9Кл. ПАРАГРАФ. Системы управления от третьего и первого лица. Практическая работа «Визуальное ручное управление БЛА». Компьютерное зрение в робототехнических системах. Управление групповым взаимодействием роботов

 Современная робототехника, и особенно беспилотные летательные аппараты (БЛА), предлагают различные способы взаимодействия человека и машины. От выбора системы управления зависит эффективность выполнения задачи, а развитие технологий компьютерного зрения и группового взаимодействия выводит возможности робототехнических систем на принципиально новый уровень автономности и производительности.

---

1. Системы управления от третьего и первого лица

Управление БЛА требует от оператора правильного восприятия пространственной обстановки. Для этого используются две основные схемы визуального контроля.

1.1. Управление от третьего лица (3PV)

• Суть: Оператор управляет БЛА, наблюдая за ним со стороны, находясь на земле в непосредственной близости от аппарата.

• Принцип восприятия: Оператор видит полётную картину в её целостности: положение дрона относительно земли, объектов, свой крен и тангаж визуально. Это интуитивно понятная система, схожая с управлением радиоуправляемой моделью.

• Техническая реализация: Управление осуществляется по прямой видимости (VLOS). Связь — по радиоканалу (обычно 2.4 ГГц). Видеотрансляция с камеры дрона не является основным источником информации.

• Преимущества: Лёгкость освоения для новичков; прямая оценка расстояний и ориентации; высокая безопасность из-за постоянного визуального контакта.

• Недостатки: Ограниченность радиуса действия прямой видимости; сложность выполнения точных операций на удалении; невозможность полёта за препятствиями.

1.2. Управление от первого лица (FPV)

• Суть: Оператор управляет БЛА, видя происходящее «глазами дрона» через видеосигнал с бортовой камеры, транслируемый на экран монитора или FPV-очки/шлем.

• Принцип восприятия: Полное погружение в полёт. Оператор воспринимает скорость, высоту и пространственное положение через изображение с камеры. Требует развитого пространственного воображения.

• Техническая реализация: Используется FPV-комплект: камера, видеопередатчик на БЛА (обычно 5.8 ГГц), приёмник и устройство отображения у оператора. Полёты часто осуществляются вне прямой видимости (BVLOS).

• Преимущества: Высокая точность управления и навигации, особенно в гоночных дронах; возможность полётов в сложных условиях (между деревьями, внутри помещений).

• Недостатки: Сложность обучения; риск потери ориентации и пространственной дезориентации; зависимость от качества видеосвязи (задержки, помехи).

---

2. Практическая работа «Визуальное ручное управление БЛА»

Цель работы: Освоить базовые принципы пилотирования БЛА в обоих режимах, научиться безопасно выполнять основные манёвры.

Оборудование: Учебный/тренировочный БЛА (например, на раме 250-300 мм), радиоаппаратура (пульт управления), FPV-комплект (камера, очки/монитор), зарядное устройство, набор пропеллеров.

Этапы выполнения работы:

Часть 1: Подготовка и предполётная проверка

1. Визуальный осмотр: Проверка целостности рамы, пропеллеров, надёжности креплений.

2. Проверка электроники: Заряд батарей (дрона и пульта), калибровка компаса и гироскопов.

3. Проверка связи: Установка связи между пультом и БЛА, проверка отклика органов управления.

4. Выбор и осмотр площадки: Открытое, безлюдное пространство без ЛЭП и помех.

Часть 2: Освоение управления от третьего лица (3PV)

• Задание 2.1: Взлёт и зависание. Плавным движением стика «газа» поднять БЛА на высоту 1.5-2 метра. Отработать удержание высоты и позиции.

• Задание 2.2: Базовые манёвры «квадрат». Выполнить перемещение вперёд, остановку, смещение вправо, остановку, движение назад, влево и возврат в исходную точку. Контролировать ориентацию дрона.

• Задание 2.3: Развороты и ориентация. Отработать плавные развороты на 360 градусов. Научиться управлять дроном, когда он повёрнут носом к оператору.

Часть 3: Освоение управления от первого лица (FPV)

• Задание 3.1: Первичная адаптация. Поднять БЛА в режиме 3PV на безопасную высоту. Надеть FPV-очки или переключиться на монитор. Привыкнуть к новому восприятию.

• Задание 3.2: Простой FPV-полёт. Выполнить движение по прямой и разворот, ориентируясь только по видеотрансляции.

