Конструирование и программирование БПЛА, группа 216, семестр 3

Лекция 1.
Тема. Общие сведения о летательных аппаратах.
История развития летательных аппаратов (ЛА). Принцип действия ЛА различных классов. Виды двигателей. Назначение. Общие понятия аэродинамики; понятия беспилотных летательных аппаратов, классификация; Элементы механики и динамики полета. Подъемная сила ЛА различного вида: воздушный шар, парашют, параплан, аэростат, цеппелин, аэрозонд, планер, аппарат с машущим полетом, самолет, экраноплан, винтокрылые аппараты, многоосные винтокрылые системы, конвертопланы, ракеты. Реактивные двигатели: на твердом топливе, жидком топливе, ядерно-ионные. Виды мультикоптеров, элементы их конструкций. Физические основы движения тел. Виды механического движения тел: поступательное, вращательное, равномерное и неравномерное. Элементы равновесия твердых тел. Момент силы. Основная задача механики. Система отсчета. Знакомство с системами координат и способами описания движения: координатный и векторный способы. Физические величины, описывающие полеты скорость высота. Координаты, пройденный путь, перемещение. Векторы. Действие над векторами. Проекции вектора на координатные оси.

Лекция 2.
Тема. Беспилотные авиационные системы. 
Конструкции БАС. Классификация летательных аппаратов (ЛА). Винтомоторная группа. Одно-, двух-, трех- и четырехвекторные системы. Соосные схемы, синхроптер, квадрокоптер. Гиростабилизация платформы. Датчики полетного контроллера. Инерциальные навигационные системы. Элементы современных гражданских БПЛА. Системы связи. Воздушный кодекс, зонирование территорий. Виды современного навесного оборудования. Аэромониторинг. Аэрофотосъемка. Применение беспилотных авиационных систем. Автопилот. Степени автономности транспортного средства. Применение датчиков, алгоритмов локализации и систем спутникового глобального позиционирования. Цифровая фотограмметрия. 

Лекция 3.
Тема. Пилотирование БПЛА
Режимы пилотирования: визуальный контроль, FPV, автономный полет по программе. Устройство радиоаппаратуры, радиоприемника и радиопередатчика. Протоколы радиообмена данными. Видеоподсистема пилотирования. FPV-оборудование: экраны, шлемы, очки, системы хэдтрекинга.

Лекция 4
Тема. Электронные компоненты БАС. 
Электроника полетного контроллера. Электрический ток. Электрические схемы, их основные элементы. Последовательное и параллельное соединения проводников в электросхемах. Датчики БАС, их назначение, физические величины, измеряемые датчиками, единицы измерения. Акселерометр, барометр, гироскоп, компас, их балансировка. Физические величины и приборы, контролирующие полет. Физические основы их работы. Блок-схема БАС, основные параметры энергозависимости винтомоторных групп и веса аппарата. Аккумулятор БАС. Виды аккумуляторов, их зарядка и эксплуатация. Грузоподъемность и продолжительность полета. Функции автоматического возврата. Радиосигналы, электромагнитные волны, скорость их распространения в атмосфере. Радиопомехи, их влияние на полет. Навесное оборудование – стабилизированный подвес. Видеопередатчики. Маршрутизаторы движения БЛА по точкам GPS.

Лекция 5
Тема. Программное обеспечение БАС 
Прошивки полетных контроллеров. Операционные системы. Программы конфигурирования и настройки. Обработка данных БАС.

Лекция 6
Тема. Симуляторы БАС
Симулятор управления БПЛА, моделирование полета. Программы-симуляторы для настольного компьютера, мобильных устройств, облачные симуляторы. Симулятор лаборатории БПЛА университета Иннополис. Исходные коды симулятора на Github. Подключение радиоаппаратуры к компьютеру. Моделирование полета в программах DroneBlocks, Wiedu EDU Tello App Windows PC version. 

Лекция 7
Тема. Программирование БПЛА
Понятие программирования контроллера полета. Языки программирования БПЛА. Среды разработки и программирования полетного контроллера. Фреймворки. Библиотеки. Алгоритмы управления, навигации. Применение технологий искусственных нейросетей и искусственного интеллекта.

Лекция 8
Тема. Полетные задания. 
Понятия и виды полетных задач. Регистрация полетов и результатов. Техническое обслуживание и правильная эксплуатация полетной техники. Законодательство о применении воздушных летательных аппаратов. Определение территории проведения полета.

3.3. Занятия семинарского типа
Учебным планом не предусмотрены

3.4. Практические занятия
СЕМЕСТР 3
Практическое занятие 1.
Тема: Общие сведения о летательных аппаратах.
Перечень заданий 
Изучение программ дополнительного образования по авиамоделизму. 
Сравнение и анализ. 
Список оборудования.
Классификация летательных аппаратов (ЛА). 
Подъемная сила ЛА различного вида: воздушный шар, парашют, 
параплан, аэростат, цеппелин, аэрозонд, планер, 
аппарат с машущим полетом, самолет, экраноплан, 
винтокрылые аппараты, многоосные винтокрылые системы, 
конвертопланы, ракеты. 
Реактивные двигатели: на твердом топливе, жидком топливе, ядерно-ионные. 

