Обучение дронам

Дрон как образовательный продукт

Как образовательный продукт мы часто встречаем понятие мультикоптер. Дрон — беспилотный летательный аппарат. Но что же это такое мультикоптер? Это летательный аппарат, построенный на вертолетной схеме с тремя и более несущими винтами. Но чаще всего используется именно квадрокоптеры. Квадрокоптер это дрон, который имеет 4 мотора. Обучение дронам охватывает ряд направлений. Как вообще они работают?

Оператор генерирует радиосигнал, и этот радиосигнал поступает в полетный контроллер. Его называют «мозги квадрокоптера». После этого по четырем каналам управления сигнал поступает на моторы и, они начинают вращение. Двигатели крутятся в разные стороны для стабилизации коптера, регулируя скорость двигателей. Вы можете совершать взлет, посадку или полет.

Об истории

Откуда вообще возникло такое понятие как коптер?  Часто технические новинки сначала применяется в военных целях, а затем переходят в мирное русло. Коптеры прошли этот путь.

1922 году был спроектирован квадрокоптер. Тогда его называли вертолет, но он имел сложную трансмиссию, и для того, чтобы полететь, ему нужен был попутный ветер. Поэтому испытания прекратились. Позже также были попытки изобретения дронов для военных целей, но прототип именно современных коптеров, которые мы видим сейчас,  пояился именно в 2006 году, когда в Германии был представлен микрокоптер. Развивалась электроника, и был изобретен полетный контроллер, который управляет коптером. Соответственно, это дало сильный толчок к развитию того, что мы сейчас видим.

Очень часто коптеры воспринимают как просто объект, на котором установлена камера. Но на самом деле, сейчас беспилотные летательные аппараты применяются практически везде и уже тестируются и используются коптеры, которые способны перевозить человека. Возможно, в будущем, когда вы поднимите глаза к небу, то выв увидите в небе множество аэротакси.

Коптеры в образовании

Помимо этого коптеры получили широкое распространение именно в образовании. Они используются в школах, в дополнительном образовании, в колледжах и университетах. Кто бы мог подумать, что можно хорошо объяснить физику, математику или информатику, используя дрон. В университетах также есть специальные направления. Также открываются лаборатории, в которых используются беспилотники, и там ребята делают свои собственные проекты. Такие лаборатории есть в МИСиС. В Московском Политехе есть курс, в котором используется коптеры.

Дроны различаются по конструкции. По количеству винтов мы можем встретить трикоптеры, в которых соответственно три винта, квадракоптеры —  4 винта, гексакоптеры, у которых 6 винтов, и октакоптеры, у которых 8 двигателей. Также дроны отличаются по размеру. Некоторые дроны помещаются в ладошку человека,  а есть огромные промышленные изделия.

А вот средние дроны небольшого размера мы используем в образовательных целях.

Навыки для эксплуатации дронов

Перечислим навыки, которые нужны для эксплуатации дронов:

• Во-первых, это сборка. При сборке мы учитываем размер. Большие дроны, малые дроны или совсем-совсем крошечные. Также мы учитываем полезную нагрузку. Туда может входить камера или какие-то 3D-детали. Для сборки необходимо иметь навыки проектирования и диагностики.
• Пайка нужна для того, чтобы соединить детали между собой. Так, если хорошо приглядеться и посмотреть на внутренности дрона, то на коннекторах также может использоваться именно пайка.
• Помимо этого важно знать схемотехнику, чтобы понимать, как соединить детали и компоненты коптера.
• Навыки решения проблем. Очень часто в техподдержку пишут пользователи. Соответственно человек, который занимается эксплуатацией дронов, должен понимать и решать такие проблемы.
• Нужно освоить 3D-прототипирование. Очень часто бывает, что при полетах у вас повредилась какая-то деталь.  Соответственно вы можете взять какой-то 3D-редактор и создать модель. После этого распечатать ее на принтере. И вот у вас уже готова замена к сломанной детали.
• Следующий навык, который необходим при сборке, это обслуживание техники.  Даже есть профессия —  оператор беспилотных авиационных систем. Требуется специалисты,  которые могут именно подготовить дрон к автономному полету. Также они должны следить, как коптер  выполняет решение той или иной задачи.
• Помимо этого важный навык это выбор компонентов. Когда вы собираете образовательный дрон и у вас есть конструктор и необходимые детали, вы можете использовать другие компоненты. И важно понимать, как они связаны между собой, чтобы собрать полноценный коптер.