• Задание 3.3: Облёт простой трассы. Проложить маршрут между несколькими точками, используя FPV.

Требования безопасности:

• Полёты только под руководством инструктора.

• Обязательная работа со страхующим (наблюдателем) при FPV-полётах.

• Немедленное прекращение работы при потере управляемости или видеосигнала.

---

3. Компьютерное зрение в робототехнических системах

Компьютерное зрение — это технология, позволяющая роботам получать, обрабатывать и анализировать визуальную информацию из окружающего мира, подобно тому как это делает человек. Оно является ключевым элементом современных автономных робототехнических систем .

3.1. Основные задачи компьютерного зрения в робототехнике:

• Обнаружение и распознавание объектов: Идентификация предметов, людей, препятствий в кадре с использованием алгоритмов машинного обучения .

• Оценка положения и навигация: Определение местоположения робота в пространстве по визуальным ориентирам, построение карты местности.

• Трекинг (слежение): Отслеживание перемещения объектов в динамике .

• Анализ сцены: Понимание структуры окружающей обстановки, выделение значимых зон.

3.2. Алгоритмы компьютерного зрения:
Для обработки изображений применяются различные алгоритмы. Например, алгоритмы FAST (Features from Accelerated Segment Test) и SIFT (Scale-Invariant Feature Transform) используются для обнаружения ключевых точек на изображении, что важно для распознавания объектов и навигации . Современные системы также активно применяют методы машинного обучения для повышения надёжности распознавания и управления движением .

3.3. Применение компьютерного зрения:

• Коллаборативные роботы (коботы): Системы технического зрения позволяют роботам безопасно взаимодействовать с людьми и адаптироваться к изменениям среды .

• Промышленная автоматизация: Контроль качества, сортировка объектов, управление манипуляторами .

• Автономные транспортные средства: Навигация, распознавание препятствий и дорожных знаков .

Учебно-исследовательские комплексы, такие как разработанный в ЮУрГУ, позволяют осваивать эти технологии на практике, программируя коллаборативных роботов с интеграцией компьютерного зрения .

---

4. Управление групповым взаимодействием роботов

Групповое взаимодействие (рой, формация) — это согласованное выполнение задач несколькими роботами для достижения общей цели. Это направление активно развивается, так как позволяет решать задачи, непосильные для одного аппарата: патрулирование территории, поиск и спасение, мониторинг сельхозугодий, логистика .

4.1. Типы архитектур управления группой:

• Централизованное управление: Все решения принимает один центр (наземная станция или ведущий робот). Простота координации, но уязвимость при потере связи с центром .

• Децентрализованное (распределённое) управление: Каждый робот принимает решения на основе информации от соседей. Высокая надёжность и масштабируемость, но сложность алгоритмов .

• Иерархическое управление: Комбинация подходов, где группа делится на подгруппы.

4.2. Технологии и алгоритмы группового взаимодействия:

• Консенсусные алгоритмы: Позволяют роботам договариваться о параметрах движения (скорость, курс) для поддержания строя .

• Протоколы локального голосования (LVP/ALVP): Децентрализованные механизмы, где роботы обмениваются данными с ближайшими соседями для коррекции своего положения. Исследования показывают, что ускоренная версия (ALVP) обеспечивает более высокую скорость восстановления формации и устойчивость при потерях пакетов данных .

• Обучение с подкреплением: Системы, такие как RoboBallet, обучаются координации действий, получая «вознаграждение» за успешное выполнение задач без столкновений. Это позволяет группе роботов выполнять сложные операции, подобно «отточенному танцу» .

• Алгоритмы оптимизации: Программные комплексы анализируют параметры роботов и внешние условия, формируя оптимальный состав команды и прогнозируя её поведение .

4.3. Проблемные вопросы группового взаимодействия:

• Обеспечение устойчивой связи между роботами.

• Обработка больших объёмов данных в реальном времени.

• Предотвращение столкновений и координация в ограниченном пространстве.

• Безопасность и надёжность децентрализованных систем .

4.4. Примеры применения:

• МЧС и службы спасения: Поиск пострадавших, доставка медикаментов в труднодоступные районы .

• Сельское хозяйство: Мониторинг посевов, точечная обработка растений .

• Промышленность: Координация нескольких манипуляторов на одной линии .

• Охрана и патрулирование: Согласованный полёт над автомагистралью или границей .

