ОТКРЫТАЯРЕСПУБЛИКАНСКАЯ УЧЕБНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИя
ПРОЕКТНЫХ РАБОТУЧАЩИХСЯ
«ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕЗАКОНЫ
И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ НАУКИ»
Секция2 «Программирование, 3D-моделирование, прототипирование, изобретение,компьютерный дизайн 5-11 класс».
Проект
«Программирование квадрокоптеров
Geoscan Pioneer mini»
Подготовил кадет 10 класса
МБОУ «СОШ №5» Рузаевского
муниципального района
Сабиржанов Владислав Денисович
Руководитель проекта: Говрякова Екатерина Викторовна,
учитель математики и информатики
МБОУ «СОШ №5»Рузаевского муниципального района
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
|
ВВЕДЕНИЕ |
|
|
ГЛАВА 1. Теоретическая часть |
|
|
1.1 История создания беспилотных летательных аппаратов |
|
|
1.2 Использование квадрокоптеров |
|
|
ГЛАВА 2. Практическая часть |
|
|
2.1 Способы управления дроном Геоскан Pioneer mini |
|
|
2.2 Программирование Геоскан Pioneer mini на Python |
|
|
ЗАКЛЮЧЕНИЕ |
|
|
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ |
|
ВВЕДЕНИЕ
Квадрокоптер (дрон) — беспилотный летательный аппарат (БПЛА) изначально военного, главным образом разведывательного назначения, разновидность военного робота. Сегодня дроны активно помогают человеку во многих областяхдеятельности, начиная со сферы развлечений и заканчивая операциями по спасениюлюдей.
Совсемнедавно в нашей школе №5 открыли Центробразования цифрового и гуманитарного профилей «Точка роста». Вшколу поступило новое оборудование, среди которого есть и квадрокоптеры. Назанятиях кружка «Технологии управления БПЛА» я впервые познакомился сквадрокоптерами Геоскан Pioneer miniи Coex Clever4 Pro,и заинтересовался их программированием.
Актуальность:В режиме самоизоляции большинство людей остаются в своих домах, но какобеспечить себя едой, средствами защиты, бытовой химией и даже развлечениямитак, чтобы не просто минимизировать, а совсем исключить контакты с другимилюдьми? Программирование дронов может помочь в этом, и один из самыхвостребованных вариантов их использования сегодня — это доставка,например, жизненно необходимых лекарственных имедицинских средств.
Гипотеза:программирование малых квадрокоптеров позволяет использовать дроны с цельютранспортировки грузов в зоны карантина или труднодоступные районы.
Предметисследования: квадрокоптер ГеосканPioneer mini.
Объектисследования: Робототехника.
Цельисследования: Разработать программу дляквадрокоптера Геоскан Pioneer mini,применить его на практике для транспортировки лекарственных средств.
Дляэтого мне нужно решить задачи:
1. Собрать, изучить, систематизироватьинформацию о БПЛА.
2. Изучить способы применения квадрокоптеровГеоскан Pioneer mini.
3. Написать программу для полета квадрокоптераГеоскан Pioneer miniс грузом.
4. Осуществить на практике доставку лекарственныхсредств в одном помещении.
При написании работы использовались следующие методы научногоисследования:
1. Теоретический анализ.
2. Реферирование информационныхисточников.
3. Эмпирический методисследования (эксперимент).
ГЛАВА1.Теоретическая часть
1.1. История создания беспилотных летательныхаппаратов
Первые дистанционно управляемые роботы появились очень давно.Начать, хотя бы, с изобретения Никола Теслы: 1889 год, первое в историичеловечества миниатюрное радиоуправляемое судно. Спустя тридцать лет успехученого повторил американец Чарльз Кеттеринг, взявший за основу наработкизнаменитых братьев Райт
Беспилотный летательный аппарат (БПЛА, дрон, беспилотник) –летательный. Обладают разной степенью автономности: от дистанционно управляемыхдо полностью автоматических. Изначально дронами называли военные беспилотники,но в современном обиходе к ним относят и обычные коптеры.
