УТВЕРЖДАЮ 2020 г. МП · Сборка макета МКА 4 2 2 0 Проект №2 4 3. Разработка программ стабилизации и ориентации

Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

УТВЕРЖДАЮ

Первый проректор НИУ ВШЭ

________________ В.С. Катькало

__________________ 2020 г.

МП

Дополнительная профессиональная программа

(повышения квалификации)

«ИНЖЕНЕРИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ»

(18 ч.)

Направление программы:

проект ДОНМ «IT- класс

в московской школе»

Руководитель авторского коллектива:

Пожидаев Е. Д., проф. ДЭИ.

г. Москва

2020 г.

2

Дополнительная профессиональная программа

(повышения квалификации)

«ИНЖЕНЕРИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ»

Разработана:

Руководитель авторского коллектива:

Пожидаев Евгений Димитриевич, проф. ДЭИ

Список авторов:

Абрамешин Дмитрий Андреевич, вед. инженер УИЛ ФБКАиС

Косинов Артемий Николаевич, инженер УИЛ ФБКАиС

3

Раздел 1. «Характеристика программы»

1.1. Цель реализации программы: совершенствование профессиональных

компетенций обучающихся в области инженерии космической техники.

Для реализации программы используются конструктор малого космического

аппарата (МКА) «Орбикрафт» и одноплатный компьютер Raspberry Pi.

1.2. Совершенствуемые компетенции

№

п/п

Компетенция

Направление

подготовки

44.03.01

Педагогическое

образование

Код компетенции

1. Способен осуществлять педагогическую деятельность на

основе специальных научных знаний

ОПК- 8

1.3. Планируемые результаты обучения

№ Знать-уметь

Направление подготовки

44.03.01Педагогическое

образование

Код компетенции

1. Знать:

базовый синтаксис языка программирования;

алгоритм разбора и анализа базовой

программы.

Уметь:

производить разбор и анализ базовой

программы на основании базового

синтаксиса языка программирования.

2. Знать:

алгоритм и принципы сборки и

конструирования макета малого

космического аппарата;

алгоритм проектирования запуска датчиков

на основании библиотеки libschsat.h и

калибровки магнитрометра

Уметь:

производить сборку макета МКА с запуском

датчиков на основании библиотеки libschsat.h

и калибровкой магнитрометра

4

3. Знать:

алгоритм разработки программ ориентации и

стабилизации.

Уметь:

разрабатывать программы стабилизации

макета космического аппарата.

ОПК-8

4. Знать:

алгоритм работы компьютера Raspberry Pi и

функции библиотеки RPi.GPIO

основы программирования в операционной

системы Raspbian

алгоритм работы с кнопками и датчиком

температуры и влажности, на примере

датчика DHT-11.

стратегию планирования и алгоритм

разработки учебного занятия по работе с

одноплатным компьютером Raspberry Pi

Уметь:

проектировать и разрабатывать программы

для приема сигнала с кнопки и системы

климат-контроля.

планировать и разрабатывать учебное

занятие с обучающимися по работе с


5. Знать:

алгоритм и принцип создания манипуляторов

на основе сервопривода;

алгоритм проектирования программы по

управлению манипулятором на основе

сервопривода

Уметь:

проектировать и разрабатывать программы

по управлению манипулятором на основе


1.4. Категория слушателей: учителя физики, информатики и технологии

образовательных организаций общего образования, педагоги дополнительного

образования в сфере политехнического образования, преподаватели вузов.

Уровень образования – высшее образование; область профессиональной

деятельности – общее образование, высшее образование, дополнительное

образование детей

5

1.5. Форма обучения: очно-заочная1 с использованием дистанционных

образовательных технологий (ДОТ).

Для занятий с использованием дистанционных технологий могут быть

использованы такие платформы как: Zoom, Webinar.ru и Discord, а сами занятия

могут проводиться в формате вебинара, лекции, конференции (Zoom).

1.6. Режим занятий: не менее 2 ак. часов в день.

1.7. Трудоемкость программы: 18 часов.

