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

92
Руководство для обучающегося
Цель: освоить основы пилотирования мультироторных лета- тельных аппаратов в симуляторе.
Как это сделать
Изучить интерфейс симулятора, научиться позиционировать коптер и выполнять простые передвижения коптера в симуля- торе.
Подробнее
Симулятор квадрокоптера на ПК — это альтернативный спо- соб научиться управлять летательным аппаратом без опасения разбить настоящую модель вследствие неопытности и неуме- лых действий.
Шаг 1: знакомство с интерфейсом программы.
Шаг 2: взлет и посадка.
Совет: тренируем взлет и плавную посадку в симуляторе.
Взлет делаем уверенно и быстро, главное, не затягивать от- рыв от земли и не ползать по земле. Взлететь гораздо легче, чем плавно посадить квадрокоптер. Отрабатываем плавную посадку: чем мягче приземляемся, тем лучше. Суммируем все вышесказанное в алгоритм: взлет на высоту 0,5–1 м, плавное снижение и приземление, повторяем 20 раз или более.
Шаг 3: удержание позиции в воздухе. Очень важно научиться удерживать квадрокоптер на одной высоте и в одной точке.
Квадрокоптер может сносить в сторону ветром, а по высоте он будет снижаться при снижении уровня заряда аккумулятора.
Совет: пульт радиоуправления держим двумя руками, пальцы обеих рук всегда держатся за стики: левая — за стик газа/по- ворота, правая — за направления вперед/назад/влево/вправо.
Двигаем стиками очень плавно. Для более точной координа- ции движений рекомендуется держать стик указательным и толстым пальцами.

93
Аэроквантум: тулкит
Шаг 4: посадка в симуляторе в точку взлета.
Совет: взлетаем, улетаем в любую сторону на 2 метра, возвра- щаемся к точке взлета, плавно приземляемся.
Шаг 5: поворот носа.
Совет: взлетаем в симуляторе, удерживая высоту 1 метр, поворачиваем квадрокоптер по часовой стрелке на 180 гра- дусов, поворачиваем обратно против часовой стрелки на 180 градусов, приземляемся в точку взлета. В этом задании самое трудное — удержать высоту. Отрабатываем задание, пока при развороте квадрокоптер не будет отклоняться по высоте не более 0,2 метра.
Старт
Изобразите органы управления на пульте и за что они отвеча- ют.
Что нужно делать, чтобы удерживать квадрокоптер в одной точке в пространстве?
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________

94
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
Какие бывают полётные режимы и в чем их различие?
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
Обучение пилотированию в симуляторе
• Выполните последовательно все шаги от 1 до 5.
• Тренируйтесь, пока не сможете выполнить все шаги на раз- ных высотах.
• Получайте удовольствие от пилотирования.
Проектирование трассы
Изобразите ваш вариант трассы для drone racing, которую можно пройти в симуляторе.

95
Аэроквантум: тулкит
Тренировки на трассе
По очереди пролетите трассу, при необходимости измените её конструкцию.
Drone racing
Устройте гонку, проходя построенную в симуляторе трассу на время.
Обсуждение
Что вы узнали на занятии?
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
Что вы еще можете изменить в стиле пилотирования, чтобы пройти трассу за минимальное время?
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________

96
Лабораторно-практическая работа 2.
Сборка автоматической системы управления световыми сигналами
Обоснование работы
На примере практической сборки автоматической системы управления световыми сигналами научиться использовать микроконтроллеры и получить начальные знания и навыки программирования микроконтроллеров.
Категория работы: вводный модуль.
Место ЛПР в структуре модуля:
знакомство с основами технологий автоматических автоном- ных робототехнических систем.
Количество учебных часов/занятий, на которые рассчитана
ЛПР:
10 часов.
Занятие 1. Виды и устройство микроконтроллеров и элек-
тронных компонентов
Цель: изучить виды контроллеров.
Что делаем: изучаем виды микроконтроллеров и одноплатных компьютеров, электронных компонентов.
Компетенции: знания о микроконтроллерах, их устройстве и принципах действия; умение слушать и задавать вопросы.