Первыйквадрокоптер, который реально оторвался от земли и мог держаться в воздухе, былсоздан Георгием Ботезатом и испытан в 1922 году.
Недостаткомэтих аппаратов была сложная трансмиссия, передававшая вращение одного мотора нанесколько винтов. Изобретение хвостового винта и автомата перекоса положилоконец этим попыткам. Новые разработки начались в 1950-е годы, но дальшепрототипов дело не продвинулось.
Новоерождение квадрокоптеры получили в XXI веке уже как беспилотные аппараты.Благодаря простоте конструкции квадрокоптеры часто используются в любительскоммоделировании. Они способны летать влюбую погоду, могут держаться в воздухе до часа, управление осуществляется нарасстоянии до нескольких километров.
1.2 Использование квадрокоптеров
Созданиеи использование беспилотных летательных аппаратов – квадрокоптеров –стало серьезным прорывом в области интеллектуальных достижений. Инновации использованыво всех элементах этих устройств: от современных композитных материалов доновейшего навигационного оборудования.
Взависимости от размеров и заложенных программ квадрокоптеры имеют разноеназначение. Отсюда и различные варианты их применения. Наиболее крупные исерьезные модели используются в армии – они снабжены фиксированными крыльями итребуют коротких взлетно-посадочных полос. Есть агрегаты, которые применяют длягеографической съемки местности, борьбы с браконьерством и в метеорологическихцелях. Дроны меньших размеров используют технологию вертикального взлета ипосадки. А совсем-совсем миниатюрные модели запускаются с ладони.
Ещесовсем недавно летающие в небе квадрокоптеры казались всего лишь детскойигрушкой, а сегодня мы часто считаем их единственным средством, способнымпомочь людям в сложной ситуации.
Длятого, чтобы реально оценить преимущества применения дронов, можно рассмотретьпопулярные и необычные способы их использования:
1. доставка товаров;
2. помощник в журналистике;
3. транспортировка медикаментов;
4. спасение жизней;
5. инспектирование нефтяных вышек;
6. наблюдение за дикой природой;
7. борьба с преступностью;
8. помощь во время катастроф;
9. помощь фермерам;
10. съемка спортивных событий;
11. охрана национальных границ;
12. спасение планеты;
13. папарацци;
14. съемка фантастических материалов.
В ручном режиме, управление квадрокоптеромосуществляется с помощью мобильного приложения для смартфонов «Geoscan Jump».
Для успешного старта:
1. Полностью зарядите аккумулятор квадрокоптера и проверьте зарядбатареек в джойстике, а также смартфоне.
2. До упора вставьте аккумулятор в отсек в нижней частиквадрокоптера.
3. Убедитесь что на квадрокоптере нет заметных повреждений.
4. Подключитесь к квадрокоптеру через Wifi сеть.
5. Убедитесь, что появился видеопоток с камеры квадрокоптера;
6. Прозвучит звуковой сигнал и на квадрокоптере загорятсясветодиоды.
7. Дождитесь пока светодиод статуса не начнет мерцать.
8. Запустите моторы. Для этого нажмите кнопку «Старт».
9. Дождитесь пока все винты начнут вращаться и плавно взлетайте. Вовремя полета соблюдайте правила эксплуатации. Не допускайте паденияквадрокоптера.
10.После полета остановите моторы. Для этого нажмите кнопку «Стоп».
1.3Безопасность эксплуатации
«Пионер» предназначен для эксплуатации в помещении при температуреокружающей среды от 0 до +40 °С и относительной влажности не более 80%.Квадрокоптер не предназначен для полетов в условиях выпадения дождя, снега ипри порывистом ветре. Для безопасной эксплуатации «Пионера Мини» соблюдайтеследующие правила:
· Перед полетом убедитесь, что над квадрокоптером нет препятствий.