FPV-полёты

FPV (First Person View) — это управление коптером от первого лица. И здесь важны такие навыки как быстрая реакция, знание аэродинамики пилотирования, а также знания воздушного пространства и его законов.

Программирование

Следующая группа навыков связана с программированием. Все мы понимаем, что будущее за автономностью. Необходимо выполнять автономные полеты – это запуск группы беспилотников, обработка данных. Здесь очень важны знание программирования, знание машинного зрения. И еще один навык это знание фреймворка ROS — это набор утилит, библиотек, соглашений, который упрощает разработку сложного программного обеспечения для различных робототехнических платформ.

Школьные предметы и разделы

Если говорить о предметных областях, то здесь затрагиваются предметы физика, информатика и технология.

В физике затрагиваются разделы механики, тепловые явления, а также электромагнитные явления.

Предмету информатика соответствуют такие разделы как математические основы, алгоритмы программирования, программные системы и сервисы.

Предмет технология включает разделы: современные технологии, технологическая культура.

 Профессии

После того, как вы освоили предметную область, можно изучить такие профессии как эксплуатация беспилотных авиационных систем, разработчик и инженер-конструктор.

Давайте остановимся на профессии эксплуатанта беспилотных авиационных систем.  Рассмотрим профессиональные навыки специалиста, которые отражены спецификации Стандарт.

• Итак, первый навык — это проектирование, моделирование и изготовление новых модификаций и отдельных узлов беспилотных летательных аппаратов.
• Второй навык — это использование полезной нагрузки в соответствии с полетным заданием.
• Третий навык — это техническая эксплуатация беспилотных авиационных систем. Здесь подразумевается, что специалист может производить монтаж отдельных узлов, сборку диагностику и устранение неисправности аппарата.
• Следующий навык — это знание способов воздушной транспортировки груза.
• Дальше это пилотирование в любых условиях, то есть визуальную и в очках fpv. Визуально, когда мы берем в руки радиоаппаратуру и видим перед собой коптер, мы можем сделать в воздухе различные фигуры. Этот навык очень важен перед тем, как вы будете тестировать автономный полет. Чтобы при необходимости перейти на ручное управление вашим БПЛА.
• Еще один вид пилотирования это в очках. Полет от первого лица, когда специалист видит то, что видит камера коптера. Например, можно производить мониторинг с помощью fpv.
• Следующий навык — это настройка всех систем.
• Затем очень важно иметь навык программирования автономного полета и систем управления.
• Ну и последний навык — это сбор и анализ информации о технических новинках и применение этих новинок. Это тоже очень важный навык, потому что он нужен всем специалистам. И не только данного направления.

Обучение дронам учащихся школ

Что делают учащиеся школ и дополнительного образования в области БПЛА? Первое, с чего начинают занятия — это сборка. Важно собрать все компоненты вместе и проверить работоспособность собранной системы. Также важна настройка полетного контроллера, где мы подбираем необходимые параметры, а также калибруем датчики, которые входят в полетный контроллер. После того, как собрали и настроили коптер, школьники совершают первый полет.

После того, как учащиеся освоили навык визуального пилотирования, самое время переходить к программированию. Здесь уже можно научиться отправлять дрон в автономную миссию, когда он будет летать по заданным координатам и на поле распознавать какие-то метки.

