็บ ข้ อ มูล ทางทะเลในอดี ตต้ อ งใช้ งบประมาณสูงในแต่ละรอบการสำรวจ ทั้งในด้านอุปกรณ์ บุคลากร และค่าดำเนินการ จนกระทั่งมี การพัฒนาเทคโนโลยียานร่อนใต้น้ำ (Underwater Glider: UG) ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการลดต้นทุน การสำรวจและเพิ่มความสามารถในการเก็บข้อมูลใต้น้ำได้อย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพ 1.1 ที่มาและความสำคัญ ปัจจุบัน โลกให้ความสนใจการสำรวจใต้พื้นสมุทรมากขึ้น จากปัญหาด้านทรัพยากรแร่และ พลังงาน และปัญหาสภาพแวดล้อมใต้ทะเลที่เกิดขึ้น เช่น การรั่วไหลของน้ำมันในทะเล การเสื่อม โทรมของระบบนิเวศทางทะเล และผลกระทบจากภาวะโลกร้อน ซึ่งนำไปสู่อุณหภูมิน้ำทะเลที่เพิ่ม สูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง การดำเนินงานด้านการศึกษาและสำรวจใต้พื้นสมุทรนับเป็นภารกิจที่มีความยาก และเต็มไปด้ว ยข้อจำกัด โดยเฉพาะในด้านการเก็บรวบรวมข้อมูล ทางวิทยาศาสตร์ เช่น ข้อมูล อุณหภูมิ ปริมาณออกซิเจนละลายน้ำ และกระแสน้ำ ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญในการวิเคราะห์ ความ เปลี่ยนแปลงทางพลวัตของระบบมหาสมุทร ทั้งนี้ การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในแนวตั้งของคอลัมน์น้ำ ตามระดับความลึกมีผลกระทบมากกว่าการเปลี่ยนแปลงในแนวนอน ทำให้การเก็บข้อมูลจำเป็นต้อง ดำเนินการโดยตรงในพื้นที่จริง ด้วยการนำเซนเซอร์ลงไปติดตั้งในระดับความลึกที่ต้องการ ภาพที่ 1.1 แผนภาพ โพรไฟล์แนวดิ่ง (Vertical Profile) ของสมบัติน้ำทะเล ซึ่งแสดง อุณหภูมิ (Temperature), ความเค็ม (Salinity) และ ความหนาแน่น (Density) ตามความลึก [1] 1 ในอดีต การเก็บข้อมูลทางทะเลจำเป็นต้องอาศัยเรือสำรวจซึ่งมีต้นทุนสูงทั้งในด้านค่าเช่า ค่า เชื้อเพลิง และค่าบุคลากร โดยมีต้นทุนเฉลี่ยประมาณ 20,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อวัน (ประมาณ 6 แสน บาทต่อวัน ณ อัตราแลกเปลี่ยน 1 USD ≈ 32.52 THB) โดยมีข้อจำกัดเรื่องระยะเวลาการปฏิบัติการ และรัศมีการสำรวจ ส่งผลให้การเก็บข้อมูลในพื้นที่กว้างของมหาสมุทรไม่สามารถดำเนินการได้อย่างมี ประสิทธิภาพ จากรายงานของมหาวิทยาลัย Oregon State University (OSU) ระบุว่า ยานร่อนใต้น้ำที่ใช้งาน จริงมีความยาวประมาณ 7 ฟุต (ประมาณ 2.13 เมตร) และมีน้ำหนักประมาณ 100 ปอนด์ (ประมาณ 45.36 กิโลกรัม) โดยติดตั้งเซนเซอร์สำหรับวัดอุณหภูมิ ความเค็ม ปริมาณคลอโรฟิลล์ และออกซิเจน ละลายน้ำ สามารถปฏิบัติภารกิจได้ต่อเนื่อง 3–5 สัปดาห์ และส่งข้อมูลกลับมาทางดาวเทียมทุก 6 ชั่วโมง โดยยานร่อนใต้น้ำหนึ่งตัวมีมูลค่าประมาณ 100,000 ดอลลาร์สหรัฐ แต่สามารถประหยัด ต้นทุนได้ถึง 600,000 ดอลลาร์ภายในเวลา 5 สัปดาห์ เมื่อเทียบกับการใช้เรือสำรวจแบบเดิม “ภายในเวลา 5 สัปดาห์ คุณสามารถประหยัดงบประมาณได้ถึง 600,000 ดอลลาร์ และไม่มีใครเมา เรือ” — Jack Barth, OSU [2] ในปัจจุบัน ยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ได้รับการพัฒนา และนำไปใช้ ง านอย่ า งแพร่ ห ลายในต่ า งประเทศ ทั ้ ง ในภารกิ จ ด้ า นความมั ่ น คง ( Military Applications) และงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ (Scientific Research) อย่างไรก็ตาม ในบริบทของ ประเทศไทย ยังพบว่าการศึกษาและพัฒนาเทคโนโลยี AUG ยังคงอยู่ในวงจำกัด อีกทั้งอุปกรณ์ AUG ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดยังมีราคาสูง ซึ่งส่งผลให้หน่วยงานวิจัยหรือบุคคลทั่วไปที่มีข้อจำกัดด้าน งบประมาณไม่สามารถเข้าถึงเทคโนโลยีดังกล่าวได้อย่างทั่วถึง ดังนั้น โครงการนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อออกแบบและพัฒ นาต้นแบบยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ที่สามารถนำไปต่อยอดในการศึกษาวิจัยและใช้งานจริง ในอนาคต โดยมุ่งเน้นการพัฒนาให้มีต้นทุนไม่สูง รองรับการปรับเปลี่ยนอัตราบรรทุก (payload) ได้ ตามลักษณะของภารกิจ รวมถึงการจัดทำรายการคำนวณสำหรับการออกแบบระบบในด้านต่าง ๆ เพื่อใช้เป็นแนวทางสำหรับการออกแบบและพัฒนา AUG ในรูปแบบอื่น ๆ ทั้งนี้เพื่อให้ผู้ที่มีความ ประสงค์จะออกแบบ AUG สามารถใช้งานวิจัยฉบับนี้เป็นแนวทางเบื้องต้นในการพัฒนาและต่อยอดได้ ต่อไป 1.1.1 กลุ่มลูกค้าเป้าหมาย กลุ่มผู้ใช้เป้าหมายของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติประกอบด้วย นักวิจัยด้านสมุทรศาสตร์และ สิ่งแวดล้อม ที่ต้องการออกแบบและสร้างยานร่อนใต้น้ำในการเก็บข้อมูลใต้พื้นสมุทรและ หน่วยงาน ภาคการศึกษา ที่ต้องการออกแบบยานร่อนใต้น้ำ และระบบควบคุมอัตโนมัติ รวมถึงการทำต้นแบบ เพื่อการศึกษาและวิจัย 2 1.1.2 ความต้องการของลูกค้า ความต้องการของผู้ใช้งานที่ได้จากการสัมภาษณ์และวิเคราะห์กลุ่มเป้าหมายสามารถสรุปได้ดังนี้ 1. ต้องการต้นทุนการผลิตที่ต่ำกว่ายานร่อนเชิงพาณิชย์ 2. สามารถปรับเปลี่ยนอัตราบรรทุก (payload) ได้ตามประเภทงานวิจัย 3. มีความสามารถในการเคลื่อนที่แม่นยำตามเส้นทางที่กำหนด 1.2 วัตถุประสงค์ของโครงงาน 1. เพื่อสร้างยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติต้นแบบ สำหรับทดสอบประสิทธิภาพการออกแบบ 2. สร้างรายการคำนวณเพื่อการออกแบบสำหรับอัตราบรรทุก (payload) ขนาดต่างๆ 1.3 ขอบเขตของโครงงาน 1. สร้างยานร่อนใต้น้ำต้นแบบที่สามารถเคลื่อนที่ได้แบบอัตโนมัติ ตามเส้นทางรูปแบบฟันเลื่อย (sawtooth path) 2. ยานร่อนใต้น้ำสามารถเคลื่อนที่ได้แบบอัตโนมัติ ที่ระดับความลึกทดสอบ 3 เมตร 3. ยานร่อนใต้น้ำสามารถเคลื่อนโดยที่มีอัตราบรรทุก (payload) 3 กิโลกรัม 1.4 งบประมาณ โครงการนี้ได้ประเมินงบประมาณเบื้องต้นสำหรับการจัดซื้ออุปกรณ์หลักที่ใช้ในการสร้าง ต้นแบบยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) โดยใช้อุปกรณ์พื้นฐาน เช่ น ท่ อ อะคริ ล ิ ก (Acrylic tube), ชุ ด เซนเซอร์ (Sensor Module), ไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontroller Unit: MCU), แบตเตอรี่ (battery pack), ระบบบัลลาสต์ (ballast system) และ เซอร์โวมอเตอร์ (Servo motor) โดยมีรายละเอียดงบประมาณ ดังแสดงในตารางที่ 1.1 3 ตารางที่ 1.1 ค่าใช้จ่ายที่ต้องใช้งบประมาณของมหาวิทยาลัย ราคาต่อหน่วย (บาท) ราคาต่ อหน่ว ย ร า ค า ร ว ม (บาท) (บาท) 1. ท่ออะคริลิกใส (OD 140 mm, หนา 3 mm, ยาว 1 m) 1 ท่อน 1,700.00 1,700.00 2. Microcontroller (Arduino Nano RP2040) 1 ตัว 950.00 950.00 3. Sensor วัดความดันน้ำ 1 ตัว 1,285.00 1,285.00 4. แบตเตอรี่+ที่ชาร์จ 1 ก้อน 1,000.00 1,000.00 5. ตะกั่วถ่วงน้ำหนัก 3 กล่อง 950.00 950.00 6. Stepper motor 3 ตัว 800.00 2,400.00 7. อลูมิเนียมและแผ่นอะคริลิค 5 แผ่น 160.00 800.00 8. Filament 4 ม้วน 600.00 2,400.00 งบประมาณรวมเบื้องต้นโดยประมาณ 11,485.00 หมายเหตุ เป็นงบประมาณราคาไม่สุทธิ ราคาสินค้าเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับร้านค้า รายละเอียด จำนวน หน่วย 4 1.5 การวางแผนโครงการและโครงสร้างทีม ภาพที่ 1.2 แผนการทำงาน 5 บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ในบทนี้เป็น การรวบรวมองค์ความรู้ที่เ กี่ยวข้ องกับ การออกแบบยานร่อนใต้น้ำ อัตโนมั ติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) โดยเริ ่ ม จากการศึ ก ษางานวิ จ ั ย ที ่ ม ี ก ารพั ฒ นาเป็ น ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ [3] เพื่อเป็นแนวทางในการออกแบบโครงงานนี้ จากการศึกษางานวิจัยดังกล่าว สามารถระบุองค์ประกอบสำคัญที่ต้องออกแบบ ได้แก่ โครงสร้างลำตัว (hull), ปีก (wing), ระบบ สร้างแรงลอยตัว (buoyancy engine), ระบบควบคุมอัตโนมัติ (Automatic Control System), และ เสถียรภาพของตัวยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (stability) 2.1 ยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) คือยานพาหนะไร้ คนขับที่ออกแบบมาเพื่อปฏิบัติภารกิจสำรวจใต้ทะเลโดยไม่จำเป็นต้องใช้ระบบขับเคลื่อนแบบใบพัด เหมือนยานใต้น้ำทั่วไป โดย AUG ทำงานโดยอาศัยหลักการเปลี่ยนแรงลอยตัว (buoyancy) และ กลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass system) เพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง และสร้างแรง ร่อนที่ทำให้ยานสามารถเคลื่อนที่ในแนวลาดเอียงได้อย่างต่อเนื่อง เป็นรูปแบบฟันเลื่อย (sawtooth path) ระหว่างการร่อนลงและร่อนขึ้น ซึ่งเกิดจากการสลับระหว่างสถานะการจมและลอยตัว ผ่าน ระบบกลไกที่ปรับปริมาตรของของเหลวภายในห้องลอยตัว โดยไม่ใช้พลังงานในการขับเคลื่อนโดยตรง เช่น ถุงควบคุมแรงลอยตัว (bladder) หรือ ระบบบัลลาสต์ (ballast system) ยาน AUG มักติดตั้งเซนเซอร์สำหรับการเก็บข้อมูลทางสมุทรศาสตร์ เช่น เซนเซอร์วัด อุณหภูมิ ความเค็ม ความดัน ปริมาณออกซิเจน หรือกระแสน้ำ รวมถึงสามารถปรับเปลี่ยนอัตรา บรรทุก (payload) ให้เหมาะสมกับภารกิจเฉพาะทางได้ เช่น การติดกล้องถ่ายภาพใต้น้ำหรือระบบ การตรวจวัดทางชีวภาพ นอกจากนี้ AUG ยังสามารถควบคุมการนำทางได้อย่างแม่นยำผ่านระบบนำ ทางภายใน ซึ ่ ง ประกอบด้ ว ย หน่ ว ยวั ด ความเฉื ่ อ ย (Inertial Measurement Unit: IMU) และ เซนเซอร์ ว ั ด ความดั น (Pressure Sensor) โดยจะใช้ ร ะบบกำหนดตำแหน่ ง บนโลก (Global Positioning System: GPS) เฉพาะเมื่อยานขึ้นสู่ผิวน้ำเท่านั้น การออกแบบระบบนำทางในลักษณะ ดังกล่าว ส่งผลให้ AUG เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสูง เหมาะสำหรับการเก็บรวบรวมข้อมูลใน พื้นที่ทะเลลึก การติดตามการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมใต้ทะเล ตลอดจนภารกิจที่ต้องการความ ประหยัดพลังงานและการดำเนินงานอย่างต่อเนื่องในระยะยาว 6 ณ ปี ค.ศ. 2003 ยานร่ อ นใต้ น ้ ำ อั ต โนมั ต ิ ท ี ่ ข ั บ เคลื ่ อ นด้ ว ยการปรั บ แรงลอยตั ว (buoyancy- driven) จำนวนสามรุ่น ได้แก่ Slocum, Spray และ Seaglider ได้รับการพัฒนาและ นำไปใช้งานภาคสนามจริงในหลายพื้นที่ทั่วโลก ทั้งในด้านการสำรวจสมุทรศาสตร์และการติดตาม ข้อมูลสิ่งแวดล้อมระยะยาว ยานเหล่านี้นับเป็นต้นแบบที่สำคัญของเทคโนโลยี AUG สมัยใหม่ และ เป็นกรณีศึกษาที่มีการอ้างอิงอย่างแพร่หลายในวงการวิจัย ด้วยเหตุนี้ การศึกษาแนวทางการออกแบบ ของยานรุ่นดังกล่าว จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนา AUG ต้นแบบในโครงการนี้ โดยผู้วิจัยได้ ทำการรวบรวมข้อมูล เพื่อนำมาเปรียบเทียบด้านโครงสร้าง สำหรับเป็นแนวทางในการออกแบบต่อไป 2.1.1 Slocum Glider Slocum Glider เป็ น ยานร่ อ นใต้ น ้ ำ อั ต โนมั ต ิ แ บบดั ้ ง เดิ ม ที ่ พ ั ฒ นาโดย Webb Research Corporation ซึ่งมีส องรุ่น หลักคือ รุ่นใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ (Slocum Electric) และรุ่นที่ใช้ พลังงานจากความต่างอุณหภูมิของน้ำ จุดเด่นของ Slocum คือโครงสร้างสมมาตรและเรียบง่าย ใช้ ระบบลูกสูบ (piston-type) เพื่อปรับแรงลอยตัว และใช้การเลื่อนมวลภายใน เพื่อควบคุมมุมก้มเงย (pitch angle) และมุมเอียงข้าง (roll angle) รูปร่างของตัวถังมีลักษณะเหมือนตอร์ปิโด (torpedo shape) ภาพที่ 2.1 Slocum Glider จากบริษัท Teledyne Webb Research [4] 7 2.1.2 Spray Glider Spray Glider เป็ น ยานที ่ ใ ช้ ก ลไกการร่ อ นใต้ น ้ ำ ที ่ พ ั ฒ นาโดย Scripps Institution of Oceanography โดยมีเป้าหมายเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพในการเดินทางระยะไกลกว่า Slocum โดยมีแรงต้าน ต่ำกว่า Slocum ถึง 50% จากการออกแบบลำตัวที่มีความลู่ น้ำสูง ระบบควบคุมของ Spray ใช้การเลื่อนแบตเตอรี่ภายในในแนวแกน (axial translation) เพื่อควบคุมมุมก้มเงย (pitch angle) และมุมเอียงข้าง (roll angle) เพื่อบังคับเลี้ยว ภาพที่ 2.2 Spray Underwater Glider [5] 2.1.3 Seaglider Seaglider ถู ก พั ฒ นาขึ ้ น ที ่ University of Washington โดยเน้ น การใช้ พ ลั ง งานอย่ า งมี ประสิทธิภาพสูงสุดเพื่อรองรับภารกิจระยะไกลและเวลาปฏิบัติงานต่อเนื่องยาวนาน จุดเด่นคือการใช้ ร่างกายที่ออกแบบเฉพาะสำหรับ การไหลแบบค่าจำนวนเรย์โนลด์ (Reynolds number: Re) ต่ำ เพื่อให้มีแรงต้านต่ำที่สุด ใช้ระบบลูกสูบเช่นเดียวกับ Slocum และ Spray แต่เพิ่มความสามารถของ แบตเตอรี่ ภาพที่ 2.3 Seaglider [6] 8 2.1.4 SeaExplorer 200 SeaExplorer 200 เป็นยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติรุ่นใหม่จากบริษัท ALSEAMAR ซึ่งได้รับการ พัฒนาต่อยอดจากแนวคิดการออกแบบแบบดั้งเดิม โดยยังคงใช้ระบบปรับแรงลอยตัวด้วยถุงน้ำมัน (Oil Bladder System) เช่นเดียวกับยานรุ่นก่อนหน้า อย่างไรก็ตาม SeaExplorer 200 ได้รับการ ปรับปรุงให้มีคุณสมบัติพลศาสตร์ของไหลใต้น้ำ (Hydrodynamic Characteristics) ที่ทันสมัยและมี ประสิทธิภ าพยิ ่ง ขึ้ น ด้ว ยลักษณะรู ป ทรงที ่เ หมาะสมสำหรั บ การลดแรงต้ านในน้ ำ ซึ่งช่ว ยเพิ่ ม ประสิทธิภาพในการร่อน ได้อย่างมีนัยสำคัญ ภาพที่ 2.4 SeaExplorer 200 [7] 2.1.5 BioGlider BioGlider เป็นยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ที่ได้รับ การพัฒนาต่อยอดจาก Seaglider โดยอยู่ภายใต้โครงการ BioGlider ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่าง หลายองค์กรในทวีปยุโรป จุดเด่นสำคัญของ BioGlider คือการปรับปรุงประสิทธิภาพของ Seaglider ดั้งเดิมให้สามารถเก็บข้อมูลทางชีววิทยาในทะเลได้อย่างละเอียดและมีความแม่นยำมากยิ่งขึ้น การ ปรับปรุงดังกล่าวประกอบด้วยการติดตั้งเซนเซอร์เฉพาะทาง เช่น ระบบอคูสติกความถี่หลายช่วง (Multi-Frequency Acoustic System) รุ่น EK80 สำหรับการตรวจวัดสิ่งมีชีวิตในทะเล และอุปกรณ์ ถ่ายภาพและวิเคราะห์แพลงก์ตอน (Underwater Vision Profiler: UVP6) ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถ ในการศึกษาองค์ประกอบทางชีววิทยาในคอลัมน์น้ำได้ในระดับจุลภาค ด้านโครงสร้าง ยังคงมีลักษณะ เป็นทรงตอร์ปิโด (torpedo shape) เช่นเดียวกับ Seaglider รุ่นดั้งเดิม และใช้ระบบปรับแรงลอยตัว ด้วยระบบลูกสูบ (piston-type) ควบคู่กับกลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass system) เพื่อ ควบคุมการเคลื่อนไหวของตัวยานอย่างมีเสถียรภาพ 9 ภาพที่ 2.5 BioGlider [8] 2.2 การออกแบบโครงสร้างลำตัว (Hull design) ภาพที่ 2.6 รูปภาพแสดงลำตัวของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ จากการศึกษางานวิจัยดังกล่าวจะโครงสร้างลำตัว (hull) ของยานร่อนใต้น้ำถูกออกแบบให้มี ลักษณะแตกต่างกันตามลักษณะภารกิจที่ใช้งาน โดยปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณาในการออกแบบ ได้แก่ รูปทรงภายนอก แรงยก (lift) และแรงต้าน (drag) ที่เกิดขึ้นจากการไหลของของไหลผ่านพื้นผิว ของลำตัว โดยการออกแบบรูปทรงที่เหมาะสมสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการร่อนและลดการ สูญเสียพลังงานระหว่างการเคลื่อนที่ได้อย่างมีนัยสำคัญ หนึ่งในแนวทางที่นิยมใช้ในการออกแบบ รูปทรงลำตัวคือการประยุกต์ใช้สมการเชิงประจักษ์ที่เหมาะสมกับพลศาสตร์ของไหลใต้น้ำ 2.2.1 สมการ Myring (Myring Equation) สมการ Myring เป็นสมการเชิงประจักษ์ (empirical equation) ที่นำมาใช้เป็นแนวทางในการ กำหนดเส้นรอบรูปของส่วนหัวและส่วนท้ายของวัตถุทรงแกนสมมาตรที่เคลื่อนที่ในของไหล เช่น ยาน ร่อนใต้น้ำ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อให้รูปทรงลำตัวมีแรงต้าน (drag) ต่ำที่สุด รูปทรงที่ได้จากสมการนี้จะ 10 ช่วยลดการแยกตัวของกระแสน้ำ (flow separation) และลดแรงต้านจากความดัน (pressure drag) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยสมการดังกล่าวมีพื้นฐานมาจากการทดลอง (empirical) และสามารถ ประยุกต์ใช้กับรูปทรงแบบสมมาตรหรือไม่สมมาตรได้ตามลักษณะภารกิจ ซึ่งสามารถคำนวณได้ตาม สมการที่ (2.1) และ (2.2) 1 1 Ξ + aoffset − a 2 n r(Ξ) = 2 · d · [1 − ( ) ] a r(Ξ) = (2.1) (2.2) 1 3d tanθ d tanθ · d − [( 2 − )] (Ξ − l)2 + [ 2 − ] (Ξ − lf )3 2 2c c c c ตารางที่ 2.1 Myring parameters Parameters Description Units a Nose section length เมตร aoffset Nose offset เมตร b Constant radius center section length เมตร c Tail section length เมตร coffset Tail offset เมตร n Exponential coefficient - θ Included tail angle เรเดียน d Maximum Hull diameter เมตร l Vehicle total length เมตร lf Vehicle forward length เมตร ภาพที่ 2.7 Myring equation parameters model [5] 11 2.2.2 แรงยกที่เกิดจากลำตัว (Lift Generated by the Hull) แรงยก (lift) คือแรงที่กระทำในแนวตั้งฉากกับทิศทางการไหลของของไหลที่เคลื่อนที่ผ่านผิว ของวัตถุ สำหรับกรณีของโครงสร้างลำตัว (hull) แรงยกสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อรูปร่างของลำตัวไม่ สมมาตร หรือเมื่อยานร่อนใต้น้ำมีมุมเอียงกับทิศทางการไหลของกระแสน้ำ โดยที่แรงยกที่เกิดจาก ลำตัว มักจะมีค่าน้อยกว่าที่เกิดจากปีก แต่มีบทบาทที่สำคัญในการปรับท่าทางและสมดุลของยานร่อน ใต้น้ำ ในระหว่างการเคลื่อนที่ โดยพฤติกรรมทางกลศาสตร์ของไหลนี้สามารถวิเคราะห์ได้ในลักษณะ เดีย วกัน กับ แรงยกของแผ่น ปีกบางในของไหลที่ มีความเร็ว ต่ำ ซึ่งการคำนวณแรงยกของลำตั ว (𝐹𝐿,𝐻𝑢𝑙𝑙 ) แสดงในสมการที่ (2.3) 1 (2.3) FL,Hull = ρv 2 Aproj CL,Hull 2 เมื่อ ρ คือ ความหนาแน่นของของไหล (กิโลกรัมต่อลูกบากศ์เมตร) v คือ ความเร็วสัมพัทธ์ของของไหล (เมตรต่อวินาที) Aproj คือ พื้นที่ฉายด้านข้างของลำตัว (ตารางเมตร) CL,Hull คือ สัมประสิทธิ์แรงยกของลำตัว (ขึ้นกับรูปร่างและมุมปะทะ) สัมประสิทธิ์แรงยกของลำตัว (CL,Hull ) สามารถคำนวณผ่านแนวคิดทฤษฎีของ Hopkins S (2.4) CL,Hull,AProj = 2(k 2 − k1 ) star α AProj โดยที่ค่า (𝑘2 − 𝑘1 ) เป็นฟังก์ชั่นของค่าค่าความชะลูด สามารถคำนวณให้จากสมการใช้ในช่วง 4≤ L Dmax (k 2 − k1 ) = −0.0006548( ≤ 19 L Dmax )2 + 0.0256 L Dmax + 0.73 (2.5) จาก DATCOM ให้แนวคิดไว้ว่าให้ใช้พื้นหน้าตัดอ้างอิงที่ xstar โดยสามารถประมาณค่าได้ดังนี้ 𝑥𝑠𝑡𝑎𝑟 = 0.378𝐿 + 0.527 𝑥1 (2.6) โดย x1 = xat minimum(dr) dx Sstar = πr( xstar )2 α = มุมปะทะ ในหน่วยของ เรเดียน 12 2.2.3 แรงต้านที่เกิดจากลำตัว (Drag generated by the Hull) แรงต้า นจะเกิ ดขึ น้ เมื่ อ มี ก ารเคลื่ อ นที่ ข องวัต ถุผ่า นของไหล ซึ่ง มี ทิ ศ ตรงข้า มกับ ทิ ศทางของ ความเร็วสัมพัทธ์ โดยในทางกลศาสตร์ของไหลที่ศึกษาพฤติกรรมของวัตถุท่ีเคลื่อนที่ผ่านของไหล แรงต้านของ ล าตั ว (hull drag) แบ่ ง ออกเป็ น แรงต้า นจากความหนื ด (viscous drag) และแรงต้า นจากความดั น (pressure drag) โดยแรงต้านจากความหนืดเกิดจากแรงเฉือนของของไหลที่ไหลผ่านผิวของลาตัว ส่วนแรง ต้านจากความดันเกิดจากความต่างของความดันระหว่างด้านหน้ากับด้านหลังของยาน โดยเฉพาะเมื่อมีการ แยกตัวของกระแสของไหล ซึ่งรวมเรียกว่าแรงต้านรวมของลาตัว (𝐹𝐷,ℎ𝑢𝑙𝑙 ) ดังแสดงในสมการที่ (2.7) 1 FD,Hull = ρv 2 Awet CD,Hull 2 เมื่อ Awet (2.7) คือ พื้นที่ผิวสัมผัสน้ำของลำตัว (ตารางเมตร) CD,Hull คือ สัมประสิทธิ์แรงต้านของลำตัว สัมประสิทธิ์แรงต้านของลำตัว (𝐶𝐷,𝐻𝑢𝑙𝑙 ) หรือเรียกแทนค่าว่า 𝐶𝐷 ที่เกิดจากเป็นสัมประสิทธิ๋ค่าแรง ต้านของลำตัวที่เกิดขึ้นจาก Skin friction โปรไฟล์ของรูปทรงของ Hull CD = CD0 + CD2 α2 2 C CD = kCf + L,Hull α2 πeAR (2.8) (2.9) โปรไฟล์ของรูปทรงของ Hull โดยใช้ข้อมูลของ ITTC-1957 ที่ใช้ในการประมาณค่า 𝐶𝑓 เป็นฟังก์ชั่น ของ Reynold number โดยให้คิดเป็นส่วนของ Reynold number ที่เกิดจากส่วนของความยาว ลำตัวของ Hull โดยได้สมการดังนี้ Cf = (log 0.075 10 Re−2) โดย Re = เมื่อ ρ 2 ρVL 𝜇 คือ ความหนาแน่นของของไหล (กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร) V คือ ความเร็วสัมพัทธ์ของของไหล (เมตรต่อวินาที) L คือ ความยาวของลำตัว Hull μ คือ ความหนืดของ Fluid (ปาสคาลวินาที) 13 (2.10) (2.11) DATCOM 1978 ได้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับการประมาณค่า form factor ไว้ว่าเป็นฟังก์ชั่นของ Slenderness ( L Dmax ) ดังสมการต่อไปนี้ 60 k=1+ ( L Dmax ) 3 + ( L ) Dmax (2.12) 400 2.2.4 ความแข็งแรงของโครงสร้างลำตัว (Strength of Hull Design) เมื่อโครงสร้างลำตัวที่มีลักษณะเป็นท่อหรือกระบอกบาง (Thin-Walled cylinder) ถูกกระทำ ด้วยแรงดันภายนอก เช่น แรงดันจากน้ำทะเล สุญญากาศ หรือแรงดันจากชั้นดินทะเล การวิเคราะห์ จะเกี่ยวข้องกับความเค้นในลักษณะเยื่อบาง (Membrane stress) ที่เกิดขึ้นบนผนังของโครงสร้าง ทั้ง ในแนวรอบวง (Hoop direction) และแนวแกน (Axial direction) รวมถึงการประเมินเสถียรภาพต่อ การบัคกลิ้งหรือยุบตัว (Buckling) เนื่องจากแรงดันภายนอกสามารถทำให้โครงสร้างเกิดความไม่ เสถียรทั้งในเชิงยืดหยุ่น (Elastic Instability) และในเชิงพลาสติก (Plastic instability) ได้ก่อนที่จะ ถึงค่าความเค้นคราก (Yielding) การวิเคราะห์ดังกล่าวเริ่มต้นจากการตรวจสอบว่าโครงสร้างดังกล่าว เข้าเงื่อนไขของกระบอกบางหรือไม่ โดยพิจารณาจากอัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกต่อ ความหนาผนัง ตามเกณฑ์ที่กำหนดไว้ในงานของ Boresi [9] Do t > 20 (2.13) เมือ่ Do คือ เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (มิลลิเมตร) t คือ ความหนาของผนังโครงสร้างลำตัว (มิลลิเมตร) ในการวิเคราะห์ดังกล่าว ยังมีการตั้งสมมติฐานเพิ่มเติมว่า โครงสร้างลำตัวทำจากวัสดุที่เป็นเนื้อ เดียวกันและมีคุณสมบัติเชิงกลเหมือนกันในทุกทิศทาง (Isotropic and Homogeneous) โดยแรงดัน ภายนอกที่กระทำกับโครงสร้างมีค่าสม่ำเสมอทั่วทั้งผิว ยกเว้นบริเวณปลายของลำตัวที่อาจได้รับ ผลกระทบจากสภาพขอบของโครงสร้าง 14 2.2.4.1 ความเค้นในแนวรอบวงและแนวแกน (Hoop and Axial Stresses) แรงดันภายในที่กระทำต่อผนังของทรงกระบอกจะก่อให้เกิดความเค้นแบบดึง (hoop tension) ในแนวรอบวงของผนั ง โครงสร้า งลำตั ว ขณะที ่ แ รงดั น ภายนอกจะก่ อ ให้ เ กิ ดความเค้ น แบบอัด (compressive stress) ซึ่งอาจนำไปสู่ความไม่เสถียรของโครงสร้างได้ ทั้งนี้ความสัมพันธ์ของความ เค้นที่เกิดขึ้น ดังแสดงในสมการที่ (2.14) และ (2.15) [9] ความเค้นแนวรอบวง (hoop stress, 𝜎𝜃 ) 𝜎𝜃 = − 𝑝𝐷𝑜 (2.14) 2𝑡 ความเค้นในแนวแกน (axial Stress, 𝜎𝑎 ) σa = − เมื่อ p pDo (2.15) 4t คือความดันที่เกิดขึ้น (เมกะพาสกาล) Do คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (เมตร) t คือความหนาของผนังโครงสร้างลำตัว (เมตร) 2.2.4.2 การยุบตัวเนื่องจากการบัคกลิ้ง (Collapse by Buckling หรือ Critical Pressure) แรงดัน ภายนอกที่ ก ระทำต่ อโครงสร้ างลำตัว (hull) อาจทำให้เ กิ ด การโก่ งตัว หรื อยุ บ ตั ว (buckling) ก่ อ นที ่ จ ะถึ ง ค่ า ความเค้ น คราก (yield stress) ซึ ่ ง ถื อ เป็ น ลั ก ษณะความเสี ยหายเชิง เสถียรภาพ ดังนั้นในการออกแบบจึงต้องคำนึงถึงค่าความดันวิกฤติ( critical pressure) ซึ่งเป็นค่า ความดันสูงสุดที่โครงสร้างสามารถรับได้ก่อนเกิดการโก่งตัวหรือยุบตัว โดยสามารถคำนวณได้จาก สมการของ Boresi [9] ดังแสดงในสมการที่ (2.16) ความดันวิกฤติ (critical pressure, Pcr ) Pcr = เมื่อ E 2E t 3 (D ) 2 √3(1−ν ) o คือ โมดูลัสของยัง (Young’s modulus) (เมกะพาสกาล) 15 (2.16) v คือ ค่าสัมประสิทธิ์ของปัวซอง (Poisson’s ratio) โดยกรณีที่จะเหมาะสำหรับใช้สมการนี้ได้ ความยาวของโครงสร้างลำตัวต้องมากกว่า 10 เท่า ของเส้นผ่านศูนย์กลางของโครงสร้างลำตัว 2.2.4.3 การวิบัติแบบคราก (Yield Collapse) โครงสร้างลำตัว (hull) ที่มีความหนาและ ใช้ภายในสถานการณ์ที่แรงดันที่สูงมาก วัสดุจะเกิด การครากก่อนที่จะเกิดการโก่งตัว (Buckling) โดย โครงสร้างลำตัว จะเสียรูปเมื่อ ความเค้นรอบวง (hoop stress) มี ค ่ า สู ง ถึ ง ค่ า ครากในแนวแรงอั ด (Compressive yield strength) จากความดั น ภายนอกที่กระทำต่อโครงสร้างลำตัว ดังแสดงในสมการที่ (2.17) ค่าความดันที่ทำให้เกิดการคราก (yield pressure, Py ) Py = 2tSy Do (2.17) เมื่อ Sy คือ ความเค้นครากของวัสดุ (yield strength) (เมกะพาสกาล) 2.2.4.4 การโก่งตัวในโครงสร้างลำตัว (Buckling in Hull) โครงสร้างลำตัว (hull) ของ ยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) หากไม่ได้ใช้ในภารกิจที่มีความลึกมาก การโก่งตัว (buckling) จะทำให้ โครงสร้างลำตัว (hull) เสียรูปก่อนถึงความเค้นครากของวัสดุ (yield strength) เพราะฉะนั้นจึงจำเป็นต้องให้ความสำคัญกับ การโก่งตัว (buckling) โดยในยานร่อนใต้น้ำการโก่งตัวจะเกิดจาก ความดันภายนอก (External Pressure) โดยลักษณะของการ การโก่งตัว จะเกิดลักษณะความเสียหายเป็น “บุบเป็นคลื่นวงรี” (local ovalization) ซึ่งเรียกว่า โหมดการโก่งตัว (Buckling mode) โดยโหมดการโก่งตัว (Buckling mode) ของโครงสร้างลำตัว (hull) จะแตกต่างกันไปตามสัดส่วนความยาวโครงสร้างลำตัวต่อเส้น ผ่านศูนย์กลางและเส้นผ่านศูนย์กลางต่อความหนาของโครงสร้างลำตัว สำหรับ AUG ที่มีโครงสร้าง ลำตัว (Hull) ยาวไม่มากและผนังไม่บางมาก อาจเกิดโหมดการโก่งตัว (Buckling mode) แบบหลาย แฉกโดยรอบ (circumferential lobes) โดยแสดงในรู ป ด้ า นล่ า งนี ้ โหมดการโก่ ง ตั ว (Buckling mode) ของโครงสร้างลำตัว ในกรณีของเรือดำน้ำ (submarine) ที่เกิดโหมดการโก่งตัว ที่แตกต่างกัน เป็นผลมาจากลักษณะรูปทรง (geometry) ที่ต่างกัน 16 ภาพที่ 2.8 ตัวอย่างของรูปแบบการเกิดการโก่งตัว (buckling) ที่เกิดขึ้นพร้อมกันหลายโหมด ใน โครงสร้างลำตัวของเรือดำน้ำในงานของ Nugroho [10] 2.3 การออกแบบโครงสร้างปีก (Wing design) ภาพที่ 2.9 รูปภาพแสดงปีกของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ ปีกเป็นองค์ประกอบสำคัญที่ใช้สร้างแรงยกให้กับยานร่อนใต้น้ำ โดยต้องออกแบบให้เหมาะสม กับความเร็ว มุมปะทะ และค่าจำนวนเรย์โนลด์ (Reynolds number: Re) เพื่อให้ได้อัตราส่วนแรงยก ต่อแรงต้าน (lift-to-drag ratio: L/D) เหมาะสมที่สุด 17 2.3.1 ชนิดของปีก (Type of Wing) ชนิดของปีกมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการร่อน ในการช่วยพยุงยานร่อนและลดแรงต้านจาก การเคลื่อนที่ โดยปีกที่นิยมใช้ในยานใต้น้ำประกอบด้วย - ปีกสมมาตร (Symmetric hydrofoil) หมายถึงปีกที่มีลักษณะสมมาตรระหว่างด้านบนและ ด้านล่างทำให้เกิดแรงยกเกิดขึ้นในมุมปะทะที่ศูนย์ มีค่าเท่ากันทั้งสองด้าน ปีกชนิดนี้เหมาะ สำหรับการเคลื่อนที่ในทิศทางคงที่และมีความเสถียรสูง - ปีกไม่สมมาตร (Cambered hydrofoil) หมายถึงแผ่นปีกที่มีลักษณะไม่สมมาตรกันระหว่าง ด้านบนและด้านล่าง ซึ่งทำให้มีความสามารถในการสร้างแรงยกได้มากกว่าปีกแบบสมมาตร ในมุมปะทะเดียวกัน ปีกชนิดนี้จะเหมาะสำหรับยานที่ต้องการแรงยกสูงหรือมีข้อ จำกัด ทางด้านความเร็ว - ปีกแบบแผ่นเรียบ (flat plate) ปีกลักษณะนี้มีลักษณะเป็นแผ่นเรียบไม่มีความโค้ง โครงสร้าง เรียบง่ายและน้ำหนักเบา เหมาะกับลักษณะงานที่ไม่ต้องการแรงยกที่สูง เช่น การทดสอบ ต้นแบบหรือระบบเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ 2.3.2 แรงยกที่เกิดจากลำตัว (Lift generated by the wing) แรงยก (lift) คือแรงที่กระทำตั้งฉากกับทิศทางการไหลของของไหลที่เคลื่อนที่ผ่านผิว ของปีก โดยที่แรงนี้เกิดจากความแตกต่างของความดันระหว่างด้านบนและด้านล่างของปีก ซึ่งเป็นผล จากรูปทรงของปีกและมุมปะทะ (Angle of Attack: AoA) ในทางกลศาสตร์ของไหล แรงยกสามารถ วิเคราะห์ได้โดยใช้หลักการของสมการเบอร์นูลลีและทฤษฎีปีกบาง โดยในการประมาณค่าแรงยกใน กรณีที่มีมุมปะทะไม่สูงมาก จะใช้ความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างค่าสัมประสิทธิ์แรงยกกับมุมปะทะดังนี้ ซึ่งการคำนวณแรงยกของปีก (FL,wing ) แสดงในสมการที่ (2.18) 1 FL,wing = ρV 2 Awing CL,wing 2 เมื่อ Awing คือ พืน้ ที่ปีก (ตารางเมตร) CL,wing คือ สัมประสิทธิ์แรงยกของปี ก (ขึน้ กับรูปร่างและมุมปะทะ) 18 (2.18) โดย 𝐶𝐿,𝑤𝑖𝑛𝑔 สามารถประมาณค่าได้จากสมการ Prandtl’s lifting-line (LLT) 𝐶𝐿,𝑤𝑖𝑛𝑔 = เมื่อ e 2𝜋 1+ 2𝜋 𝜋𝑒𝐴𝑅 𝛼 (2.19) คือ ค่า Oswald factor AR คือ Aspect Ratio α คือ มุมปะทะ 2.3.3 แรงต้านที่เกิดจากลำตัว (Drag generated by the wing) แรงต้าน (drag) คือแรงที่กระทำในทิศทางตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุผ่านของไหล ซึ่งในกรณีของยานร่อนใต้น้ำ แรงต้านจะเกิดจากการปะทะและไหลของมวลน้ำกับผิวปีก โดยแรงนี้ ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการร่อน ระยะทาง และพลังงานที่ใช้ในแต่ละรอบการปฏิบัติงาน ในทางกลศาสตร์ของไหล แรงต้านของปีกสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทหลัก ได้แก่ แรงต้านจาก ความหนืดและพื้นผิว (Viscous drag / Skin friction) เกิดจากการเสียดทานของของไหลกับผิวของ ปีก และแรงต้านจากการเปลี่ยนทิศทางของของไหล (Form drag และ Induced drag) เกิดจากการ ไหลปั่นป่วนที่ตามหลังวัตถุหรือปลายปีก แรงต้านรวมสามารถประมาณได้จากสัมประสิทธิ์แรงต้าน (CD ) ซึ่งเป็นฟังก์ชันค่าจำนวนเรย์โนลด์ (Reynolds number: Re) และรูปทรงของปีก โดยสามารถ คำนวณแรงต้านของปีก (FD,wing ) ดังแสดงในสมการที่ (2.20) 1 FD,wing = ρV 2 Awing CD,wing 2 เมื่อ 𝐶𝐷,𝑤𝑖𝑛𝑔 คือ สัมประสิทธิ์แรงต้านของปีก (ขึ้นกับรูปร่างและมุมปะทะ) สัมประสิทธิ์แรงต้านของปีกที่เกิดขึ้น สามารถคำนวณได้จาก lift-line-theory CD,wing = CD0 + CD2 α2 CD,wing = CD,skinfriction at wing + CD2,Induced drag α2 19 (2.20) CD,skinfriction at wing = 2Cskinfriction FF โดย Cskinfriction = (2.20) 0.075 (log10 Re−2)2 ซึง่ ปีกที่เป็นปีกบางจะต้องคิดที่ 2 เท่าเมื่อเทียบกับ Awing เมื่อ Re คือ Reynolds Numbers ของปีก FF คือ ค่า Formfactor ที่ขึ้นอยู่กับรูปร่างของปีก CD2 = CL,wing2 πeAR (2.21) ในส่วนของ Induced drag หรือ แรงต้านเหนี่ยวนำ คือ แรงต้านที่เกิดขึ้นโดยอ้อมจากการ สร้างแรงยกของปีกเครื่องร่อน เกิดจากการที่อากาศใต้ปีกซึ่งมีความดันสูงกว่า ไหลขึ้นไปผสมกับ อากาศเหนือปีกที่มีความดันต่ำกว่าบริเวณปลายปีก ทำให้เกิดการหมุนวนของอากาศ (vortex) ที่ ปลายปีก ซึ่งเป็นการเบี่ยงอากาศลง ทำให้เกิดแรงผลักไปข้างหลังที่ต้านการเคลื่อนที่ของ เครื่องบิน แรงต้านชนิดนี้จะลดลงเมื่อความเร็วเครื่องร่อนเพิ่มขึ้น 2.4 พลศาสตร์การเคลื่อนที่ของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider Dynamics) ยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) เคลื่อนที่โดยใช้หลักการ เปลี่ยนแปลงแรงลอยตัว (Buoyancy Control) และการควบคุมสมดุลเชิงสถิต (Static Stability) ผ่านการปรับตำแหน่งจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) โดยไม่ใช้ระบบขับเคลื่อนแบบ ใบพัด ทำให้ประหยัดพลังงานและสามารถปฏิบัติภารกิจได้ยาวนาน การออกแบบพลศาสตร์ของ AUG จำเป็นต้องพิจารณาความสัมพันธ์ของจุดสำคัญสามจุด ได้แก่ จุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG), จุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) และจุดศูนย์กลางแรงต้าน (Center of Pressure: CP) เพื่อให้มั่นใจว่า ยานสามารถทรงตัวและเคลื่อนที่ได้อย่างเสถียรและควบคุมได้ตาม ต้องการ 2.4.1 จุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) จุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) คือจุดที่แรงโน้มถ่วงของโลกกระทำเสมือนว่ามวล ของวัตถุทั้งหมดถูกรวมอยู่ที่จุดนั้น เป็นจุดที่ใช้ในการวิเคราะห์พฤติกรรมการเคลื่อนที่ของระบบ 20 โดยเฉพาะในวัตถุที่ต้องการความสมดุลในการเคลื่อนไหวอย่าง AUG ตำแหน่งของ CG มีผลโดยตรง ต่อมุมก้มเงย (pitch angle) ของยาน หาก CG อยู่ใกล้ส่วนหัวของยาน มากเกินไปจะทำให้ยานก้มลง ในขณะที่หากอยู่ใกล้ส่วนท้าย มากเกินไปจะทำให้ยานเชิดหัวขึ้น และอาจทำให้การควบคุมทิศทางไม่ แม่นยำ โดยสามารถคำนวณหาค่า CG ทำได้ดังสมการที่ (2.22) xCG = เมื่อ Σ(mi ∙xi ) Σmi (2.22) m𝑖 คือ มวลของชิ้นส่วนที่ i (กิโลกรัม) xi คือ ตำแหน่งของชิ้นส่วนนั้นตามแนวแกนที่สนใจ (เช่น แนวแกน x) (เมตร) xCG คือ ตำแหน่งของจุดศูนย์กลางมวลรวม (เมตร) ในทางปฏิบัติ สามารถใช้ซอฟต์แวร์ CAD เช่น SolidWorks เพื่อใส่มวลและตำแหน่งของแต่ละ ชิ้นส่วน แล้วใช้คำสั่ง เพื่อให้ซอฟต์แวร์วิเคราะห์หาตำแหน่ง CG ได้โดยอัตโนมัติ 2.4.2 จุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) จุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) คือจุดที่แรงลอยตัวรวมซึ่งเกิดจากการ แทนที่ของของไหลกระทำเสมือนว่ามาจากจุดเดียว โดยแรงลอยตัวจะกระทำในแนวดิ่งขึ้น จุด CB ขึ้นอยู่กับรูปร่างภายนอกของวัตถุและปริมาตรที่จมน้ำ สำหรับ AUG การจัดตำแหน่งของ CB ควบคู่กับ CG เป็นสิ่งสำคัญมากในการรักษาเสถียรภาพ ในแนวการเคลื่อนที่มุมก้มเงย (pitch angle) หาก CB อยู่เหนือ CG เล็กน้อยจะช่วยให้ยานกลับสู่ ตำแหน่งสมดุลได้เมื่อมีการเอียงโดยสามารถคำนวณหาค่า CG ทำได้ดังสมการที่ (2.23) xCB = เมื่อ Σ(Vi ∙xi ) ΣVi 𝑉𝑖 คือ ปริมาตรของชิ้นส่วนที่แทนน้ำ (ลูกบาศก์เมตร) 𝑥𝑖 คือ ตำแหน่งของปริมาตรนั้น (เมตร) 𝑥𝐶𝐵 คือ ตำแหน่งของจุดศูนย์ลอยตัวรวม (เมตร) 21 (2.23) ในทางปฏิบัติ สามารถวิเคราะห์ได้จากโมเดล 3 มิติของ AUG โดยใช้ซอฟต์แวร์ CAD หรือซอฟต์แวร์ วิเคราะห์การไหลของของไหล (CFD) โดยการจัดวางตำแหน่งระหว่างจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) และจุดศูนย์กลาง แรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเสถียรภาพของยานร่อนใต้ น้ำ ในแนวการเคลื่อนมุมก้มเงย (pitch angle) โดยเฉพาะในระบบที่เคลื่อนไหวในของเหลวอย่าง AUG หากตำแหน่งของ CG อยู่ ต่ำกว่า ตำแหน่งของ CB (ในแนวดิ่ง) จะเกิดแรงโมเมนต์คืนกลับ (Restoring Moment) ซึ่งช่วยให้ยานสามารถกลับสู่ตำแหน่งสมดุลได้อย่างรวดเร็ว เมื่อเกิดการเอียง ส่งผลให้ยานมีเสถียรภาพสูง และสามารถรักษาทิศทางการเคลื่อนที่ได้ดีแม้มีการรบกวนจากภายนอก ในทางตรงกันข้าม หาก CG อยู่ สูงกว่า CB ยานจะมีเสถียรภาพต่ำ และมีแนวโน้มที่จะพลิก หรือแกว่งมากเมื่อถูกรบกวน โดยเฉพาะในสภาพน้ำที่มีความปั่นป่วน ด้วยเหตุนี้ ในการออกแบบ AUG ที่มีประสิทธิภาพ เราจะจัดให้ตำแหน่งของ CG อยู่ ต่ำกว่า CB เล็กน้อย เพื่อให้ระบบเกิดโมเมนต์คืนกลับที่เหมาะสม และสามารถรักษาสมดุลในการเคลื่อนที่ ร่อนใต้น้ำได้อย่างมีเสถียรภาพ ภาพที่ 2.10 ตำแหน่งของ CG และ CB 2.4.3 จุดศูนย์กลางแรงต้าน (Center of Pressure: CP) จุดศูนย์กลางแรงต้าน (Center of Pressure: CP) คือจุดที่แรงยก (lift) และแรงต้าน (drag) ที่ เกิดจากการไหลของของไหลกระทำรวมกัน จุดนี้มีความสำคัญอย่างมากในชิ้นส่วนอย่างปีก หรือ รูปร่างที่สัมผัสกับการไหลของของเหลว โดยเราสามารถประมาณการตำแหน่งของ CP สำหรับ flat plate ดังสมการที่ (2.24) xCP = xLE + (0.25 ∙ c) 22 (2.24) เมื่อ xLE คือ ตำแหน่งขอบนำ (Leading Edge) ของปีก (เมตร) c คือ ความยาวคอร์ดของปีก (Chord Length) (เมตร) xCP คือ โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 25% ของ คอร์ดจากตำแหน่ง ขอบนำ (Leading Edge) (เมตร) โดยการวางตำแหน่งของ CG และ CP มีผ ลโดยตรงต่อเสถียรภาพของยาน โดยเฉพาะใน พฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงมุมก้มเงย (pitch angle) ของปีก หากตำแหน่งของ CP อยู่ ด้านหลัง CG