97
Аэроквантум: тулкит
Кол-во часов: 2,5 часа.
Занятие 3. Написание скетча
Цель: запрограммировать светофор.
Что делаем:пишем и отлаживаем программу для микрокон- троллера светофора.
Компетенции: знание основ языка C++, внимательность.
Кол-во часов: 2,5 часа.
Занятие 4. Отладка и улучшение своего устройства
Цель: проявить изобретательский подход, реализовать свои замыслы
.
Что делаем: тестируем и дорабатываем схему светофора.
Компетенции: навыки тестирования, настойчивость, упорство, внимательность, поиск.
Кол-во часов: 2,5 часа.
Метод работы: конструирование, инженерная разработка устройства, лабора- торно-практическая работа.
Минимально необходимый уровень входных компетенций:
не требуется.
Предполагаемые образовательные результаты обучающихся
Артефакты — собранная и функционирующая автономная си- стема управления световыми сигналами.
Формируемые навыки
Универсальные:
• умение слушать и задавать вопросы;
• логика, решение многовариантных задач;
• техническое творчество;
• настойчивость, упорство, внимательность, поиск;
• разработка реально работающего прототипа.
Предметные:
• знания о микроконтроллерах, их устройстве и принципах

98
действия;
• разработка электронных схем;
• программирование на языке C++;
• навыки тестирования.
Процедуры и формы выявления образовательного результата:
• Демонстрация работ обучающихся.
• Обсуждение результатов и путей улучшения с обучающими- ся.
Необходимые расходные материалы и оборудование:
УМК «Клевер» с набором для автономного полёта (стандарт- ная комплектация).
Руководство для педагогов
Обзор занятий
Ключевые понятия:
• Микроконтроллеры.
• Программирование.
Цель работы: научить детей не бояться создавать свои разра- ботки с использованием микроконтроллеров. Обучить осно- вам программирования на языке С.
Материалы:
• Arduino Nano.
• Кабель USB.
• Плата прототипирования.
• Провода «папа-папа» — 7 шт.
• Резисторы 220 Ом — 6 шт.
• Светодиоды красные — 2 шт.
• Светодиоды зеленые — 2 шт.
• Светодиоды желтые — 2 шт.
Советы:
1. Начните с анализа материалов. Какой алгоритм функциони- рования светофора наилучший?

99
Аэроквантум: тулкит
2. Следите за процессом сборки, помогая обучающимся.
3. После сборки разберите, чей светофор работает лучше и почему.
4. Модернизируйте светофоры на основе эксперимента.
Основы микроэлектроники и программирования микрокон-
троллеров
Роль микроэлектроники в современной науке и технике труд- но переоценить. Она по праву считается катализатором науч- но-технического прогресса. Спектр ее применения огромен
— от фундаментальных исследований до прикладных задач.
Микроэлектроника, очередной исторически обусловленный этап развития электроники и одно из ее основных направле- ний, позволяет использовать новые эффективные пути реше- ния назревших проблем.
Электроника — это область науки, техники и производства, ох- ватывающая исследование и разработку электронных прибо- ров и принципов их использования.
Микроэлектроника — это подраздел электроники, охватыва- ющий исследования и разработку качественно нового типа электронных приборов — интегральных микросхем — и прин- ципов их применения.
Интегральная микросхема — совокупность взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисто- ров и т.п.), изготовленная в едином технологическом цикле (од- новременно), на одной и той же несущей конструкции — под- ложке (пластине или пленке) — и выполняющая определенную функцию преобразования информации.
Термин «интегральная схема» (ИС) отражает факт объедине- ния (интеграции) отдельных деталей в единый прибор и ус- ложнение их функций по сравнению с функциями отдельных компонентов.
Таким образом, элементы интегральной схемы не могут быть

