Бпла. Образовательная программа Летающая робототехника
 Скачать 0.74 Mb.
|
1 2 Тема 1.1. Введение. Знакомство с лабораторией. Знакомство с деятельностью лаборатории / направления, презентация образовательной программы. Знакомство с оборудованием. Тема 1.2. Разновидности БПЛА. История развития летательных аппаратов. Применение БПЛА. Виды БПЛА. Знакомство с историей создания БПЛА. Преимущества и минусы использования, законодательные ограничения, перспективы развития БПЛА мультироторного типа. Тема 1.3. ТБ при пайке и работе с Li-Po аккумуляторами. ТБ при сборке и настройке коптеров, при подготовке к вылету. Ознакомление с правилами техники безопасности при конструировании и эксплуатации квадрокоптеров и последствиями несоблюдения (используя иллюстративный материал). Тема 1.4. Принципы проектирования и строения мультикоптеров. Знакомство слушателей с историей создания и развития мультироторных систем, формирование представления о функциях и возможностях современных мультироторных систем, наглядная демонстрация видов и конфигураций квадрокоптеров. Основы конструирования мультироторных систем. Тема 1.5. Основы электричества. Теория пайки. Природа и физические характеристики электродвижущей силы. Формирование у слушателей представления о тепловом действии электрического тока и его причинах. Принципы строения электрических цепей. Теория пайки, представление инструментов и методики пайки. Тема 1.6. Пайка узлов квадрокоптера.Практическая работа: подготовка платы распределения питания (PDB); пайка регуляторов и ВЕС. Тема 1.7. Сборка рамы квадрокоптера. Практическая работа: сборка основы для рамы; установка моторов; сборка рамы; монтаж платы распределения питания (PDB). Тема 1.8. Финальная сборка квадрокоптера. Практическая работа: перевод пульта в режим PWM; сопряжение приемника и пульта управления; проверка направления вращения моторов; перевод пульта в режим PPM; установка пластины для полетного контроллера; установка полетного контроллера. Тема 1.9. Настройка квадрокоптера. Практическая работа: настройка полетного контроллера и калибровка датчиков. Тема 1.10. Аэродинамика полета. Пропеллеры.Основные принципы аэродинамики винтов. Представление главных характеристик винта, и их влияния на полетные качества квадрокоптера. Технические таблицы по подбору винтов и моторов. Тема 1.11. Учебные полеты. Принципы управления квадрокоптером. Особенности работы полетного контроллера и ПИД регулятора. Представление о принципах расчетов ПИД- регуляторов. Теория ручного визуального пилотирования. Техника безопасности. Процедуры проверки готовности: пилотирование БПЛА визуально, выполнение простейших полетных процедур. Посадка. Модуль 2. Диагностика и ремонт коптера. Тема 2.1. Поиск неисправностей. Техника безопасности. Практическая работа: Определение дефектов, неисправностей и способов их устранения по цифровой или физической модели коптера Тема 2.2. Устранение неисправностей. Заполнение дефектной ведомости.Практическая работа: описание дефектов и неисправностей и способов их устранения в дефектной ведомости. Оценка применения профессиональной терминологии. Устранение неисправностей. Модуль 3. Полеты в FPV режиме. Тема 3.1. Устройство видеопередатчика, видео приемника и камеры для FPV. Пайка навесных элементов. Практическая работа: подготовка и установка камеры и передатчика; настройка и подключение FPV-очков. Тема 3.2. Предполетная подготовка. Полеты на дроне в режиме FPV. Практическая работа: развитие и отработка навыков FPV пилотирования. Модуль 4. Программирование. Тема 4.1. Язык программирования Python.