Созданная в рамках работы кружков технического творчества энергокласса при Волжском филиале КорУНГ лабораторная установка «Ветротурбина» (рис.1) позволяет школьникам в рамках лабораторных занятий усвоить основные принципы работы ветрогенератора и выполнять основные расчеты по определению эффективных режимов ее работы. При создании лабораторно-учебного модуля было разработано методическое обеспечение для проведения лабораторных работ, создан сайт, посвященный установке, смонтирован учебный видеоролик, рассказывающий о составе и порядке работы с установкой.

Рисунок-1. Лабораторная установка «Ветротурбина» с метками дополненной реальности.

(1 – кейс (внешняя сторона используется в качестве рабочей площадки), 2- источник подачи воздуха с регулятором вращения, 3- ротор, 4- мачта ротора с генератором, 5 – регулируемое основания мачты, 6- вольтметр, 7 – метки дополненной реальности)

Для эффективного использования всех разработанных медиаресурсов, посвященных установке, была поставлена задача разработать справочно-информационно систему (СИС), которая бы обеспечивала быстрый и удобный доступ к информации вне зависимости от места развертывания установки (мобильность установки позволяет проводить занятия с установкой практически в любом месте). Еще одним важным требованием к информационно-справочной системе является ее масштабируемость, чтобы она могла быть легко модернизирована под комплекс большего размера (мобильный энергетический комплекс, МЭК), прообразом которого является установка.

Анализ требований, предъявляемых к СИС, а также обзор современных информационных технологий позволил выявить несколько технологий, с использованием которых можно эффективно (и эффектно) реализовать СИС. Во-первых, интернет-технологии позволяют удобно скомпоновать все медиа- и учебные ресурсы в единый информационный комплекс с удобным средством навигации и универсальным и доступным программным обеспечением для доступа в виде стандартного браузера. Во-вторых, беспроводные протоколы доступа интернет-ресурсам (Wi-Fi или 3G) позволяют получить доступ к CИС практически из любой точки. Третьей технологической составляющей предлагаемого решения стала дополненная реальность.

Под дополненной реальность (англ. addition reality, AR) понимается наложение некоторого виртуального информационного слоя на реальное изображение объекта на экране мобильного устройства [1]. Содержание дополнительного информационного слоя может быть вариативным и опираться на различные факторы: географические координаты наблюдателя, состояние программы-браузера AR, наличия на изображении объекта предопределенных графических меток. Для модели ветроустановки дополненная реальность позволяет осуществить быструю и целенаправленную навигацию по информационному контенту, посвященному модели: при фокусировки гаджета на компоненте установки с нанесенной на него специальной графической меткой его графический образ распознается и на экран выводится информация, связанная с этим компонентом: текст с описанием, фотографии и графики, ссылки на интернет-ресурсы или видеоролики.

На сегодняшний день на рынке представлено множество программных платформ поддержки дополненной реальности [2]: Wikitude, Blippar, GoogleGlass, AlterGeo и др. Анализ целого ряда показателей (предоставляемый функционал, поддержка различных программных платформ, лицензионные требования, простота использования) позволил остановить выбор на программной платформе Layar. Она использует как слои геопривязки, так и графические метки для сопоставления с выводимыми данными, позволяя бесплатно поддерживать до 10 виртуальных страниц.

На эффективность разработанной СИС влияют такие параметры, как качество Интренет-канала гаджета, степень освещенности установки, размеры, контрастность и информационная наполненность используемой метки, а также взаимное положение гаджета и метки. Последний параметр важен, поскольку при больших углах между плоскостью гаджета и плоскостью распознаваемой метки возникают искажения проецирования, которые приводят к ошибкам распознавания (рис.2).

Рисунок 2 – Искажения проецирования при видеосъемке идентификационной метки

При подобном искажении, которое сопровождается также поворотом и масштабированием образа метки, координаты каждой его точки подвергаются целому ряду аффинных преобразований [3]:

,                            (1)

где [X] – исходная матрица координат концов отрезка или вершин многоугольника в системе координат метки, [X*] – матрица в системе координат гаджета, [T_i] – выполняемые преобразования поворота, сдвига, масштабирования, проецирования.

 Все последовательные преобразования T_i  можно свести к единой матрице аффинного преобразования вида

    ,

где коэффициенты k_11, k_12, k2_1, k₂₂ – определяют операции локального масштабирования, сдвига, отражения и поворота, коэффициенты k₃₁ и k₃₂ 
– связаны с перемещениями вдоль координатных осей, коэффициенты k₁₃ и k₂₃
– задают проецирование в однородных координатах, а коэффициент k₃₃ – отвечает за общее масштабирование.

