IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

1. Теоретическая часть

1.1 Кварокоптер

Дроны относятся к классу беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Их преимущество в том, что эти машины могут подниматься в воздух без пилотов, а управляться через программное обеспечение.

Существуют несколько видов мультикоптеров которые различают по количеству винтов/моторов.

Помимо квадрокоптера выделяют:

трикоптеры — 3 винта;

гексакоптеры – 6 винтов;

октокоптеры – 8 винтов

Квадрокоптер (коптер, квадролет) — это самый простой вид мультикоптера, который приводится в движение 4-мя двигателями, с установленными на них винтами. Двигатели, которые расположены на лучах рамы напротив друг друга, вращаются в разные стороны – 2 по часовой стрелке, два – против. Таким образом создается подъемная тяга.

1.2 Для чего нужен квадрокоптер

Дроны используются во многих областях, и более того, нет конца их достоинствам, когда дело доходит до их возможностей.

Пожарные могут управлять дронами, чтобы найти живых в горящем здании. Кроме того, беспилотные транспортные средства занимается мониторингом лесных пожаров.

Поисково-спасательные и аварийно-спасательные миссии с дронами.

Концепция гуманитарной помощи в исследовании стихийных бедствий.

Геодезия и ГИС (картография). Используя многоспектральные камеры и лазерные сканеры, БПЛА способны создавать высококачественные трехмерные карты.

Использование в военных целях.

Грузовые дроны могут играть ключевую роль в курьерских службах, розничных операциях и гостиничных объектах, которые выполняют услуги доставки определенных товаров. Они могут создать безопасную, экологически чистую и быструю перевозку грузов по воздуху. Например, голландский студент Алек Момонт, разработал дрон скорой помощи, оснащенный дефибриллятором, а каждая сэкономленная минута в доставке устройства увеличивает выживаемость на 10%.

Многие системы, такие как линии электропередач, ветряные турбины и трубопроводы, могут быть проверены беспилотными летательными аппаратами.

Подходят для мониторинга общественных событий, протестов или любых подозрительных случаев, не будучи услышанным и замеченным.

Помогают ученым в исследовательских работах при наблюдениях за различными случаями в природе. Например, квадрокоптеры используются для документирования археологических раскопок, при ядерных авариях (измерение загрязнений), в наблюдениях за ледниками, извержениями вулкана и т. д.

С помощью дрона, оснащенного HD-камерой, вы можете делать захватывающие фотографии и снимать кадры отличного качества с неба.

Кроме этих основных областей применения, дроны также используются в машиностроении, строительстве и предстроительных работах, авиации, мореходстве, маркетинге, недвижимости (как жилой, так и коммерческой), страховании, коммунальном хозяйстве, горнодобывающей промышленности, метеорологии, образовании и многом другом. Сегодня немало государственных учреждений и частных фирм имеют свои личные беспилотники.

Помимо этих "серьезных" работ, в развлекательных целях широко используются дроны до среднего размера - это совершенно обыденная вещь, и вы можете легально купить их через Интернет по доступной цене. Они довольно просты в управлении, и вам не нужно обладать лицензией водителя или пилота RC, чтобы летать на них.

1.3. Правила безопасности работы с квадрокоптером

Первое и самое важное - безопасность людей. Соблюдение элементарных правил техники безопасности. Не стоит браться за управление летательным аппаратом пока вы не чувствуете уверенность в своих навыках. Последствия халатного отношения к данному правилу может привести к возникновению опасной ситуации для того кто управляет аппаратом или для окружающих.

Управление БПЛА без приобретённых навыков может повлечь за собой проблемы от поломок собственной техники и порчи чужого имущества, до получения травм, увечий и даже причинения смерти.

Рассмотрим правила безопасности для совершения первого полета коптера к вылету в помещении.

Что входит в первичную подготовку?

Коптер – убедиться в затянутости гаек пропеллеров.

Проверить правильность установки пропеллеров.

Проверить, что вращению пропеллеров ничего не мешает, при необходимости – устранить помехи.

Для обеспечения безопасности при подготовке к вылету необходимо убедиться, что аккумуляторы или батарейки в аппаратуре управления заряжены. И проверить надёжность следующих узлов:

1. Затянутость гаек пропеллеров.
2. Крепление и целостность защит винтов.
3. Надежность крепления проводов, отсутствие болтающихся проводов.

Подключать аккумулятор только перед вылетом!

Убедившись, что всё необходимое собрано, можно отправляться на лётное поле.

Безопасность перед взлётом

Располагать зрителей за спиной пилота или за линией, проходящей через оба плеча пилота за спиной пилота.

Не допускать выхода зрителей в полусферу перед лицом пилота.

Знать и помнить время полёта, на которое рассчитан данный коптер и его аккумулятор.

Стоять на расстоянии не менее 3 м от коптера.

Взлетать с земли с ровной площадки, на расстоянии не менее 3 метров от препятствий.