Вывод: От базовых навыков ручного управления БЛА до сложных алгоритмов компьютерного зрения и роевого интеллекта — современная робототехника предлагает широкий спектр технологий. Освоение систем управления от третьего и первого лица формирует фундаментальные навыки пилотирования. Компьютерное зрение наделяет роботов способностью «видеть» и понимать окружающий мир, а алгоритмы группового взаимодействия позволяют объединять их в эффективные команды, способные решать сложные задачи автономно и согласованно.

Календарный план изготовления табуретки (1 четверть)

Условные обозначения:

• Урок 1 (Т): Теоретическое занятие (в классе).

• Урок 2 (П): Практическое занятие (в мастерской).

• ВУ: Внеурочное время (после уроков) — указано в реалистичных местах, где урок может не уложиться по времени.

---

Календарный план изготовления табуретки (1 четверть)

Неделя 1

• Занятие 1 (Т): Вводный инструктаж по технике безопасности. Знакомство с чертежом изделия (табурет). Чтение сборочного чертежа. Спецификация материалов (пиломатериалы: брусок, доска). Расчет количества материала.

• Занятие 2 (П): Организация рабочего места. Подбор и разметка заготовок для ножек (4 шт.) с учетом припусков на обработку.

Неделя 2

• Занятие 3 (Т): Виды пиления. Зубья пилы, разводка. Правила пиления поперек и вдоль волокон.

• Занятие 4 (П): Пиление заготовок ножек в размер. Торцевание. (Если не успевают — ВУ: доработка).

Неделя 3

• Занятие 5 (Т): Технология строгания. Ручной рубанок (шерхебель, фуганок). Настройка инструмента. Проверка прямолинейности.

• Занятие 6 (П): Строгание ножек в размер (квадрат/прямоугольник по чертежу). Контроль углов и размеров.

Неделя 4

• Занятие 7 (Т): Разметка соединений (шип-гнездо). Измерительные инструменты (рейсмус, угольник). Виды шиповых рамных соединений (УК-1, УК-2).

• Занятие 8 (П): Разметка шипов и проушин на ножках и царгах. (Начало сложной операции).

Неделя 5

• Занятие 9 (Т): Технология долбления и выборки гнезд. Инструмент: стамеска, долото. Приемы работы.

• Занятие 10 (П): Выдалбливание гнезд в ножках и запиливание шипов. (Работа кропотливая, скорее всего, продолжится).

Неделя 6

• Занятие 11 (Практика): Подгонка шиповых соединений «насухо». Сборка рамы (ножки + царги + проножки). Устранение зазоров и перекосов.

  • (Если не успевают — ВУ: подгонка соединений)

• Занятие 12 (Практика): Подготовка клея. Нанесение клея. Окончательная сборка основы табурета. Установка клиньев (если требуется). Проверка сборки под прессом/стяжкой.

Неделя 7

• Занятие 13 (Т): Технология изготовления крышки (сиденья). Склеивание щита из досок. Фугование кромок. Требования к качеству.

• Занятие 14 (П): Фугование кромок досок сиденья. Склеивание щита (если сиденье не цельное). (Сушка клея — ВУ).

Неделя 8

• Занятие 15 (Практика): Разметка и выпиливание крышки по заданному контуру (круглая или квадратная). Обработка кромки (рубанком, шлифовка).

• Занятие 16 (Практика): Сверление отверстий под шканты/саморезы. Установка (посадка) сиденья на клей и саморезы к царгам.

Неделя 9 (Резервная)

• Занятие 17 (Практика): Зачистка изделия. Шлифовка всех поверхностей наждачной бумагой. Скругление острых углов (в целях безопасности).

• Занятие 18 (Т+П): Защитная отделка (первый слой масла/лака) или просто финишная проверка. Анализ готового изделия. Уборка мастерской.

---

Важные заметки для учителя:

1. Внеурочное время (ВУ): В реальности, если дети работают медленно (особенно 5-6 классы), на долбление и подгонку шипов уйдет больше времени. Поэтому в плане выделены точки, где можно назначить дополнительные 30-40 минут после уроков, чтобы не отставать от графика.

2. Гибкость: Если четверть короче (например, 8 недель), можно объединить темы (например, «Строгание и разметка» провести на одном занятии).