Практическое занятие 2.
Тема: Общие сведения о летательных аппаратах. 
Перечень заданий 
Блок-схема беспилотной авиационной системы (БАС). 
Изучение элементов БПЛА. 
Классификация БПЛА. 
БПЛА учебного назначения: Клевер, DJI Ryze Tello EDU. 
Виды конструкций шасси.
Подбор комплектующих для БПЛА. 

Практическое занятие 3.
Тема: Беспилотные авиационные системы. 
Перечень заданий 
Углы поворота летательного аппарата: тангаж, крен, рыскание.  
Радиоаппаратура, приемники и передатчики для управления БПЛА. 
Визуальное и FPV пилотирование. 
Оборудование для пилотирования в режиме «от первого лица» (FPV).
Оборудовние для аэрофото- и видеосъемки. 

Практическое занятие 4.
Тема: Беспилотные авиационные системы. 
Перечень заданий 
Применение беспилотных авиационных систем. 
Техническое обслуживание и правильная эксплуатация полетной техники. 
Функции автоматического возврата. 
Радиосигналы, электромагнитные волны, скорость их распространения в атмосфере. 
Радиопомехи, их влияние на полет. 
Навесное оборудование – стабилизированный подвес. 
Видеопередатчики. Маршрутизаторы движения БПЛА по точкам GPS.

Практическое занятие 5.
Тема: Пилотирование БПЛА. 
Перечень заданий 
Физические основы движения тел. 
Виды механического движения тел: поступательное, вращательное, равномерное и неравномерное. 
Элементы равновесия твердых тел. Момент силы. Основная задача механики. 
Система отсчета. Знакомство с системами координат и способами описания движения: 
координатный и векторный способы. 

Практическое занятие 6
Тема. Пилотирование БПЛА. 
Перечень заданий 
Физические величины, описывающие полеты: скорость, высота, 
координаты, пройденный путь, перемещение. 
Векторы. Действие над векторами. 
Проекции вектора на координатные оси. 
Инерциальные навигационные системы.

Практическое занятие 7
Тема. Электронные компоненты БАС. 
Перечень заданий 
Электроника полетного контроллера. 
Электрический ток. 
Электрические схемы, их основные элементы. 
Последовательное и параллельное соединения проводников в электросхемах. 
Аккумулятор БАС. Виды аккумуляторов, их зарядка и эксплуатация. 
Коллекторные и бесколлекторные электродвигатели. 
Регуляторы хода бесколлекторных электродвигателей. 
Грузоподъемность и продолжительность полета. 

Практическое занятие 8
Тема. Электронные компоненты БАС. 
Перечень заданий 
Датчики БАС, их назначение, физические величины, 
измеряемые датчиками, единицы измерения. 
Акселерометр, барометр, гироскоп, компас, их балансировка. 
Физические величины и приборы, контролирующие полет. 
Физические основы их работы. 
Основные параметры энергозависимости винтомоторных групп и веса аппарата. 

Практическое занятие 9
Тема. Программное обеспечение БАС. 
Перечень заданий 
Пилотирование в авиасимуляторах. 
Авиасимуляторы на персональном компьютере и в мобильных приложениях. 
Режимы пилотирования: визуальный контроль, FPV, автономный полет по программе. 
Сделайте обзор авиасимуляторов. 

Практическое занятие 10
Тема. Программное обеспечение БАС. 
Перечень заданий 
Выполнить моделирование полета в приложении FPV FreeRider demo. 
Приложение Weidu Tello EDU App Windows PC version. 
Моделирование в приложении DroneBlocks Simulator. 
Симулятор БПЛА InnoSimulator: github.com/InnopolisAero. 

Практическое занятие 11
Тема. Симуляторы БАС. 
Перечень заданий 
Виды мультикоптеров, элементы их конструкций. 
Аккумулятор БАС. Виды аккумуляторов, их зарядка и эксплуатация. 
Грузоподъемность и продолжительность полета. 
Функции автоматического возврата. 
Радиосигналы, электромагнитные волны, скорость их распространения в атмосфере. 
Радиопомехи, их влияние на полет. 

Практическое занятие 12
Тема. Симуляторы БАС. 
Перечень заданий 
Винтомоторная группа. Одно-, двух-, трех- и четырехвекторные системы. 
Соосные схемы, синхроптер, квадрокоптер. 
Навесное оборудование – стабилизированный подвес. 
Видеопередатчики. Маршрутизаторы движения БЛА по точкам GPS.

Практическое занятие 13
Тема. Программирование БПЛА. 
Перечень заданий 
Полетные контроллеры. 
Программное обеспечение. 
Программирование автономного полета на языке Python. 
Использование технологии машинного зрения для автономного полета.