· Соблюдайте дистанцию не менее 2 метров от летающегоквадрокоптера.
· Обращайте внимание на провода и тросы, натянутые на высоте. Повозможности не взлетайте в таких местах.
· Сильный или порывистый ветер может опрокинуть или сбитьквадрокоптер с курса. Допустимой считается скорость ветра до 5 м/с. Помните,что при наборе высоты ветер может менять скорость и направление.
· Не запускайте выполнение программы с элементами полета приподключенном проводе USB. Если необходима калибровка ESC — демонтируйтепропеллеры.
· Перед каждым полетом проверяйте целостность пропеллеров. Полет сгнутым или разрушенным пропеллером может привести к повреждению квадрокоптера.
· При полётах квадрокоптера необходимо строго соблюдать требованиядействующего законодательства, регулирующего использование воздушногопространства и проведение фото- и видеосъемки с использованием квадрокоптера.
· В зоне полётов не должно быть людей и животных.
· Не упускайте квадрокоптер из поля зрения.
· Недопустимы полёты вблизи линий электропередач, вышек сотовойсвязи, мест скопления людей, железнодорожный путей и автомобильных дорог.
· Перед полётом осмотрите квадрокоптер и убедитесь в отсутствиимеханических повреждений и неисправностей.
В качестве источника энергии «Пионер Мини» использует LiPoаккумулятор емкостью 1100 мАч. Батареи такого типа легкие и мощные, но могутбыть пожароопасны при неправильной эксплуатации
При зарядке
1. Для зарядки выберете негорючую поверхность вдали отлегковоспламенимых предметов (шторы, ковры, мягкая мебель)
2. Осмотрите аккумулятор, на нем не должно быть вмятин, бугров,разрывов оболочки.
3. Соблюдайте полярность при подключении.
4. Не ставьте только что разряженный аккумулятор, дайте ему остытьдо комнатной температуру, и только после этого ставьте на зарядку.
5. Дождитесь полной зарядки аккумулятора и отключите его отзарядного устройства. Нельзя оставлять заряжающийся аккумулятор без присмотра!
ГЛАВА2. ПРАКТИЧЕСКАЯЧАСТЬ
2.1Способы управления дроном ГеосканPioneer mini
Геоскан «Пионер мини» — это базовыйучебно-методический комплекс для первого знакомства с автономными летательнымиаппаратами.
С «Пионером Мини» вы сможете:
· Получить базовые навыкипилотирования;
· Ознакомиться с устройством ипринципом работы квадрокоптера;
· Изучить на реальном примерефизику полёта;
· Научиться программироватьэлектронные устройства;
· Освоить новое интересноехобби.
Преимущества:
· Полностью автономный полет попрограмме;
· Учебно-методическое пособиедля учителей и учеников;
· Возможность управления смобильных устройств;
· Возможность установкидополнительных модулей;
· Небольшой вес и размер,простая сборка;
· Поворотная фото/видео камера;
· Поддержка ультразвуковой (УЗ)и инфракрасной (ИК) систем навигации в помещении;
· Широкие возможности для программированияблагодаря ESP-32;
· Возможность зарядкиаккумулятора через micro-USB, не вынимая из коптера.
Кроме полета на дистанционном управлении,«Пионер» может следовать заложенной перед взлетом программе и автономновыполнять прописанные задачи. Для удобства программирования квадрокоптерподдерживает работу с такими инструментами как Pioneer Station и TRIK Studio, которыепозволяют сформировать полетное задание и загрузить его в память «Пионера» приподключении к компьютеру. В этой исследовательской работе я применил навыки работыс квадрокоптером через интерфейс обеих систем, рассмотрел примеры полетныхсценариев и узнал как программировать простейшие подключаемые модули.
