Файл: 2О19 4удк 53. 06Ббк 39. 5Аэроквантум тулкит. Александр Фоменко. 2е изд., перераб и доп. М. Фонд новых форм развития образования, 2019 154 с. Базовая серия Методический инструментарий наставника.pdf

24
Место проведения: аэроквантум.
Вид учебной деятельности: кейс 4.
Название: Автономный полёт.
Кол-во часов: 20 часов.
Hard Skills: работа в команде, проектная работа, работа над ошибками.
Soft Skills: знания о системах автономного управления лета- тельными аппаратами, управление БПЛА, создание устройства для измерения расстояния с помощью Arduino, программиро- вание на языке С.
Место проведения: аэроквантум и хайтек.

25
Аэроквантум: тулкит
Кейсы и другие виды учебной деятельности, входящие в программу модуля
В образовательный модуль входят 4 раздела: «Сборка БПЛА»,
«Пилотирование БПЛА», «Аэродинамика», «Автономный по- лет», содержащие 4 кейса и 3 лабораторно-практические рабо- ты, последовательно являющиеся продолжением друг друга.
В ходе работы над кейсами обучающимися реализуются следу- ющие этапы:
• постановка проблемной ситуации;
• поиск путей решения и формулирование задач;
• решение проблемы;
• тестирование решения;
• отладка решения;
• подготовка к публичной демонстрации и защите результатов кейса;
• рефлексия и обсуждение результатов работы.
Список кейсов и лабораторно-практических работ
с аннотацией и описанием занятий
Кейс №1. Сборка летающего БПЛА
Кейс посвящен проблеме создания летающей модели беспи- лотного летательного аппарата, скомпонованного для решения инфраструктурного или социального запроса. Результатом ра- боты над кейсом является функционирующий и летающий ап- парат.
Кейс включает в себя 4 занятия:
• Теория БПЛА — знакомство с беспилотниками.
• Проектирование дрона.
• Сборка БПЛА.
• Настройка БПЛА и первый полёт.

26
Лабораторно-практическая работа №1. Полёт на симуляторе
Работа предназначена для безаварийного и эффективного на- учения начальным навыкам управления БПЛА. Результатом ра- боты с кейсом является готовность обучающихся к безаварий- ному обучению на реальном аппарате.
Работа включает в себя 2 занятия:
• Освоение симулятора — научиться работать с симулятором.
• Отработка навыков — научиться выполнять простые фигуры пилотажа.
Кейс №2. Визуальное пилотирование
Кейс посвящён сложности пилотирования БПЛА в прямой ви- димости и боязни летать, которые являются препятствиями к реализации последующих проектов.
Кейс включает в себя 4 занятия:
• Техника безопасности.
• Управление БПЛА и полётные режимы.
• Взлёт, висение и посадка.
• Выполнение простых фигур пилотажа.
Кейс №3. Сравнение пропеллеров
Кейс затрагивает проблемы выбора воздушного винта при по- ломке в условиях ограниченного выбора и при решении задач применения БПЛА.
Кейс состоит из двух занятий:
• Аэродинамика воздушного винта.
• Практикум по сравнению пропеллеров.

27
Аэроквантум: тулкит затрагивает проблемы перехода от пилотируемого полёта к автономному с использованием программ.
Работа состоит из 4 занятий:
• Виды и устройство микроконтроллеров и электронных ком- понентов.
• Конструирование схемы светофора. Сборка схемы из компо- нентов.
• Написание скетча.
• Отладка и улучшение устройства.
Лабораторно-практическая работа №3. Ультразвуковой
дальномер
Работа посвящена изучению устройства и применения датчи- ков, устанавливаемых на БПЛА для автономного полёта.
Работа состоит из 1 занятия: сборка ультразвукового датчика.
Кейс №4. Автономный полёт
Кейс ставит важнейшую задачу, которую решают современные конструкторы БАС — полёт без участия человека.
Для конструирования системы автономного полёта предусмо- трены 6 занятий:
• Теоретические основы управления БПЛА автономно.
• Сборка устройства для управления БПЛА.
• Первые тестовые полёты.
• Отладка автономного дрона.
• Попытка зависнуть над меткой.
• Полёт по написанной программе.