3. Сложность: Если табуретка проще (например, на саморезах с металлическими уголками, без шипов), то план можно сократить на 2-3 недели, освободив время на декоративную отделку или выжигание.

6Кл. Параграф: Выполнение проекта «Изделие из металла» по технологической карте: сверление, пробивание отверстий и другие технологические операции. Технологии сборки изделий из тонколистового металла и проволоки

 Изготовление металлического изделия — это последовательный процесс, в котором каждая операция выполняется в строгом соответствии с технологической картой. Особое место среди операций занимает получение отверстий (сверление и пробивание), а завершающим этапом является сборка готового изделия из отдельных деталей.

---

1. Технологические операции получения отверстий

1.1. Сверление

Сверление — основная операция для получения отверстий в металлических заготовках с помощью вращающегося режущего инструмента — сверла.

Инструменты:

• Ручная дрель или шуруповёрт — для единичного производства и тонколистового металла -6.

• Сверлильный станок — для более точных отверстий и серийной работы.

Технология сверления:

1. Разметка центра отверстия: Нанести кернером углубление в центре будущего отверстия, чтобы сверло не «увело» в сторону -5.

2. Закрепление заготовки: Надёжно зафиксировать деталь в тисках или струбцинами. Категорически запрещается держать заготовку руками во время сверления.

3. Выбор сверла: Подобрать сверло нужного диаметра. Для тонколистового металла важно, чтобы сверло было остро заточено.

4. Сверление: На малых оборотах начать сверление, контролируя перпендикулярность инструмента поверхности. При сверлении стали рекомендуется использовать смазочно-охлаждающую жидкость (машинное масло).

5. Удаление заусенцев: После сверления обработать края отверстия зенковкой или крупным напильником.

Особенности сверления тонколистового металла: Тонкий лист может деформироваться при сверлении. Рекомендуется подкладывать под заготовку деревянный брусок или зажимать её между двумя досками.

1.2. Пробивание отверстий

Пробивание (пробинка, штамповка) — это операция получения отверстий без снятия стружки, путём сдвига и отделения части материала -3-10. В отличие от сверления, пробивание выполняется в холодном состоянии с помощью пробойника и оправки или в специальных штампах -7.

Ручное пробивание (для тонколистового металла до 0,8 мм):

• Инструмент: Пробойник (бородок) с закалённым конусным концом, слесарный молоток, подкладка (обычно торец свинцовой или деревянной оправки).

• Технология:

  1. Разметить центр отверстия кернером.

  2. Установить пробойник остриём в накернённое углубление.

  3. Нанести несколько точных ударов молотком, поворачивая пробойник, пока не будет пробито отверстие.

  4. Зачистить края отверстия напильником.

Преимущества пробивания: Высокая производительность, отсутствие стружки, возможность получения отверстий сложной формы (если используются специальные штампы) -7. Недостаток — возможно образование трещин, особенно на краях отверстия, если металл недостаточно пластичен -10.

1.3. Другие технологические операции

• Резка: Отделение части заготовки ножницами по металлу (ручными, рычажными, гильотинными) или ножовкой по металлу -6.

• Гибка: Придание заготовке изогнутой формы в тисках с помощью киянки и оправок -4-6.

• Правка: Устранение деформаций (вмятин, искривлений) на правильной плите с помощью киянки или деревянного молотка -5.

• Зачистка и шлифование: Удаление заусенцев, острых кромок, выравнивание поверхности с помощью напильников, надфилей и наждачной бумаги -4.

---

2. Технологии сборки изделий из тонколистового металла и проволоки

Сборка — это завершающий этап изготовления изделия, на котором отдельные детали соединяются в единое целое. Для тонколистового металла и проволоки применяются различные способы соединения -1.

2.1. Заклёпочное соединение

Это неразъёмное соединение, выполняемое с помощью заклёпок. Один из самых распространённых способов для тонколистового металла -1.

Технология:

1. В соединяемых деталях просверлить или пробить отверстия под заклёпку. Диаметр отверстия должен быть на 0,1-0,2 мм больше диаметра заклёпки.

2. Совместить отверстия деталей.

3. Вставить заклёпку (головкой вниз, если работают на весу).

4. Осадить (уплотнить) детали.

5. Расклепать выступающий конец заклёпки ударами молотка, формируя замыкающую головку. Используется поддержка (наковальня) и обжимка для придания головке правильной формы.

Инструменты: Молоток, поддержка, натяжка (для осаживания), обжимка.