2.2 Визуальноепрограммирование TRIK
Графическая среда TRIK Studio позволяет составлять программы дляроботов, используя наглядные функциональные блоки. Такой подход значительноупрощает работу с «Пионером». Даже не имея опыта программирования, вы сможетенаписать задание, загрузить его на квадрокоптер и осуществить запуск.
Создание программы вTRIK Studio
При первом запускепрограммы создайте новый проект (кнопка в левом верхнем углу). Чтобы начатьсоздавать программу, достаточно перетащить нужные блоки действия из «Палитры»на диаграмму поведения робота, а затем соединить их между собой.
Основыработы с TRIK Studio
· Каждая программа должнасодержать блоки «Начало» и «Конец». В случае ветвления программы каждая ветвьдолжна либо вернуться в основное дерево, либо заканчиваться блоком «конец».
· Для соединения двух блоковнаведите курсор мыши на первый, нажмите и удерживайте правую кнопку мыши, протянителинию до второго и отпустите. Появившаяся на диаграмме стрелка означает, чтодва блока логически связаны. Также можно выбрать нужный блок и захватить левой кнопкой мыши появившийсясправа от него маркер, протянув до следующего блока и отпустив.
· Настроить выбранный блок можнов окне «Редактор свойств».
· Чтобы удалить ненужный блок,выберите его щелчком левой кнопки мыши и нажмите del.
· Если нужно выбрать сразунесколько блоков, их можно обвести рамкой, зажав левую кнопку мыши и потянувкурсор. Также можно выделять блоки по одному, зажав ctrl.
· На диаграмме не должнооставаться красных стрелок и неподключенных блоков. Для удобства старайтесьвыстраивать диаграмму в направлении слева направо и сверху вниз.
Блоки, используемые дляпрограммирования «Пионера»:
· Условие — позволяет создать два сценария действия «Пионера» взависимости от заданного логического условия. У блока должны быть две исходящиесвязи, в одной из которых в редакторе свойств должно быть назначено значениепараметра «условие» (истина или ложь)
· Конец условия — обозначает слияние двух веток условного оператора. Никакихдействий не выполняет, но полезен для обеспечения структурности программы.
· Инициализация переменной — позволяет объявить новую переменную. В редакторе свойствили прямо на диаграмме задается имя переменной и ее значение.
· Случайное число — присваивает выбранной переменной случайное значение извыбранного диапазона.
· Комментарий — позволяет включить в программу текстовые пояснения,упрощающие понимание структуры участка или конкретного блока.
· Таймер — задает время ожидания перед выполнением следующего блокапрограммы в миллисекундах.
· Взлет, Посадка -команды начала и завершения полета.
· Лететь в точку — указывает координаты точки, в которую полетитквадрокоптер. Координаты вводятся без точек и запятых в строки широты идолготы. Строка «высота» отображает расстояние (в метрах) от поверхности вконечной точке полета.
· Лететь в точку(ЛК) — команда аналогична предыдущей, но точка назначениязадается в локальных координатах. За точку отсчета (0,0,0) принимается местовзлета. Значения координат задаются в метрах.
· Светодиод — управляет работой светодиодов на плате «Пионера». Меняязначения для каждого цвета, можно зажигать светодиоды по одному или в различныхкомбинациях. В паре с блоком «Таймер» можно задать длительность свечения.
· Магнит — управляет работой модуля захвата груза.Чтобы включить магнит, поставьте галочку в чекбоксе значения свойств блока.
· Команда — позволяет выполнить написанную в свойствах команду. Длянаписания команды используется язык Lua. Длявыполнения команды поставьте галочку в чекбоксе.
· Рыскание — управляет изменением направления полета «Пионера» вокругвертикальной оси. Для поворота по часовой стрелке задайте значение угла вградусах со знаком «минус».