1 Локальные нормативные акты НИУ ВШЭ - https://www.hse.ru/org/hse/aup/addedu/rules, https://www.hse.ru/docs/218817778.html

https://www.hse.ru/org/hse/aup/addedu/rules

https://www.hse.ru/docs/218817778.html

6

Раздел 2. «Содержание программы»

2.1. Учебный (тематический) план

№

раздела,

темы

Наименование

разделов

и тем

Всего

ауд.

часов

Виды

аудиторных

занятий

Внеаудитор.

работа

Форма

контроля

Трудоемкость

Лекции Практ.

занятия

Сам. работа

Входное

тестирование

1 0 1 0 Тест 1

1. Основы

программирова

ния на С.

2 1 1 0 Проект

№1

2

2. Конструктор

макета малого

космического

аппарата.

Сборка макета

МКА


№2

4

3. Разработка

программ

стабилизации и

ориентации.


№3

2

4. Одноплатный

компьютер

Raspberry Pi.

Операционная

система

Raspbian и

выводы

сигнала


№4

Проект

№5

5

5. Использование

манипуляторов

на примере



№6

2

Итоговая

аттестация

2 0 2 0 Зачет

(тест)

2

ИТОГО 17 7 10 1 18

7

2.2. Учебная программа

№ п/п Виды учебных

занятий, учебных

работ

Содержание

Входное тестирование Практическое занятие

(1 час)

Тест на знание основ программирования на

С, понятия одноплатного компьютера и

принципов работы спутников.

Тема 1.

Основы

программирования на

С.

Лекция (1 час) Знакомство с программированием на языке

СИ. Основные функции, переменные,

условные конструкции, процедуры,

синтаксис.

Практическое

занятие (1 час)

Работа в малых группах.

Проект №1. Анализ и разбор базовой

программы.

Тема 2.

Конструктор макета

малого космического

аппарата. Сборка

макета МКА

Лекция (2 часа) Рассмотрение систем малых космических

аппаратов и модулей, подключаемых к

аппаратам. Конструктор малого

космического аппарата (МКА)

«Орбикрафт». Знакомство с функциями

библиотеки libschsat.h. (Рассмотрение

основных функций. Применение функций.)

Алгоритм проектирования запуска

датчиков на основании библиотеки

libschsat.h;

Алгоритм и принципы сборки и

конструирования макета малого

космического аппарата. Работа с бортовым

компьютером управления, датчиками.

Снятие и прием показаний с датчиков,

Обработка показаний. Алгоритм

калибровки магнитометра. Работа с

данными.


занятие (2 часа)


Проект №2. Сборка макета МКА с запуском

датчиков на основании библиотеки

libschsat.h и калибровкой магнитрометра

Тема 3.

Разработка программ

стабилизации и

ориентации.

Лекция (1 час) Алгоритм написания программ ориентации

и стабилизации. Рассмотрение алгоритма.

Работа с датчиками. Анализ данных.




Проект №3. Разработка программы

стабилизации макета космического

аппарата.

8

Тема 4.

Одноплатный

компьютер Raspberry

Pi. Операционная

система Raspbian и

выводы сигнала

Лекция (2 часа)

Алгоритм работы с Raspberry Pi.

Рассмотрение операционной системы

Raspbian.

Работа с вводом сигнала с помощью

Raspberry Pi. Алгоритм работы с кнопками.

Работа с библиотекой PRi.GPIO.

Методы регистрации сигнала на выходах

GPIO

Алгоритм работы с датчиком температуры

и влажности на примере датчика DHT-11.

Написание программы для

функционирования. Снятие показаний с

датчика и обработка данных.

Стратегия планирования и алгоритм

разработки учебного занятия по работе с



занятие 2 часа)


Проект №4. Проектирование и разработка

программы для приема сигнала с кнопки и

системы климат-контроля.

Самостоятельная

работа (1 час)

Проект № 5 Разработка учебного занятия с

обучающимися по работе с одноплатным

компьютером Raspberry Pi

Тема 5.