После того как обучение дронам состоялось, оказались освоены главные принципы сборки, настройка и  программирования полета, школьники могут выбрать дальнейшее свое развитие. Это либо участие в соревнованиях, либо участие в собственных проектах.

Какие существуют соревнования по дронам? На самом деле их множество. Это Wordskills,  олимпиада «Я — профессионал», олимпиада «Иннополис» по робототехнике,  фестиваль «От винта!» и другие.  Их объединяет то, что  везде используются коптеры.  И они используются для применения в той или иной сфере,  то есть на полигоне создаются условия для практических задач, и участники пробуют их решать. Обычно это происходит в течение нескольких дней. Здесь как раз понадобятся те инженерные знания, которые ребята приобрели.

Также приведем примеры реализации проектов школьников. Учащиеся сделали проект по управлению коптером с помощью перчатки или с помощью позы. Здесь используется алгоритм компьютерного зрения, распознавание и определение лица. Существуют инженерные проекты. Зарядная станция для коптера, которая автоматически заряжает его аккумуляторы.

Из чего состоит коптер

Существуют модульные наборы для коптеров. С помощью них мы можем по модулям собрать и с помощью коннекторов соединить уникальный коптер. Такие наборы позволяют узнать, как работает в принципе дрон. Также с помощью этих наборов можно совершать полеты или программировать.

Из чего состоят такие наборы.  Во-первых, это двигатели. В дронах в основном применяется бесколлекторные двигатели. Особенности этого двигателя в том, что нужны специальные электронные регуляторы оборотов. Они созданы для того, чтобы регулировать скорость вращения мотора. Помимо этого, самая главная часть дрона — это полетный контроллер. Он как раз отвечает за ориентацию и за полет и вообще за всю систему. Помимо этого есть то, на чем в принципе все держится — это рама. Например, может использоваться карбоновая рама. Также ее можно делать из пластика, алюминия или даже из дерева. В конструкцию рамы выходит защита винтов. Очень важная часть — это радиоаппаратура, которая включает в себя приемник с антенной, а также передатчик. В качестве передатчика используется пульт. Для того, чтобы в принципе завести всю систему нужна какая-то энергия. Ее мы берем мы берем из электрического аккумулятора. Итак, двигатели, пропеллеры, рама, полетный контроллер и аккумулятор – то, что нужно для совершения полета.

В коптерах установлены следующие элементы, полезные для программиста —  это лазерный дальномер, для того чтобы определять расстояние до пола. Также одноплатный компьютер Raspberry с камерой, которые нужны для того, чтобы осуществлять навигацию, используя технологии компьютерного зрения.

Принцип работы дрона

Как это работает: платформа позволяет использовать разные языки для того, чтобы запрограммировать автономный полет дрона. Чаще всего программа для автономного полета пишется на языке Python. Программа может получать телеметрию — это заряд батареи, ориентацию, расположение и так далее. Она отправляет команды, устанавливает ориентацию, угловую скорость и так далее. Платформа работает на фреймворке ROS и обеспечивает связь между пользовательской программой и сервисами, которые запущены для связи с полетным контроллером. Используется пакет Maps для автономного полета.

В случае необходимости прерывания автономного полета необходимо перевести дрон в любой другой режим, используя стик переключения режимов на радиоаппаратуре. Есть дополнительное оборудование — это светодиодная лента, которая позволяет нам сигнализировать, например, о какой-то проблеме коптера.  Также есть порты GPIO. К ним можно подключить сервопривод и дополнительно можно подключить, например, ультразвуковой дальномер или камеру. Важно отметить, что для образовательного продукта важны инструкции потому, как работать с оборудованием. Также очень важна безопасность.

Изучив дрон в образовательной организации, вы можете собрать его с помощью конструктора, посмотреть, как все работает, научиться им управлять, программировать, подключать дополнительную периферию.  Эти знания можно отражать в реальных задачах и практических проектах.