28
Источники информации
Гурьянов А. Е. Моделирование управления квадрокоптером.
Инженерный вестник. — МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. — 2014. №8 — Режим доступа: http://engbul.bmstu.ru/
doc/723331.html
(дата обращения 20.10.15).
Ефимов. Е. Программируем квадрокоптер на Arduino. — Режим доступа: http://habrahabr.ru/post/227425/
(дата обращения
20.10.15).
Институт транспорта и связи. Основы аэродинамики и дина- мики 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.
Канатников А.Н., Крищенко А.П., Ткачев С.Б. Допустимые про- странственные траектории беспилотного летательного аппа- рата в вертикальной плоскости. Наука и образование. — МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. — 2012. №3. — Режим досту- па: http://technomag.bmstu.ru/doc/367724.html
(дата обраще- ния 17.04.2014).
Валерий Яценков. Электроника. Твой первый квадрокоп- тер. Теория и практика. http://www.ozon.ru/context/detail/
id/135412298/

29
Аэроквантум: тулкит
Базовые кейсы

30
Кейс 1. Сборка летающего квадрокоптера
Описание проблемной ситуации или феномена
Ребята из аэроквантума принесли объявление, что плани- руются гонки дронов (беспилотных летательных аппаратов
– БПЛА). А что нужно сделать, чтобы тоже принять участие в соревнованиях?
Для участия необходимо создать свой БПЛА и научиться его пилотировать. Решение найдено — необходимо создать ко- манду и собрать свой БПЛА!
Вопросы для обсуждения с обучающимися:
1. Какие элементы обязательно должны быть на гоночном
БПЛА?
2. Каким качествам должен отвечать гоночный дрон?
3. Какие компоненты можно облегчить?
4. От каких компонентов для гонок можно отказаться и какие заменить?
5. Каким должен быть воздушный винт гоночного БПЛА по сравнению с БПЛА для видеосъёмки?
6. Какие необязательные для гонок элементы нам понадобят- ся для обучения пилотированию?
Для того чтобы ответить на эти вопросы, нужно много узнать, изучить и понять, на что и нацелен данный кейс.
Категория кейса: вводный.
Место кейса в структуре модуля:
введение в беспилотные авиационные системы, знакомство с технологиями, применяющимися в беспилотных летательных аппаратах и системах управления ими.
Количество учебных часов/занятий: 15 часов.
Занятие 1. Теория БПЛА
Цель: знакомство с беспилотниками.

31
Аэроквантум: тулкит
Что делаем: изучаем историю, применение, общее устройство беспилотников.
Компетенции:
Hard: знания по истории, применению, устройству беспилот- ников.
Soft: умение слушать и задавать вопросы.
Кол-во часов: 2,5 часа.
Занятие 2. Конструирование БПЛА
Цель: сконструировать БПЛА для выполнения конкретной за- дачи.
Что делаем: придумываем и рисуем различные схемы компо- новки коптера для решения прикладных задач.
Компетенции:
Hard: навыки конструирования, знание строения коптера.
Sort: решение изобретательских задач, свободное мышление.
Кол-во часов: 2,5 часа.
Занятие 3. Сборка БПЛА (5 часов)
Цель: собрать БПЛА для выполнения прикладной задачи.
Что делаем: собираем БПЛА.
Компетенции:
Hard: пайка, электромонтаж, механическая сборка.
Soft: работа в команде, мышление на несколько шагов вперёд, осмысленное следование указаниям инструкции, вниматель- ность, аккуратность.
Кол-во часов: 2,5 часа.
Занятие 4. Настройка и первый полёт (5 часов)
Цель: поднять БПЛА в воздух.
Что делаем: настраиваем и калибруем полётный контроллер и аппаратуру управления; проходим технику безопасности; за- пускаем коптер.
Компетенции:
Hard: знания о работе полетного контроллера, умение настра- ивать коптер.
Soft: техника безопасности, ответственность за соблюдение правил, работа с взаимосвязанными параметрами.
Кол-во часов: 2,5 часа.

32
Метод работы с кейсом: конструирование — инженерная разработка устройства.
Минимально необходимый уровень входных компетенций:
специальные компетенции не требуются.
Предполагаемые образовательные результаты обучающихся
Артефакты — летающий настроенный БПЛА.
Формируемые навыки
Универсальные:
• умение слушать и задавать вопросы;
• решение изобретательских задач;
• свободное мышление;
• работа в команде;
• мышление на несколько шагов вперёд;
• осмысленное следование инструкциям;
• внимательность;
• аккуратность;
• соблюдение техники безопасности;
• ответственность за соблюдение правил;
• работа с взаимосвязанными параметрами.
Предметные:
• знания по истории, применению, устройству беспилотников;
• навыки конструирования;
• знание строения коптера;
• пайка;
• электромонтаж;
• механическая сборка;
• знания о работе полетного контроллера;
• компоновка элементов БПЛА, подходящая для конкретной задачи;
• настройка БПЛА.
Процедуры и формы выявления образовательного результата:
• Безопасный и предсказуемый полёт БПЛА.
• Вопросы для обсуждения с обучающимися для выявления их