Использование

манипуляторов на

примере сервопривода

Лекция (1 час) Алгоритм работы с сервоприводом и

моторами. Написание программы для

функционирования. Снятие показаний с

датчика. Обработка данных. Алгоритм

проектирования программы по управлению

манипулятором на основе сервопривода




Проект №6. Разработка программы по

управлению манипулятором на основе


Итоговая аттестация Зачет

(2 часа)

Зачет на основании совокупности

выполненных проектов и результата

итогового тестирования

9

Раздел 3. «Материально-технические условия реализации

программы»

3.1. Перечень необходимого оборудования

Наименование

специализированных

аудиторий кабинетов,

лабораторий

Вид занятий Наименование оборудования и

программного обеспечения

Компьютерный класс Лекция Компьютеры (25 шт.), мультимедийный

проектор, пульт, экран, лазерная указка,

принтер, сканер.

Компьютерный класс Практические

занятия,

практические

работы

Microsoft Office версии не ниже 20016

(Word, Excel, PowerPoint). Прикладное

программное обеспечение – среда

программирования QT, Raspberry Pi +

набор датчиков.

10

3.2. Список основной литературы

1. Прата, С. Язык программирования С: лекции и упражнения, 6- Пер. с англ.

Ю. Н. Артеменко – М.; СПб.; Киев: Вильямс, 2018. – 926 с.

2. Шилдт, Г. С++ : полное руководство: классическое издание, 2-е изд.: Пер.

с англ. и ред. Д. А. Клюшина. – М.: Вильямс, 2018. – 796 с.

3.3. Электронные ресурсы

1. Малые спутники, википедия. [Электронный ресурс] - Режим доступа:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Малые_спутники (дата обращения 26.05.2020).

2. Малые космические аппараты – новые средства дистанционного

зондирования земли из космоса. [Электронный ресурс] - Режим доступа:

http://jurnal.vniiem.ru/text/100/2.pdf (дата обращения 26.05.2020).

3. Программное обеспечение для работы с конструктором «Орбикрафт».

[Электронный ресурс] - Режим доступа:

http://www.orbicraft.sputnix.ru/doku.php?id=software (дата обращения 26.05.2020).

4. Различные системы ориентации малых космических аппаратов

[Электронный ресурс] - Режим доступа: https://habr.com/ru/post/379823/ (дата

обращения 26.05.2020).

5. Дистанционное зондирование земли. [Электронный ресурс] - Режим

доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Дистанционное_зондирование_Земли (дата


6. Дистанционное зондирование земли. [Электронный ресурс] - Режим

доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Спутниковая_связь (дата обращения

26.05.2020).

7. Солнечная батарея на космических аппаратах. [Электронный ресурс] -

Режим доступа:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Система_энергоснабжения_космического_аппарата

(дата обращения 26.05.2020).

8. Исследование характеристик датчика, на основе полупроводникового

кристалла для системы ориентации микроспутников. [Электронный ресурс] -

https://ru.wikipedia.org/wiki/Малые_спутники

http://jurnal.vniiem.ru/text/100/2.pdf

http://www.orbicraft.sputnix.ru/doku.php?id=software

https://habr.com/ru/post/379823/

https://ru.wikipedia.org/wiki/Дистанционное_зондирование_Земли

https://ru.wikipedia.org/wiki/Спутниковая_связь

https://ru.wikipedia.org/wiki/Система_энергоснабжения_космического_аппарата

11

Режим доступа: https://www.keldysh.ru/microsatellites/Bachelor_Thesis_Grigorov.pdf

(дата обращения 26.05.2020).

8. Конструктор спутника “Орбикрафт”[Электронный ресурс] - Режим

доступа: http://www.orbicraft.sputnix.ru/doku.php (дата обращения 26.05.2020).

9. Онлайн курс: «Основы разработки на C++ белый пояс» (дата обращения

26.05.2020).

10. Подборка книг по C++ от сообщества «Библиотека программиста».

[Электронный ресурс] - Режим доступа: https://proglib.io/p/cpp-books/ (дата


Раздел 4. «Формы аттестации и оценочные материалы»

Вид

Аттестации

Форма

контроля

Характеристика оценочных материалов

Входной тест Тест

Тест на знание основ программирования на С,

понятия одноплатного компьютера и принципов

работы спутников.

Текущая Практическое

задание (проект)

Текущий контроль осуществляется посредством

выполнения проектов №1-6 (п.4.2).

Итоговая Зачет

Зачет на основании совокупности положительно

оценённых проектов №1-6 и итогового задания

(теста).