Знакомство с Python, историческая справка, особенности языка основные типы данных, операции с ними. Запуск программ. Получение результатов. Математические выражения. Знакомство, общее представление об условных операторах и логических выражениях. Разбор базовых принципов работы с операторами и циклами. Практическая работа: обработка, создание и вывод вложенных массивов; ввод, обработка массивов. Тема 4.2. Введение в ROS (Robot Operating System). Знакомство с операционной системой ROS: понятие пакета, иерархия папок в файловой системе, компиляция; создание простых нод писателя и читателя; Обмен сообщениями. Модуль 5. Программирование квадрокоптера Тема 5.1. Настройка параметров коптера. Запись образа ОС. Работа с командной строкой Raspberry и ssh клиентом. Способы применения микрокомпьютеров на примере Raspberry Pi. Взаимодействие с unix-подобными системами. Тема 5.2. Работа со светодиодной лентой.Установка, настройка, программирование. Тема 5.3. Работа с лазерным дальномером.Настройка, способы использования лазерных дальномеров, получение данных. Тема 5.4. Работа с камерой.Принцип работы камеры, фокусное расстояние, способы калибровки. Тема 5.5. Способы навигации. Системы координат.ArUco маркеры. Способы навигации беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Автономные системы навигации, какими они могут быть и что требуется для их создания. Принципы работы ArUco маркеров с камерой. Тема 5.6. Навигация по полю меток.Способы программирования автономного квадрокоптера. Написания кода для автономного полета на языке Python и закрепление навыков по использованию unix-подобных систем. Тема 5.7. Работа в симуляционной среде Gazebo. Знакомство с симуляционной средой Gazebo. Отработка навыков написания программного кода для автономного полета квадрокоптера. Тема 5.8. Визуализация полетных миссий с помощью RViz в симуляторе.Знакомство с инструментом 3D-визуализации (RViz). Визуализировать на 3D-сцене все компоненты робототехнической системы — системы координат, движущиеся части, показания датчиков, изображения с камер. Тема 5.9. Перемещение в заданные координаты.Написание программного кода для автономного полета квадрокоптера на физическом полигоне. Пролет по заданной траектории с выводом текущих координат. Подготовка импровизированной полетной трассы и задания для полетной миссии. Запуск и тестирование автономного полета квадрокоптера. Тема 5.10. Полет по трассе на дроне и использование функций. Визуализация полетных миссий с помощью RVIZ. Подготовка импровизированной полетной трассы и задания для полетной миссии. Запуск и тестирование автономного полета квадрокоптера с визуализацией полетной миссии на 3D-сцене в режиме реального времени. Модуль 6. Программирование и распознавание. Тема 6.1. Компьютерное зрение. OpenCV. Знакомство с библиотекой компьютерного зрения с открытым исходным кодом (OpenCV). Компьютерное зрение. Знакомство с цветовыми моделями и схемами. Операции с цветом в OpenCV и Python. Простейшие программы для распознавания объектов через камеру ноутбука. Тема 6.2. Перемещение в заданные координаты. Распознавание цветных маркеров, вывод данных в терминал. Подготовка программного кода для автономной миссии с распознаванием цветных маркеров, выводом данных в терминал. Тестирование программ на физическом полигоне. Тема 6.3. Перемещение в заданные координаты. Распознавание QR-кода, вывод данных в терминал. Подготовка программного кода для автономной миссии с детектированием QR- кодов и цветных маркеров различной формы, знакомство с библиотекой pyZBar. Тестирование программ на физическом полигоне. Модуль 7. Захват и перенос груза. Тема 7.1. Настройка и калибровка захвата. Захват груза. Практическая работа:сборка и настройка электромагнитного захвата / сборка и настройка механического захвата. Тема 7.2. Захват, перенос и сброс груза.Практическая работа: отработка навыков пилотирования: захват, перенос и сброс груза. Модуль 8. Моделирование конструктивного узла квадрокоптера. Тема 8.1. Построение 3D объекта по чертежу.