Практическое занятие 14
Тема. Программирование БПЛА. 
Перечень заданий 
Изменение скорости вращения мотора в микропрограмме регулятора.
Определение целей и задач программирования контроллера, настройка аппаратов под индивидуальное управление. 
Тестирование различных настроек, подбор оптимального режима эксплуатации.

Практическое занятие 15
Тема. Программирование БПЛА. 
Перечень заданий 
Понятия и виды полетных задач.
Регистрация полетов и результатов.
Техническое обслуживание и правильная эксплуатация полетной техники.
Проведение серии тренировочных полетов, выполнение основных фигур пилотажа ручного управления, настройка аппарата под индивидуальное использование.
Правила техники безопасности.
Основные понятия БПЛА, их свойства.
Законодательство о применении воздушных летательных аппаратов.

Практическое занятие 16
Тема. Полетные задания. 
Перечень заданий 
Планирование автоматического полета, определение территориальной зоны проведения полета, групповые полеты и полеты с применением стенда. 

Практическое занятие 17.
Тема. Полетные задания. 
Перечень заданий 
Автоматизация полета по точкам и применение роботизированного подвеса для получения видеоинформации.
Обработка данных полученных с БПЛА.

3.5. Лабораторные работы
Учебным планом не предусмотрены

3.6. Контроль самостоятельной работы
СЕМЕСТР 3
Контроль самостоятельной работы 1.
Тема: Программирование БПЛА
Перечень заданий 
1. План-смета для сборки комплекта пилотирования квадрокоптером
2. Изучите рекомендации на видеохостинге, на одном из каналов, посвященных 
сборке и пилотированию квадрокоптеров, например:
https://www.youtube.com/watch?v=LKeXYbipz_g
Большой обзор всех компонентов гоночного дрона. ЧТО ВЗЯТЬ? Июнь 2018 [Подкаст]
3. Подберите комплект деталей и компонентов системы пилотирования квадрокоптером.
оформите в виде таблицы.
Таблица-смета комплектующих для сборки квадрокоптера
Колонки в таблице
1) номер п/п;
2) наименование детали;
3) ссылка на страницу товара в интернет магазине;
4) единицы измерения: в штуках, в метрах, в килограммах и т.д.;
5) цена единицы товара в долларах;
6) цена единицы товара в рублях; 
7) количество товара;
8) стоимость комплекта деталей в долларах;
9) стоимость комплекта деталей в рублях.
Внизу таблицы итог стоимости комплекта оборудования в долларах; в рублях; 

Контроль самостоятельной работы 2
Тема. Полетные задания. 
Перечень заданий 
1. Полетное задание на пилотирование квадрокоптером в симуляторе
2. Скачайте и установите на компьютер бесплатную версию симулятора 
квадрокоптера FPV Free Rider. 
Страница скачивания
https://fpv-freerider.itch.io/fpv-freerider
Download Freerider Windows demo 41 MB
Инструкция по работе с FPV Free Rider:
https://drive.google.com/file/d/0BwSDHIR7yDwSelpqMlhaSzZOa1k/view
Можно установить мобильную бесплатную версию на смартфон.
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.Freeride.Freerider_FREE
Обсуждение программы в форуме rcdesign
FPV Freerider — симулятор FPV полетов на миникваде под Windows/Mac/Android
http://forum.rcdesign.ru/f136/thread409029.html
Пример видео пилотирования квадрокоптером в симуляторе
FPV Freerider RC Quadcopter Racing Simulator
https://www.youtube.com/watch?v=u0ake6hhSN4
QuadrocopterFX android simulator
https://www.youtube.com/watch?v=1jxCjpDBKAo
3. Изучите возможности управления квадрокоптером в симуляторе. 
Выполните несколько тренировочных полетов. 
4. Продумайте и опишите полетное задание для обучающихся 
в авиамодельном кружке. 
Примеры полетных заданий можно посмотреть в программах кружков 
и конкурсных заданиях ВорлдСкиллс Россия, олимпиада НТИ
по профилю Беспилотные авиационные системы.
Например, лицей 239 Санкт-Петербурга, или на сайте об учебном 
конструкторе Клевер. 
«Клевер» — это учебный конструктор программируемого квадрокоптера
https://github.com/CopterExpress/clover/blob/master/docs/ru/metodmaterials.md
5. Кратко опишите в свободной форме полетное задание на пилотирование 
квадрокоптером в симуляторе. Поместите в документ скриншот 
окна программы симулятора квадрокоптера.
6. В любом графическом редакторе нарисуйте схему полигона для полетов 
в симуляторе квадрокоптера - изобразите трассу и траекторию 
движения БПЛА, сделайте в рисунке необходимые отметки.
Рисунок со схемой скопируйте в документ отчета, добавьте пояснения к схеме.
Отметки на схеме делаются числами, например: 1 - взлет на старте, 
2 - 1-е ворота, 3 - 2-е ворота, 4 - разворот БПЛА на 180 градусов, 
5 - посадка на финише и т.д.