Итоговый тест. Слушателю необходимо правильно

ответить не менее чем на 50% вопросов.

Оценивание: зачтено/не зачтено

4.1. Входное тестирование

Вопрос 1. Что такое функция?

Варианты ответов на вопрос 1:

а) Фрагмент программного кода (подпрограмма), к которому можно

обратиться из другого места программы;

б) Псевдокод;

в) Определенный алгоритм для выполнения конкретной задачи;

https://www.keldysh.ru/microsatellites/Bachelor_Thesis_Grigorov.pdf

http://www.orbicraft.sputnix.ru/doku.php

https://proglib.io/p/cpp-books/

12

г) Ссылка на определённый фрагмент.

Вопрос 2. Каким символом должен заканчиваться оператор?


а) Символом "двоеточие" - ':';

б) Символом "точка с запятой" - ';';

в) Символом "запятая" - ',';

г) Символом "точка" - '.'.

Вопрос 3. Какие циклы называются вложенными циклами?


а) Вложенным называется цикл, тело которого является составным оператором;

б) Вложенным называется цикл, находящийся внутри другого цикла;

в) Вложенным называется цикл чаще всего использующийся;

г) Вложенным называется цикл, не содержащий ключевых слов.

Вопрос 4. Как получить адрес переменной?


а) использовать операцию #;

б) использовать операцию ?;

в) использовать операцию &;

г) использовать операцию *.

Вопрос 5. Какое значение будет иметь переменная i после выполнения

следующего цикла:

int i=0;

while (i < 255) {printf("Current value: %d\n"); i++};


а) 255;

б) 256;

13

в) тело цикла не выполнится ни разу, следовательно, значение i будет равно

нулю;

г) это бесконечный цикл, значение i не может быть определено.

Вопрос 6. Raspberry Pi – это…


а) микроконтроллер;

б) одноплатный компьютер;

в) модуль управления;

г) плата расширения.

Вопрос 7. Что является отличием одноплатного компьютера от

микроконтроллера?


а) операционная система;

б) возможность программирования;

в) цифровые выводы питания;

г) возможное подключения плат расширения.

Вопрос 8. Что из перечисленного не является методом приема сигнала

Raspberry?


а) Событийный метод;

б) Метод опроса;

в) Метод дешифровки;

г) Метод ожидания края.

Вопрос 9. Для чего используется маховик в космосе?


а) Для ориентации и стабилизации космического аппарата.

б) Для перехода с одной орбиты на другую.

14

в) Для приема солнечного света.

г) Для передачи информации борт-земля-борт.

Вопрос 10. Что из нижеперечисленного не используется в системах

ориентации и стабилизации спутников?


а) Датчик магнитного поля;

б) Солнечный датчик;

в) Датчик угловой скорости;

г) Датчик радиационного фона.

Критерии оценивания: «Зачтено» выставляется при правильном решении

50% вопросов.

Оценивание: Зачтено/не зачтено.

4.2. Текущий контроль

Текущий контроль осуществляется посредством выполнения и оценивания

проектов №1-6.

Требования к выполнению проектов 1-4,6

Проект №1

Слушатель должен написать комментарий к каждой значащей строчке кода.

Проект№2

Требуется написать программу, которая:

1. Снимает при помощи функций libschsat 1000 показаний с магнетометра и

выводит на экран.

2. Вычисляет на основе снятых показаний заданные теоретические величины

(производит расчет среднего значения).

3. Реализует функцию, корректирующую снимаемые показания в

соответствии с заданными корректирующими коэффициентами.

Проект № 3

15


1. Снимает показания с датчика угловой скорости и показания скорости

маховика.

2. Реализует формулу расчета требуемой скорости на основе закона

сохранения момента импульса.

3. На основе предыдущих пунктов рассчитывает скорость маховика

необходимую для остановки макета.

Проект №4


1. Реализует настройку выхода GPIO для работы с кнопкой.

2. Производит регистрацию сигнала с использованием всех методов: опроса,

ожидания края, событийный.

3. Реализует настройку выхода для снятия показаний с датчика.

4. Снимает показания с датчика DHT11.