Убедившись, что все пункты выше выполнены, выполнить процедуру включения и переходить к взлёту.

Безопасность в полёте

Выполнять все указания преподавателя или лётного инструктора.

Заранее обозначить зону пилотажа. Летать только в обозначенной зоне и не допускать вылета за её пределы. Не залетать за собственную спину. При обучении полётам летать на уровне ниже собственного роста.

Летать рядом с собой на расстоянии, на котором вам видна ориентация коптера в пространстве. Не улетать далеко от себя. В случае сомнений в ориентации коптера немедленно выполнить посадку на месте. 

Летать следует осторожно и выполнять только те элементы, в которых нет сомнений. Запрещается выполнять фигуры пилотажа, в успехе которых возникают сомнения и фигуры, связанные с риском.

Вернуть коптер к месту посадки к рассчитанному времени, не допускать полной разрядки аккумулятора в полёте.

Квадрокоптер может быть повернут к вам носом, боком, хвостом но двигая стик направления вперед квадрокоптер полетит тута куда смотрит его нос, а не туда, куда смотрите вы! Всегда знайте, где у квадрокоптера нос!!!

ПРОЦЕДУРА ВКЛЮЧЕНИЯ – последовательность действий после установки коптера на взлетную площадку перед взлётом.

ПРОЦЕДУРА ВЫКЛЮЧЕНИЯ – последовательность действий после посадки или крушения.

2. Программирование квадрокоптера на Scratch

Коптер TELLO представляет собой минидрон весом всего около 85 грамм. Время полета до 13 минут, дальность 100 метров. Программировать полет можно с помощью визуального блочного языка программирования Scratch.

Scratch был разработан в MIT Media Lab, исследовательской группе Массачусетского технологического института.

Среда программирования Scratch состоит из объектов, которые называются спрайты. Каждый спрайт состоит из графического набора кадров и сценария-скрипта. Действие программы происходит в окне размером 480×360 пикселей с центром координат в середине сцены. Для программирования сценариев используется метод «потянуть и отпустить» (drag-and-drop). Это означает, что перетаскивая блоки в область скриптов, вы задаете определенные команды для исполнения каких-то процессов.

По функциональным возможностям блоки делятся на 8 групп, и их принадлежность к этим группам обозначается цветом. Синий цвет блоков отвечает за движение, сиреневый за внешность спрайта, розовый за звук, зеленый – это перо, он отвечает за «черепашью графику», желтый отвечает за управление конструкциями, голубой соответствует сенсорам, светло-зеленый отвечает за арифметико-логические операции и, наконец, оранжевый отвечает за какие-то другие задачи для конкретного объекта.

Чтобы с помощью Scratch управлять квадрокоптерами ТELLO нужно добавить специальный программный блок.

Квадрокоптер ТELLO может выполнять следующие команды:

Взлететь

Сесть

Вверх (см)

Вниз (см)

Влево (угол градусы)

Вправо (угол градусы)

Вперед (см)

Назад (см)

Повернуться по часовой стрелке (угол градусы)

Повернуться против часовой стрелки (угол градусы)

Перевернуться

В программе я использовал конструкцию ЕСЛИ ТО. Например, если нажата клавиша вверх и направление определено, то изменяется х или у, в зависимости от направления полета. Так же были введены переменные: направление, х и у, max y, max x, max (-x) max (-y), высота, шаг, (-шаг). Клавиша W – вверх, клавиша S- вниз, клавиша D -приземлиться.

Для того, чтобы коптер выполнял программу в Scratch нужно установить связь с квадрокоптером через wi-fi.  Вай фай – это сеть, которая раздает доступ в интернет без проводов, по радиоканалам. 

Тренажер дает возможность одновременно решать несколько задач. С его помощью учащийся-новичок будет сразу учиться и управлять беспилотным летательным аппаратом, и создавать программы, т.е. можно расширить границы полета изменив координаты х, у.

Практически это выглядит так https://yadi.sk/i/dvzyqw7nkI_mDQ видео мастер класс.

Заключение

своей исследовательской работе я узнал много нового и о квадрокоптерах, и о правилах безопасности работы с ними. Научился сам программировать квадрокоптер ТELLO с помощью Scratch. Написал программу для безопасного использования квадрокоптера на занятиях по программированию. Провел мастер-класс для желающих учеников нашей школы по управлени квадрокоптером на школьной научно-практической конференции « Мы дети 21 века». А также на региональном фестивале по робототехнике «РобоСтарт». Подтвердил гипотезу о том, что полет квадрокоптера ТELLO можно сделать безопасным.

Список интернет ресурсов и литературы:

1. Лекции от «Коптер-экспресс» https://youtu.be/GtwG5ajQJvA?t=1344

https://www.youtube.com/watch?v=FF6z-bCo3T0

http://alexgyver.ru/quadcopters/

2. https://robotlandia.ru/abc5/0102.htm

2. https://scratch.mit.edu/

3. https://scratched.gse.harvard.edu/sites/default/files/ownpg.pdf

2