100
выделены в качестве самостоятельных компонентов и имеют ряд конструктивных особенностей по сравнению с компонен- тами, изготавливающимися обособленно и соединяющимися в схему путем пайки.
С каждым годом потребность в вычислительных мощностях растет. Для выполнения современных задач не хватит ни одно- го здания, чтобы поместить, например, один средний офисный компьютер, который бы состоял из классических электронных компонентов, так как они исчисляются миллионами. Их мини- атюризация привела к тому поразительному разнообразию и повсеместному распространению электронных устройств, ко- торые мы видим сейчас.
Сложность устройств требует высокотехнологичного произ- водства. Вручную невозможно осуществить их изготовление и контроль качества.
Поскольку интегральная схема, подобно транзистору, пред- ставляет собой единое целое, выполняет заданную функцию и должна удовлетворять определенным требованиям при испы- таниях, поставках и эксплуатации, она относится к электрон- ным приборам, но качественно новым, и обладает следующими особенностями:
• Самостоятельно выполняет законченную, часто сложную функцию, тогда как элементарные электронные приборы об- ладают схожим функционалом только в ансамбле с другими компонентами. Например, отдельный транзистор не может обеспечить усиление сигнала или запоминание информации.
Для этого нужно из нескольких транзисторов, резисторов и других компонентов собрать соответствующую схему.
• Повышение функциональной сложности прибора по сравне- нию с элементарными не только не ухудшает основные по- казатели, но и улучшает их, например, надежность, размер и стоимость. Поскольку габариты и масса средних интеграци- онных схем близки к габаритам и массе дискретных транзи- сторов, то в первом приближении выигрыш может достигать сотен и тысяч раз.

101
Аэроквантум: тулкит
Надежность работы полупроводникового прибора опреде- ляется прежде всего количеством паяных соединений. Так как в производстве интегральных схем используется процесс металлизации вместо пайки, то они надежнее по сравнению с дискретными схемами. Стоимость интегральной схемы по сравнению со стоимостью аналогичного дискретного компо- нента может быть в сотни раз меньше, так как все ее элементы изготавливаются в едином технологическом цикле, что срав- нимо с количеством операций по изготовлению отдельного транзистора.
• Еще одна особенность — предпочтение активных элемен- тов пассивным — принцип, противоположный тому, который применяется в транзисторной технике. В последней актив- ные компоненты, особенно транзисторы, наиболее дороги, и потому оптимизация схемы состоит в уменьшении количе- ства активных компонентов.
У интегральных схем дело обстоит иначе: у них задана стои- мость кристалла, а не элемента, поэтому целесообразно раз- мещать на кристалле как можно больше активных элементов, занимающих меньшую площадь.
• Четвертая особенность связана с тем, что смежные элемен- ты интегральных схем расположены на расстояниях порядка микрометра. На таких малых расстояниях различие электро- физических свойств материала маловероятно, следователь- но, и значительный разброс параметров у смежных элемен- тов также маловероятен.
Результаты развития микроэлектроники увеличили возмож- ности науки и техники, ускорили процессы, связанные с науч- ными исследованиями и разработкой новых технологий, повы- сили производительность труда практически во всех отраслях промышленности, фантастически расширили возможности информационных систем и оказали серьезное влияние на прогресс развития человечества в целом. Микроэлектроника поспособствовала началу постиндустриального периода, где приоритет перешёл от преимущественного производства то- варов к производству услуг.

102
Первым стартовым шагом к микроэлектронике, несомненно, был переход от электронных вакуумных ламп к транзисторам, которые были изобретены в 1948 году. Конкуренция между ними сопровождалась бурными дебатами среди специалистов и, в первую очередь, связана с большим количеством успешно работающей аппаратуры с электронными лампами.
Производственный цикл такой аппаратуры был хорошо отла- жен, и она приносила большую прибыль производителям. Еще из причин: несовершенная технология производства транзи- сторов, что приводило к нестабильности характеристик при- бора, недостаточной надежности и высокой стоимости. Другая же заключалась в консервативно настроенных специалистах, привыкших работать со старой техникой.
Точечный транзистор
Первые транзисторы были точечными, изготавливались с при- менением германия и, в дополнение к указанным выше не-