จะเกิดโมเมนต์คืนกลับที่ช่วยให้ยานสามารถกลับสู่แนว เคลื่อนที่เดิมได้เมื่อเกิดการเบี่ยงเบน ส่งผลให้ยานมีเสถียรภาพสูง (stable) และควบคุมทิศทางได้ อย่างแม่นยำ ในทางกลับกัน หาก CP อยู่ ด้านหน้า CG ยานจะเกิดโมเมนต์ที่ส่งผลให้การเอียงเพิ่มขึ้นเมื่อถูกรบกวน ทำให้เกิดอาการไม่เสถียร (unstable) และอาจสูญเสียการควบคุม ด้วยเหตุนี้ ในการออกแบบที่เหมาะสม ควรวางตำแหน่งของ CG ให้อยู่ก่อนหน้า CP เล็กน้อย เพื่อให้ระบบสามารถสร้างโมเมนต์คืนกลับได้อย่างมีประสิทธิภาพ และรักษาเสถียรภาพของยาน ในขณะเคลื่อนที่ผ่านของไหล CG CP CG CP CG CP ภาพที่ 2.11 ระยะห่างระหว่าง CG กับ CP กำหนดว่า AUG จะมีเสถียรภาพมากน้อยเพียงใด 23 2.5 กลไกการร่อน (Glide Equilibrium) จากการศึกษากลไกการร่อน (Glide equilibrium) พบว่าการออกแบบ AUG ต้องพิจารณา องค์ประกอบสำคัญ ได้แก่ ขนาดลำตัว , ปริมาตรของระบบบัล ลาสต์ (ballast system), มุมร่อน (glide path angle), ความเร็วร่อน และอัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้าน (lift-to-drag ratio: L/D) โดย แต่ ล ะปั จ จั ย สั ม พั น ธ์ ก ั น ผ่ า นการวิ เ คราะห์ พ ลศาสตร์ เช่ น แผนภาพวิ เ คราะห์ แ รง (Free Body Diagram: FBD) และ มุมปะทะ (Angle of Attack: AoA) ตัวอย่างเช่น AUG ทั่วไปมักออกแบบให้มี glide path angle ค่อนข้างชัน (~35°) [3] เพื่อให้ได้ความเร็วสูงสุดตามขนาด ballast ในขณะที่ การออกแบบสำหรับ glide path angle ตื้นจะต้องอาศัยค่า L/D ที่สูงขึ้น กล่าวโดยสรุป การออกแบบ AUG เราจะเน้นการประเมินสมรรถนะผ่าน 4 ประเด็นหลัก ได้แก่ แผนภาพวิเคราะห์ แรง (Free Body Diagram: FBD), การกำหนดมุมสำคัญ (Angle Definition), ความเร็วร่อน (speed) และอัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้าน (lift-to-drag ratio: L/D) ซึ่งเป็นปัจจัยที่ กำหนดประสิทธิภาพและความเสถียรของ AUG 2.6 แผนภาพวิเคราะห์แรง (Free Body Diagram: FBD) ยานร่ อ นใต้ น ้ ำ อั ต โนมั ต ิ (Autonomous Underwater Glider: AUG) เคลื ่ อ นที ่ โ ดยการ เปลี่ยนแปลงแรงลอยตัว (buoyancy) และการกระจายมวลภายในลำตัวเพื่อปรับทิศทางมุมก้มเงย (pitch angle) โดยไม่ต้องใช้ใบพัดแบบทั่ว ไป การวิเคราะห์ แรงจึงเป็นหัว ใจสำคัญในการเข้า ใจ พฤติกรรมการทรงตัวและเส้นทางการเคลื่อนที่ของ AUG โดยแสดงแรงต่าง ๆ ที่กระทำกับตัวกลไก ใน ระหว่างอยู่ในภาวะการร่อน ดังภาพที่ 2.12 และ 2.13 ภาพที่ 2.12 Free Body Diagram (FBD) ของ AUG ขณะทำการร่อนขึ้นในสภาวะสมดุล 24 ภาพที่ 2.13 Free Body Diagram (FBD) ของ AUG ขณะทำการร่อนลงในสภาวะสมดุล เมื่อ W คื อ น้ ำ หนั ก (weight) (นิ ว ตั น ) มาจากมวลรวมของ AUG และชี ้ ล งในแนวดิ ่ ง โลก (downward in inertial frame) หาได้จากสมการที่ (2.25) W=m∙g (2.25) คือ แรงลอยตัว (buoyancy force) (นิวตัน) เกิดจากการแทนที่ของของเหลว (น้ำจืด) โดยปริมาตรของ AUG และมีทิศตรงข้ามกับแรงโน้มถ่วง หาได้จากสมการที่ (2.26) Fb Fb = ρwater ∙ Vdisplaced ∙ g (2.26) คือ แรงยก (lift force) (นิวตัน) เกิดจากปีกโดยทำมุมกับการไหลของกระแสน้ำ ทำให้ เกิดแรงยกตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ หาได้จากสมการที่ (2.27) FL 1 FL = ρv 2 As CL 2 (2.27) FD คือ แรงต้าน (drag force) (นิวตัน) เป็นแรงที่เกิดจากความต้านทานของของเหลวต่อ การเคลื่อนที่ของ AUG มีทิศตรงกันข้ามกับทิศความเร็วสัมพัทธ์ หาได้จากสมการที่ (2.28) 1 FD = ρv 2 As CD 2 (2.28) คื อ มุ ม ก้ ม เงย (pitch angle) เป็ น มุ ม ระหว่ า งแนวลำตั ว ของ AUG กั บ แนวนอน (horizontal axis) (เรเดียน) θ คื อ มุ ม ร่ อ น (glide path angle) เป็ น มุ ม ระหว่ า งแนวการเคลื ่ อ นที ่ ข อง AUG กั บ แนวนอน (horizontal axis) (เรเดียน) ξ 25 คือ มุมปะทะ (Angle of Attack: AoA) เป็นมุมระหว่างแนวลำตัวกับแนวการไหลของของไหล (เรเดียน) α 2.7 การเพิ ่ ม ประสิ ท ธิ ภ าพความเร็ ว และระยะทางของการเคลื ่ อ นที ่ (Optimal Gliding Parameters for Maximum Speed and Horizontal Distance) ในการออกแบบยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ความเร็ว ในการเคลื่อนที่ในแนวนอน (horizontal speed) ถือเป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อประสิทธิภาพของ ภารกิจ เช่น ความรวดเร็วในการสำรวจหรือการเคลื่อนที่ไปยังจุดเป้าหมาย ความเร็วสูงสุดในแนวนอน ของกลไกการร่อนใต้น้ำ (gliding) จึงสามารถประเมินได้จากการพิจารณาปัจจัย 3 ประการหลัก ได้แก่ ปริมาตรของตัวกลไก (glider volume, Vol), สัดส่วนมวลบัลลาสต์ (ballast fraction, nb ) และ แรงต้านทานของตัวกลไก (drag force) โดยจะมีสมการและความสัมพันธ์ที่สำคัญดังนี้ - สมการความเร็วสูงสุดในแนวนอน (Vx ) คือ สมการพื้นฐานที่ใช้คำนวณความเร็วสูงสุดใน แนวนอน จากสมดุลแรงและแรงต้านของเหลวในแนวการเคลื่อนที่ ดังแสดงในสมการที่ (2.29) [3] Vx = (1 2 เมื่อ m0 1 2 m0 g 2 ρCD Vol3 1 ) (sinξ)2 cosξ คือ มวลสุทธิ (Net buoyant mass) (กิโลกรัม) ρ คือ ความหนาแน่นของน้ำ (กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร) CD คือ สัมประสิทธิ์แรงต้าน 1 (Sinξ)2 cosξ คือ ค่าที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุดตามมุมการร่อนจาก ภาพที่ 2.15 26 (2.29) - การนิยามสัดส่วนมวลบัลลาสต์ (ballast fraction, 𝑛𝑏 ) สัดส่วนมวลบัลลาสต์ (ballast fraction, nb ) เป็นตัวแปรที่แสดงถึงความสามารถของระบบบัล ลาสต์ในการสร้างแรงลอยตัวสุทธิ (Net buoyancy force) เมื่อเทียบกับมวลรวมของระบบโดยหาได้ จากสมการ (2.30) nb = m0 ρVol (2.30) - การเปรียบเทียบสเกลของความเร็วกับ volume และ ballast fraction กรณีที่ 1: รักษาค่า nb คงที่ และเพิ่มขนาดปริมาตรของกลไกจะได้ว่า 1 Vx ∝ Vol ⁄6 จากความสัมพันธ์ข้างต้น แสดงให้เห็นว่าความเร็วเพิ่มขึ้นในอัตราที่ช้ากว่าการเพิ่มปริมาตร กล่าวคือ การเพิ่มปริมาตรของกลไก 8 เท่า จะทำให้ความเร็วเพิ่มขึ้นเพียง 2 เท่า ทั้งนี้พฤติกรรม ดังกล่าวเป็นไปตามความสัมพันธ์เชิงลอการิทึม (Logarithmic relationship) ไม่ใช่เชิงเส้น กรณีที่ 2: รักษา volume คงที่ และเพิ่มค่า 𝑛𝑏 1 Vx ∝ nb ⁄2 จากความสัมพันธ์ข้างต้น แสดงให้เห็นถึง หากเพิ่มค่า ballast fraction เป็น 4 เท่า ความเร็ว ในแนวนอนของยานจะเพิ ่ ม ขึ้ น ประมาณ 2 เท่ า จากสมการข้ า งต้ น สามารถจั ด ทำกราฟแสดง ความสัมพันธ์ระหว่าง glider volume (แกน x) และ ความเร็วในแนวนอนสูงสุด (𝑉𝑥 , แกน y) สำหรับ ค่า ballast fraction ที่แตกต่างกันได้ ดังแสดงในภาพที่ 2.14 27 ภาพที่ 2.14 กราฟความเร็วแนวนอนสูงสุดเทียบกับขนาดยานร่อนและอัตราส่วนของบัลลาสต์ในงาน ของ Graver [3] จากกราฟจะเห็น ว่า เส้น โค้งแต่ล ะเส้นแทนค่า คงที่ ข อง ballast fraction โดยมีค่าตั้ ง แต่ nb =0.005 (เช่ น กรณี Slocum) ไปจนถึ ง nb =0.4 ซึ ่ ง ถื อ ว่ า เป็ น ค่ า ที ่ ส ู ง มากในการใช้ ง านจริ ง จุดสำคัญที่สังเกตได้คือ ความเร็วสูงสุดในแนวนอนของกลไก ( Vx ) จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงที่ กลไกมีขนาดเล็ก โดยเฉพาะเมื่อปริมาตรอยู่ในช่วงประมาณ 0.01–0.1 ลูกบาศก์เมตร ซึ่งสะท้อนให้ เห็นว่า AUG ขนาดเล็กมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรอย่างชัดเจน อย่างไรก็ตาม เมื่อ ปริมาตรเพิ่มขึ้นต่อเนื่อง ความเร็วสูงสุดกลับเพิ่มในอัตราที่ช้าลง แสดงถึงความสัมพันธ์แบบกำลังน้อย 1 ระหว่าง Vx และ Vol ซึ่งสอดคล้องกับการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีที่ได้ว่า Vx ∝ Vol ⁄6 นอกจากนี้ ยังพบว่า ballast fraction (nb ) มีอิทธิพลต่อความเร็วมากกว่าการเพิ่มขนาดกลไก ที่ปริมาตรยาน เท่าเดิม หากเพิ่ม 𝑛𝑏 =จาก 0.005 ไปเป็น 0.1 ความเร็วจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญจากประมาณ 0.5 m/s เป็นมากกว่า 2 m/s ซึ่งเป็นการเพิ่มความเร็วถึง 4 เท่า ในขณะที่ปริมาตรไม่เปลี่ยนแปลง แสดง ให้เห็นว่า ballast fraction เป็นตัวแปรที่สามารถปรับใช้เพื่อควบคุมสมรรถนะของกลไกได้อย่างมี ประสิทธิภาพกว่าการเพิ่มปริมาตร เพียงอย่างเดียว ท้ายที่สุด เส้นโค้งของ AUG รุ่น Slocum ซึ่งมี nb =0.005 และปริมาตรราว 0.05 m³ ได้ แสดงให้เห็นขีดจำกัดของความเร็วตามการออกแบบในปัจจุบัน และสามารถใช้เป็นจุดอ้างอิงเพื่อ 28 เปรีย บเทีย บกับ แนวทางการออกแบบใหม่ ที่เน้น การเพิ่ม nb เพื่อให้ได้ความเร็ว สูงขึ้น โดยไม่ จำเป็นต้องเพิ่มขนาดกลไกมากนัก โดยรวมแล้ว กราฟชี้ให้เห็นว่า หากเป้าหมายของการออกแบบคือความเร็วสูงสุด การเพิ่ม ballast fraction ให้มากขึ้นจะให้ผลลัพธ์ที่คุ้มค่ากว่าการเพิ่มขนาดของกลไกเพียงอย่างเดียว อย่างไร ก็ตามการเพิ่ม nb ยังต้องคำนึงถึงพลังงานที่ใช้ในการปั้มของเหลว (pumping work) และระบบ ควบคุมภายในที่ซับซ้อนขึ้นด้วย 2.7.1 มุมร่อนที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความเร็วในแนวนอน (Optimal Glide Path Angle for Horizontal Speed) การเคลื่อนที่ของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ที่ใช้ แรงลอยตัวเป็นแรงขับเคลื่อนสามารถวิเคราะห์ได้จากพฤติกรรมของความเร็วในแนวนอน Vx ซึ่งมี รูปแบบเป็นไปตามสมการที่ (2.18) ความสัมพันธ์นี้แสดงให้เห็นว่า ความเร็วในแนวนอนจะขึ้นอยู่กับ 1 ค่าของพจน์ (sinξ)2 cosξ โดยตรงซึ่งสามารถแสดงพฤติกรรมของฟังก์ชันดังกล่าวได้จากกราฟหน้า ถัดไป ภาพที่ 2.15 กราฟส่วนประกอบของสมการความเร็วการร่อนแนวนอนจากงานของ Graver [3] 29 1 จากกราฟจะพบว่าฟังก์ชัน (sinξ)2cosξ มีค่าสูงสุดที่ Glide Path Angle ประมาณ 35 องศา ซึ่งหมายความว่า ความเร็วในแนวนอน (Vx ) ของยานจะมีค่ามากที่สุดเมื่อ Glide Path Angle อยู่ ใกล้เคีย งกับ 35° ดังนั้น ค่ามุมนี้จึงถือเป็นค่าที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบวิถี การเคลื ่ อ นที่ (trajectory) หากเป้าหมายคือการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วในแนวนอน (Vx ) ที่มากที่สุด 2.7.2 การหามุมปะทะที่เหมาะสมที่สุดเพื่อเพิ่มระยะทางในการร่อนในแนวนอน (Optimal Angleof Attack for Maximum Horizontal Distance) เพื่อให้ยานใต้น้ำแบบร่อนสามารถเคลื่อนที่ในแนวนอนได้ไกลที่สุดโดยไม่ใช้พลังงานขับเคลื่อน เพิ่มเติม จำเป็น ต้องออกแบบให้มีประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนระยะทางในแนวนอนกับการ เปลี่ยนแปลงระดับความลึกในแนวดิ่งอย่างสูงสุด ตัวแปรที่ใช้ประเมินประสิทธิภาพในลักษณะนี้คือ C อัตราส่วนระหว่างแรงยกต่อแรงต้านรวม ซึ่งแสดงในรูปของสัมประสิทธิ์แรงคือ C L,total D,total โดยพิจารณาสถานะที่ยานกำลังร่อนในแนวเฉียงภายใต้สมดุลของแรงจาก ภาพที่ 2.13 เราจะ สามารถเขียนสมการสมดุลในทิศทางของการร่อนดังนี้ พิจารณาสมดุลแรงแกน x ; โดยที่ ∑Fx = 0 ; (W − Fb )sinξ = FD 1 FD = 2 ρv 2 CD,total As 1 จะได้ (2.31) (W − Fb )sinξ = ρv 2 CD,total As 2 พิจารณาสมดุลแรงแกน y ; ∑Fy = 0 ; (W − Fb )cosξ = FL 1 โดยที่ FL = 2 ρv 2 CL,total As จะได้ (W − Fb )cosξ = 2 ρv 2 CL,total As 1 (2.32) นำสมการที่ (2.32) หารด้วย สมการที่ (2.31) จะได้ CL,total ⁄C = cot ξ D,total C ซึ่งแสดงให้เห็นว่าอัตราส่วน C L,total มีความสัมพันธ์โดยตรงกับมุมร่อน (glide path angle, D,total ξ)กล่าวคือ หากต้องการให้ยานเคลื่อนที่ได้ระยะทางในแนวนอนมากที่สุด ควรเลือกมุมปะทะ 30 C (Angle of Attack: AoA) ที่ให้ค่า C L,total สูงที่สุด เพราะจะส่งผลให้ 𝜉 มีค่าต่ำ และอัตราส่วน D,total การร่อน (glide ratio) มีค่าสูงที่สุดตามไปด้วย ทั้งนี้ เนื่องจาก CL,total และ CD,total ต่างเป็นฟังก์ชันของ AoA การศึกษาความสัมพันธ์ของ CL,total CD,total กับ AoA จึงเป็นวิธีที่สำคัญในการเลือกมุมปะทะที่เหมาะสมที่สุดต่อการเพิ่มประสิทธิภาพ ในการร่อนของยาน C กราฟในรูปถัดไปจึงถูกใช้เพื่อแสดงพฤติกรรมของอัตราส่วน C L,total ตามการเปลี่ยนแปลงของ D,total AoA ซึ่งช่วยระบุมุมที่ให้ค่าสูงสุดได้โดยตรง ภาพที่ 2.16 ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้านรวม CL,total/CD,total กับมุมปะทะ AoA C จากกราฟใน ภาพที่ 2.16 จะเห็นได้ว่า ค่า C L,total มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเมื่อมุม AoA เพิ่มขึ้น D,total ในช่วงต้น และจะเริ่มลดลงหลังจากถึงจุดสูงสุด ซึ่งจุดสูงสุดของกราฟดังกล่าวมีความหมายที่สำคัญใน เชิงพลศาสตร์การร่อน เนื่องจากเป็นค่าที่แสดงถึง ประสิทธิภาพสูงสุดในการแลกเปลี่ยนระหว่าง ระยะทางในแนวนอนและระยะทางในแนวดิ่ง C กล่าวคือ ยิ่งอัตราส่วน C L,total มีค่าสูง ยานจะสามารถเคลื่อนที่ในแนวนอนได้ไกลขึ้นต่อการ D,total ลดระดับความลึกหนึ่งหน่วย ซึ่งเป็นสิ่งที่ต้องการในระบบที่ใช้พลังงานจากแรงลอยตัวของ AUG ที่เน้น การร่อนแบบประหยัดพลังงาน 31 ค่ามุมปะทะ (Angle of Attack: AoA) ที่สอดคล้องกับจุดสูงสุดของกราฟจึงมีบทบาทเป็น จุดอ้างอิงสำคัญในการกำหนดวิถีการเคลื่อนที่ (trajectory) ของยาน กล่าวคือจะนำไปใช้ในการ ออกแบบมุ ม ร่ อ น (glide path angle, ξ) ที ่ เ หมาะสมที ่ ส ุ ด เพื ่ อ ให้ ส ามารถควบคุม ทิ ศ ทางและ ระยะทางของการร่อนได้ไกลที่สุด นอกจากนี้ ค่ามุมปะทะที่เหมาะสมยังช่วยลดแรงต้านรวมของยาน ส่งผลให้ไม่เพียงแค่ได้ระยะ ทางไกลขึ้น แต่ยังลดการสูญเสียพลังงาน ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับยานร่อนใต้น้ำที่มีแหล่ง พลังงานจำกัด เช่น ระบบแบตเตอรี่ภายใน หรือที่ทำงานในระยะเวลานานโดยไม่มีการเติมพลังงาน ระหว่างทาง C ด้ว ยเหตุน ี้ จุดสูงสุดของกราฟ C L,total จึงถือเป็นปัจจัยสำคัญทางวิศวกรรมที่ใช้ในการ D,total ออกแบบโครงสร้างและกลยุทธ์การควบคุมของยานร่อนใต้น้ำ ด้วยเช่นกัน เพื่อให้สามารถดำเนิน ภารกิจในทะเลได้อย่างหลากหลายและมีประสิทธิภาพสูงสุด ทว่าในทางปฏิบัติ การเคลื่อนที่ด้วยมุม ร่อนนี้อาจทำให้ยานมีความเร็วช้าเกินกว่าที่จะต้านทานกระแสน้ำเฉลี่ยในทะเลได้ 2.7.3 การถ่วงดุลระหว่างความเร็วและระยะทางของการร่อน (Design Trade-Off Between Speed and Range in Glider Motion) ในการออกแบบพฤติ ก รรมการเคลื ่ อ นที ่ ข องยานร่ อ นใต้ น ้ ำ อั ต โนมั ต ิ ( Autonomous Underwater Glider: AUG) เป้ า หมายด้ า นประสิ ท ธิ ภ าพมั ก แบ่ ง ออกเป็ น สองด้ า นหลั ก ได้ แ ก่ ความเร็วในการเคลื่อนที่ และระยะทางในการร่อน ซึ่งมีปัจจัยควบคุมหลักที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน นั่นคือ มุมร่อน (glide path angle, ξ) และมุมปะทะ (Angle of Attack: AoA) ตามลำดับ หากต้องการให้ยานเคลื่อนที่ด้วย ความเร็วในแนวนอนสูงสุด จะต้องพิจารณามุมร่อน เนื่องจาก พลั ง งานขั บ เคลื ่ อ นของยานในระบบที ่ ใ ช้ แ รงลอยตั ว มาจากการเคลื ่ อ นที ่ ใ นทิ ศ เฉี ย ง ดั ง นั้ น องค์ประกอบของความเร็วในแนวนอนความเร็วในแนวนอน (Vx ) จะขึ้นอยู่กับฟังก์ชันของ มุมร่อน (glide path angle, ξ) ซึ่งจะมีค่าสูงสุดที่ glide path angle ( ξ ) ที่ 35 องศา ดังแสดงในกราฟที่ ศึกษาไว้ก่อนหน้านี้ ค่า glide path angle ที่เหมาะสมจึงเป็นตัวกำหนด trajectory ที่ให้ความเร็ว การเคลื่อนที่มีประสิทธิภาพที่สุด ในทางตรงกันข้าม หากเป้าหมายคือการร่อนให้ได้ระยะทางไกลที่สุดต่อการร่อนหนึ่งรอบ จะต้องพิจารณา มุมปะทะ (Angle of Attack: AoA) เนื่องจากระยะทางในการร่อนสัมพันธ์โดยตรง 32 C กับอัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้าน C L,total ซึ่งมีค่าสูงสุดที่ AoA ที่เหมาะสมระดับหนึ่ง โดยทั่วไปจะอยู่ D,total C ในช่วงค่าปานกลางไม่ต่ำหรือสูงเกินไป จุดที่ C L,total สูงสุดจึงถูกใช้เป็นแนวทางในการเลือก AoA D,total เพื่อให้ได้ glider ratio สูงที่สุด ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อระยะทางที่ AUG จะเคลื่อนที่ได้ต่อหนึ่ง cycle กล่าวโดยสรุป การเพิ่มความเร็วและการเพิ่มระยะทางของการร่อนเป็น เป้าหมายที่ ต้อ ง ออกแบบบนพื้นฐานของพารามิเตอร์ต่างกัน หากต้องการออกแบบให้เหมาะกับภารกิจเฉพาะ ต้อง พิจารณาเลือกใช้ glide path angle และ AoA ให้เหมาะสมกับวัตถุประสงค์ 2.8 การออกแบบระบบเครื่องยนต์แรงลอยตัว (Buoyancy Engine Design) การออกแบบระบบเครื่องยนต์แรงลอยตัว (buoyancy engine) สำหรับยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) มีบทบาทสำคัญในการควบคุมการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง ผ่านการเปลี่ยนแปลงแรงลอยตัวและการควบคุมมุมปะทะผ่านการเปลี่ยนตำแหน่งจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) กลไกที่ใช้งานในโครงการนี้ประกอบด้วยระบบผสมผสานระหว่างระบบ ลูกสูบ (piston-type) สำหรับควบคุมแรงลอยตัว และกลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass system) สำหรับควบคุมมุมก้มเงยของยาน (pitch angle) 2.8.1 หลักการควบคุมแรงลอยตัว (Buoyancy Control Principle) แรงลอยตัวเกิดจากแรงกระทำของของไหลที่กระทำในทิศตรงข้ามกับแรงโน้มถ่วงตามกฎของ อาร์คิมีดีส ซึ่งสามารถเขียนในรูปสมการได้ดังนี้ Fb = ρfluid ⋅ g ⋅ V เมื่อ Fb (2.33) คือ แรงลอยตัว (นิวตัน) ρfluid คือ ความหนาแน่นของของไหล (กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร) g คือ ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (เมตรต่อวินาทีกำลังสอง) V คือ ปริมาตรของของไหลที่ถูกแทนที่ (ลูกบาศก์เมตร) การควบคุมแรงลอยตัวสามารถทำได้โดยการปรับเปลี่ยนมวลของยานในขณะที่ปริมาตรคงที่ เพื่อเปลี่ยนความหนาแน่นเฉลี่ยของระบบ ซึ่งอธิบายได้โดยสมการนี้ 33 ρglider = เมื่อ ∆𝑚 mglider +∆m Vglider (2.34) คือ มวลของของเหลวที่ piston สูบเข้า/ออก (กิโลกรัม) 𝑚glider คือ มวลของโครงสร้างและอุปกรณ์ที่ติดตั้งอยู่ในยาน (กิโลกรัม) Vglider คือ ปริมาตรของยาน (ลูกบาศก์เมตร) และ m0 = mglider + ∆m + 0.5ρfluid (Vballast ) เป็นตัว ที่จะบอกถึง แรงลอยตั ว ว่ า ยานร่อนจะเกิดการลอยขึ้นหรือดำลง(กิโลกรัม) - กรณีที่ Piston ไม่ได้สูบน้ำเข้า (∆m = 0) ภาพที่ 2.17 เมื่อระบบลูกสูบ (piston-type) ไม่สูบน้ำเข้าตัวกระบอก เมื่อระบบลูกสูบ สูบน้ำเข้าสู่ภายในจะทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของมวลน้ำในยาน (∆m = 0 ) ส่งผลให้มวลรวมของยานเพิ่มขึ้น ขณะที่ปริมาตรภายนอกยังคงเท่าเดิม น้ำหนักสุทธิของยาน (Wnet ) จึงเพิ่มขึ้นโดยที่แรงลอยตัว ( Fb ) ไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากยังแทนที่น้ำในปริมาตรเท่าเดิม เมื่อแรง ลอยตัวมีค่ามากกว่าน้ำหนัก Fb > Wnet จะเกิดแรงสุทธิในทิศขึ้น ทำให้ยานลอยขึ้น ในแง่ของ ความหนาแน่น กรณีนี้หมายถึงความหนาแน่นเฉลี่ยของยานน้อยกว่าความหนาแน่นของของไหล กล่าวคือ ρglider < ρfluid - กรณีที่ piston สูบน้ำเข้า (∆m > 0) ภาพที่ 2.18 เมื่อระบบลูกสูบ (piston-type) สูบน้ำเข้าตัวกระบอก เมื่อระบบลูกสูบ สูบน้ำเข้าสู่ตัวกระบอก จะทำให้มวลของยานเพิ่มขึ้น (∆𝑚 > 0) ขณะที่ ปริมาตรภายนอกของยานยังคงเท่าเดิม ส่งผลให้น้ำหนักสิทธิของยาน (Wnet ) เพิ่มขึ้น ในขณะที่แรง 34 ลอยตัว (Fb ) ยังคงเท่าเดิม เนื่องจากไม่ได้มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่แทนที่น้ำ เมื่อแรงลอยตัวมีค่า น้อยกว่าน้ำหนัก (Fb < Wnet ) จะเกิดแรงสุทธิในทิศลง ทำให้ยานจมลงในแนวดิ่ง ในมุมมองของ ความหนาแน่น สถานะนี้หมายถึงความหนาแน่นเฉลี่ยของยานมากกว่าความหนาแน่นของของไหล รอบตัว กล่าวคือ ρglider > ρfluid 2.8.2 หลักการควบคุมมุมก้มเงย (Pitch Control Principle) การควบคุมมุมก้มเงยของยาน (pitch angle) มีบทบาทสำคัญในการกำหนดทิศทางของการร่อน เนื่องจากการปรับมุมของลำตัวยานจะส่งผลต่อทิศทางของแรงยก (lift) ซึ่งเป็นแรงหลักที่ทำให้ยาน เคลื่อนที่ในแนวราบ หากไม่สามารถควบคุม pitch angle ได้ ยานจะเคลื่อนที่ในแนวดิ่งเท่านั้น ซึ่งไม่ สอดคล้องกับวัตถุประสงค์ในการร่อนระยะไกล วิธีหนึ่งในการควบคุม pitch angle อย่างมีประสิทธิภาพคือ การปรับตำแหน่งของจุดศูนย์กลาง มวล (Center of Gravity: CG) ให้ส ัมพันธ์กับตำแหน่งของจุด ศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) ซึ่งจะนำไปสู่การเกิดโมเมนต์รอบแกน pitch อันเป็นหัวใจสำคัญของการเคลื่อนที่ แบบการร่อน - กรณีที่ 1: AUG ขณะอยู่ในสภาวะ neutral buoyancy ( Fb = Wnet ; ∆m = 0.5ρfluid (Vballast ) ) ภาพที่ 2.19 แสดงตำแหน่ง CG และ CB ณ ตำแหน่งขนานกับแนวระดับ เมื่อ piston ไม่ได้สูบน้ำเข้า–ออก มวลของยานคงที่และความหนาแน่นเฉลี่ยเท่ากับน้ำ ส่งผล ให้แรงลอยตัวสมดุลกับน้ำหนัก และยานลอยนิ่งอยู่ในระดับความลึกเดิม โดยหากตำแหน่ง CG และ CB อยู่ในแนวตั้งฉากเดียวกันโดยไม่มีการเลื่อนมวล จะไม่มีโมเมนต์รอบแกน pitch เกิดขึ้น ทำให้ยาน รักษาท่าทางขนานกับแนวระดับของทะเลและไม่เข้าสู่การร่อน 35 - กรณีที่ 2: AUG ขณะอยู่ในสภาวะ Negative buoyancy ( Fb < Wnet ; ∆m > 0.5ρfluid (𝑉𝑏𝑎𝑙𝑙𝑎𝑠𝑡 ) ) ภาพที่ 2.20 แสดงการเคลื่อนตำแหน่งของจุด CG ขณะดำลง เมื่อ piston สูบน้ำเข้า มวลของยานเพิ่มขึ้นจนความหนาแน่นเฉลี่ยมากกว่าน้ำ ทำให้ยานจมลง และเมื่อเลื่อนตำแหน่ง CG ไปด้านหน้าด้วยกลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass system) โดยที่ CB คงที่ จะเกิดโมเมนต์รอบแกน pitch ส่งผลให้หัวของยานเอียงลงและเข้าสู่การร่อน ภาพที่ 2.21 แสดงมุม Pitch ที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนตำแหน่ง CG ขณะดำลง เมื่อ piston สูบน้ำเข้า มวลของยานเพิ่มขึ้นจนความหนาแน่นเฉลี่ยมากกว่าน้ำ ทำให้ยานจมลง และเมื่อเลื่อนตำแหน่ง CG ไปด้านหน้าด้วยกลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass system) โดยที่ CB คงที่ จะเกิดโมเมนต์รอบแกน pitch ส่งผลให้หัวของยานเอียงลงและเข้าสู่การร่อน - กรณีที่ 3: AUG ขณะอยู่ในสภาวะ positive buoyancy (Fb > Wnet ; ∆m = 0) ภาพที่ 2.22 แสดงการเคลื่อนตำแหน่งของจุด CG ขณะลอยขึ้น 36 เมื่อ piston ดันน้ำออก มวลของยานลดลงจนความหนาแน่นเฉลี่ยน้อยกว่าน้ำ ส่งผลให้ยานลอย ขึ้น และเมื่อเลื่อนตำแหน่ง CG ไปด้านท้ายด้วยกลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass system) โดยที่ CB คงที่ จะเกิดโมเมนต์รอบแกน pitch ที่ทำให้หัวของยานเอียงขึ้นและเข้าสู่การร่อนขึ้น ภาพที่ 2.23 แสดงมุม Pitch ที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนตำแหน่ง CG ขณะลอยขึ้น แนวคิดนี้นำไปสู่การออกแบบระบบที่เรียกว่า กลไกการควบคุมมุมก้มเงยด้วยเคลื่อนย้ายมวล ภายใน (Pitch Control Mechanism Using Moving Mass) 2.8.3 กลไกการควบคุมมุมก้มเงยด้วยเคลื่อนย้ายมวลภายใน (Pitch Control Mechanism Using Moving Mass) กลไกนี ้ ใ ช้ ห ลั ก การเคลื ่ อ นย้ า ยมวล (moving mass system) เพื ่ อ เปลี ่ ย นตำแหน่ ง ของจุ ด ศูนย์กลางมวล (CG) บนแนวแกนตามยาวของยาน การเคลื่อนมวลไปทางด้านหัวหรือท้ายของยานจะ ทำให้เกิดโมเมนต์รอบจุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (CB) ซึ่งส่งผลต่อการเอียงมุมก้มเงย (pitch angle) ของยานตามต้องการ โดยทั่วไปมวลที่ใช้จะอยู่บนรางเลื่อนและขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์เกลียว (lead screw motor) หรือระบบ linear actuator ที่มีความแม่นยำสูง การเลือกตำแหน่งเริ่มต้นของจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) ให้อยู่ใกล้กับจุด ศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) ทั้งในแนวแกนตามยาวและแนวดิ่ง โดยเฉพาะ การกำหนดให้ CG อยู่ต่ำกว่า CB จะทำให้เกิดโมเมนต์เสถียรภาพเมื่อเกิดการเอียง ทำให้ยานมี เสถียรภาพเชิงสถิตสูงขึ้น นอกจากนี้ การจำกัดระยะการเคลื่อนที่ของมวลให้อยู่ภายในช่วงที่ควบคุม ได้ยังช่วยให้สามารถปรับมุมก้มเงย (pitch angle) ได้อย่างแม่นยำและปลอดภัยระหว่างการทำงานใต้ น้ำ 37 2.8.4 การบูรณาการระบบควบคุมแรงลอยตัวและมุมก้มเงย (Integration of Buoyancy and Pitch Control Systems) ในการควบคุมการเคลื่อนที่ของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ทั้งระบบลูกสูบ (piston-type) และกลไกการเคลื่อนย้ายมวล (moving mass system) ต้อง ทำงานร่วมกันเป็นวัฏจักร (cycle) เพื่อให้เกิดการเคลื่อนที่ลักษณะฟันเลื่อย (sawtooth path) ใต้น้ำ ภาพที่ 2.24 แสดงวัฏจักรการเคลื่อนที่ของ AUG การผสานการทำงานของทั้งสองระบบจึงเป็นหัวใจของการควบคุมวิถีการเคลื่อนที่ (trajectory) ของ AUG ให้สามารถเคลื่อนที่ได้ประสิทธิภาพสูง ประหยัดพลังงาน และอยู่ใต้น้ำได้ยาวนาน 2.9 ระบบควบคุมอัตโนมัติ (Automatic Control System) ระบบควบคุมของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ระบบที่ ใช้ควบคุมอุป กรณ์ห รือกระบวณการแบบอัตโนมัติ โดยใน AUG นี้จะใช้ในการมุมก้มเงย (pitch angle) มุ ม เอี ย งข้ า ง (roll angle) ของตั ว AUG จากงานของ Graver [3] สามารถใช้ ห ลั ก การ คอนโทรลเลอร์ PID Controller ในการทำการควบคุมได้เบื้องต้น โดยในการควบคุมเบื้องต้นที่สำคัญ ของ AUG คื อ การมุ ม ก้ ม เงย (pitch angle) ที ่ จ ะเป็ น ตั ว ที่ ใ ช้ ในการเคลื่ อ นที่ ล ั ก ษณะคลื่นไซน์ (sinusoidal) ของยานร่อนตามภารกิจที่กำหนดและระดับความลึกที่นักวิจัยต้องการพัฒนาระบบ AUG ภาพที่ 2.25 Block Diagram แสดงการควบคุมมุมก้มเงย (pitch angle) [3] 38 2.10 เสถียรภาพ(Stability) เสถียรภาพ (Stability) ถือเป็นคุณสมบัติที่ต้องคำนึงถึงของ ที่มีผลต่อการควบคุมการร่อน ทิศ ทางการเคลื่อนที่ และประสิทธิภาพโดยรวมของยานร่อน กล่าวคือความสามารถของยานในการกลับสู่ สมดุลเมื่อถูกรบกวนโดยแบ่งออกเป็น Stable คือระบบมีแนวโน้มกลับสู่สมดุลเดิมได้ ดังแสดงในรูป (a) Neutrally stable คือไม่กลับสมดุลเดิม แต่ไม่เบี่ยงเบนต่อเนื่อง หากได้รับการรบกวน ระบบจะ สร้างสเถียรภาพที่จุดสมดุลใหม่ ดังแสดงในรูป (b) Unstable คือหากถูกรบกวนแล้วจะหลุดออกจาก สมดุลและไม่สามารถเกิดสมดุลใหม่ได้ ดังแสดงในรูป (c) ภาพที่ 2.26 อธิบาย Stability ทั้ง 3 รูปแบบ รูปภาพจาก Çengel [11] โดย เสถี ย รภาพของยานร่ อ นใต้ น ้ ำ อั ต โนมั ติ (Stability in Autonomous Underwater Glider)สามารถแบ่งเป็นเสถียรภาพหมุน 3 แกน เรียกแทนด้วยความต้านทานการเคลื่อนในแกนหมุน ทั้ง 3 แกน ประกอบด้ว ย ความต้านทาน Pitch (Longitudinal Stability), ความต้านทาน Roll (Lateral Stability) และความต้านทาน Yaw (Directional Stability) 2.10.1 ความต้านทาน Pitch (Longitudinal Stability) เสถียรภาพตามแนวยาว (Longitudinal stability) ก็จะเกี่ยวกับการเชิดหัวขึ้นหรือลงของตัว ยานร่ อ น ซึ ่ ง จะส่ ง ผลต่ อ มุ ม ร่ อ น (glide path angle, ξ ) โดยปั จ จั ย ที ่ ส ่ ง ผลต่ อ เสถี ย รภาพ ประกอบด้วย จุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) ให้อยู่ใกล้กับจุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) การจัดวางปีก โมเมนต์ความเฉื่อย โดยเบื้องต้นใช้การอธิบายโมเดล เครื่องบิน ในการรักษา เสถียรภาพตามแนวยาว โดยภาพ (a) แสดงตัว เครื่องบิน ที่ยังไม่ได้รับผลหรือ ได้รับการรบกวน ภาพ (b) แสดงถึงตัวโมเดลเครื่องบินที่เจอการรบกวน และโมเดล เครื่องบินสามารถ เข้าสู่จุดสมดุลเดิมได้ 39 ภาพที่ 2.27 แสดงถึงเสถียรภาพตามแนวยาว (Longitudinal Stability) ที่เกิดขึ้นของระบบจาก Valasek [12] 2.10.2 ความต้านทาน Roll (Lateral Stability) เสถียรภาพตามแนวขวาง (Lateral stability) โดยหลักจะเกี่ยวกับการรักษาเสถียรภาพจาก การหมุนรอบแกนตามขวางของยานร่อน (roll) เมื่อระบบถูกรบกวน ระบบที่มีเสถียรภาพจะเกิด โมเมนต์ฟื้นตัว (restoring moment) ทำให้ตัวลำสามารถกลับเข้าสู่สมดุลได้ ซึ่งส่งผลกับการทรงตัว ของการร่อน โดยปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อเสถียรภาพ ประกอบด้วย ความสมมาตรของลำตัว ตำแหน่ง ของ จุดศูนย์ถ่วง-จุดศูนย์แรงลอยตัว กับปีก โดยแสดงตามในรูปด้านล่าง ที่แสดงถึงความสามารถของ เสถียรภาพหมุนทั้ง 3 กรณีที่เกิดขึ้นประกอบด้วย เสถียรภาพ (stable) ระบบพบการรบกวนและ สามารถกลับเข้าสู่สมดุลเดิมได้ เสถียรภาพแบบเป็นกลาง (Neutrally stable) แสดงถึงระบบที่เจอ การรบกวนและเข้าสู่สมดุลในจุดสมดุลใหม่ และไม่เสถียร (Unstable) แสดงถึงระบบที่พบการรบกวน แต่ไม่สามารถเข้าสู่สมดุลได้ ที่แสดงอยู่ใน ภาพที่ 2.28 หน้าถัดไป โดยใช้เป็นโมเดลเครื่องบินในการ อธิบาย 40 ภาพที่ 2.28 แสดง เสถียรภาพตามแนวขวาง (Lateral Stability) ที่เกิดขึ้นของระบบ ทั้ง 3 แบบ จาก Cook [13] 2.10.3 ความต้านทาน Yaw (Directional Stability) เสถียรภาพเชิงทิศทาง (Directional stability) เกี่ยวกับส่ายของยานร่อนไปทางซ้ายหรือขวา เสถียรภาพเชิงทิศทาง เป็นตัวกำหนดความสามารถของยานร่อน ในการรักษาทิศทาง (heading control) ได้ดีมากน้อยเพียงใด ปัจจัยสำคัญประกอบด้วย ครีบแนวตั้ง (rudder) รูปร่างลำตัว การ หน่วงการหมุน ปัจจัยเหล่านี้จะส่งผลให้ระบบสามารถในการรักษาทิศทางได้มากยิ่งขึ้น โดยภาพ ด้านล่างแสดงถึง เสถียรภาพเชิงทิศทาง (Directional stability) ที่เกิดขึ้นโดยมี ครีบแนวตั้ง (rudder) ช่วยสร้างโมเมนต์ฟื้นตัว (restoring moment) ให้ระบบสามารถกลับเข้าสู่สมดุลเดิมได้ ตามที่เขียน ไว้ในงานของ Graver [3] ภาพที่ 2.29 แสดง เสถียรภาพเชิงทิศทาง (Directional Stability) ที่เกิดขึ้นของระบบ โดย ครีบ แนวตั้ง (rudder) จาก Mohammad [14] 41 2.11 การหาระยะเลื่อนของ moving mass (moving length) การควบคุมการทรงตัวของยานใต้น้ำ หรือกลไกที่สามารถเปลี่ยนมุมเอียงของลำตัว (pitch control system) จำเป็นต้องอาศัยการปรับตำแหน่งของมวลภายใน (moving mass) เพื่อเปลี่ยน ตำแหน่งของจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity, CG) ของระบบ การเปลี่ยนตำแหน่งของมวลนี้ ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงมุมเอียง (pitch) ของลำตัว ซึ่งมีผลโดยตรงต่อทิศทางการเคลื่อนที่และ ความเสถียรของระบบในน้ำ ในหัวข้อนี้จะทำการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของมวลภายในในแนวแกน x และ y โดยพิจารณา จากสมดุลของแรงและโมเมนต์รอบจุดศูนย์กลางมวลเริ่มต้น ( 𝐶𝐺0 ) เพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่าง ตำแหน่งของมวลเคลื่อนที่ ( 𝑥0 , 𝑙, 𝛥𝑙) กับ อัตราส่วนมวลเคลื่อนที่ (Moving Mass Ratio, MMR) รวมถึงการหาค่าจุดศูน ย์กลางมวลใหม่ในแนว x (𝐶𝐺𝑥 ) และแนว y (𝐶𝐺𝑦 ) หลังจากมวลภายใน เคลื่อนที่ 42 พิจารณาที่สภาวะเริ่มต้น (ยังไม่เคลื่อนระยะเลื่อน) ภาพที่ 2.30 แสดงแบบจำลองในการหาระยะเคลื่อนที่ของมวลเคลื่อน ขณะก่อนเคลื่อนที่ พิจารณาสมดุลโมเมนต์ของน้ำหนักรอบจุด CG0 ΣMCG0 = 0 (mmoving )(l0 −x0 ) = (mbody )x0 x0 = [ กำหนด จะได้ mmoving ]l mmoving +mbody 0 (MMR) = mmoving mmoving +mbody x0 = (MMR)l0 43 (2.35) พิจารณาที่สภาวะจม (เคลื่อนระยะเลื่อนไปด้านหน้า) ภาพที่ 2.31 แสดงแบบจำลองในการหาระยะเคลื่อนที่ของมวลเคลื่อน ขณะเคลื่อนที่ พิจารณาสมดุลโมเมนต์ของแรงรอบจุด CG เพื่อหาระยะศูนย์กลางมวลแกน x ΣMCG = 0 (mbody )(CGx +x0 ) = (mmoving )(l − x0 − CGx ) จะได้ CGx = mmoving (l − x0 ) − mbody x0 mmoving + mbody CGx = mmoving (l − x0 ) − mbody x0 mmoving + mbody CGx = (MMR)l − x0 44 (2.36) พิจารณาหาระยะศูนย์กลางมวลแกน y ภาพที่ 2.32 แสดงแบบจำลองในการหาระยะเคลื่อนที่ของมวลเคลื่อน ขณะหลังเคลื่อนที่ พิจารณาหาจุด 𝐶𝐺𝑦 ; Σ(mi ∙yi ) CGy = CGy = Σmi mbody (hbody ) + mmoving (hmoving ) mbody + mmoving mmoving mmoving +mbody จาก MMR = จะได้ mmoving = ( ดังนั้น CGy = hbody + (hmoving − hbody )MMR MMR ) mbody 1−MMR 45 (2.37) (2.38) พิจารณาหามุม pitch ภาพที่ 2.33 ภาพประกอบการคำนวณมุม pitch angle ที่จะเกิดขึ้น จะได้ tan θ = CGx CGy θ = tan−1 ( = (MMR)l−x0 hbody +(hmoving −hbody )MMR (MMR)l−x0 CGx ) = tan−1 (h CG y body +(hmoving −hbody )MMR ) (2.39) จะได้ระยะเลื่อน (moving length) จาก CGx = (MMR)l − x0 จะได้ l= จาก x0 = (MMR)l0 จะได้ l0 = CGx +x0 (2.40) MMR x0 (2.41) MMR ดังนั้นระยะเคลื่อนที่ของ moving mass (moving length), ∆𝑙 ∆l = l − l0 = CGx + x0 x0 − MMR MMR ∆l = CGx MMR 46 (2.42) นิยามตัวแปร mmoving : มวลเลื่อน (moving mass) (กิโลกรัม) mbody : มวลส่วนที่เหลือของลำตัวทั้งหมดที่ ไม่รวม มวลเลื่อน (กิโลกรัม) MMR : อัตราส่วนมวลเลื่อน (Moving-Mass Ratio) CG0 : ตำแหน่งศูนย์กลางมวลของยานในสภาวะอ้างอิง (ก่อนเลื่อน) CGy : พิกัดแนวดิ่งของศูนย์กลางมวล (แกน y) CGx : พิกัดแนวดิ่งของศูนย์กลางมวล (แกน x) x0 : ระยะตามยาวจาก CG0 (ศูนย์กลางมวลสภาวะอ้างอิง ไปยังตำแหน่งมวลลำตัว) (เมตร) Hmoving : ระดับความสูง (พิกัด y) ของตำแหน่งมวลเลื่อนเทียบกับเส้นอ้างอิง (เมตร) hbody : ระดับความสูง (พิกัด y) ของตำแหน่งมวลลำตัวเทียบกับเส้นอ้างอิง (เมตร) CB : จุดศูนย์กลางการลอยตัว (Center of Buoyancy) ของลำตัว FB : แรงลอยตัว (นิวตัน) l0 : ระยะห่างตามยาวระหว่างตำแหน่งมวลเลื่อนกับตำแหน่งมวลลำตัว ในสภาวะอ้างอิง (ก่อนเลื่อน) (เมตร) l : ระยะตามยาวระหว่างตำแหน่งมวลเลื่อนกับตำแหน่งมวลลำตัว (หลังเลื่อน) (เมตร) ∆l : ระยะเลื่อนของมวลเลื่อน (เมตร) 47 2.12 การหาองศาการหมุนของ Rolling mass ในการวิเคราะห์การเคลื่อนที่แบบหมุนของวัตถุที่มีมวลบางส่ว นเคลื่อนที่ได้ (rolling mass) จำเป็นต้องพิจารณาผลของการเคลื่อนที่ของมวลภายในที่มีต่อจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity, CG) ของระบบทั ้ ง หมด การเปลี ่ ย นตำแหน่ ง ของมวลที ่ เ คลื ่ อ นที ่ ไ ด้ จ ะทำให้ ต ำแหน่ ง ของ CG เปลี่ยนแปลง ส่งผลให้เกิดแรงโมเมนต์และมุมเอียง (roll angle, 𝜔) ซึ่งมีผลโดยตรงต่อการทรงตัว และทิศทางการเคลื่อนที่ของระบบ เมื่อมวลที่หมุนได้ (rolling mass) เคลื่อนที่ไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง จะทำให้จุดศูนย์กลางมวล ของระบบ (CG) เคลื่อนออกจากตำแหน่งเดิม ส่งผลให้เกิดโมเมนต์รอบจุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (CB) ซึ่งเป็นแรงที่กระทำในแนวดิ่งสวนทางกับแรงน้ำหนักของระบบ โมเมนต์ดังกล่าวจะทำให้ตัวเรือหรือ โครงสร้างเกิดการเอียง (roll motion) ไปจนกว่าจะเกิดสมดุลใหม่ที่แรงยกตัว ( FB ) และน้ำหนักรวม ของระบบอยู่ในแนวเดียวกันอีกครั้ง ในการศึกษานี้ได้ทำการสร้าง Free Body Diagram (FBD) ของระบบในระนาบ z–y ทั้งในกรณีที่ ยังไม่เกิดการหมุนและเมื่อเกิดการหมุนแล้ว เพื่อแสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงยกตัว (buoyancy force, FB ) กับตำแหน่งของจุดศูนย์กลางมวล (CG) และจุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (CB) จากนั้นได้ทำ การคำนวณหาค่าตำแหน่งของ CG ในแนวแกน z (CGz ) และ y (CGy ) รวมถึงนิยามอัตราส่วนของ มวลที่หมุนได้ (Roll Mass Ratio, RMR) เพื่อใช้ในการวิเคราะห์มุมเอียงของระบบ (tan ω) - Free body diagram ที่ z-y plan ขณะยังไม่เกิด roll ภาพที่ 2.34 แสดงแบบจำลองในการหาระยะหมุนของมวลเคลื่อนที่ ขณะก่อนหมุน 48 - Free body diagram ที่ z-y plan ขณะเกิด roll ภาพที่ 2.35 แสดงแบบจำลองในการหาระยะหมุนของมวลเคลื่อนที่ หลังจากหมุนมวล พิจารณาหาจุด CGz ; CGz = จะได้ CGz = กำหนด RMR = ดังนั้น Σ(mi ∙zi ) Σmi mroll (CGroll,z ) mroll +mfixed mroll mroll +mfixed (2.43) CGz = RMR(CGroll,z ) Σ(mi ∙yi ) พิจารณาหาจุด CGy ; CGy = จะได้ CGy = ดังนั้น CGy = RMR(CGroll,y ) + (1 − RMR)CGfixed,y Σmi mroll (CGroll,y )+mfixed (CGfixed,y ) mroll +mfixed 49 (2.44) - พิจารณาหามุม Roll (𝜔) ภาพที่ 2.36 ภาพประกอบการคำนวณมุม roll ที่เกิดขึ้น จะได้ กำหนด tan(ω) = CGz CGy = RMR(CGroll,z ) RMR(CGroll,y )+(1−RMR)CGfixed,y R = √(CGroll,z )2 + (CGroll,y )2 ดังนั้น CGroll,y = √R2 − (CGroll,z )2 จะได้ tan(ω) = CGz CGy = RMR(CGroll,z) RMR√R2 −(CGroll,z)2 +(1−RMR)CGfixed,y 50 (2.45) นิยามตัวแปร CGfixed : จุดศูนย์กลางมวลของส่วนที่ไม่เคลื่อนที่ (fixed part) CGroll : จุดศูนย์กลางมวลของส่วนที่เคลื่อนที่ขณะเอียง CGtotal : จุดศูนย์กลางมวลรวมของระบบ mfixed : มวลของส่วนที่ไม่เคลื่อนที่ (fixed mass) (กิโลกรัม) mroll : มวลของส่วนที่เคลื่อนที่ขณะเอียง (กิโลกรัม) ω : มุมเอียง (roll angle) RMR : คืออัตราส่วนของมวลที่เคลื่อนที่ได้ต่อมวลรวมทั้งหมดของระบบ (Roll Mass Ratio.) R : คือระยะรัศมีจากจุดศูนย์กลางการลอยตัว (center of buoyancy) ไปยังจุดศูนย์กลาง มวลของมวลที่เคลื่อนที่ได้ (CGroll ) เมื่อ AUG เกิดการ roll การกระจายของแรง Hydrodynamics และแรงต้านระหว่างด้านซ้าย– ขวาของตัวยานจะไม่สมมาตรกัน ส่งผลให้เกิดโมเมนต์ในแกน yaw ตามมา ส่งผลให้เกิดการ yaw ใน ทิศตรงข้ามกับทิศทางการการหมุนของปีก ซึ่งเรียกว่า adverse yaw Adverse yaw คือ การที่ด้านหน้า ของยานจะหมุนในแกน yaw ไปทางด้านนอกของการเลี้ยว หรือหมุนสวนกับทิศทางการ roll ที่ต้องการ โดยสาเหตุหลักเกิดจากปีกด้านนอกวงเลี้ยวสร้างแรงยก มากกว่า จึงเกิด induced drag สูงกว่าด้วย ทำให้ยานเกิดโมเมนต์ yaw สวนทิศการเลี้ยว [18] 51 บทที่ 3 ขั้นตอนการออกแบบ บทนี้แสดงรายละเอียดเบื้องต้นของการออกแบบเชิงวิศวกรรมสำหรับโครงงานยานร่อนใต้น้ำ อัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) โดยมุ่งเน้นการกำหนดความต้ องการของ โครงงาน ข้อจำกัดด้านเทคนิค และมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง เพื่อใช้เป็นแนวทางในการพัฒนาและ ออกแบบต้นแบบในอนาคต ทั้งนี้ ณ ขณะดำเนินโครงงาน ยังไม่มีการสร้างต้นแบบทางกายภาพหรือดำเนินการทดสอบใน สภาพแวดล้อมจริงมาก่อน แบบจำลองและข้อกำหนดที่นำเสนอในบทนี้จึงเป็นกรอบเบื้องต้นในการ สนับสนุนแนวคิดการออกแบบและการต่อยอดโครงการในระยะถัดไป 3.1 ความต้องการของโครงงาน โครงงานนี้มีความต้องการในการออกแบบและพัฒนายานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติที่สามารถ ตอบสนองต่อความต้องการของผู้ใช้งานและข้อจำกัดเชิงวิศวกรรม โดยสามารถสรุปความต้องการ หลักได้ดังนี้ 1. ออกแบบระบบเคลื่อนที่ให้สามารถเคลื่อนที่ในแนวฟันเลื่อย (sawtooth path) ได้อย่าง แม่นยำและต่อเนื่อง 2. รองรับอัตราบรรทุก (payload) ได้ไม่เกิน 3 กิโลกรัม และสามารถปรับเปลี่ยน Payload ได้ตามลักษณะภารกิจ 3. พัฒนาระบบควบคุมมุมก้มเงย (Pitch control) เพื่อใช้ควบคุมทิศทางการเคลื่อนที่ ใน แนวดิ่งของยาน 4. สร้างเครื่องมือช่วยคำนวณเบื้องต้นสำหรับใช้ออกแบบตามขนาด Payload ที่แตกต่างกัน 5. สามารถนำยานต้น แบบไปทดสอบในสระน้ ำที ่ม ี ค วามลึก ประมาณ 3 เมตร ได้ อ ย่ า ง ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ 6. มีต้นทุนในการพัฒนาที่ต่ำกว่ายานเชิงพาณิชย์ เพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งานในระดับ งานวิจัยหรือการศึกษา 3.2 ข้อกำหนดในการออกแบบ ในการออกแบบ AUG เพื่อให้สอดคล้องกับวัตถุประสงค์ของโครงการและข้อจำกัดเชิงปฏิบัติ จึงมีการกำหนดข้อกำหนดพื้นฐานในการออกแบบดังต่อไปนี้ 52 รูปทรงและขนาดของลำตัว (hull) - ความยาวลำตัวไม่เกิน 1 เมตรและขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 5 นิ้ว - มีพื้นที่ภายในเพียงพอสำหรับติดตั้งระบบควบคุม แบตเตอรี่ และมวลเคลื่อนที่ - ออกแบบเป็นรูปทรงตอร์ปิโด (torpedo shape) ปีก (wing) - ต้องสามารถสร้างแรงยกได้เพียงพอในการร่อน - ลักษณะปีกเป็นแผ่นเรียบ (flat plate) - ระยะช่วงปีก (wingspan) ไม่เกิน 1 เมตร ระบบสร้างแรงลอยตัว (buoyancy engine) และการควบคุมทิศทาง - ใช้หลักการควบคุมแรงลอยตัวด้วยการเปลี่ยนแปลงปริมาตรหรือมวลภายใน - สามารถบรรจุอยู่ได้ภายในลำตัว (hull) - ต้องสามารถปรับมุมก้ม-เงย (pitch) ได้ผ่านระบบภายในลำตัว - มีระบบควบคุมทิศทางอัตโนมัติสำหรับรักษาทิศทางและเส้นทางร่อน โหลดบรรทุก - ต้องสามารถติดตั้งเซนเซอร์เพิ่มเติมได้ เช่น เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ วัดสารเจือปน หรือวัด ความลึก - รองรับอัตราบรรทุก (payload) ได้ไม่เกิน 3 กิโลกรัม 3.3 มาตรฐานอ้างอิงเบื้องต้น ในการออกแบบและพัฒ นาต้นแบบยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ (Autonomous Underwater Glider: AUG) ให้ ส ามารถทำงานได้ อ ย่ า งมี ป ระสิ ท ธิ ภ าพและปลอดภั ย จำเป็ น ต้ อ งพิ จ ารณา มาตรฐานสากลที่เกี่ยวข้องทั้งด้านโครงสร้าง ระบบอิเล็กทรอนิกส์ และความสามารถในการทำงานใต้ น้ำ มาตรฐานเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการกำหนดแนวทางการออกแบบให้สามารถตอบสนองต่อ สภาวะแวดล้อมใต้น้ำได้อย่างเหมาะสม รวมถึงช่วยควบคุมคุณภาพของการผลิตและประกอบชิ้นส่วน ต่าง ๆ ของระบบ ตัวอย่างมาตรฐานที่มีความเกี่ยวข้องและถูกนำมาพิจารณาในโครงงานนี้ ได้แก่ 53 1. ABS Underwater Vehicles and Hyperbaric Facilities Rules (ABS, 2018) [15] มาตรฐานของ American Bureau of Shipping (ABS) ได้ ก ำหนดแนวทางการออกแบ โครงสร้างของยานใต้น้ำ โดยเฉพาะในส่วนของลำตัว (hull) และส่วนควบคุมภายใน ให้สามารถ รองรับแรงดันน้ำที่ระดับความลึกต่าง ๆ ได้อย่างปลอดภัย มาตรฐานดังกล่าวยังครอบคลุมถึงวัสดุ ที่ควรใช้ การคำนวณค่าความแข็งแรง และค่า Safety Factor ที่เหมาะสมสำหรับยานใต้น้ำใน ภารกิจระยะยาว 2. ISO 5411 – Submersibles — Vocabulary [16] ให้คำนิยามเชิงเทคนิคของคำศัพท์ที่เกี่ยวข้องกับยานใต้น้ำ เช่น “Autonomous Underwater Vehicle”, “Ballast System”, “Hydrodynamic Profile” ซึ ่ ง มี ป ระโยชน์ ส ำหรั บ การจั ดทำ เอกสารทางวิชาการหรือคู่มือทางเทคนิคให้มีความถูกต้องและสอดคล้องในระดับสากล 3.4 การเลือกเทคนิคและเครื่องมือที่เหมาะสมสำหรับงานวิศวกรรม ในการดำเนินงานวิจัยครั้งนี้ ได้มีการเลือกใช้เครื่องมือและซอฟต์แวร์ที่เหมาะสมกับลักษณะ ของงานวิศวกรรม เพื่อให้สามารถออกแบบ วิเคราะห์ และประมวลผลข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนี้ 1. SolidWorks ซอฟต์แวร์ SolidWorks ถูกเลือกใช้สำหรับการออกแบบชิ้นส่วนและโมเดลสามมิติ เนื่องจาก สามารถสร้างแบบจำลอง (3D Model) ที่มีความละเอียดและถูกต้องตามหลักวิศวกรรม อีกทั้งยัง สามารถคำนวณหาค่าทางกลศาสตร์ที่สำคัญ เช่น จุดศูนย์กลางมวล (Centre of Gravity: CG), ปริมาตร, มวล และโมเมนต์ความเฉื่อย ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญในการวิเคราะห์สมดุลและเสถียรภาพ ของระบบ 2. Microsoft Excel โปรแกรม Microsoft Excel ถูกเลือกใช้เป็นเครื่องมือในการประมวลผลข้อมูล เชิงตัว เลข เนื่องจากสามารถกำหนดสูตรคำนวณ (formula) และทำการแก้ไขค่าพารามิเตอร์ได้อย่างยืดหยุ่น รวมถึงมีความสามารถในการสร้างกราฟและตารางข้อมูล เพื่อใช้ในการวิเคราะห์เปรียบเทียบผล การทดสอบ ทั้งนี้ Excel เป็นโปรแกรมที่เป็นที่รู้จักและใช้งานแพร่หลาย ทำให้สะดวกต่อการ สื่อสารและแลกเปลี่ยนข้อมูลกับผู้วิจัยหรือผู้เชี่ยวชาญอื่น ๆ 54 3.5 แนวคิดในการออกแบบ (Conceptual Design) 3.5.1 ภายนอก (Outside) 3.5.1.1 ลำตัว (Hull) สำหรับลำตัว ปัจจัยหลักสำคัญที่ต้องพิจารณาในการออกแบบ รูปทรงภายนอก ที่เกิดขึ้นจาก การไหลของของไหลผ่านพื้นผิวของลำตัว โดยการออกแบบรูปทรงที่เหมาะสมสามารถช่ว ยเพิ่ ม ประสิทธิภาพการร่อนและลดการสูญเสียพลังงานระหว่างการเคลื่อนที่ได้อย่างมีนัยสำคัญ แนวในการออกแบบที่ 1 : ใช้ สมการ Myring ในการออกแบบ ภาพที่ 3.1 Myring equation parameters model [5] จากภาพข้างต้น เป็นการออกแบบส่วนของลำตัว ที่ใช้ Myring ในการออกแบบ รูปทรงมีความ สมมาตร ทำให้เกิดแรงต้านที่ไม่สูงมาก ถ้าเทียบกับรูปร่างที่ไม่สมมาตร 1). สมการที่ใช้ในการออกแบบ ในช่วงของการออกแบบจะเป็น 3 ส่วน ดังนี้ (1). ส่วนหัว (bow) : 0 ≤ x ≤ a ให้ระยะ a เป็นความยาวของส่วนหัว d x n r(x) = √1 − (1 − ) 2 a (2). ลำตัว (cylindrical mid-body) : ระยะ a ≤ x ≤ a + b ให้ระยะ b เป็นความยาว ของส่วนลำตัว r(𝑥) = 𝑑 2 (3). ส่วนท้าย (stern) : a + b ≤ x ≤ a + b + c 55 2). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - ยืดหยุ่นสามารถปรับขนาดรูปทรงได้ทำให้ไม่มีข้อจำกัดเรื่อง Component ภายในได้ ตามความเหมาะสม ข้อเสีย: - แหล่งอ้างอิงค่อนข้างน้อยกว่า - ต้องปรับ Parameter บางตัวให้เหมาะสมกับการใช้ไม่งั้นอาจปัญหาได้ แนวในการออกแบบที่ 2 : Series 58 Gertler Shapes ภาพที่ 3.2 Series 58 Gertler Shapes [17] 1). สมการที่ใช้ในการออกแบบ ใช้การออกแบบตามรูปทรงตาม Series 58 Gertler Shapes ใช้การออกแบบรูปทรงของเรือ เหาะหรือรูปทรงของเรือดำน้ำ เป็นรูปทรงที่สมมาตร มีการเก็บค่าที่ได้จากการทดลอง 56 ตารางที่ 3.1 แสดงค่าที่ได้จากการทดลองของ Series 58 Gertler Shapes (2). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - มีข้อมูลรองรับพร้อมข้อมูลหลักฐาน และมีข้อมูลที่รองรับได้หน้าเชื่อถือ - คาดการณ์การสัมประสิทธิ์แรงต้านได้ ข้อเสีย: - ความยืดหยุ่นเรื่องรูปร่างน้อยเนื่องจากรูปร่างถูกกำหนด จะกลายเป็นข้อจำกัดใน การออกแบบ 3.5.1.2 ปีก (Wings) การประยุกต์จากทฤษฎีที่ใช้ การออกแบบจะใช้ทฤษฎีออกแบบปีกแบบจำกัดสแปน (Finite-Wing) เป็นทฤษฎีหลัก ในการ ออกแบบภายใต้แนวคิดที่ปีกสร้างวอร์เท็กซ์ทำให้เกิดทำให้แรงยกลดลงในหน้าตัด 2 มิติ โดยมีผลมา จาก Span efficiency และ ผลของมุมกวาดของปีก ผ่านสมการ เพื่อให้ได้สัมประสิทธิ์ของแรงยก จากปีก 𝐶𝐿,𝑤𝑖𝑛𝑔 = 𝑎𝑤 𝛼 57 เมื่อ 𝑎𝑤 = 2𝜋𝐶𝑜𝑠(𝛬) 2𝜋𝐶𝑜𝑠(𝛬) 1+ 𝜋𝑒𝐴𝑅 แนวในการออกแบบที่ 1 ภาพที่ 3.3 แสดงแบบจำลองที่ใช้ปีกแบบตรง 1). หลักการทำงาน ปีกตรง (unswept): ให้แรงยกสูงกว่าที่ AR เดียวกัน นอกจากนี้ยังเป็นปีกที่ทำให้เกิด Induced Drag เกิดขึ้นได้น้อยกว่า (CDi ) 2). การออกแบบ การออกแบบปีกของยานร่อนใต้น้ำ (AUG) มีความสัมพันธ์โดยตรงกับมุมเส้นทางการเคลื่อนที่ (glider path angle) ที่ต้องการใช้งาน ซึ่งมุมดังกล่าวขึ้นอยู่กับอัตราส่วนระหว่างแรงยก (lift force) ต่อแรงต้าน (drag force) ดังนั้นในการออกแบบจึงจำเป็นต้องพิจารณาว่าปีกสามารถสร้างแรงยกได้ เพียงพอสำหรับการเคลื่อนที่ ขณะเดียวกันต้องลดแรงต้านให้น้อยที่สุด และไม่ใช้มุมปะทะ (Angle of Attack) ที่มากเกินไป สำหรับปีกแบบแผ่นราบ (flat plate) แม้อัตราส่วนแรงยกต่อแรงต้าน (lift-todrag Ratio) จะไม่สูงนัก แต่ก็เพียงพอต่อความต้องการของงานวิจัยครั้งนี้ เนื่องจากการปฏิบัติการ ของยานไม่จำเป็นต้องใช้อัตราส่วน lift-to-drag ที่สูงมากนัก 3). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - แรงยกที่สามารถสร้างต่อพื้นที่ปีกและ AR ได้มากกว่า swept wing - Induced drag เกิดขึ้นน้อยกว่า swept wing 58 ข้อเสีย: - จะเกิด stall ได้ง่ายทำให้ AOA ที่ operate ได้ไม่สูงมาก - หากมีวัชพืชมาติดที่ปีก ปีกจะไม่สามารถคลายวัชพืชออกได้ แนวในการออกแบบที่ 2 ภาพที่ 3.4 แสดงการแบบจำลองที่ใช้ปีกแบบตรง 1). หลักการทำงาน ปีกกวาด (swept, มุมกวาด α): ความเร็วที่ตั้งฉากและปะทะกับลดลง ทำให้ส่งผลต่อ Aspect ratio ลดลง AReff ≈ ARCos2 Λ ซึ่งส่งผลให้แรงยกที่ได้ลดลงและเกิด Induced drag เกิดมากขึ้น แต่จะลดโอกาสที่วัชพืชนั้นจะเข้ามาเกี่ยวปีเมื่อเทียบกับการออกแบบที่ 1 2). การออกแบบ การออกแบบมีความใกล้เคียงกับ flat plate แต่มีข้อแตกต่างคือออกแบบเพื่อให้เหมาะสมต่อ การปฏิบัติงานในสภาพแวดล้อมที่มีสิ่งกีดขวาง เช่น วัชพืชในน้ำ เป็นต้น จึงจำเป็นต้องออกแบบให้มี Lift Force มุ ม กวาด ซึ ่ ง ส่ ง ผลให้แ รงยกลดลง แต่ เ นื ่ อ งจากความต้อ งการ Drag Force ของระบบไม่ ไ ด้สู ง ผลกระทบนี้จึงไม่เป็นข้อจำกัด 3). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - มีมุมในการคลายวัชพืชในระหว่างที่ AUG ทำงาน - ลดการเกิด Stall ลง เพิ่ม AOA ที่สามารถ Operate ได้มากขึ้น 59 ข้อเสีย: - สร้างแรงยกได้น้อยกว่าที่ AOA เท่ากันเมื่อเทียบกับ flat plate - Induced drag เกิดขึ้นมากกว่า flat plate ปกติ 3.5.1.3 ครีบหาง (tail fin) ครีบของยานร่อนใต้น้ำ (AUG) ในการออกแบบครั้งนี้ไม่ได้ถูกใช้เพื่อการควบคุมทิศทางการ เคลื่อนที่ห รือการเลี้ย วโดยตรง แต่มีห น้าที่ห ลักในการเพิ่มเสถียรภาพเชิงทิศทาง ( Directional Stability) ของยานระหว่างการเคลื่อนที่ เพื่อให้สามารถรักษาทิศทางได้อย่างมั่นคงและลดการแกว่ง ตัวจากผลกระทบของกระแสน้ำ แนวในการออกแบบที่ 1: Single Vertical Fin ภาพที่ 3.5 แสดงแบบจำลองของ Single Vertical Fin 1). หลักการทำงาน ทำหน้าที่รักษาเสถียรภาพ โดยใช้หลักการคล้ายครีบหางแนวดิ่งของเครื่องบิน เมื่อยานเกิดมุม เบี่ยงหัว (yaw angle) จะเกิดแรงยกด้านข้าง (side force) บนครีบ ซึ่งแรงนี้จะสร้างโมเมนต์หมุนให้ หัวเรือกลับ (restoring moment) เข้าสู่แนวการเคลื่อนที่ตามเดิม 2). การออกแบบ การออกแบบครีบเดี่ยวเน้นความเรียบง่ายและแรงต้านต่ำ ช่วยลดการเกิดแรงยกเทียม (parasitic lift) ที่อาจทำให้เกิดการบิดตัวของลำ 60 3). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - โครงสร้างเรียบง่าย ติดตั้งและผลิตได้ง่าย ใช้วัสดุน้อยและน้ำหนักเบา - ให้เสถียรภาพเชิงทิศทาง (Yaw stability) ได้เพียงพอสำหรับการร่อนใต้น้ำในแนว ตรง - มีแรงต้านน้ำต่ำ (low drag) ช่ว ยเพิ่มประสิทธิภ าพของการร่อ นและลดการใช้ พลังงาน ข้อเสีย: - ให้แรงคืนรูปเฉพาะในแนว yaw เท่านั้น - การทรงตัวลดลงเมื่อเผชิญกระแสน้ำปั่นป่วนหรือสภาวะที่แรงลอยไม่สมดุล แนวในการออกแบบที่ 2 : Tri-Fin ภาพที่ 3.6 แสดงแบบจำลอง Tri-Fin 1). หลักการทำงาน ครีบสามแผ่นถูกจัดเรียงรอบแกนลำในมุม 120 องศา ทำให้ยานมีสมมาตรในทุกทิศทาง เมื่อ เกิดการเบี่ยงหัว (yaw) หรือการเอียง (roll) ครีบที่อยู่ด้านรับกระแสน้ำจะสร้างแรงยกด้านข้าง (side force) ส่งผลให้เกิดโมเมนต์คืนรูป (restoring moment) ที่ช่วยดึงลำตัวกลับสู่แนวเดิมโดยอัตโนมัติ 61 2). การออกแบบ แนวคิดของ Tri-Tail ถูกพัฒนาขึ้นจากหลัก Axisymmetric stability ที่ใช้ในยานใต้น้ำและ จรวดขนาดเล็ก พื้นที่รวมของครีบทั้งสามคิดเป็นประมาณ 8–12% ของพื้นที่ฉายด้านข้างของลำตัว เพื่อให้เกิดสมดุลระหว่างแรงต้านและแรงคืนรูป 3). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - โครงสร้างสมมาตร ทำให้แรงด้านข้างกระจายอย่างสมดุล - ให้เสถียรภาพเชิงทิศทางสูง เนื่องจากแรงคืนรูปเกิดจากหลายทิศทางรอบแกนลำตัว - ช่วยลดการหมุนควง (Rolling oscillation) และทำให้การเคลื่อนที่ราบรื่นต่อเนื่อง ระหว่างการร่อนใต้น้ำ ข้อเสีย: - เพิ่มแรงต้านน้ำ มากกว่าครีบขนาดเล็กหรือลักษณะเรียบง่าย - การบำรุงรักษาทำได้ยากกว่า เนื่องจากมีหลายจุดยึด 3.5.2 อุปกรณ์ภายใน (Internal Components) 3.5.2.1 ถังอับเฉา (ballast) ระบบบัลลาสต์ของยานร่อนใต้น้ำ (AUG) มีบทบาทสำคัญในการปรับปริมาตรน้ำภายในห้องบัล ลาสต์ เพื่อควบคุมแรงลอยตัวให้สอดคล้องกับการทำงานที่กำหนด ไม่ว่าจะเป็นการจม การลอย หรือ การทรงตัวในระดับความลึกที่ต้องการ ดังนั้นการออกแบบกลไกขับเคลื่อนระบบบัลลาสต์จึงถือเป็น ขั้นตอนที่สำคัญอันดับแรก เนื่องจากเป็นกลไกหลักที่กำหนดความสามารถในการควบคุมการเคลื่อนที่ ในแนวดิ่งของยาน การประยุกต์จากทฤษฎีที่ใช้ ในส่วนนี้เป็นการคำนวณหาค่า มวลส่วนเกิน (excess mass, 𝑚0 ) เพื่อให้ระบบสามารถเกิด ทั้ง positive net buoyancy และ negative net buoyancy ได้ โดยใช้สมการที่ 2.29 แสดงทาง ด้านล่าง ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง ความเร็วขณะเคลื่อนที่ในแนวระนาบ (Vx ) กับแรงโน้มถ่วง และแรงต้านของของไหล 62 Vx = √ρC 2m0 g 2/3 D,vol Vol sin1/2 (ξ) cos(ξ) จากข้อกำหนด (requirement) Vxmax = 0.5 m/s โดยที่มุมร่อนของกลไก (glider path angle) ต้องเป็น 35 องศา เพราะเป็นมุมที่เกิดความเร็วในแนวราบสูงสุด และจะมี ค่าสัมประสิทธิ์แรง ต้าน CD,vol at 35° = 0.084 และปริมาตรรวมของตัว glider เป็น Vol = 0.00964 m3 เมื่อนำค่า ทั้งหมดแทนลงในสมการที่ 2.29 จะได้ค่ามวลส่วนเกิน (m0 ) เท่ากับ 0.126 kg ดังนัน้ Ballast Size จะเท่ากับ 2m0 = 0.25 kg เพื่อให้เกิด positive net buoyancy และ negative net buoyancy เราจึงเลือกใช้ค่าประมาณที่ 0.35 kg ballast size 350 cc แนวในการออกแบบที่ 1: Acyclic Cylinder with Stud Screw and Limit Switch ภาพที่ 3.7 Ballast ที่ใช้ Acrylic เป็นถังอับเฉา 1). หลักการทำงาน ด้านการออกแบบ สร้างระบบ ballast โดยใช้ Acrylic cylinder ร่วมกับฝาปิดและก้านสูบที่ ผลิตขึ้นจากการพิมพ์สามมิติ รวมถึงใช้โอริงในการซีล หลักการทำงานคือก้านสูบภายในถูกขับเคลื่อนด้วยการหมุนของมอเตอร์ผ่านเกลียวยาว (Stud screw) ซึ่งเปลี่ยนการหมุนเป็น การเลื่อนเชิงเส้น จากนั้นจะหยุดการเคลื่อนที่ควบคุมโดย Limit switch 63 2). โครงสร้าง โครงสร้างของระบบนี้ถูกออกแบบขึ้นเอง (DIY) โดยใช้วัสดุพื้นฐานที่สามารถหาได้ทั่วไป แต่ ประกอบและปรับแต่งให้เหมาะสมกับงาน - ตัวกระบอก (chamber): ใช้ท่ออะคริลิกใสที่มีความแข็งแรงมากกว่าพลาสติกของ syringe สามารถกำหนดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวตามต้องการ - ฝาหัว–ท้าย (end caps): สร้างขึ้นเอง เช่น โดยการพิมพ์สามมิติ และออกแบบให้มี ร่องใส่โอ ริง เพื่อทำหน้าที่ซีลกันน้ำเข้าสู่ตัวถัง - ลูกสูบ (piston): แผ่นดิสก์ที่เลื่อนภายในกระบอก พร้อมโอริงรอบ ๆ เพื่อป้องกันการรั่วซึม - กลไกขับเคลื่อน (actuation): มอเตอร์หมุนเกลียวยาว ส่งให้การหมุนถูกแปลงเป็นการเลื่อน ตรงของลูกสูบ - limit switch: ติดตั้งปลายที่ stroke ทั้งสองด้าน เมื่อ piston ชน limit switch ระบบจะ หยุดการทำงานทันที 3). การควบคุม ระบบควบคุ ม ปริ ม าตรน้ ำ ของ ballast แบบ open-loop ใช้ ค ำสั ่ ง เชิ ง ตรรกะ (Fill/Release หรือกำหนดเวลา/รอบ) ขับมอเตอร์ผ่านเกลียวยาวให้ลูกสูบเลื่อนในกระบอกอะคริลิก ปริมาตรน้ำจึงเปลี่ยน ทำให้แรงลอยตัวเปลี่ยน โดยมี limit switch เป็นตัว หยุดเมื่อสุดระยะ และมี โหลด/แรงรบกวน (disturbance) ภาพที่ 3.8 Block Diagram Ballast Control Concept 1 (1). Desired Command (Input) บทบาท: คำสั่งที่ผู้ใช้/ซอฟต์แวร์ให้ระบบทำงาน เช่น ดูดน้ำเข้า หรือปล่อยน้ำออก สัญญาณ: คำสั่งลอจิกที่จะถูกแปลงเป็นสัญญาณควบคุมมอเตอร์ 64 (2). Microcontroller + Logic อินพุต: Desired command และสถานะจาก limit switch หน้าที่: - แปลคำสั่งเป็นทิศทาง - บริหาร interlock: ถ้า limit switch ทำงานให้ หยุดทันที - สร้าง time/turn mapping ภายใน (ใช้เวลา/รอบ ≈ ตำแหน่งโดยประมาณ) - จัดการลำดับการทำงาน (เริ่ม–หยุด–ผิดปกติ) เอาต์พุต: สัญญาณควบคุมไปยังไดรเวอร์มอเตอร์ (3). Electrical Energy บทบาท: แหล่งพลังงานไฟฟ้าสำหรับ ไมโครคอนโทรลเลอร์ และ ชุดมอเตอร์/ไดรเวอร์ (4). Motor + Driver + Stud screw อินพุต: สัญญาณควบคุมจากไมโครคอนโทรลเลอร์ หน้าที่: - ไดรเวอร์แปลงสัญญาณลอจิกเป็นกระแสกำลังให้มอเตอร์ - มอเตอร์สร้างแรงบิด หมุน stud screw - แปลงการหมุน ไปเป็นการเลื่อนเชิงเส้นของลูกสูบ เอาต์พุต: แรง และ การเคลื่อนที่เชิงเส้นที่ป้อนเข้า piston (5). Acrylic cylinder + piston อินพุต: การเลื่อนของลูกสูบจากมอเตอร์ หน้าที่: - ลูกสูบเลื่อนภายในกระบอกอะคริลิก เปลี่ยน ปริมาตรน้ำ ในห้อง ballast - ปริมาตรน้ำที่เปลี่ยนทำให้ แรงลอยตัว ของลำตัวเปลี่ยนแปลงการหมุน ไปเป็นการ เลื่อนเชิงเส้นของลูกสูบ เอาต์พุต: actual volume (ปริมาตรน้ำจริงที่เปลี่ยนได้) (6). disturbance สัญญาณรบกวน: - โหลดภายนอก: แรงดันน้ำ, ความหนืด, อุณหภูมิ - กลไก: แรงเสียดทานจากซีล, การรั่ว 65 - เพาเวอร์: แรงดันตกทำให้แรงบิดลดลง ผลกระทบ: ทำให้การเลื่อนจริง และ ปริมาตรจริง คลาดเคลื่อน (7). limit switch เอาต์พุต: สถานะสวิตช์ส่งตรงกลับไป Microcontroller หน้าที่: เมื่อถูกกด จะหยุดมอเตอร์ทันที (8). actual volume (output) ความหมาย: ปริมาตรน้ำจริงที่ถูกดูด/ปล่อยออกจากห้อง ballast ซึ่งสัมพันธ์กับแรงลอยตัวที่ เกิดขึ้นกับตัวเครื่อง 4). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - เลือกขนาดกระบอก หรือระยะชักตามต้องการ ออกแบบให้ทนแรงได้สูง ทำให้ โครงสร้างแข็งแรงและขยายสเกลง่าย - วงจรควบคุมเรียบง่าย เดินสายและดูแลรักษาง่าย - ได้ mechanical advantage มาก จากเกลียว เคลื่อนที่นิ่ง เหมาะกับโหลดสูง - มีลิมิตสวิตช์หยุดทันทีเมื่อถึงปลายชัก ทำให้มีความปลอดภัยเชิงกลที่ชัดเจน - ไม่มีเซนเซอร์ตำแหน่งแบบสัมผัสยาว จึงลดปัญหาเสถียรภาพในความชื้น ข้อเสีย: - ความแม่นยำตำแหน่งจำกัด เพราะไม่มีฟีดแบ็กต่อเนื่อง ทำให้ปริมาตรน้ำผิดไปจาก ที่กำหนดได้ และเกิดความคลาดเคลื่อนสะสม - ต้องทำการปรับเทียบค่า (calibration) เป็นระยะเพื่อลดความคลาดเคลื่อนสะสม ของระบบ 66 แนวในการออกแบบที่ 2: Syringe + Stud screw + Slide Potentiometer ภาพที่ 3.9 Ballast ที่ใช้ Syringe เป็นถังอับเฉา 1). หลักการทำงาน ระบบนี้ใช้กระบอกฉีดยา (syringe) เป็น ballast แต่ก้านสูบผลิตขึ้นจากการ การพิมพ์สามมิติ และใช้โอริงในการซีล ลูกสูบภายในถูกขับเคลื่อนด้วยการหมุนของมอเตอร์ผ่านเกลียวยาว (Stud screw) ซึ่งเปลี่ยนการหมุนเป็นการเลื่อนเชิงเส้น จะทำให้ปริมาตรน้ำในกระบอกเปลี่ยน ส่งผลต่อแรง ลอยตัวของตัวเครื่อง และระบบติดตั้ง ตัวต้านทานปรับค่าแบบเลื่อน (slide linear potentiometer) ควบคู่ก้านลูกสูบเพื่อวัดตำแหน่งจริงแบบต่อเนื่อง 2). โครงสร้าง โครงสร้างหลักของระบบนี้อาศัยการนำเอา กระบอกฉีดยา ซึ่งโดยปกติถูกใช้ในงานทางการแพทย์ มาใช้เป็นส่วนประกอบหลักในการสร้างถัง อับเฉา จุดเด่นคือเป็นอุปกรณ์ที่หาได้ง่าย มีความเรียบง่าย ในโครงสร้าง - ตัวกระบอก (chamber): ใช้ท่ออะคริลิกใสที่มีความแข็งแรงมากกว่าพลาสติกของ syringe สามารถกำหนดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวตามต้องการ - ลูกสูบ (piston): พิมพ์สามมิติเพื่อให้เข้ากับระบบกลไกที่เลื่อนเข้า–ออกตามแนวแกนภายใน กระบอก เพื่อดูดหรือปล่อยน้ำ - กลไกขับเคลื่อน (actuation): มอเตอร์หมุนเกลียวยาว ส่งให้การหมุนถูกแปลงเป็นการเลื่อน ตรงของลูกสูบ 67 - slide variable resistance: ติดตั้งขนานกับก้านลูกสูบ ตัวต้านทานแบบเลื่อนนี้จะเลื่อน ตำแหน่งตามการเคลื่อนที่ของ piston ทำให้สามารถวัดตำแหน่งลูกสูบได้แบบต่อเนื่อง 3). การควบคุม ปริมาตรน้ำของ ballast แบบ closed loop ใช้คำสั่ง Fill/Release ขับมอเตอร์ผ่านเกลียว ยาวให้ลูกสูบเลื่อนใน cylinder ปริมาตรน้ำจึงเปลี่ยน ทำให้แรงลอยตัวเปลี่ยน โดยมี slide linear potentiometer (feedback sensor) เป็ น ตั ว คอยตรวจสอบความแม่ น ยำ และมี disturbance (โหลด/แรงรบกวน) ภาพที่ 3.10 Block Diagram Ballast Control Concept 2 (1). Desired command (Input) บทบาท: คำสั่งที่ผู้ใช้/ซอฟต์แวร์ให้ระบบทำงาน เช่น “ดูดน้ำเข้า” หรือ “ปล่อยน้ำออก” สัญญาณ: คำสั่งเชิงตรรกะที่จะถูกแปลงเป็นสัญญาณควบคุมมอเตอร์ (2). Microcontroller + Logic อินพุต: Desired command และสัญญาณวัดตำแหน่งจาก slide linear potentiometer หน้าที่: - คำนวณ error = setpoint − measurement - ประมวลผลแบบ Closed Loop เช่น PI/PID - กรองสัญญาณวัด และเงื่อนไขความปลอดภัย - จัดการลำดับการทำงาน (เริ่ม–หยุด–ผิดปกติ) เอาต์พุต: สัญญาณควบคุมไปยังไดรเวอร์มอเตอร์ 68 (3). Electrical energy บทบาท: แหล่งพลังงานไฟฟ้าสำหรับ ไมโครคอนโทรลเลอร์ และ ชุดมอเตอร์/ไดรเวอร์ (4). Motor + Driver + Stud screw อินพุต: สัญญาณควบคุมจากไมโครคอนโทรลเลอร์ หน้าที่: - Driver แปลงสัญญาณเชิงตรรกะเป็นกระแสกำลังให้มอเตอร์ - มอเตอร์สร้างแรงบิด หมุนผ่าน Stud screw - แปลงการหมุน ไปเป็นการเลื่อนเชิงเส้นของลูกสูบ เอาต์พุต: แรง และ การเคลื่อนที่เชิงเส้นที่ป้อนเข้า (5). cylinder + piston อินพุต: การเลื่อนของลูกสูบจากมอเตอร์ หน้าที่: - ลูกสูบเลื่อนภายในกระบอกอะคริลิก เปลี่ยน ปริมาตรน้ำ ในห้อง ballast - ปริมาตรน้ำที่เปลี่ยนทำให้ แรงลอยตัว ของลำตัวเปลี่ยนแปลงการหมุน ไปเป็นการ เลื่อนเชิงเส้นของลูกสูบ เอาต์พุต: actual volume (ปริมาตรน้ำจริงที่เปลี่ยนได้) (6). Disturbance สัญญาณรบกวน: - โหลดภายนอก: แรงดันน้ำ, ความหนืด, อุณหภูมิ - กลไก: แรงเสียดทานจากซีล, การรั่ว - เพาเวอร์: แรงดันตกทำให้แรงบิดลด ผลกระทบ: ทำให้การเลื่อนจริง และ ปริมาตรจริง คลาดเคลื่อน แต่ลูปป้อนกลับจะชดเชย เพื่อดึงเอาต์พุตกลับสู่ค่าที่ตั้ง (7). Slide Linear Potentiometer (Feedback sensor) เอาต์พุต: การเคลื่อนที่ของก้าน/ลูกสูบ (กลไกโยงกับสไลด์) หน้าที่: แปลงตำแหน่งเชิงกล ไปเป็นแรงดันอนาล็อกที่แปรผันตามตำแหน่งจริง โดยผ่านการ กรอง/ADC 69 เอาต์พุต: ส่งค่าที่วัดได้กลับไปยังคอนโทรลเลอร์เพื่อคำนวณ error และ Closed Loop (8). Actual Volume (Output) ความหมาย: ปริมาตรน้ำจริงที่ถูกดูด/ปล่อยออกจากห้อง ballast ซึ่งสัมพันธ์กับแรงลอยตัวที่เกิด ขึ้นกับตัวเครื่อง (ค่าจริงนี้ถูกวัดผ่านสไลด์พ็อตในรูปแบบของตำแหน่งลูกสูบ) 4). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - ควบคุมละเอียดและทำซ้ำได้ดี โดยวัดตำแหน่งลูกสูบแบบต่อเนื่องจึงตั้งปริมาตรได้ ละเอียด และคงที่เมื่อปรับเทียบค่า (calibration) แล้ว - Feedback error แบบ Real time ทำให้ distribution มีผลน้อยลง - มี Feedback value ตลอดเวลา เหมาะกับการบันทึกข้อมูล - Sof landing ลดการกระแทกของโอริง และลด overshoot ในระบบควบคุม - โครงสร้างต้นแบบติดตั้งง่าย ข้อเสีย: - ความซับซ้อนทางอิเล็กทรอนิกส์/ซอฟต์แวร์ เพราะมี ADC, การกรองสัญญาณ, อัลกอริทึมควบคุม และการจูนพารามิเตอร์ - ต้องคำนึงถึงความทนมานของ Sensor เพราะมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลา - ข้อจำกัดทางโครงสร้างของกระบอกฉีดยาเรื่องของ ขนาด/ปริมาตรและความทน แรงดันมีเพดานจากวัสดุพลาสติก - งานกลเชิงละเอียด เพราะการต่อโยงสไลด์พ็อตกับก้านลูกสูบต้องแม่นยำ มิฉะนั้นจะ อ่านค่าคลาดเคลื่อนได้ 3.5.2.2 ระบบควบคุมการก้ม-เงย และการเลี้ยว (Pitch & Roll module) การควบคุมทิศทางถือเป็นหัวใจสำคัญของระบบ AUG โดยเฉพาะในส่วนของการเคลื่อนไหว รอบแกน pitch (ก้ม–เงย) และ roll (หมุนรอบแกนลำตัว) ซึ่งทั้งสองการเคลื่อนไหวนี้เป็นตัวกำหนด รู ป แบบการเคลื ่ อ นที ่ ใ นลั ก ษณะ saw-tooth path ของการร่ อ นใต้ น ้ ำ โดยระบบ pitch & roll mechanism จะทำหน้าที่ปรับมุมเอียงของตัวเครื่องให้สอดคล้องกับแรงลอยตัวและแรงโน้มถ่วง เพื่อให้การเคลื่อนที่มีเสถียรภาพและควบคุมทิศทางได้อย่างแม่นยำ 70 การประยุกต์จากทฤษฎีที่ใช้ การประยุกต์ทฤษฎีนี้อาศัยหลักการปรับตำแหน่งของจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity: CG) ให้สัมพันธ์กับจุดศูนย์กลางแรงลอยตัว (Center of Buoyancy: CB) เพื่อควบคุมการทรงตัวของ ระบบ โดยการเคลื่อนที่ข องมวลภายในผ่านกลไก Moving mass mechanism และ Roll Mass Mechanism จะก่อให้เกิดโมเมนต์รอบแกน pitch และ roll ซึ่งส่งผลต่อการเอียงของระบบทั้งใน แนวดิ่งและแนวขวาง ช่วยให้ระบบสามารถปรับสมดุลและควบคุมทิศทางได้อย่างมีเสถียรภาพ 1). การหาระยะเลื่อนของ moving mass (moving length) ภาพที่ 3.11 แสดงแบบจำลองในการหา Moving Length ของ Pitch module การคำนวณนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อหาระยะเลื่อนสูงสุดของระบบ โดยกำหนดให้มุม pitch มีค่า 45 องศา ซึ่งเป็นมุมเอียงสูงสุดที่ระบบสามารถทำได้ในขณะทำการส่งสัญญาณ จากสมการที่ 2.39 และ 2.42 โดยกำหนด mmoving = 3 kg ,mbody = 11.05 kg, θ = 45 ° , l0 = 5 cm hmoving = 0.1016 𝑐𝑚, hbody = 0.762 cm จะได้ Max moving length (∆lmax ) = 3.82 cm และ total moving length คือ 2(∆lmax ) = 7.64 cm 71 2). การหาองศาการหมุนของ Rolling mass ภาพที่ 3.12 แบบจำลองในการหามุม roll ของ roll module การคำนวณนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อต้องการหาค่าการเอียงของยานร่อน (Glider rolling) ที่เกิดขึ้น จากการเปลี่ยนแปลงของ มุมเอียงหลักของระบบ (Rolling angle) ภายใต้เงื่อนไขมวลและตำแหน่ง จุดศูนย์กลางมวลที่กำหนดไว้ เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างมุมเอียงของโครงสร้างหลักกับมุมเอียง ของตัวกลไกขณะทำงาน จากสมการที่ 2.45 โดยกำหนด mroll = 3 kg ,mfixed = 11.05 kg, R = 1.5 inch , CGfixed,y = 0.5 inch จะได้ความสัมพันธ์ดังภาพที่ 3.4 Glider rolling (Degree) Rolling angle vs Glider rolling 50.00 45.00 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 Rolling angle(Degree) ภาพที่ 3.13 แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง Rolling angle vs Glider rolling 72 แนวในการออกแบบที่ 1: Combined Mass Control ภาพที่ 3.14 กลไก Moving Mass แบบที่รวมทั้ง 2 Module เข้าด้วยกัน 1). หลักการทำงาน กลไกแบบ Combined mass ใช้ battery pack ก้อนเดียว ทำหน้าที่เป็นมวลควบคุมทั้ง pitch และ roll โดยอาศัยการเปลี่ยนตำแหน่งจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity, CG) ดังนี้ - pitch control: เลื่อนแบตเตอรี่ตามแนวยาวของลำกล้อง (longitudinal axis) ด้วย linear actuator ส่งผลให้ CG เคลื่อนหน้า/หลัง เลยเกิด Pitch moment - roll control: หมุนแบตเตอรี่รอบแกนลำตัวด้วย stepper motor + spur gear ส่งผลให้ CG เคลื่อนออกด้านข้าง เลยเกิด roll moment 2). โครงสร้าง - battery pack: เซลล์ลิเธียมไอออนหลายก้อน จัดเรียงรอบแกนหมุน โดย offset ออกจาก แกนกลางเล็กน้อย - Linear actuator (Leadscrew + Nut Block): สำหรับเลื่อน battery pack ไป–กลับตาม แกนยาว - Stepper motor + Spur gear: สำหรับหมุน battery pack รอบแกน (±90°) - Flanged sleeve bearings: รองรับการเลื่อนและหมุน ลดแรงเสียดทานและรักษาศูนย์ Aluminium frame: ยึด actuator, motor, bearing และ battery pack เข้ากับ hull 73 3). การควบคุม กลไกนี้ใช้ battery pack เพียงก้อนเดียว เป็นทั้ง pitch mass และ roll mass โดยระบบ ควบคุมทำงานแบบ Closed-loop feedback ดังนี้ ภาพที่ 3.15 Block Diagram pitch&roll Control Concept 1 (1). Desired command (Input) บทบาท: มุม pitch และ roll ที่กำหนด สัญญาณ: ค่ามุมที่ต้องการ ป้อนเข้า PID Controllers (2). PID Controllers อินพุต: Desired command + error จาก error calculation หน้าที่: - คำนวณค่าความคลาดเคลื่อน (error) ระหว่าง setpoint และค่าจริง - ประมวลผลด้วย PID เพื่อสร้างสัญญาณควบคุม - จำกัดค่า (saturation) และป้องกัน windup เอาต์พุต: สัญญาณควบคุมไปยัง actuator และ motor (3). Electrical energy บทบาท: จ่ายไฟฟ้าให้กับ Linear actuator, Stepper motor, Driver และ Controller เอาต์พุต: พลังงานไฟฟ้า รวมถึงแปลงเป็นพลังงานกล (4). Linear actuator + Stepper motor อินพุต: สัญญาณควบคุมจาก PID 74 หน้าที่: - Linear actuator ทำการเลื่อน battery pack เปลี่ยน pitch - Stepper motor + gear ทำการหมุน battery pack (เปลี่ยน roll) เอาต์พุต: การเคลื่อนที่ของมวล (เลื่อน/หมุน) (5). glider dynamics อินพุต: การเลื่อน/หมุนของ battery pack หน้าที่: การเปลี่ยนตำแหน่งศูนย์ถ่วง (CG) ส่งผลต่อ pitch และ roll dynamics ของ AUG เอาต์พุต: actual dynamics (pitch, roll) (6). disturbance สัญญาณรบกวน: - โหลดภายนอก: กระแสน้ำ, แรงดันน้ำ, ความหนืด - กลไก: friction, backlash, leakage - เพาเวอร์: แรงดันตก ผลกระทบ: ทำให้ actual dynamics ไม่ตรงกับที่สั่ง (7). Sensors (IMU + Encoder) หน้าที่: - IMU Sensor: วัด pitch และ roll มุมจริง - Encoder: วัดตำแหน่งการเลื่อนและการหมุนของ battery pack เอาต์พุต: ค่าสถานะจริงส่งกลับไปยัง Error calculation (8). Error calculation อินพุต: Desired command และค่าจริงจาก IMU/Encoder หน้าที่: คำนวณหาค่าส่วนต่างที่ผิดพลาดไป เอาต์พุต: Error signal ป้อนกลับเข้าสู่ PID Controllers (9). Actual dynamic (Output) ความหมาย: ลักษณะการเคลื่อนที่ pitch และ roll ของ AUG 75 4). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - ประหยัดพื้นที่ภายในของ hull - สามารถประกอบเข้า hull ได้ง่ายเนื่องจากขนาดกระทัดรัด - การควบคุมเป็น Single mass control ทำให้ลดน้ำหนักรวมของระบบ ข้อเสีย: - เมื่อ disturbance ภายนอกมาก เช่น คลื่นหรือกระแสน้ำ การคุมสมดุลอาจทำได้ไม่ ดีเพราะทั้งสองแกนพึ่งพามวลเดียวกัน - การประกอบค่อนข้างยากเนื่องจากชิ้นส่วนต้องร่วมศูนย์กัน แนวในการออกแบบที่ 2: Separated Mass Control ภาพที่ 3.16 กลไกของ Moving Mass แบบแยก Module 1). หลักการทำงาน กลไกแบบ Separated Mass คือจะแยกมวลควบคุม pitch และ roll ออกจากกัน เพื่อให้การ ทำงานอิสระและมีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่ยังคงมีความสามารถทำหน้าที่ควบคุมทั้ง pitch และ roll โดยอาศัยการเปลี่ยนตำแหน่งจุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity, CG) ดังนี้ - Pitch control: ใช้ Linear mass (แบตเตอรี่ติดตั้งบน rack & pinion) เลื่อนตามแกนยาว ทำให้เปลี่ยนตำแหน่ง CG หน้า–หลัง เลยเกิด pitch moment - Roll control: ใช้ Rotary mass (มวลทองเหลืองแขวนกับ servo motor) แกว่ง/หมุนเป็น pendulum ทำให้ CG เคลื่อนออกด้านข้าง เลยเกิด Roll moment 2). โครงสร้าง - Linear mass (battery หรือก้อนน้ำหนัก): ติดตั้งบน Linear plate ใช้เลื่อนตามแกนยาว - Linear servo motor + Rack & Pinion: ขับเคลื่อน Pitch mass ไป–กลับ 76 - Rotary mass (Brass weight): มวลแขวนกับ Servo motor สำหรับสร้าง roll moment Rotary servo motor: ขับเคลื่อนมวลแขวนให้แกว่งหรือหมุนรอบแกน roll Guide rails & bearings: สำหรับรองรับ linear plate และ rotary mass ให้เคลื่อนที่ได้ลื่น Modular frame / Mounting plate: โครงสร้างรองรับทั้ง linear และ rotary subsystem แยกจากกัน 3). การควบคุม กลไกนี้แยกมวลสำหรับ pitch และ roll ออกจากกัน โดยระบบควบคุมถูกแบ่งเป็น 2 ระดับทำ ให้มีความยืดหยุ่นและเสถียร โดยระบบควบคุมทำงานแบบ Closed-loop Feedback ดังนี้ ภาพที่ 3.17 Block Diagram pitch&roll Control Concept 2 (1). Desired Command (Input) บทบาท: มุม pitch และ roll ที่กำหนด สัญญาณ: ค่ามุมที่ต้องการ ส่งไปยัง PID Controllers (pitch) และ Servo Control (roll) (2). PID Controllers อินพุต: Desired Command (pitch) + Error จาก Error calculation หน้าที่: - ประมวลผล error ของ pitch - สร้างสัญญาณควบคุมไปยัง Linear Servo Motor (Rack & Pinion) - จำกัดค่า (saturation) และป้องกัน windup เอาต์พุต: สัญญาณควบคุมไปยัง Linear Servo Motor (3). Servo Control อินพุต: Desired Command (roll) + Error จาก Error calculation 77 หน้าที่: - ประมวลผล error ของ roll - ควบคุม roll โดยตรงผ่าน Rotary servo motor - จัดการสัญญาณกำลัง (PWM, torque control) เอาต์พุต: สัญญาณควบคุมไปยัง Rotary servo (4). Electrical Energy บทบาท: แหล่งจ่ายไฟให้ Linear servo, Rotary servo, Controller และ Sensors เอาต์พุต: พลังงานไฟฟ้า รวมถึงแปลงเป็นพลังงานกล (5). Linear Servo Motor + Rack & Pinion อินพุต: คำสั่งจาก PID Controller หน้าที่: เลื่อน Mass เชิงเส้นเพื่อเปลี่ยน pitch (CG shift) เอาต์พุต: การเคลื่อนที่ของมวล (เลื่อน) (6). Rotary Servo Motor อินพุต: คำสั่งจาก Servo control หน้าที่: หมุน mass ควบคุม roll เอาต์พุต: การเคลื่อนที่ของมวล (หมุน) (7). Glider Dynamics อินพุต: การเลื่อน pitch mass และการหมุน roll mass หน้าที่: เปลี่ยนศูนย์ถ่วง (CG) และโมเมนต์ ส่งผลต่อ Pitch และ Roll ของ AUG เอาต์พุต: Actual Dynamics (Pith, Roll) (8). Disturbance สัญญาณรบกวน: - โหลดภายนอก: กระแสน้ำ, แรงดันน้ำ, ความหนืด - กลไก: friction, backlash, leakage - เพาเวอร์: แรงดันตก ผลกระทบ: ทำให้ Actual Dynamics ไม่ตรงกับที่สั่ง (9). Oriental Sensor: หน้าที่: วัด Pitch และ Roll มุมจริง 78 เอาต์พุต: ค่าสถานะจริงส่งกลับไปยัง Error Calculation (10). Error Calculation อินพุต: Desired Command และค่าจริงจาก IMU/Encoder หน้าที่: คำนวณหาค่าส่วนต่างที่ผิดพลาดไป เอาต์พุต: ส่งค่าความคลาดเคลื่อนกลับไปยัง PID Controllers และ Servo Control (11). Actual Dynamic (Output) ความหมาย: ลักษณะการเคลื่อนที่ pitch และ roll ของ AUG 4). ข้อดี/ข้อเสีย ข้อดี: - สามารถควบคุม pitch, roll, และ depth ได้ อิสระ กันมากขึ้น และตอบสนอง disturbance ได้แม่นยำกว่า - การประกอบง่ายเนื่องจากอุปกรณ์ของทั้งสองไม่จำเป็นต้องเกี่ยวเนื่องกัน - หากเปลี่ยน มวล ก็ไม่จำเป็นต้องคำนวณการเคลื่อนที่ใหม่ทั้งหมด ข้อเสีย: - โครงสร้างต้องการพื้นที่ ทำให้ต้องการพื้นที่และการจัด layout ที่ดี - น้ำหนักเพิ่มขึ้นเนื่องจากอุปกรณ์มากและมวล มากขึ้น - การบำรุงรักษาเพิ่มขึ้น ตามอุปกรณ์ที่เพิ่มขึ้นมา เนื่องจาก support แยกกัน 3.6 การคัดเลือกต้นแบบและการวิเคราะห์เพื่อการปรับปรุง ต้นแบบของยานร่อนใต้น้ำ ประกอบด้วยองค์ประกอบหลักทั้งภายนอกและภายใน โดยส่วน ภายนอกประกอบด้วยโครงสร้างลำตัว ปีก และครีบหาง ขณะที่ส่วนภายในติดตั้งกลไกสำคัญสำหรับ การควบคุมจำนวน 3 ชุด ได้แก่ ชุดถังอับเฉา (ballast system) สำหรับการควบคุมแรงลอยตัว ชุด ควบคุม pitch สำหรับปรับสมดุลในแนวระนาบ และชุดควบคุม roll สำหรับควบคุมการทรงตัวใน แนวขวาง 79 3.6.1 การออกแบบส่วนของภายนอก 3.6.1.1 โครงสร้างลำตัว การออกแบบลำตัวยานร่อนใต้น้ำใช้สมการ Myring เป็นพื้นฐาน โดยมีลักษณะโดยรวมเป็น รูปทรงคล้ายตอร์ปิโด ส่วนหัวและส่วนท้ายออกแบบให้มีความโค้งมนเพื่อเพิ่มความลู่ streamlined ในการไหลของน้ำ โครงสร้างถูกแบ่งออกเป็นสามส่วน ได้แก่ 1. ส่ ว นหั ว (nose section) และ ส่ ว นท้ า ย (tail section) ทำหน้ า ที ่ เ ป็ น พื ้ น ที ่ เ ปี ย ก (wet section) โดยมีการเจาะช่องเพื่อให้น้ำสามารถไหลเข้าและออกได้ 2. ส่วนกลางลำตัว (pressure hull) เป็นพื้นที่แห้ง (dry section) ใช้สำหรับติดตั้งและปกป้อง อุปกรณ์ภายในทั้งหมด โดยมีการซีลระหว่างส่วนหัว ส่วนกลาง และส่วนท้าย เพื่อรักษาความ ดันภายใน การออกแบบโครงสร้างลำตัวในลักษณะนี้ช่วยลดแรงต้านการเคลื่อนที่ (drag force) ได้อย่างมี ประสิทธิภาพ เนื่องจากสามารถลดการแยกตัวของกระแสน้ำ (flow separation) ขณะเคลื่อนที่ใน ของไหลได้ จากการคำนวณสามารถสรุประยะการออกแบบได้ดังนี้ - โครงสร้างลำตัวยานร่อนใต้น้ำที่ออกแบบมีความยาวรวม 1142 มิลลิเมตร โดยแบ่งออกเป็น สามส่วนหลัก ได้แก่ ส่วนหัวที่มีความยาว 122 มิลลิเมตร ส่วนกลางลำตัวซึ่งใช้ท่อ อะคริลิค ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 นิ้ว ความยาว 828 มิลลิเมตร และส่วนท้ายที่มีความยาว 192 มิลลิเมตร การแบ่งโครงสร้างในลักษณะดังกล่าวทำให้สามารถติดตั้งอุปกรณ์ภายในได้สะดวก และยังคงคุณสมบัติด้านความแข็งแรงและความลู่ streamlined ของรูปทรงไว้ 3.6.1.2 ปีก การออกแบบปีกของยานร่อนใต้น้ำเลือกใช้ปีกลักษณะเป็นแผ่นบาง (flat plate) และออกแบบ ให้มีมุมกวาดไปทางด้านหลัง (swept wing) โดยมุมกวาดอยู่ที่ 30 องศา การเลือกใช้รูปแบบปีก ดังกล่าว มีวัตถุประสงค์เพื่อให้ยานสามารถปฏิบัติภารกิจใต้น้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยเพิ่ม ความสามารถในการหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางใต้น้ำ เช่น สาหร่าย พืชน้ำ และอวนได้ดีขึ้น สำหรับการคำนวณออกแบบ ได้กำหนดให้ปีกผลิตจากแผ่นอลูมิเนียมหนา 2 มิลลิเมตร โดยเมื่อ ประกอบเข้ากับลำตัวยาน จะได้ระยะกางปลายปีก (wingspan) รวมเท่ากับ 600 มิลลิเมตร ซึ่งถือเป็น ขนาดที่เหมาะสมต่อการสร้างแรงยกเพียงพอและลดแรงต้านให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้ 80 3.6.1.3 ครีบแนวดิ่ง ส่วนครีบของยานร่อนใต้น้ำถูกออกแบบและติดตั้งบริเวณส่วนท้ายของโครงสร้างลำตัว โดยมี ลักษณะเป็นครีบแนวดิ่ง (vertical fin) เพื่อเพิ่มเสถียรภาพเชิงทิศทาง (Directional Stability) ใน การเคลื่อนที่ จากผลการคำนวณพบว่าแรงต้านที่เกิดขึ้นจากครีบมีค่าไม่สูงนัก ดังนั้น การกำหนด ขนาดของครีบจึงอ้างอิงจากการประมาณอัตราส่วนระหว่างมิติของลำตัวและขนาดครีบ เพื่อให้ได้ สัดส่วนที่ 3.6.2 การออกแบบส่วนของภายใน 3.6.2.1 ชุดถังอับเฉา (Ballast) การออกแบบระบบกระบอกสูบสำหรับกลไกถังอับเฉเลือกใช้การสร้างกระบอกสูบขึ้นเอง โดยมี โครงสร้างหลักเป็นตัวถังกระบอก พร้อมฝาหัวและฝาท้ายซึ่งผลิตจากวัสดุซุปเปอร์ลีน (Polyacetal – POM) และทำการซีลด้วยโอริงเพื่อป้องกันการรั่วซึม ลูกสูบภายในถูกขับเคลื่อนด้วยการหมุนของ มอเตอร์ผ่านเกลียวยาว (Stud Screw) ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนการเคลื่อนที่แบบหมุนให้เป็นการเลื่อนเชิง เส้น (Linear motion) ระยะการเคลื่อนที่ของลูกสูบถูกควบคุมโดยตัวต้านทานปรับค่าแบบเลื่อน (Slide linear potentiometer) ซึ่งช่วยให้สามารถกำหนดตำแหน่งการเคลื่อนที่ได้อย่างแม่นยำ รูปแบบการออกแบบดังกล่าวมีข้อดีคือสามารถประกอบได้ง่าย มีประสิทธิภาพสูงทั้งในด้านการ ซีลและการควบคุมการเคลื่อนที่ อีกทั้งจากการคำนวณปริมาตรของน้ำที่ต้องใช้ในการปฏิบัติงาน พบว่าการเลือกใช้กระบอกสูบขนาด 350 ซีซี สามารถรองรับการทำงานได้ทั้งในช่วงการดำลงและการ ลอยขึ้นตามที่กำหนด 3.6.2.2 ระบบควบคุมการก้ม-เงย (Pitch module) ระบบควบคุมการหมุนขึ้น–ลงรอบแกนที่ขนานกับปีก (Pitch module) ได้รับการออกแบบให้ ใช้ Battery pack ทำหน้าที่เป็นมวลเคลื่อนที่สำหรับการควบคุมมุม pitch การขับเคลื่อนของมวล ดังกล่าว ใช้สเตปมอเตอร์ร่วมกับลีดสกรู (Lead screw) เพื่อแปลงการเคลื่อนที่เชิงหมุนเป็นการ เคลื่อนที่เชิงเส้น ซึ่งช่วยเพิ่มความแม่นยำในการควบคุมมุมของยานร่อนใต้น้ำ 81 จากการคำนวณออกแบบ กำหนดให้มวลควบคุมมีน้ำหนัก 3 กิโลกรัม และสามารถเลื ่ อน ตำแหน่งได้ในระยะรวม 10 เซนติเมตร เพื่อสร้างแรงโมเมนต์ในการปรับมุม pitch สำหรับการดำลง และลอยขึ้น มุมการทำงานสูงสุดที่ออกแบบไว้คือ 45 องศา โดยที่มุม 35 องศายานสามารถรักษา ความเร็ ว สูง สุ ด ตามที่ งานของ Graver [3] ได้ แ นะนำไว้ และตามการเคลื ่อ นที่ ตามที่ ก ำหนดได้ นอกจากนี้ยังได้เผื่อระยะการเคลื่อนที่สำหรับการยกเสาส่งสัญญาณบริเวณส่วนท้ายของลำตัวอีกด้วย 3.6.2.2 ระบบควบคุมการเลี้ยว (Roll module) การออกแบบระบบควบคุมการหมุนรอบแกน Roll ได้ถูกพัฒนาขึ้นให้ทำงานร่วมกับ pitch module โดยใช้สเตปมอเตอร์เป็นต้นกำลังร่วมกับชุดเฟืองดาวเคราะห์ (Planetary Gear) เพื่อทำ หน้าที่ทดรอบและเพิ่มค่าแรงบิดให้เพียงพอต่อการหมุน จึงเลือกใช้ มอเตอร์ที่มี ชุดเฟืองดาวเคราะห์ (Planetary Gear) มาพร้อมกับ มอเตอร์ เป็น มอเตอร์ Hanpose ให้อัตราทดที่ 5.18: 1 สามารถรองรับการทำงานได้ 3.7 ปัญหาที่พบและวิธีการแก้ไขปัญหา จากการทำงานพบว่ามีประเด็นปัญหาหลายอย่างที่เกิดขึ้น ทำให้ไม่เป็นไปตามการออกแบบ โดยสามารถแบ่งประเด็นปัญหาที่พบออกเป็น 2 ส่วน คือ ส่วนภายนอก (External design) และ ส่วนภายใน (Internal design) 3.7.1 ปัญหาส่วนภายนอก (External Design) ปัญหาที่เกิดขึ้นในขณะพัฒ นาต้นแบบที่ทำให้ไม่สามารถทำตามที่ออกแบบได้ในส่ว นของ ภายนอก มี 2 ส่วนคือ 1. ส่วนกลางของลำตัว (Pressure hull) 2.ส่วนปีก (wing) 3.ส่วนต่อกลาง ลำตัวกับหัว (Nose connector) 4. ส่วนต่อกลางลำตัวกับหาง (Tail connector) 3.7.1.1 ส่วนกลางลำตัว (Pressure hull) จากการออกแบบได้กำหนดให้ความยาวรวมอยู่ที่ 1 เมตร โดยกำหนดให้ส่วนตัว mid straight cylinder ที่เป็นส่วนกลางลำตัว กำหนดให้ใช้ความยาวที่ 0.6 เมตร หรือ 60 เซนติเมตร แต่เนื่องจาก ขนาดของ Syringe ที่ได้รับแตกต่างจากขนาดที่ระบุไว้ทำให้เกิดปัญหาเนื่องจากระยะของชุด ballast มีความยาวเพิ่มขึ้น ทำให้ต้องปรับเปลี่ยนความยาวในส่วนของ mid straight cylinder เพิ่มเป็น 0.8 82 เมตร หรือ 80 เซนติเมตร ทำให้เกิด แรงต้าน (Drag Force) ที่เพิ่มขึ้นและทำให้ปริมาตรของยาน เพิ่มขึ้น ส่งผลให้แรงลอยตัวเพิ่มขึ้นและน้ำหนักที่ต้องถ่วงจาก 3 กิโลกรัมเพิ่มขึ้นเป็น 6 กิโลกรัม นอกจากการนี้ยังพบปัญหาจากการใช้ท่อ PVC ที่นำมาใช้ทำมีค่าคลาดเคลื่อนของท่อประมาณ 1-2 มิลลิเมตร ซึ่งทำให้ไม่สามารถ Seal เพื่อป้องกันน้ำรั่วซึม จึงทำให้จำเป็นต้องเปลี่ยนจากท่อ PVC เป็นท่อ acrylic ที่มีความคลาดเคลื่อนน้อยกว่า ภาพที่ 3.18 pressure hull ที่ทำการ redesign แก้ไขปัญหาจากชุด ballast 3.7.1.2 ส่วนของปีก (Wing) พบปัญหาจากการสั่งซื้อทำให้ได้แผ่นอลูมิเนียมไม่ตรงขนาดตามที่ต้องการจากความหนาที่ ออกแบบไว้ที่ 3 มิลลิเมตร บริษัทที่จัดซื้อไม่มีสามารถจัดหาความหนาดังกล่าวได้จึงลดความหนาเป็น 2 มิลลิเมตรแทน จากปัญหาดังกล่าว ผู้พัฒนาจึงแก้ปัญหาโดยการทำการคำนวณใหม่ตามขนาดที่ ได้มา 3.7.1.3 ส่วนต่อกลางลำตัวกับหัว (Nose connector) พบปัญหาในการออกแบบเพื่อเลือกใช้ O-ring เนื่องจากในข่วงแรกพบว่าร่อง O-ring มีความ ลึกและความกว้างไม่เพียงพอทำให้ O-ring ไม่สามารถใส่ได้เพราะขยายตัวไม่ได้ พร้อมทั้งปัญหาจาก พิกัดความคลาดเคลื่อนของท่อ PVC ทำให้ไม่สามารถป้องการรั่วซึมได้ ผู้พัฒนาจึงแก้ปัญหาโดยการ แก้ไขร่อง O-ring และ ทำการปรับขนาด O-ring ให้เหมาะสมทำ ทำให้สามารถป้องการรั่วซึมได้ 3.7.1.4 ส่วนต่อกลางลำตัวกับหาง (Tail connector) พบปัญหาในการออกแบบคล้ายกับส่วนหัวคือการออกแบบเพื่อการเลือกใช้ O-ring เนื่องจาก ในข่วงแรกพบว่าร่อง O-ring มีความลึกและความกว้างไม่เพียงพอทำให้ O-ring ไม่สามารถใส่ได้ เพราะขยายตัวไม่ได้ พร้อมทั้งปัญหาจาก พิกัดความคลาดเคลื่อนของท่อ PVC ทำให้ไม่สามารถป้อง การรั่ว ซึมได้ ผู้พัฒ นาจึงแก้ป ัญหาโดยการแก้ ไขร่ อง O-ring และ ทำการปรับขนาด O-ring ให้ เหมาะสมทำ ทำให้สามารถป้องการรั่วซึมได้ 83 3.7.2 ปัญหาส่วนภายใน (Internal design) ปัญหาที่เกิดขึ้นจากภายในส่วนมากเกิดจากขนาดของ ชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่ได้รับไม่ตรงตามที่ระบุ ไว้นอกจากนี้ยังเกิดจากการประกอบชิ้นส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกันที่เกิดปัญหาขึ้นจึงมีการปรับปรุงเพื่อ แก้ไขปัญหาดังกล่าวที่เกิดขึ้น โดยปัญหาที่เกิดขึ้นสามารถแบ่งออกเป็น 3 ส่วน คือ 1.ส่วนชุด Ballast 2.ส่วนชุด Pitch module 3.ส่วนชุด Roll module 3.7.2.1 ส่วนชุด Ballast ชิ ้ น ส่ ว นที ่ ม ี ป ั ญ หาเรื ่ อ งขนาดในส่ ว นของชุ ด ballast คื อ syringe motor และ linear potentiometer นอกจากนี้ยังมีส่วนปัญหาเรื่องวัสดุ POM ที่ออกแบบใช้เป็น piston รวมกับ Oring โดยพบว่า วัสดุ POM มีความยากในการ machining ทางผู้พัฒนาได้ทำการแก้ปัญหา โดยที่เริ่มจาก syringe ที่ขนาดความยาวไม่ตรงตามที่ร้านแจ้ง ไว้ทำให้ความยาวรวมของชุด ballast เพิ่มขึ้น จีงออกแบบใหม่ปรับให้ชุด ballast ขยับยื่นเข้าไปใน ส่วน Nose มากขึ้น ต่อมาคือปัญหาของ motor ที่ใช้ในชุด ballast โดยในตอนแรกใช้เป็น Motor Gear 6V 1000 RPM จากการประเมินพบว่าแรงบิดไม่เพียงพอจึงแก้ไขเบื้องต้นโดยการนำ Stepper Motor (Nema17) ซึ่งเป็น motor ของ ชุด roll module มาใช้แทนในเบื้องต้น ในส่วนของ linear potentiometer ที่จัดหามาพบว่ามีขนาดค่อนข้างเล็กไม่เหมาะกับการใช้ในการ feedback motor จึงทำการแก้ไขเปลี่ยนเป็นใช้ limits switch ในการ feedback แทน ต่อมาในส่วนของ POM ที่มี ความยากในการ machining จึงเปลี่ยนไปใช้ rubber ที่ได้มาพร้อม syringe ใช้เป็น เพื่อแก้ปัญหา ดังกล่าว นอกจากหลังจากการทดสอบดำลงของยานร่อนพบปัญหาในช่วงการลอยขึ้น ชุด ballast ไม่ สามารถผลักดัน น้ำออกได้ เนื่องจากการดำลงในน้ำที่มีระดับความลึกจะมีแรงดันมหาศาลจาก ภายนอกดันทำให้เกิดภาระกรรมในการดผลักดันน้ำออกอย่างมาก ซึ่งมอเตอร์ชุด ballast กำลังไม่ เพียงพอต่อการผลักดันน้ำได้ จึงทำให้ไม่สามารถลอยขึ้นได้ 84 ภาพที่ 3.19 ชุด ballast ที่ได้รับการแก้ไขแล้ว ผลการแก้ไขปัญหาดังกล่าว พบว่า ชุด ballast สามารถสูบน้ำได้ ไม่มีการรั่วซึม ภาพที่ 3.20 การทดสอบชุด ballast 3.7.2.2 ส่วนชุด Pitch module ปัญหาที่เกิดขึ้นในชุด pitch module เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงขนาดของ pressure hull ที่ทำให้น้ำหนักรวมของยานร่อนต้องเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้ระยะที่ต้องใช้ในการเคลื่อนมวล 1 กิโลกรัม 85 ให้สามารถสร้าง pitch angle ที่ 45 องศา เพิ่มขึ้น มากกว่าระยะเคลื่อนไปกลับที่ออกแบบไว้ที่ 10 เซนติเมตร ส่งผลทำให้ยากต่อการเคลื่อนจุดศูนย์กลางมวลได้ระยะจากจุดศูนย์กลางแรงลอยตัว และ การปรับระยะเคลื่อนมวลให้ยาวขึ้นจะทำให้เกิดปัญหาขนาดของยานร่อนเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ภาพที่ 3.21 แสดงการคำนวณระยะทางเคลื่อนมวลที่เพิ่มขึ้นจากการใช้มวล 1 กิโลกรัมเคลื่อนที่ ปัญหานี้ทำการแก้ไขด้วยทำการเพิ่มน้ำหนักมวลเคลื่อนมวลจาก 1 กิโลกรัมเป็น 3 กิโลกรัมแทน เพื่อให้อัตราส่วนเพิ่มของมวลเคลื่อนที่ต่อมวลมวลรวมของยานร่อนทำให้สามารถทำงานได้ในระยะ เคลื่อนมวลไปกลับที่ 10 เซนติเมตรได้ นอกจากนี้ยังทำการปรับเพิ่ม limits switch เพื่อ set ระยะ และ ความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้นด้วย ภาพที่ 3.22 แสดงการคำนวณระยะทางเคลื่อนมวลจากการใช้มวล 3 กิโลกรัมเคลื่อนที่ จากการทดสอบการใช้ มวลเคลื่อนที่ 3 กิโลกรัม motor ยังคงสามารถทำงานได้ตามที่ต้องการ 86 ภาพที่ 3.23 แสดงผลการทดสอบติดตั้งมวล 3 กิโลกรัมกับชุด pitch module 3.7.2.3 ส่วนชุด Roll Module ในส่วนของชุดนี้ ปัญหาเกิดต่อเนื่องมาจากชุด pitch module น้ำหนักที่ motor ของชุดนี้ต้อง รองรับน้ำหนักเพิ่มขึ้นจากที่ประเมินไว้ จากการทดสอบพบว่า Motor ที่เลือกใช้มาไม่สามารถคงระยะ การหมุนไว้ได้เนื่องจากการน้ำหนักที่มากกว่าเกินไป ปัญหาดังกล่าวทำให้ต้องแก้ไขจาก motor ที่ออกแบบไว้ใช้ stepper motor (Nema17) แรงบิ ด 42 N.cm 1.5A (17HS4401S) เปลี ่ ย นเป็ น 2.07 N.m planetary gearbox ratio 5.18:1 Nema17 stepper motor (17HS4401S-PG5.18) เพิ่มอัตราทดขึ้นให้ Motor สามารถรองรับการ คงระยะการหมุนมวลได้ ภาพที่ 3.24 Motor ตัวใหม่ที่นำมาทดแทน Stepper motor ตัวเดิม 87 3.8 การคำนึงถึงปัญหาสิ่งแวดล้อม ในปัจจุบัน งานวิศวกรรมทุกแขนงไม่เพียงมุ่งเน้นที่สมรรถนะและต้นทุน แต่ยังต้องพิจารณา ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมทั้งระยะสั้นและระยะยาว โดยการที่พัฒนา AUG ซึ่งถูกออกแบบมาเพื่อการ สำรวจและติดตามข้อมูลในทะเลหรือแหล่งน้ำธรรมชาติ ความสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมจึงมีความชัดเจน และต้องให้ความสำคัญเป็นพิเศษ เพราะหากการออกแบบไม่คำนึงถึงผลกระทบ อาจก่อให้เกิดปัญหา เช่น การรบกวนสัตว์น้ำ การปล่อยมลพิษทางเสียง หรือแม้กระทั่งการทิ้งขยะอิเล็กทรอนิกส์ลงในทะเล 3.8.1 การเลือกใช้วัสดุและการออกแบบที่ลดผลกระทบ - โครงสร้างของ AUG เลือกใช้ท่ออคิลิค ที่สามารถรีไซเคิลได้เมื่อหมดอายุการใช้งาน เพื่อลด การสร้างขยะพลาสติกถาวรในธรรมชาติ - ออกแบบให้สามารถถอดเปลี่ยนเฉพาะส่วนที่เสียหาย เช่น ฝาปิด ปีก หรือระบบซีล ทำให้ไม่ จำเป็นต้องทิ้งทั้งลำเรือเมื่อมีปัญหา - หลีกเลี่ยงการใช้กาวหรือสารเคลือบที่อาจละลายลงน้ำและก่อให้เกิดสารพิษตกค้าง - ออกแบบให้ระบบขับเคลื่อนทุกระบบอยู่ภายใน pressure hull ทำให้ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่จึง ไม่เป็นอันตรายที่สัตว์น้ำ มีเสียงรบกวนและลดความเสี่ยงต่อการรั่วไหลต่ำ 3.8.2 การใช้พลังงานและระบบขับเคลื่อน - ลดการใช้พลังงาน: แต่ละรอบการร่อน (sawtooth cycle) ใช้พลังงานต่ำมาก ทำให้ไม่ต้องใช้ แบตเตอรี่ขนาดใหญ่ ลดความเสี่ยงต่อการเกิดของเสียอันตราย - พลังงานไฟฟ้าแทนเชื้อเพลิง: ไม่มีการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล ไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจก - ลดเสียงใต้น้ำ: ระบบปั๊มปรับแรงดัน และมอเตอร์ขนาดเล็กทำงานเงียบกว่าระบบใบพัด ซึ่ง ช่วยลดการรบกวนสัตว์น้ำ โดยเฉพาะสัตว์ที่ใช้การสื่อสารด้วยคลื่นเสียง - การเคลื่อนที่เลียนแบบธรรมชาติ: รูปแบบ Sawtooth ที่อาศัยแรงลอยตัวใกล้เคียงกับการ เคลื่อนที่ของสัตว์น้ำ ทำให้ไม่ก่อกระแสน้ำแรงผิดธรรมชาติ 88 3.8.3 การจัดการของเสียและความเสี่ยง - แบตเตอรี่: มีมาตรการจัดเก็บและทิ้งแบตเตอรี่ตามมาตรฐาน ไม่ทิ้งลงน้ำหรือแหล่งขยะทั่วไป - ระบบกู้คืน (recovery): มีเชือกนิรภัยและดึงกลับทุกครั้งที่ทดสอบ ป้องกันไม่ให้ AUG สูญ หายและกลายเป็นขยะอิเล็กทรอนิกส์ใต้น้ำ - เศษวัสดุการผลิต: เศษพลาสติกจากการพิมพ์ 3 มิติหรือการตัดแต่งชิ้นงานถูกเก็บแยกและจะ ถูกนำไปส่งไปรีไซเคิล 89 บทที่ 4 ผลการทดลองและการวิเคราะห์ผลการทดสอบ 4.1 ผลที่ได้รับจากการทดสอบการเคลื่อนที่ ในการทดสอบการเคลื่อนที่ของยานร่อนใต้อัตโนมัติ เป็นการทดสอบความสามารถในการทำ มุมของยานร่อน รูปแบบการเคลื่อนที่แบบฟันเลื่อย ที่ระดับความลึก 3 เมตร และความเร็วในการดำ ของยานร่อ นตามที ่ อ อกแบบในชุ ดการคำนวณ โดยทำการทดสอบที ่ส ระทดสอบ ที่ Odd dive Thailand ในช่วงเดือนมีนาคม 2569 4.1.1 การทดสอบการทำมุมของยานร่อน ในการทดสอบการเคลื่อนที่ของยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ เป็นการทดสอบการทำมุมของยานร่อน จากระบบ Moving mass โดยแบ่งออกเป็น 2 ช่วง คือ 1. ช่วงการมุมที่ผิวน้ำ ต้องการให้ยานร่อน สามารถทำมุม pitch angle ที่ 45 องศา เป็นการจำลองการส่งผ่านข้อมูลขึ้นกับ GPS 2.