33
Аэроквантум: тулкит знаний и понимания.
• Фиксация уровня знаний и сформированности навыков в журнале наблюдения за группой.
Необходимые расходные материалы и оборудование:
УМК «Клевер», подготовленная презентация, компьютеры, проектор.
Руководство для педагогов
Обзор занятий
Ключевые понятия:
• Аэродинамика.
• Электротехника.
• ШИМ-модуляция.
АЭРОДИНАМИКА — раздел механики сплошных сред, в ко- тором изучаются закономерности движения воздуха и других газов, а также характеристики тел, движущихся в воздухе. К аэродинамическим характеристикам тел относятся подъемная сила и сила сопротивления и их распределения по поверхно- сти, а также тепловые потоки к поверхности тела, вызванные его движением в воздухе. В аэродинамике рассматриваются такие тела, как самолеты, ракеты, воздушно-космические лета- тельные аппараты и автомобили.
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА — наука об электрических явлениях и о применении электричества в практических целях.
ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (ШИМ — англ.
Pulsewidth Modulation (PWM) — процесс управления мощно- стью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте.
Ход занятий:
• Планирование работы.
• Сборка и настройка БПЛА.
• Тестирование конструкции.
• Модификация конструкции, если это необходимо.
• Подведение итогов.
Время: 15 часов.

34
Основные понятия
Полётный контроллер
Полетный контроллер: основная плата управления, обеспечи- вающая функционирование мультикоптера. В качестве «мозга» платы управления используется микроконтроллер, зачастую это либо маломощные Atmega328, либо более современные
Atmega2560 или ARM-контроллеры (STM32).
Бесколлекторный электромотор
Бесколлекторные двигатели постоянного тока называ- ют также вентильными, в зарубежной литературе BLDCM
(BrushLess Direct Current Motor) или PMSM (Permanent Magnet
Synchronous Motor).
Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из рото- ра с постоянными магнитами и статора с обмотками. Обратите внимание на то, что в коллекторном двигателе, наоборот, об- мотки находятся на роторе. Поэтому далее в тексте ротор — магниты, статор — обмотки.
Для управления двигателем применяется электронный регуля- тор (регулятор хода).
Пропеллер
Лопастной агрегат, работающий в воздушной среде, приводи- мый во вращение двигателем и являющийся движителем, пре- образующим мощность (крутящий момент) двигателя в дей-

35
Аэроквантум: тулкит ствующую движущую силу тяги. Винты, выполняющие (помимо функций движителя) дополнительные либо иные функции, имеют специальные названия: ротор, несущий винт автожи- ра, несущий винт вертолёта, рулевой винт, вентилятор, ветряк, винтовентилятор..
Приемник
Устройство[1], соединяемое с антенной и служащее для осу- ществления радиоприёма, то есть для выделения сигналов из радиоизлучения.
Под радиоприёмным устройством понимают радиоприёмник, снабженный антенной, а также средствами обработки при- нимаемой информации и воспроизведения её в требуемой форме (визуальной, звуковой, в виде печатного текста и т. п.).
Во многих случаях антенна и средства воспроизведения кон- структивно входят в состав радиоприёмника.
Регулятор хода (регулятор оборотов)
Устройство для управления оборотами электродвигателя, при- меняемое на радиоуправляемых моделях с электрической си- ловой установкой.
Электронный регулятор хода позволяет плавно варьировать электрическую мощность, подаваемую на электродвигатель.
В отличие от более простых резистивных регуляторов хода (в настоящее время практически не применяются в моделизме), которые управляли мощностью двигателя путём включения в цепь последовательно с мотором активной нагрузки, превра- щающей избыточную мощность в тепло, электронный регуля- тор хода обладает значительно более высоким КПД, не расхо- дуя энергию аккумуляторной батареи на бесполезный нагрев.
ергию аккумуляторной батареи на бесполезный нагрев.
Пульт управления
Передатчики бывают пистолетного типа, с курком газа и руле- вым колесом (обычно используются для автомоделей и судо- моделей), а также рычажного типа, с многопозиционными ры- чажками — стиками (обычно используются для авиамоделей).

36
Антенна имеет длину около метра для систем FM-диапазона и порядка 20–30 см — для частоты 2,4 ГГц. Некоторые летающие игрушки управляются не по радио, а по инфракрасному каналу, соответственно, нужно всегда направлять пульт в сторону мо- дели.
Демонстрации
Расскажите об истории беспилотных летательных аппаратов, покажите видео применения БПЛА в реальной жизни (виде- осъемка, фотограмметрия, гонки дронов, картографирование, доставка). Обсудите применение беспилотников в повседнев- ной жизни и узнайте мнение детей об этом вопросе.
Цель работы над кейсом — построить БПЛА, понять, что в ле-
тающих роботах нет ничего сложного.
В ходе данного кейса обучающиеся должны понять, что для них реально сконструировать, а потом и собрать БПЛА своими ру- ками. Это важно для дальнейшей проектной работы.
Материалы:
• Учебный конструктор БПЛА.
• Вспомогательные видеоматериалы.
Советы:
1. Начните с анализа материалов. Какая схема из придуман- ных детьми наиболее близка к идеалу? Расскажите об об- щепринятой схеме.
2. Следите за процессом сборки, помогая обучающимся.
3. После сборки разберите, чей БПЛА летает лучше всего и почему.
4. Модернизируйте БПЛА на основании данных, полученных в ходе эксперимента.