Основы создания чертежей и 3D моделей на примере создания модели конструктивного узла квадрокоптера. Тема 8.2. Постановка на 3D принтер. Изготовление изделия.Основы работы с 3D принтером: постановка, печать, постобработка изделия. Монтаж изделия на квадрокоптер, проверка работоспособности изделия. 3. Сведения о условиях для реализации учебного процесса Практические занятия должны проводиться в специализированной аудитории, оснащенной современными персональными компьютерами и программным обеспечением в соответствии с тематикой изучаемого материала. Число рабочих мест в аудитории должно обеспечивать индивидуальную работа обучающегося (или из расчета 1 персональный компьютер/ноутбук на слушателя курса) на отдельном персональном компьютере. Аудитория также должна быть оснащенной современным ПК с подключенным к нему проектором, для обеспечения трансляции видеотерминала на настенный экран, или аналогичным по функциональному назначению оборудованием. Материальное обеспечение программы включает в себя: 1. Персональные компьютеры с установленным необходимым ПО. 2. Учебные наборы квадрокоптера СОЕХ Клевер 4 WorldSkills Russia с дополнительными ремкомплектами. 3. Кабинет физики, помещение кружка робототехники или авиакружка, демонстрационная или образовательная лаборатория. Данные помещения должны быть оборудованы необходимыми инструментами и материалами, а также обеспечить рабочие места для пайки оборудованные согласно технике безопасности. 4. Преподавательский состав для работы с данным оборудованием должен иметь необходимую квалификацию, навыки и проводить работу с соблюдением требований техники безопасности. 5. Полетный куб с защитной сеткой (минимальный размер 3x3x3 м). № Наименование Тех. описание 1. Учебный набор квадрокоптера "СОЕХ Клевер 4 WorldSkills Russia" 2. Паяльная станция с феном 3. Дымоуловитель (Дымопоглотитель) настольный 4. Комплексный набор инструментов Мультиметр; Кусачки; MicroUSB - USB провод; Клеевой-Пистолет; Набор надвилей; Штангенциркуль; Плоскогубци; Вороток; Третья рука; 8мм накидная головка; Канцелярский нож; Большой пинцет; Маленький пинцет; Губка для паяльника; Паяльник TS100; Жало для паяльника TS100; Силиконовый коврик для пайки; Провод для паяльника Ts100; Lipo Пищалка; Ручка; Ножницы; Линейка металлическая; Рулетка; Плоскогубцы для моторов; Hex 1.5 Отвертка; Hex 2 Отвертка; Hex 2.5 Отвертка; Hex 3 Отвертка; Шлицевая отвертка; Крестовая отвертка; Отвертка торцевая М3 5. Ноутбук или Персональный компьютер Не ниже: Процессор Core i5-9300HF Тактовая частота 2.4 ГГц Максимальная тактовая частота 4.1 ГГц Количество ядер 4 Объем оперативной памяти 16 ГБ 6. Коврик для компьютерной мыши На усмотрение организатора 7. Компьютерная мышь На усмотрение организатора 8. Одноплатный портативный микрокомпьютер Raspberry Pi 4 Дополнительный расходный материал 9. Wi-Fi роутер Для обеспечения свободного доступа рабочих станций к сети интернет 10. Пилот, 6 розеток Не менее 6 розеток, длина шнура не менее 2 метров 11. Ремкомплект предназначенный для «COEX Клевер 4 WorldSkills Russia» На усмотрение организатора 12. Комплексный набор расходных материалов Припой оловянно-свинцовый ПОС 61 - 1 шт; Флюс - 1 шт; Очиститель жал паяльника - 1 шт; Набор термоусадочной трубки - 1 уп; Пропеллеры для мультикоптера с типоразмером 3050 - 1 уп; Пропеллеры для мультикоптера с типоразмером 5050 - 1 уп; Алкалиновые батарейки типа АА - 4 шт; Шлейф для камеры Raspberry Pi 3 model B+ 10см - 1 шт; Хомут пластиковый 3х200 мм - 50 шт; Литиевая аккумуляторная батарея, 4S, 2200 mah - 1 шт; Литиевая аккумуляторная батарея, 3S, 1600 mah - 1 шт; Салфетки тканевые для уборки - 1 уп; Телескопичный провод MicroUSB-USB длина не менее 50 см - 1 шт; Телескопический провод Type-C - 1 шт; Скотч двухсторонний - 1 шт; Изолента - 1 шт; Оплетка для пайки - 1 шт ; Провод для пайки 30 AWG - 4 цвета по 1 метру; Стержни для клеевого пистолета - 4 шт. 13. Очки защитные прозрачные Обеспечение ТБ при пайке элементов квадрокоптера. 