ช่วงการมุม ในระหว่างการดำและลอยของยานร่อนใต้น้ำ โดยระหว่างการดำลงต้องการระบบสามารถทำมุม pitch ตอบสนองการ 4.1.1.1 ทดสอบการทำ neutral buoyancy ที่ระดับผิวน้ำ ภาพที่ 4.1 ทดสอบการทำ neutral buoyancy ที่ระดับผิวน้ำ จากการทดสอบ การปรับน้ำหนักให้เท่ากับแรงลอยตัว โดยใช้น้ำหนักตามที่ได้คำนวณไว้ มี ความสามารถในการทำ neutral buoyancy ที่ระดับผิวน้ำได้ ภาพที่ 4.2 ทดสอบการทำ neutral buoyancy ที่ระดับผิวน้ำ 90 4.1.1.2 การทดสอบช่วงการทำมุมดำและลอยของยานร่อนใต้น้ำ ภาพที่ 4.2 การทดสอบยานร่อนขณะดำลง จากการทดสอบผลยานร่อนใต้น้ำ สามารถทำมุมได้ตามที่สั่ง โดยมุมในการทดสอบการดำใน ครั้งนี้กำหนดเป้าหมายคือ glider path angle อยู่ที่ 35 องศา ผ่านการสั่งการเคลื่อนที่ moving mass ให้เกิดมุม pitch ภาพที 4.3การทดสอบยานร่ การทดสอบยานร่ออนขณะลอยขึ นขณะลอยขึ้น้น รูปที่ ่4.3 จากการทดสอบ ยานร่อนใต้น้ำ สามารถทำมุมได้ตามที่สั่ง โดยมุมในการทดสอบการลอยในครั้ง นี้กำหนดเป้าหมายคือ glider path angle อยู่ที่ 35 องศา ผ่านการสั่งการเคลื่อนที่ moving mass ให้ เกิดมุม pitch พบปัญหาเรื่องของ inertia ของยานเนื่องจากมีน้ำหนักมายานมี inertia มากทำให้ ตอบสนองช้าในการเปลี่ยนเฟสจากดำลงสู่การลอยขึ้น 91 4.1.2 ผลการทดสอบการร่อนของยานร่อน ในการทดสอบครั้งนี้เป็นการดูความสามารถในการทำงานของยานร่อน เป็นการทดสอบการ ทำงานของยานร่อน โดยทำการจับภาพระหว่างที่ยานร่อนเคลื่อนที่เพื่อคำนวณย้อนกลับดูเส้นทางการ เคลื่อนที่ของยานร่อน ในการทดสอบครั้งนี้เนื่องจากติดปัญหาจากแรงดันของน้ำที่ระดับความลึก ทำ ให้เกิดโหลดมาก ชุด ballast ไม่สามารถผลักดันน้ำออกจาก ballast ได้ ทำให้ได้ผลการทดสอบแค่ใน ส่วนของการดำลง โดยในการทดสอบครั้งนี้ทดสอบการทำงานของยานร่อนใช้เวลาทั้งหมด 35 วินาที ภาพที่ 4.4 ภาพการทดสอบการร่อนของยานร่อน 4.1.2.1 ผลการคำนวณเส้นทางการเคลื่อนที่ของยานร่อน ทำการ plot แสดงการเคลื่อนที่ของยานร่อนโดยยึดที่จุดกลางลำตัวของยานร่อนเป็นจุดอ้างอิง ในการดูเส้นทางการเคลื่อนและได้ผลการเคลื่อนที่เป็นดังกราฟนี้ ภาพที่ 4.5 กราฟแสดงเส้นทางการเคลื่อนที่ของยานร่อนจากการทดสอบ 92 จากกราฟที่ได้จากการทำ image analysis ยานร่อนสามารถดำลงไปได้ถึง 4.2 เมตรโดยไม่มี ปัญหาการรั่วซึมของน้ำ ระยะทางการเคลื่อนที่รวมอยู่ที่ 8.72 เมตร ใช้เวลา 35 วินาที ความเร็วเฉลี่ย อยู่ 0.249 เมตรต่อวินาที ระยะการเคลื่อนที่ในแนวขนานกับพื้นน้ำอยู่ 7.4 ในความลึกที่ 4.2 เมตร ได้ glider ratio อยู่ที่ 1.76 คำนวณย้อนกลับได้ glider path angle อยู่ที่ 29.6 องศา นอกจากการ ทดสอบนี้ยังพบว่ายานเกิดการ yaw โดยที่ไม่สั่งเกิด yaw เฉลี่ยอยู่ที่ 0.033 องศาต่อวินาที yaw ที่ เกิดขึ้นอาจเกิดจากครีบแนวดิ่ง ไม่สามารถสร้างเสถียรภาพในเชิงทิศทางได้มากพอ หรืออาจเกิดจาก การติดตัง้ ในส่วนของปีกที่อาจจะยังมีการเอียงอยู่ทำให้เกิด yaw ขึ้นโดยที่ไม่ได้สั่ง 93 บทที่ 5 สรุปผลการดำเนินงานและข้อเสนอแนะ จากการออกแบบและทดสอบออกแบบยานร่ อ นใต้ น ้ ำ อั ต โนมั ติ ท ำให้ ส ามารถได้ ผ ลการ ดำเนินงาน ดังนี้ 5.1 สรุปผลการออกแบบ การออกแบบ AUG สามารถแบ่งออกเป็น 2 ส่วนหลักได้แก่ 1.ส่วนประกอบภายนอกยานร่อนใต้น้ำ ประกอบด้วย 1.1 ส่วนหัว (nose) ทำหน้าที่ช่วยลด drag force 1.2 ส่วนต่อกลางลำตัวกับหัว (nose connector) ทำหน้าที่ปิด pressure hull ด้านหน้าและ เป็นร่องให้กับ O-ring ป้องกันน้ำรั่วซึมเข้ายานร่อนใต้น้ำ 1.3 ส่วนกลางลำตัว (pressure hull) เป็นพื้นสำหรับติดตั้งอุปกรณ์ภายในของยานร่อนใต้น้ำ 1.4 ปีก (wing) ทำหน้าที่ช่วยสร้างแรงยกให้กับยานร่อน 1.5 ส่วนต่อกลางลำตัวกับหาง (tail connector) ทำหน้าที่ปิด pressure hull ด้านหลังและ เป็นร่องให้กับ O-ring ป้องกันน้ำรั่วซึมเข้ายานร่อนใต้น้ำ 1.6 ส่วนหาง (tail) ทำหน้าที่ในการช่วยลด drag force ที่เกิดขึ้นกับยานร่อนใต้น้ำ 1.7 ครีบแนวดิ่ง (vertical fin) ใช้ในการเพิ่มเสถียรภาพเชิงทิศทาง (directional stability) ให้กับยานร่อนใต้น้ำ 2.ส่วนประกอบภายในยานร่อนใต้น้ำ 2.1 ชุด ballast ทำหน้าทีค่ วบคุมแรงลอยตัว 2.2 ชุด pitch module ทำหน้าที่ในการควบคุม pitch angle ของยานร่อนใต้น้ำ 2.3 ชุด roll module ทำหน้าที่ในการควบคุม roll angle ของยานร่อนใต้น้ำ 94 5.2 สรุปผลการทดสอบ จากการทดสอบพบว่า ยานร่อนใต้น้ำมีความสามารถในการที่จะทำมุมร่อนให้เกิดการเคลื่อนที่ ไปข้างหน้าในการทดสอบ และชุดคำนวณที่ใช้ในการออกแบบการยานร่อนนั้นสามารถทำใช้ในการ ออกแบบได้เบื้องต้น ในการทดสอบพบปัญหาหลายอย่างในระหว่างการดำเนินการ ทั้งในส่วนภายใน และภายนอก ปัญหาหลักของภายนอกคือ การป้องกันรั่วซึมที่เกิดจากการค่าความคลาดเคลื่อนของ ชิ้นส่วนส่งผลให้เกิดช่องว่างในการประกอบทำให้เกิดการรั่วซึมของน้ำได้ ในส่วนของปัญหาภายในที่ เกิดขึ้น นั้นจะมาจากประเด็นการพื้นที่การถ่วงน้ำหนักที่มีจำกัดทำให้จำเป็นต้องปรับการออกแบบและ ทำให้เกิดปัญหากระทบการวางสายไฟภายในตัวยานและนำไปสู่การเกิดปัญหาในการประกอบเข้ายาน และการทำงานของระบบภายใน ซึ่งการทดสอบนี้ยานร่อนใต้น้ำของเราสามารถร่อนได้เป็นลึกถึง 4.2 เมตร ในสระทดสอบโดยที่ไม่เกิดการรั่วซึมของน้ำ สามารถสร้างความเร็วในแนวขนานกับพื้นน้ำได้อยู่ ที่ 0.211 เมตรต่อวินาที ต่ำกว่าที่ออกแบบด้วยชุดคำนวณที่ 0.5 เมตรต่อวินาที เนื่องจากยานร่อนอาจ มีแรงต้านมากกว่าที่คำนวณด้วยชุดคำนวณ นอกจากนี้ยานร่อนยังเกิดการ yaw โดยที่ไม่ได้สั่งซึ่งอาจ เกิดจากครีบแนวดิ่งไม่สามารถสร้างเสถียรภาพเชิงทิศทางได้เพียงพอ รวมถึงการติดตั้งปีกที่อาจเอียง จากการติดตั้งทำให้เกิดการ yaw ขึ้น และยานร่อนไม่สามารถลอยขึ้นได้เนื่องจากปัญหากำลังของชุด ballast ที่ไม่เพียงพอที่สูบจะน้ำออกจากballast ที่ระดับความลึกทดสอบได้ ซึ่งแรงดันน้ำต้านทาน การทำงานของ ballast ทำให้ไม่สามารถทดสอบการลอยขึ้นได้ แต่อย่างไรก็ตามจากการทดสอบ ในช่วงการดำลงทำให้เชื่อได้ว่าหากสามารถสูบน้ำออกจาก ballast ยานจะสามารถลอยขึ้นและแสดง การเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้อย่างแน่นอน 95 5.3 ข้อเสนอแนะ จากการดำเนินงานพบปัญหาในหลายส่วนของการออกแบบและสร้างต้นแบบ สามารถสรุปเป็น ข้อเสนอแนะในการพัฒนา ได้ดังนี้ 1.การออกแบบป้องกันการรั่วซึมด้วย O-ring เหมาะสมกับงานที่ความแม่นยำค่อนข้างสูงหากใช้ กับงานออกแบบทั่วไปอาจทำให้ไม่ได้ประสิทธิภาพการป้องกันการรั่วซึมที่ต้องการ 2.แนะนำให้ออกแบบชุด ballast ที่ให้มีความจุมากกว่าที่ได้จากชุดคำนวณจะทำให้ในการปรับ แรงลอยตัวของยานร่อนใต้น้ำทำได้ง่ายขึ้นทั้งยังเพิ่มประสิทธิภาพในสร้างความเร็วสูงสุดของยานร่อน ใต้น้ำอีกด้วย 3.แนะนำให้ออกแบบชุด pitch module ให้เป็นส่วนที่มีน้ำหนักมากที่สุดในการออกแบบ จะ ทำให้ใช้ระยะเคลื่อนที่น้อยกว่า นำไปสู่การที่ลดความยาวโดยรวมของยานร่อน ทำให้ลดน้ำหนักที่ จะต้องใช้ในการถ่วงน้ำหนักลงได้ 4.การออกแบบโดยชุดคำนวณนั้น สามารถใช้ออกแบบในส่วนของรูปร่างและสัดส่วนได้ใน เบื้องต้นเท่านั้น หากต้องการทำให้ประสิทธิภาพในการออกแบบเพิ่มมากขึ้นอาจจะต้องใช้การทำ CFD เพื่อให้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของยานร่อนใต้น้ำได้ 96 เอกสารอ้างอิง [1] The Open University. (2025). The oceans: vertical distribution of properties. OpenLearn [Online]. Available: https://www.open.edu/openlearn/natureenvironment/environmental-studies/the-oceans-vertical-distribution-properties [2] Jack Barth and Kipp Shearman, Undersea Gliders Making Waves as Valuable New Tool in Marine Research, Oregon State University News [Online], 2007, Available: https://news.oregonstate.edu/news/undersea-gliders-making-waves-valuable-newtool-marine-research [3] J. G. Graver, Underwater Gliders: Dynamics, Control and Design, Ph.D. dissertation, Dept. Mech. and Aero. Eng., Princeton Univ., Princeton, NJ, USA, 2005. [4] Teledyne Marine, “Slocum Glider,” [Online]. Available: https://www.teledynemarine.com/brands/webb-research/slocum-glider. [Accessed: 26-Jul-2025]. [5] Spray Data, “About the Spray Underwater Glider,” Instrument Development Group, Scripps Institution of Oceanography, University of California San Diego. [Online]. Available: https://spraydata.ucsd.edu/about/spray-glider. Accessed: 26-Jul2025. [6] APL‑UW Integrative Observational Platforms, “Seaglider,” University of Washington. [Online]. Available: https://apl.uw.edu/project/project.php?id=seaglider. Accessed: 26-Jul-2025. [7] Ocean Science Technology, “ALSEAMAR – SeaExplorer 200,” [Online]. Available: https://www.oceansciencetechnology.com/company/alseamar/seaexplorer-200/. [Accessed: 26-Jul-2025]. [8] Cyprus Subsea Consulting and Services, “Bioglider Project,” [Online]. Available: https://cyprus-subsea.com/projects/bioglider/. [Accessed: 26-Jul-2025]. [9] A. P. Boresi and R. J. Schmidt, Advanced Mechanics of Materials, 6th ed., Wiley, 2003. 97 [10] W. H. Nugroho, N. J. H. Purnomo, and T. Soedarto, “An experimental work on wireless structural health monitoring system applying on a submarine model scale,” in *Journal of Physics: Conference Series*, vol. 776, no. 1, p. 012094, Nov. 2016, doi: 10.1088/1742-6596/776/1/012094 [11] Y. A. Çengel and J. M. Cimbala, Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications, 4th ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill Education, 2018. [12] J. R. Valasek, “Aircraft Stability & Control,” Introduction to Aerospace Flight Vehicles, Eagle Pubs, Embry-Riddle Aeronautical University, [Online]. Available: https://eaglepubs.erau.edu/introductiontoaerospaceflightvehicles/chapter/aircraftstability-control/ [13] M. V. Cook, Flight Dynamics Principles: A Linear Systems Approach to Aircraft Stability and Control, 3rd ed., Butterworth-Heinemann, 2013. [14] S. T. Mohammad, “Aircraft directional stability and vertical tail design: A review of semi-empirical methods,” *Prog. Aerosp. Sci.*, vol. 115, p. 100620, 2020. [15] American Bureau of Shipping, Rules for Building and Classing Underwater Vehicles, Systems and Hyperbaric Facilities, ABS, 2018. [Online]. Available: https://ww2.eagle.org [16] International Organization for Standardization, ISO 5411: Submersibles — Vocabulary, ISO, 2016. [Online]. Available: https://www.iso.org/standard/6383.html [17] “Airshipworlds Gertler 58,” RC Groups Forums. [Online]. Available: https://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?4139439-Airshipworlds-Gertler58#post49239107. [Accessed: Mar. 22, 2026]. [18] U.S. Department of Transportation, Federal Aviation Administration, Airplane Flying Handbook, FAA-H-8083-3C, Washington, DC, USA: Flight Standards Service, 2021, Glossary, p. G-1. 98 ภาคผนวก 99 BOM - Internal Part 100 BOM - Internal Part 101 Shop floor drawing-External Part 102 Shop floor drawing-External Part 103 Shop floor drawing-External Part 104 Calculate Sheet 105 106 INPUT Length total Outer Diameter Pipe Inner Diameter Pipe Vx Targets OUTPUT = 1.17 m = 140 mm = 134 mm = 0.5 m/s Estimate Shape 0.1 0.05 0 -0.05 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 -0.1 Estimate Length each Part Nose Length (a) : L_nose=0.1L_total = 117 mm Mid Length (b) : L_mid =0.79L_total = 831 mm Tail Length (c) : L_tail = 0.19L_total = 222 mm Formula for plot nose a = 8.233566768 b = -5.33749 c = 1.1088 d = 0.000265294 Tail Angle atan(|dr/dx|) at trailing end = 28.1 degree Estimate Carries Weight Carries Weight = Volume_mid_Length*ρwater *9.81*Factors = 14.05 kg 107 108 INPUT Wing thickness Chords Wingspan Sweep Angle CL/CD target value FIN Root Chord Tip Chord Span LE sweep OUTPUT Plot AOA vs CL/CD = 2 mm = 100 mm = 0.6 m = 30 deg = 1.4 = 50 mm = 30 mm = 80 mm = 18 deg CL/CD AOA vs CL/CD -5 -3 5 4 3 2 1 0 -1 -1 -2 -3 -4 1 3 5 7 AOA AOA at CL/CD target = find_AOA_make_CL/CDtot_Near_CL/CD_Target = 1.34 CL/CD ใกล้เคียงอยู่ที่ = CL/CD_at_CL/CD_target CL_beforeAOA_tot = CL_Hull + CL_Wing CD0tot = CD0_WING+CD0_Hull+CD0_Fin Cltot = (CL_beforeAoA_tot)*AOA = 0.374 Cdtot = CD0tot+(Cltot^2 / (PI*AR*Span efficiency)) = 0.267 109 Dragforce = 0.5*Cdtot*𝜌𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 *Velocity^2 *A_ref = 0.770101 N Dragforce (g) = Dragforce(N)*1000/9.81 liftforce = 0.5*Cltot*𝜌𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 *Velocity^2 *A_ref = 1.079625 N liftforce (g) = liftforce(N)*1000/9.81=110.0535 g 110 OUTPUT Excess_mass =(((Vx targets/((sin(35.2)^1/2)/cos(35.2)))^2)* 𝜌𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 *CD_vol*(Volume^(2/3))/(2*9.81))*1000 = 135.96 g 111 112 INPUT m,body = 9.5 kg h,body = 0.762 cm h,moving = 1.016 cm Design Pitch angle = 45 degree l_0 = 5 cm OUTPUT Plot Effect of Moving Length on Pitch Angle Effect of Moving Length on Pitch Angle Pitch Angle (Degree) 75 60 45 30 15 0 0 2 4 Moving Length (cm.) 6 8 10 m,moving = 4.55 kg moving_Length (∆l) = matching Design Pitch Angle and Moving_Length = 2.61 cm 113 Strength of Hull 114 Calculate at Mid Straight Cylindral ทำการรวมความเค้นที่เกิดขึ้นโดยใช้ Von mise (𝜎𝑣 = √𝜎𝜃 2 + 𝜎𝑎 2 − 𝜎𝜃 𝜎𝑎 ) โดยความเค้นที่เกิดขึ้นจาก External Pressure ทำให้ค่าความเค้นเป็นเกิดขึ้นเป็นความเค้นแบบกด 𝑝𝐷 𝑝𝐷 (Compressive Stress) โดยที่ Hoop stress 𝜎𝜃 = − 𝑡 𝑜 และ Axial Stress 𝜎𝑎 = − 2𝑡𝑜 𝜎 หรือ 𝜎𝑎 = 2𝜃จากการทำรวมความเค้นให้กลายโดยใช้แนวคิดของ Von mise 𝜎𝑣 = 1 1 4 2 √𝜎𝜃 2 + 𝜎𝜃 2 − 𝜎𝜃 2 = √3 𝜎 2 𝜃 โดยที่มองว่าความดันจากดำลงของAUG ทำให้เกิด Hoop 𝑝 𝐷 𝑜 Stress โดยความเค้นที่เกิดจากการทำงานให้แทนด้วยตัวแปร 𝜎𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑒 = 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑒 และ 𝑡 𝜎𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤 เป็นความเค้นของท่อมาตรฐานแนะนำให้ใช้ โดยสามารถหาค่าได้จากความดันที่มาตรฐาน 𝑝 𝐷 𝑜 แนะนำ 𝜎𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤 = 𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤 ในการออกแบบอ้างอิงจากคุณสมบัติทางกลดังนี้ Young's 𝑡 Modulus(E) ที่ 2.9 GPa และ tensile strengthที่ 70 MPa คิดSafety factor ที่ 2 σallow √3 = σ SF 2 operate σallow √3 poperate Do = SF 2 t σallow √3 poperate Do = SF 2 t 2 σallow t poperate = √3 Do SF 70 MPa ∗ 0.003 0.14 ∗ 2 √3 poperate ≈ 0.866 MPa poperate = 2 ∗ จากนั้นทำการแปลงความดันกลับเป็นความลึกที่สามารถใช้งานได้ hoperate = poperate ρg 0.866 ∗ 106 hoperate = m (1000 ∗ 9.81) hoperate = 88.27 m 115 นอกจากนี้ตัว Hull ยังสามารถพังได้จากการเกิด Buckling สามารถคำนวณประมาณค่าได้ ดังนี้ pCritical,Buckling = pCritical,Buckling = 2E t ( )3 √3(1 − v 2 ) R 2 ∗ 2.7 ∗ 109 0.003 3 ) √3(1 − 0.352 ) 0.07 ( pCritical,Buckling = 261986.68 Pa โดยทำการคิดที่ Safety Factor ที่ 2 hCritical,Buckling = pCritical,Buckling ρgSF hCritical,Buckling = 261986.68 1000 ∗ 9.81 ∗ 2 hCritical,Buckling = 13.35 m จากการคำนวณความลึกที่ AUG สามารถดำได้ลึกสุด โดยเปรียบเทียบจาก Buckling และ Hoop stress สามารถดำได้ลึกสุดที่ 13.35 เมตร โดยจะเกิดการเสียรูปจากการ Buckling ก่อน 116 Flow Chart 117

อ้างอิงผลงานนี้ / Cite this

รหัสโปรเจค

AM-2568-004

ชื่อเรื่อง

การออกแบบยานร่อนใต้น้ำอัตโนมัติ / Design of an Autonomous Underwater Glider (AUG)

ผู้จัดทำ

ชานนท์ จงสมจิตต์, ณัฏฐณิชา สุขชัย, ณัฐวุฒิ สีธิสอน, กิตติวัฒน์ อุบลพันธุ์

อาจารย์ที่ปรึกษา

ผศ.ดร.บารมี ปัทมพรหม

ปีการศึกษา

2568 (C.E. 2025)

หน่วยงาน

ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ (MAE) มจพ.

URL

https://maeconnect.eng.kmutnb.ac.th/projects/cmoi2qfeq003axtyrjrx0ro9j