Выпускная квалификационная работа

по направлению подготовки 09.03.03 «Прикладная информатика», профиль «Управление данными»

​

на тему

«Разработка симулятора для формирования навыков управления GPS-квадрокоптером»

Институт информационных технологий

Кафедра управления и информатики в технических системах

​

​

Выполнил: студент группы ИДБ-20-10 Макаров Александр Сергеевич

​

Руководитель ВКР: Чеканин Владислав Александрович,

д.т.н., доцент, зав. кафедрой УИТС

​

​

Москва, 2024

2

Актуальность

​

Совокупность возрастающей популярности квадрокоптеров, их дороговизны, сложности управления, а также возможности причинения вреда окружающим при неправильной эксплуатации, делают актуальной подготовку операторов квадрокоптеров.

​

3

Актуальность

​

Среди различных способов подготовки операторов, особое место занимает подготовка в виртуальных (компьютерных) симуляторах, имеющая в начале пути ряд преимуществ перед тренировками с настоящим оборудованием, к которым относятся:

1. Уменьшение начальных вложений;
2. Упрощения организации процесса обучения;
3. Отсутствие риска аварий с участием квадрокоптера в процессе обучения и его уменьшение в будущем при тренировках с настоящим оборудованием.

Цель: обеспечить безопасность и снизить затраты начального обучения операторов, управляющих квадрокоптерами с системами GPS позиционирования.

​

Задачи:

• Провести анализ существующих решений на рынке виртуальных симуляторов для обучения управлению квадрокоптерами;
• Выполнить проектирование программного симулятора управления квадрокоптером, выбрав подход к решению задачи и инструментарий разработки;
• Разработать прототип симулятора управления квадрокоптером, оснащенного системой GPS позиционирования;
• Провести тестирование разработанного программного решения, проанализировать полученные результаты и дать оценку возможности применения.

​

4

Цель и задачи

​

5

GPS квадрокоптеры

​

В данной выпускной квалификационной работе под термином “GPS-квадрокоптер” подразумевается квадрокоптер, оснащенный системой GPS позиционирования, способный поддерживать статичное положение в пространстве на основе получаемых от спутников координат, и зачастую обладающий автономными функциями.

​

Среди таких квадрокоптеров, поставляющихся в виде готовых решений, особенно выделяются квадрокоптеры DJI серии Mavic.

6

Существующие решения

​

На данный момент на рынке представлено множество симуляторов квадрокоптеров, однако большинство из них относится к симуляторам квадрокоптеров с управлением от первого лица, не оснащенных системами помощи и удержания позиции – например, с режимом управления “ATTI”, где квадрокоптер может только удерживать свою высоту.

​

Наиболее популярные среди них – Uncrashed, DCL и Liftoff. Также готовится к выходу симулятор Tryp FPV, который может превзойти многие существующие аналоги.

7

Существующие решения

​

Такие симуляторы, как Uncrashed, Liftoff и Tryp FPV обладают реалистичными графикой и физикой. Они позволяют оператору привыкнуть к управлению квадрокоптера, хотя, безусловно, не могут полностью передать все физические аспекты и особенности поведения техники. Но они не подходят для тренировок операторов квадрокоптеров с системами GPS позиционирования.

8

Существующие решения

​

Симуляторы же квадрокоптеров с системами GPS позиционирования малочисленны, а существующие нередко не поддерживают управление с помощью пультов от популярных моделей таких квадрокоптеров. А использовать для симулятора настоящий пульт – очень важно для качества обучения!

9

Требования к разрабатываемому продукту

​

Для того, чтобы успешно конкурировать с существующими решениями, новый симулятор должен соответствовать следующим требованиям:

1. Обучать оператора действиям в различных критических ситуациях;
2. Иметь поддержку современных пультов управления GPS квадрокоптеров и возможность расширения их базы в будущем;
3. Иметь реалистичные графику и физику;
4. Не быть чрезмерно требовательным к характеристикам персонального компьютера пользователя.

10

Выбранный инструментарий разработки

В результате исследования возможных инструментов для разработки, было принято решение использовать Unreal Engine 5.3 и C++ 20 (в качестве IDE для работы с данным языком применялась Microsoft Visual Studio).

11

Архитектура разработанного прототипа

​

Диаграмма взаимодействия

компонентов системы

12

Архитектура разработанного прототипа

​

Диаграмма покадровой логики

13

Особенности разработанного прототипа

​

Стабилизация квадрокоптера выполняется при помощи PID (пропорционально - интегрально - дифференцирующего) регулятора, который подбирает необходимую скорость вращения роторов квадрокоптера, для достижения стабилизации его положения в воздухе.

r(t) – целевое значение показателя системы;

e(t) – текущая ошибка;

u(t) – воздействие, оказываемое на процесс “plant / process”;

y(t) - текущий выходной показатель.

14

Особенности разработанного прототипа

​

Реализация PID на языке Blueprint

15

Особенности разработанного прототипа

​

Взаимодействие с пультом DJI RC-N1 производится путем обмена так называемыми “duml” пакетами (специфичными для устройств DJI). Протокол обмена информацией был получен сообществом путем реверс-инжиниринга, однако ранее не существовало C++ модуля для получения информации о положении стиков и состоянии кнопок для пульта RC-N1.

16

Реализованный в прототипе функционал

​

Крен

Тангаж

Рысканье

Реализованный в прототипе функционал

​

Анимация вращения пропеллеров

Реализованный в прототипе функционал

​

Сценарии

Реализованный в прототипе функционал

​

Свободный режим

Реализованный в прототипе функционал

​

Интерфейс для взаимодействия с пользователем

Реализованный в прототипе функционал

​

Интерфейс для взаимодействия с пользователем

Реализованный в прототипе функционал

​

Выбор графических настроек

23

Выводы

​

Разработанный прототип симулятора соответствует всем требованиям, которые были выдвинуты ранее. В нем добавлена поддержка одного из наиболее распространенных пультов управления DJI RC-N1, а также возможно использование Xbox-совместимого геймпада. Он показал приемлемую производительность в разрешении 2560 x 1440 с графическим ускорителем 2014 года выпуска. ��В разработанном прототипе обучающийся сможет освоить базовые принципы управления квадрокоптером, а также получит знания о порядке действий в экстренных ситуациях, закрепив их на практике.

24

Заключение

​

Задачи выпускной квалификационной работы были выполнены, а цель – достигнута. Внедрение компьютерного симулятора в процесс обучения позволяет сократить затраты на обучение новых операторов, а также обеспечивает безопасность процесса обучения.

​

В будущем прототип может быть доработан путем добавления большего количества квадрокоптеров, карт, поддерживаемых моделей пультов управления. Кроме того, могут быть добавлены новые “сценарии” и улучшена физическая модель.

​

Симулятор может способствовать повышению интереса и мотивации обучаемых, так как предоставляет возможность практиковаться в безопасной среде с возможностью мгновенного получения обратной связи о выполненных действиях.

25

Спасибо за внимание!

​