14. Халат рабочий Обеспечение ТБ при пайке элементов квадрокоптера. 15. Перчатки Свойства: бесшовные вязаные перчатки из полиэстера с полиуретановым покрытием в области кончиков пальцев и ладонной части. 16. Набор первой медицинской помощи (аптечка) Кровоостанавливающие средства, бинты, вата и др.На усмотрение организатора. 17. Проводной интернет Для обеспечения свободного доступа рабочих станций к сети интернет необходимого оборудования 18. Электричество: 4 точки на 220 Вольт (не менее 2 кВт) - тройник Для обеспечения электропитания необходимого оборудования. 19. Трансформирующаяся модульная полетная зона Размер полетной зоны (ДxШхВ): 3х3х3м. Ячейка защитной сетки: 40х40мм. Поле аруко-меток. На не бликующей баннерной ткани, размер 2Х2м, не менее 8 aruco-меток Широкие возможности установки дополнительного навесного оборудования 20. Поле Aruco-меток Размер меток 33 см, метраж в зависимости от размеров полетной зоны 21. Стол учебный 22. Стул 4. Методическое обеспечение программы БУДУТ ДОПОЛНЕНЫ 5. Словарь терминов (глоссарий) БПЛА Беспилотный летательный аппарат. Примеры: квадрокоптер, гексакоптер, самолет, летающее крыло, конвертоплан (VTOL), вертолет. Квадрокоптер Беспилотный летательный аппарат с 4-мя винтами и электронной системой стабилизации. Мультикоптер Беспилотный летательный аппарат с электронной системой стабилизации и числом винтов, равным 3 (трикоптер), 4 (квадрокоптер), 6 (гексакоптер), 8 (октокоптер) или более. Полетный контроллер / автопилот 1. Специализированная плата, спроектированная для управления мультикоптером, самолетом или другим аппаратом. Примеры: Pixhawk, ArduPilot, Naze32, CC3D. 2. Программное обеспечение для платы управления мультикоптером. Примеры: PX4, APM, CleanFlight, BetaFlight. Прошивка Программное обеспечение, управляющее работой какого-либо устройства, например, полетного контроллера или регулятора мотора (ESC). Мотор Электродвигатель, который вращает винты мультикоптера. Обычно используются бесколлекторные электродвигатели. Такие двигатели подключаются к ESC. ESC / регулятор двигателя / "регуль" Electronic Speed Controller Специализированная плата, которая управляет скоростью вращения бесколлекторного электродвигателя. Управляется полетным контроллером при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ). ESC имеет прошивку, которая определяет особенности его работы. АКБ / аккумулятор / батарея Перезаряжаемый источник тока для БПЛА. В квадрокоптерах обычно применяются Li-po (литий-полимерные) аккумуляторы. Ячейка / "банка" АКБ Составная часть АКБ, непосредственный источник тока. Обычно АКБ для БПЛА состоят из нескольких (2–6) ячеек, соединенных последовательно. Максимальное напряжение одной Li-po ячейки – 4.2 В; общее напряжение АКБ равно суммарному напряжению ячеек. Количество ячеек обозначается буквой S, например: 2S, 3S, 4S. В Клевере обычно применяются аккумуляторы 3S или 4S Пульт / аппаратура радиоуправлени я / "аппа" Пульт для управления квадрокоптером, работающий по радиоканалу. Для работы пульта к полетном контроллеру необходимо подключить ресивер. Клевером, также, можно управлять со смартфона. Телеметрия 1. Передача данных о состоянии квадрокоптера или другого аппарата на расстояние. 2. Совокупность данных о состоянии аппарата, так таковая (высота, ориентация, глобальные координаты и т. д.). 