2.2. Фальцевое соединение (замковое)

Соединение краёв листов путём их загиба и последующего обжатия. Широко применяется при изготовлении вёдер, кровельных покрытий, воздуховодов.

Технология: Края соединяемых листов загибают (отбортовывают) в противоположных направлениях, затем сцепляют их между собой и уплотняют (обжимают) киянкой или на зиговочной машине.

2.3. Соединение пайкой

Соединение деталей с помощью расплавленного припоя — металла или сплава с температурой плавления ниже, чем у соединяемых деталей -1.

Технология:

1. Зачистить и обезжирить соединяемые поверхности.

2. Обработать их флюсом (например, канифолью или паяльной кислотой) для удаления оксидной плёнки.

3. Нагреть место соединения паяльником (или газовой горелкой) и ввести припой (например, оловянно-свинцовый). Расплавленный припой затекает в зазор и после остывания прочно скрепляет детали.

Преимущества: Возможность соединения разнородных металлов, аккуратное соединение, не требует больших механических усилий.

2.4. Соединение винтами и болтами

Разъёмное соединение, позволяющее многократно собирать и разбирать изделие. В тонколистовом металле под винты и болты обязательно выполняются отверстия. Для предотвращения самоотвинчивания используются контргайки или пружинные шайбы (гроверы).

2.5. Соединение проволоки

• Скрутка: Концы проволоки скручивают между собой с помощью плоскогубцев. Применяется в электротехнике, для изготовления цепочек, арматуры.

• Пайка проволоки: Для более надёжного соединения скрутку можно пропаять.

• Сварка проволоки: Используется для ответственных конструкций, но требует специального оборудования.

2.6. Клеевое соединение

Соединение деталей с помощью специальных клеёв (например, эпоксидных). Применяется для соединения металла с неметаллическими материалами или в случаях, когда другие способы неприменимы.

---

3. Выполнение проекта по технологической карте

Технологическая карта — это основной документ, в котором расписана вся последовательность изготовления изделия: какие операции, в каком порядке, какими инструментами и с какими режимами выполнять -6-9.

Типовая технологическая карта для изделия из металла:

Номер операции	Наименование операции	Графическое изображение (эскиз)	Оборудование и инструменты
010	Выбрать заготовку, проверить её качество	(Эскиз листа с размерами)	Линейка, штангенциркуль
020	Разметить заготовку по чертежу	(Эскиз с линиями разметки)	Чертилка, линейка, угольник, кернер -5
030	Вырезать заготовку	(Эскиз вырезанной детали)	Ножницы по металлу, ножовка -6
040	Зачистить кромки	(Эскиз с обозначением зачистки)	Напильник, наждачная бумага -4
050	Разметить и накернить центры отверстий	(Эскиз с точками отверстий)	Линейка, кернер, молоток
060	Сверлить отверстия	(Эскиз с отверстиями)	Сверлильный станок или дрель, сверло ⌀ 4 мм, тиски
070	Снять заусенцы	(Эскиз с готовыми отверстиями)	Зенковка, крупный напильник
080	Согнуть деталь по чертежу	(Эскиз с линиями сгиба)	Тиски, киянка, оправка -6
090	Соединить детали заклёпками	(Сборочный эскиз)	Молоток, поддержка, обжимка
100	Проверить качество сборки, зачистить, отшлифовать	(Эскиз готового изделия)	Линейка, угольник, наждачная бумага
110	Нанести защитное покрытие (окрасить)	—	Кисть, краска по металлу

Правила работы по технологической карте:

1. Внимательно изучить карту перед началом работы.

2. Строго соблюдать последовательность операций.

3. Контролировать качество после каждой операции (размеры, отсутствие дефектов).

4. Использовать инструменты строго по назначению и в исправном состоянии.

5. Соблюдать правила безопасности: работать в защитных очках, надёжно закреплять заготовку, не отвлекаться.

---

Вывод: Выполнение проекта «Изделие из металла» требует от учащихся не только владения конкретными технологическими операциями (сверление, пробивание, гибка, резка), но и умения работать с технологической картой — читать её, понимать и неукоснительно соблюдать последовательность действий. Освоение различных способов сборки (заклёпочные, фальцевые, пайка) позволяет создавать прочные, функциональные и эстетичные изделия, а также формирует системное мышление, необходимое в любой профессиональной деятельности.