Комбинируя блоки междусобой и создавая связи меду ними, вы сможете создать любую полетную программудля «Пионера»
2.3 Pioneer Station
Программа Pioneerstation — это удобный инструмент работы с квадрокоптером. Онапозволяет:
· Обновлять прошивку квадрокоптера
· Настроить параметры автопилота
· Разрабатывать и загружать полетные задания
· Запускать скрипты длятестирования
Подробнее программирование на Pioner Station рассмотрим в практической части.
2.4 Программированиена Lua
Стандартный набор«Пионера» позволяет программировать светодиоды и формировать полетное задание.В зависимости от уровня пользователя предлагается два варианта программирования«Пионера»:
Упрощенное визуальнопрограммирование полетного задания «Пионера» в ПО TRIK Studio
Продвинутоепрограммирование полетного задания «Пионера» на языке Lua
Также основы языка Luaприведены в файле Learnlua.lua в папке pioneer station/examples. Откройте его спомощью Pioneer Station и ознакомьтесь с синтаксисом и базовыми командами.
Пример скрипта
local boardNumber = boardNumber
local unpack = table.unpack
local points = {
{-0.6, 0.3, 0.2},
{0.6, 0.3, 0.2},
{0, 0, 0.5},
{0.6, -0.3, 0.2}
}
local curr_point = 1
local function nextPoint()
if(#points >= curr_point) then
ap.goToLocalPoint(unpack(points[curr_point]))
curr_point = curr_point + 1
else
ap.push(Ev.MCE_LANDING)
end
end
function callback(event)
if(event == Ev.TAKEOFF_COMPLETE) then
nextPoint()
end
if(event == Ev.POINT_REACHED) then
nextPoint()
end
end
local leds = Ledbar.new(1)
local blink = 0
leds:set(0,1,1,1)
timerBlink = Timer.new(1, function ()
if(blink == 1) then
blink = 0
else
blink = 1
end
leds:set(0, blink, 0, 0)
end)
timerBlink:start()
ap.push(Ev.MCE_PREFLIGHT)
Timer.callLater(1, function() ap.push(Ev.MCE_TAKEOFF) end)
2.5 ПрограммированиеPioneer station
Интерфейс программыпри запуске без подключенного «Пионера»:
В верхней части окнапрограммы представлено Главное меню, в котором производитсяобновление Pioner station и прошивки автопилота. Также в Главномменю производится настройка модема. В центральной части расположеныкнопки запуска/остановки программы и остановки моторов. В правой части окна -индикатор подключения. После подключения в нем будет отображаться номерквадрокоптера и заряд аккумулятора. В центральной части окна располагаютсяокна: Редактор кода и Настройка параметров автопилота.
Разработанный программный код в Pioner Station
— переменная текущего состояния
local curr_state = START
— таблица функций, вызываемых в зависимости отсостояния
action = {
[START] = function(x)
ap.push(Ev.MCE_PREFLIGHT)
sleep(2)
ap.push(Ev.MCE_TAKEOFF)
— переход в следующее состояние
curr_state = _GEO_LANDING_1
end,
[_GEO_LANDING_1] = function (x)
ap.push(Ev.MCE_LANDING)
— переход в следующее состояние
curr_state = _FINAL_NODE_1
end,
[_FINAL_NODE_1] = function (x)
— выключение двигателей и конец программы
ap.push(Ev.ENGINES_DISARM)
curr_state = NONE
end,
}
— функция обработки событий, автоматическивызывается автопилотом
function callback(event)
if (event == Ev.ALTITUDE_REACHED) then
action[curr_state]()
end
if (event == Ev.POINT_REACHED) then
action[curr_state]()
end
if (event == Ev.COPTER_LANDED) then
sleep(2)
action[curr_state]()
end
end
— вызов функции из таблицы состояний,соответствующей первому состоянию
action[curr_state]()
2.6Программирование на TRIC
2.7.Результаты исследований
В ходе испытаниябыл произведен запуск квадракоптера Pioner Miniс помощью ручного и программного управления. Ручное управление отличаетсянесбалансированностью полета и резкими перепадами высоты при движении, однакообладает значительным преимуществом: человек во время управления легко можетучесть возникающие ситуации, преграды в ходе эксперимента. Программируемыйполет более жесткий в плане реакции на внешние условия, однако перемещениеквадракоптера происходит более плавно, по заданной траектории.