3. Система для передачи данных о состоянии аппарата или команд для него по воздуху. Примеры: радиомодемы (RFD900, 3DR Radio Modem), Wi-Fi модули (ESP-07). Raspberry Pi на Клевере также может быть использован в качестве модуля для телеметрии: использование QGroundControl через Wi-Fi. Арминг Armed – состояние коптера готовности к полету. При поднятии стика газа либо при посылке внешней команды с целевой точкой – коптер полетит. Обычно коптер начинает вращать винтами при переходе в состояние "armed" даже если стик газа находится внизу. Противоположным состоянием является Disarmed. PX4 Популярный полетный контроллер с открытым исходным кодом, работающий на платах Pixhawk, Pix Racer и других. PX4 рекомендуется для использования на Клевере. Raspberry Pi Популярный одноплатный микрокомпьютер, использующийся в конструкторе Клевер. Образ SD-карты Полная копия содержимого SD-карты, представленная в виде файла. Такой файл можно загрузить на SD-карту, воспользовавшись специальной утилитой, например Etcher. SD-карта, вставленная в Raspberry Pi является единственным его долговременным хранилищем и полностью определяет, что он будет делать. Конструктор Клевер включает в себя рекомендованный образ для SD-карты. APM / ArduPilot Полетный контроллер с открытым исходным кодом, изначально созданный для платы Arduino. Впоследствии был портирован на Pixhawk, Pixracer и другие платы. MAVLink Протокол для взаимодействия дронов, наземных станций и других аппаратов по радиоканалам. Обычно именно этот протокол используется для телеметрии. ROS Популярный фреймворк для написания сложных робототехнических приложений. MAVROS Библиотека-связующее звено между аппаратом, работающем по протоколу MAVLink, и ROS. UART Последовательный асинхронный интерфейс передачи данных, применяемый во многих устройствах. Например, GPS антенны, Wi-Fi роутеры или Pixhawk. IMU Inertial measurement unit. Комбинация датчиков (гироскоп, акселерометр, магнитометр), которая помогает БПЛА рассчитывать ориентацию и положение в пространстве. Estimation Процесс определения ПО полетного контроллера состояния квадрокоптера: положения в пространстве, скоростей, углов наклона и т. д. Для этого используется смешивание данных с установленных датчиков и различные алгоритмы фильтрации, например фильтр Калмана. В прошивке PX4 есть два модуля для estimation'а: LPE и ECL EKF (EKF2). В прошивке APM эту функцию выполняет подсистема EKF2. 1. Учебно - методические материалы // COEX Clover Gitbook URL: https://clover.coex.tech/ru/metod.html (дата обращения: 15.07.2021). 2. Контрольные материалы // COEX Clover Gitbook URL: https://clover.coex.tech/ru/tests.html (дата обращения: 15.07.2021). 3. Теория и видеоуроки // COEX Clover Gitbook URL: https://clover.coex.tech/ru/lessons.html (дата обращения: 15.07.2021). 4. Проектная деятельность // COEX Clover Gitbook URL: https://clover.coex.tech/ru/projects.html (дата обращения: 16.11.2020). 5. Организация соревнований // COEX Clover Gitbook URL: https://clover.coex.tech/ru/events.html (дата обращения: 15.07.2021). 6. Гурьянов А. Е. Моделирование управления квадрокоптером. Инженерный вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. Журн. 2014. No8 Режим доступа: http://engbul.bmstu.ru/doc/723331.html (Дата обращения 15.07.2021) 1. Ефимов. Е. Программируем квадрокоптер на Arduino: Режим доступа: http://habrahabr.ru/post/227425/ (Дата обращения 15.07.2021) 2. Институт транспорта и связи. Основы аэродинамики и динамики полета. Рига, 2010. Режим доступа: http://www.reaa.ru/yabbfilesB/Attachments/Osnovy_ajerodtnamiki_Riga.pdf (Дата обращения 20.10.15) Понфиленок О.В., Шлыков А.И., Коригодский А.А. «Клевер. Конструирование и программирование квадрокоптеров». Москва, 2016. 3. Канатников А.Н., Крищенко А.П., Ткачев С.Б. Допустимые пространственные траектории беспилотного летательного аппарата в вертикальной плоскости. Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. No3. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/367724.html (дата обращения 17.04.2014). 4. Валерий Яценков: Электроника. Твой первый квадрокоптер. Теория и практика;. http://www.ozon.ru/context/detail/id/135412298/ 5. Л. Шапиро, Дж. Стокман Компьютерное зрение / Бином. Лаборатория знаний, 2006, 752с, ISBN 5-94774-384-1, ISBN 0-13-030796-3 1 2 |