Разработка прототипа устройства для тестирования программ управления автономным полётом беспилотного летательного аппарата

Актуальность

В сфере программирования автономного полёта беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) существует необходимость обязательного тестирования управляющей программы в различных полётных режимах на натурных испытаниях.

При этом оператору БПЛА необходимо обеспечить безопасность пилотирования и выполнение полётного задания. Стандартный набор устройств управления дроном включает в себя радиопульт и ноутбук. На каждое из них оператор должен быстро и множество раз переключать своё внимание, держа под максимально возможным визуальным контролем трассу и сам аппарат.

Кроме того, место тестирования может быть достаточно большим, что усложняет задачу.

С этими трудностями на личном опыте столкнулся и один из разработчиков проекта – чемпион мира среди юниоров в компетенции «Эксплуатация беспилотных авиационных систем» Чемпионата мира по профессиональному мастерству WorldSkills Kazan 2019.

На Чемпионате мира автор соревновался в модуле «Программирование автономного полёта». Суть модуля заключалась в выполнении полётного задания за определённое время. Многоуровневые трассы требовали обзора с разных ракурсов, поэтому было нужно постоянно их обходить. При этом применяемый набор устройств управления был неудобен и приводил к потере важных данных, поступающих с дрона.

Цель

Создание инструмента, облегчающего пилоту тестирование программ управления автономным полётом БПЛА, позволяющего контролировать всю информацию на любой точке трассы.

Предлагается создать компьютер с креплением на руке и дополнить им стандартный набор устройств управления БПЛА (радиопульт и ноутбук) при тестировании управляющей программы.

Задачи

1. Создать проектную команду.
2. Продумать ресурсное обеспечение.
3. Проанализировать имеющиеся решения проблемы в профессиональной области управления БПЛА.
4. Разработать и собрать прототип устройства.
5. Установить и настроить подобранное ПО.
6. Протестировать программу управления на натурных испытаниях с использованием стандартного набора устройств управления дроном и набора, дополненного наручным компьютером.
7. Сравнить результаты испытаний.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• БПЛА типа квадрокоптер «Clever 3»
• 3D-принтер и материал для печати
• Персональный компьютер с установленными на него программами («Autodesk Inventor 2020», «Cura 4.4.0» для подготовки модели для печати; «Etcher» для работы с образом ОС; «Termius» для удалённой работы с БПЛА и программа «QGroundControl» для настройки систем БПЛА)
• Комплектующие наручного компьютера

Описание

Авторы разработали прототип наручного компьютера, которым дополняется стандартный набор устройств управления БПЛА. Это решение позволяет пилоту более удобно и быстро отслеживать информацию, получаемую с дрона, быть более мобильным и сосредоточенным на самом полёте.

Были проведены натурные испытания, проанализированы результаты. Испытания засняты на видео. Анализ полученных результатов тестирования показал перспективность предложенного прототипа.

Этапы работы над проектом

Этап 1. Осмысление личного опыта участия в конкурсах в компетенции «Эксплуатация беспилотных авиационных систем»: формулирование проблемы, цели и задач для её воплощения.

Этап 2. Анализ ситуации в профессиональной области управления БПЛА: анализ существующих решений, обоснование актуальности проекта, определение потребителей результата проекта.

Этап 3. Выработка концепции предлагаемого устройства. Требования к разрабатываемому устройству:

малый вес устройства (не более 350 гр.); удобство и надёжность крепления на руке;

необходимая функциональность (на уровне стандартного набора управления БПЛА); хорошая читаемость на комфортном расстоянии (~ 60 см); ёмкость батареи, необходимая для выполнения полётного задания (более 1 ч.); уверенный приём сигнала БПЛА на расстоянии, необходимом для выполнения полётного задания (min 20 м).

Этап 4. Разработка решения:

• разработка и сборка схемы устройства;
• разработка и создание:
• 3D-модели корпуса устройства, 3D-печать корпуса;
• крепления устройства к руке;
• сборка устройства.

Этап 5. Подбор устройств, материалов и ПО (см. пункт 9 описания).

Этап 6. Установка ПО и тестирование действующего прототипа:

• установка и настройка подобранного ПО;
• подбор полётного задания;
• тестирование программы управления на натурных испытаниях с использованием стандартного набора устройств управления дроном и набора, дополненного наручным компьютером;
• сравнение результатов испытаний.

Результаты работы/выводы

Разработанный прототип наручного компьютера позволяет решить проблему обеспечения удобного и быстрого доступа ко всей информации от аппарата при пилотировании, способствует уменьшению времени выполнения полётного задания.

Перспективы использования результатов работы

В результате проектной работы ─ создании наручного компьютера для управления дроном ─ заинтересованы операторы, занимающиеся тестированием программного обеспечения БПЛА.

В рассматриваемом конкретном случае разрабатываемый наручный компьютер может быть использован в тренировочном процессе подготовки к конкурсам в компетенции «Эксплуатация беспилотных авиационных систем».

Предлагаемое решение должно уменьшить время выполнения полётного задания.

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

1. Всероссийский конкурс научно-технологических проектов «Большие вызовы – 2020» – ­ победитель.

2. Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» – ­ призёр.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Это был важный и интересный опыт работы в команде над сложным проектом. Работа решила нашу реальную проблему при выполнении полётного задания за определённое время. Тестирование показало направления доработки нашего устройства»