    Для каждой точки метки P(x, y) при проецировании в точку P’(x’, y’) координатной системы, связанной с плоскость мобильного устройства, получаем следующее преобразование координат:

Результатом подобных преобразований становятся видимые искажения изображения метки при ее фото- или видеосъемке. Анализ предельных значений параметров съемки позволил дать практические рекомендации по использованию СИС в реальных условиях. Результаты анализа влияния внешних факторов на качество распознавания представлены в таблице 1.

Таблица 1. Влияние внешних факторов наблюдения на качество распознавания меток в СИС дополненной реальности.

Для исследования качества распознавании меток использовались 10 меток, различающихся контрастностью рисунка и плотностью информационного наполнения. Проведенные исследования позволили выявить следующие особенности:

- угол поворота гаджета относительно метки (угол ϕ на рис.2) не влияет на качество распознавания. Это связано с тем, что такой поворот не приводит к искажениям получаемого фото- и видеоообраза метки;

- из таблицы 1 следует, что угол наклона гаджета по вертикали (α) сказывается меньше чем угол наклона по горизонтали (Β), но эта особенность связана с геометрией использованных меток: у всех меток ширина была больше высоты и для появления критических для распознавания трапецеидальных искажений требовалось меньшее значение угла Β по сравнению с α;

- контрастные метки распознаются даже при низкой освещенности (до 10Лк), соответствующей слабому искусственному освещению в помещении.

Использование технологии дополнительной реальности не ограничиваются только выводом справочной информации. Еще одним техническим объектом, на котором была опробована технология, стал мобильный энергетический комплекс (МЭК), включающий в себя энергетическое оборудование (ветростанция мощностью 300Вт, солнечная батарея мощностью 80Вт, аккумулятор глубокой разрядки 100 А·час, инвертор, контроллер заряда), оборудование для монтажа и перевозки, лабораторное оборудование, потребители энергии. После модернизации установки и оснащения ее датчиками, позволяющими снимать технические показатели ее работы, виртуальный слой позволит получать доступ к этой технической информации в виде таблиц и графиков в режиме online прямо на экране мобильного устройства.

Уже сейчас разработанная СИС предоставляет возможность получать на экране мобильного гаджета текущую расчетную мощность вырабатываемой МЭК электроэнергии. Для этого используются данные о текущих погодных условиях в той местности, где располагается установка. Получив в режиме реального времени с сайта данные о скорости ветра, расчетный модуль вычисляет мощность, вырабатываемую ветроустановкой на основе формулы:

,        (2)

где η – КПД установки (определяется заранее экспериментальным методом),

ρ – плотность воздуха при данных условиях,

А – ометаемая площадь,

v – скорость ветра.

КПД установки определяется заранее экспериментальным методом. Определяется электрическая мощность на потребителе с помощью вольтметра и амперметра для различных скоростей воздуха и сравнивается с мощностью воздушного потока.

Прогнозные метеорологические данные о скорости ветра позволили построить прогнозный тренд мощности вырабатываемой ветроустановкой МЭК электроэнергии. На сайте http://openweathermap.org в СИС скачивается xml-файл с прогнозом погоды на ближайшие 3 дня с шагом в 3 часа. Выделяя в этом прогнозе данные о силе ветра, мы смогли с использованием формулы (2) получить график прогнозируемой мощности ветроустановки на ближайшую перспективу.

В целях расширения функционала СИС для дальнейшего использования на более высоком уровне уже для МЭК реализовано использование дополненной реальности на основе геопозиционирования. Каждое место установки МЭК фиксируется на электронной карте с комментариями, описывающими, насколько удачным оказалось это место с точки зрения количества вырабатываемой электроэнергии, условий развертывания и т.п. Слой дополненной реальности выводит эту информацию на экран мобильного устройства при простом его наведении в направлении, где ранее был установлен МЭК. Это позволяет, например, точнее ориентироваться при определении того места, где было бы удобно и рационально развернуть МЭК в следующий раз. Подсистема геолокации МЭК доступна в тестовом режиме на сайте проекта http://mec-vlz.comuv.com/ в разделе “Геолокация”.

Разработанная справочно-информационая система позволяет обеспечить методическую и информационную поддержку при проведении лабораторных работ со школьниками и студентами, осуществлении опытов на установке «Ветротурбина» и мобильном энергетическом комплексе. Достоинствами системы являются: удобная форма предоставления информации, низкий порог обучения пользователя, возможность масштабирования системы для использования с техническими устройствами более высокой сложности, соответствие условиям эксплуатации в широких пределах освещенности и технических параметров используемых устройств отображения.

В дальнейшем для модернизации программно-аппаратного комплекса МЭК планируются: установка автоматической системы измерений, когда рабочие параметры комплекса, считываемые датчиками, будут транслироваться в удобном для анализа виде на экраны мобильных устройств, а также работа по организации обратной связи МЭК – мобильное устройство.