Проект №6


1. Реализует настройку выхода для управления манипулятором при помощи

ШИМ.

2. Реализует функцию поворота сервопривода манипулятора на вводимый

пользователем угол (по заданным в условии параметрам сервопривода).

3. Поворачивает сервопривод манипулятора на 180 градусов с шагом в 5

градусов.

Критерии оценивания проектов № 1

Оценивается верность комментариев к приведённому фрагменту кода.

Критерии оценивания: добавлено не менее 10 корректных комментариев.

Оценивание:

За верный комментарий +1 балл. Максимальный балл: 10.

Штрафы:

-1 балл за каждую единицу разницы количества комментариев из 10.

16

-1 балл за каждый некорректный комментарий

Критерии оценивания проектов № 2,3,4,6

-1 балл за каждое замечание.

Оценивание проектов №1-4, 6

«Зачтено» если слушатель набрал не менее 6 балов за каждый Проект.

«Не зачтено» если слушатель набрал менее 6 балов за каждый Проект.

Пример задания (проект №5)

1. .Разработать план-конспект учебного занятия (урока) по работе с

одноплатным компьютером Raspberry Pi.

Основные требования к составлению плана - конспекта учебного занятия (урока):

методы, цели, задачи урока должны соответствовать возрасту обучающихся

и теме занятия;

цели и задачи должны быть достижимы и четко сформулированы;

наличие мотивации к изучению темы;

ход урока должен способствовать выполнению поставленных задач и

достижению целей.

Критерии оценивания проекта №5:

1. Работа должна быть выполнена на основании стратегии планирования

учебных занятий с обучающимися по работе с одноплатным компьютером

Raspberry Pi.

2. Цель учебного занятия должна быть четко сформулированной, понятной,

достижимой, проверяемой, конкретной.

3. Учебное занятие по работе с одноплатным компьютером Raspberry Pi.

должно быть разработано в соответствии с возрастными особенностями

- задание выполнено полностью

Оценивание:

Максимальный балл: 10

Штрафы:

17

обучающихся, а также их уровнем подготовки.

4. Ход урока должен способствовать выполнению поставленных задач и

достижению целей.

Оценивание проекта № 5 Зачтено/не зачтено.

4.3. Форма итоговой аттестации

Итоговая аттестация осуществляется на основании совокупности

положительно оценённых проектов №1-6 и итогового задания (теста).

Итоговое задание (тест)

1. Для чего необходима лабораторная установка Терра?


а) Для корректной проверки и отработки систем ориентации и стабилизации

космического аппарата.

б) Для работы с магнитометром

в) Для приема солнечного света.

г) Для разработки приложений

2. Какого датчика нет в конструкторе «Орбикрафт»?


а) Солнечного датчика

б) Магнитометра

в) Газового сопла

г) Маховика ориентации

3. На каком языке можно писать программы для конструктора «Орбикрафт»?


а) На C и на Python

б) На C и на C++

в) На Python и CSS

г) На CSS и HTML

4. Какая шина используется в конструкторе «Орбикрафт»?

18


а) RS-485

б) PCI 64

в) PCI 66

г) AdvancedTCA

5. Куда можно отправить фото с помощью компьютера «Орбикрафт»?


а) На телефон

б) На специализированное ПО GroungControl

в) На сервер

г) На планшет

6. Возможно ли какой пин отвечает за ШИМ на плате Raspberry Pi?


а) GPIO17

б) Физический пин 1

в) Любой из присутствующих

г) Любой из логических

7. Что из перечисленного нет в Raspberry Pi?


а) Поддержка высоких языков программирования

б) Поддержка аналогово сигнала

в) Поддержка цифрового сигнала

г) Возможность беспроводной передачи

8. Может ли Raspberry Pi считывать сигнал напряжением 5В?


а) Да

б) Нет

в) На физических выходах

г) На логических выходах

19

Критерии оценивания итогового теста: «Зачтено» выставляется при

правильном решении не менее 50% вопросов.

Оценивание: Зачтено/не зачтено.

Documents

УТВЕРЖДАЮ 2020 г. МП · Сборка макета МКА 4 2 2 0 Проект №2 4 3. Разработка программ стабилизации и ориентации