При транспортировкелекарственных средств, среди которых могут быть и ампулы, важно оберегать грузот возможных повреждений, поэтому программируемый полет в данном случаеявляется предпочтительным.
Программированиеквадракоптера возможно при использовании программного кода Pioner Stationили визуального программирования в системе TRIC.Обе системы могут использоваться на равных, в зависимости от предпочтенийпользователя.
В ходеэксперимента был проведен запуск квадрокоптера с помощью программного кода Pioner Station.Полет был ровным и стабильным. При запуске квадракоптера с программным кодом TRICвозникли проблемы с контролерами полета, но их удалось решить. Погодные условияне позволили совершить реальную доставку лекарственных средств заказчику, таккак модель квадрокоптера Pioner Miniоказалась плохо управляемой при сильных порывах ветра.
Во время полетаквадрокоптера с ручным управлением были сделаны фотографии с помощью встроеннойкамеры дрона. Качество фотографий на малом квадрокоптере среднее, но вдальнейшем, для отчета о получении груза заказчиком вполне достаточное.
Если рассматриватьтранспортировку грузов, то основным недостатком малых квадракоптеров, я считаю,будет являться низкий заряд аккумулятора. Батареи малого квадрокоптера хватаетна 30-40 минут активного полета, включая время настройки и отладки контролеров.
В дальнейшем япланирую заняться программированием полета квадрокоптеров с помощью скриптовсистемы Luaи программированием БПЛА среднего размера, которые могут ориентироваться погеометкам.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Всложившейся эпидемиологической ситуации в мире особенно значимую роль сталииграть забота о ближних, о их здоровье и благополучии. У людей не всегда естьвозможность лично помочь пострадавшему человеку. В такой ситуации огромнуюпользу могут принести БПЛА. Доставка еды, лекарств, аппаратуры и прочих необходимыхвещей может быть осуществлена без непосредственного контакта людей. Все что дляэтого нужно – суметь запрограммировать дрон.
Входе исследовательской работы я подтвердил выдвинутую гипотезу о возможностииспользования БПЛА с целью транспортировки грузов в зоны карантина илитруднодоступные районы. Испытания проводились на малом учебном квадрокоптере ГеосканPioneer mini.
Основнаяцель исследования выполнена: разработана программа для квадрокоптераГеоскан Pioneer mini,проведен тестовый запуск квадрокоптера с грузом. Не удалось применить его напрактике для транспортировки лекарственных средств из-за нестабильности полетаэтой модели квадрокоптера при ветренной погоде. Однако, можно сделать вывод овозможности совершения подобных транспортировок с моделями оснащенныминеобходимыми контролерами полета.
Список ЛИТЕРАТУРЫ
1. Все новости о дронах [Электронный ресурс] URL: http://protello.com/top-budget-quadcopter/(дата обращения: 14.01.2020)
2. Википедия – свободная энциклопедия [Электронныйресурс] URL:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B5%D1%80 (дата обращения: 10.01.2020)
3. ДроноМания. Онлайн журнал о дронах[Электронный ресурс] URL: https://dronomania.ru/faq/istoriya-razvitiya-dronov.html (дата обращения: 20.01.2020)
4. Хабр. Сообщество ITспециалистов [Электронныйресурс] URL: https://habr.com/(датаобращения: 18.01.2020)
5. https://trends.rbc.ru/trends/industry/5f0f36809a794761ccf8a89e
6. https://www.moyo.ua/news/16_unikalnyh_sposobov_primeneniya_kvadrokopterov.html
