Я работаю в Altium Designer. Команда «Формула МАДИ»

555
Команда и электромобиль на соревнованиях в Венгрии
Команда и электромобиль на соревнованиях в Венгрии

Александр Пастушенко, менеджер по развитию инженерных студенческих команд Центра инженерного образования МАДИ, и его коллеги рассказывают об истории команды «Формула МАДИ», построенных болидах, выигранных соревнованиях, планах на будущее и конечно же о работе в программном продукте Altium Designer.

«Формула МАДИ» – это студенческая инженерная команда, создающая автомобили для участия в международных соревнованиях Formula Student – международной серии студенческих инженерных соревнований основанных в 1979 года в США.

С чего все началось в России

Всё началось в 2005 году, когда преподаватель кафедры “Инженерная педагогика” Сергей Викторович Сафроненков после посещения соревнований Silverstone Circuit, проходящих на Британской трассе Формулы 1, предложил создать первую в России команду класса Формула Студент в МАДИ и нашёл поддержку у ректора университета.

В международной серии студенческих инженерных соревнований Formula SAE команда Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) стала первым участником из России.

Кто был первым

В 2006 году на немецкую трассу Hockemhim Ring выехал первый российский автомобиль, созданный студентами. Это был автомобиль с бензиновой силовой установкой, построенный по регламенту и по фотографиям из интернета.

Первый Российский автомобиль класса Formula Student
Первый Российский автомобиль класса Formula Student

Направление Формула Студент успешно стартовало и начало развиваться не только в МАДИ, но и в других вузах России. МАДИ поддерживал новые команды, организуя конференции, форумы и соревнования. Тем временем мировые тенденции устремились в сторону гибридной силовой установки, и в след за ними в университете была создана команда в классе Формула Гибрид. Первое же выступление команды «Формула Гибрид МАДИ» оказалось успешным: в 2008 году проект будущего болида под названием «Стрекоза» завоевал 1 место в классе технических проектов на соревнованиях в Италии.

Уже с готовым болидом команда отправилась на соревнования в США, где «Стрекоза» принимала участие в самом крупном и престижном этапе Formula Hybrid USA 2009 на всемирно известной трассе New Hampshire Motor Speedway, NASCAR. В соревновании было заявлено 32 участника, а «Формула Гибрид МАДИ» заняла 14 место. В 2010 году команда создала второй автомобиль с гибридной силовой установкой — «Шмель» — усовершенствованный и более сложный в исполнении, который также принял участие в американских соревнованиях.

Тест на опрокидывание гибридного автомобиля МАДИ в США
Тест на опрокидывание гибридного автомобиля МАДИ в США

В 2011 году «Колибри» – доработанная и усовершенствованная версия «Шмеля» – была признана лучшим болидом в классе Hybrid на соревнованиях Formula Electric and Hybrid Italy на полигоне IVECO в Италии.

С 2011 года в Европе более перспективным направлением становится класс электромобилей, и большинство ведущих команд начинают активно работать над электронными, электрическими и мехатронными устройствами.

С каждым годом автомобили, созданные в МАДИ, становились более сложными, больше узлов проектировалось и рассчитывалось с помощью современного программного обеспечения, а выпускники команд успешно находили работу в инженерной сфере.

Со сменой направления сменилось и название: «Формула Гибрид МАДИ» стала «Формула Электрик МАДИ». В 2012 году команда приступила к разработке совершенно нового гоночного болида класса Electric в рамках соревнований Formula Student. Первый автомобиль, названный «Белуха», был собран в 2013 году.

Вспоминает Владислав Долженков, один из первых участников команды, а сейчас старший преподаватель кафедры «Электротехника и электрооборудование»: «Я пришёл в команду в отдел «Электрика» на втором курсе, это был далёкий 2013 год. Команда строила на тот момент свой первый электроболид. Мы были неопытны и толком не понимали, как достичь желаемой цели. Только благодаря настойчивости, упорству и опыту куратора мы достроили «Белуху», она позволила нам набить свои собственные шишки и дала хороший задел на будущее. Ни одна российская команда до сегодняшнего дня, за исключением МАДИ, не смогла представить в Европе свой электромобиль.

Следующий опыт, которым стал электроавтомобиль «White Fox», был удачнее. Это был фантастический болид с низким центром масс и почти идеальным распределением масс по осям. Масса болида была существенно снижена, меньше 270 кг. Стало возможным проводить научные исследования и писать научные работы.

Команда и электромобиль на соревнованиях в Венгрии
Команда и электромобиль на соревнованиях в Венгрии

А с третьим электроболидом под названием «Феникс» команда МАДИ заняла первое место в классе «Энергоэффективность» на соревнованиях этапа Formula Student East в Венгрии 2017 году. И это единственная награда за динамические испытания для всех отечественных команд Формула Студент, как для бензинового класса так и для электрического.

Команда и электромобиль на соревнованиях в Венгрии
Команда и электромобиль на соревнованиях в Венгрии

Впрочем, само создание болида, в проектирование и строительство которого вложено несколько миллионов рублей и тысячи человеко-часов, – это уже гигантская победа, даже если в итоге не было подиумного места. Главная задача проекта не гонка, а подготовка высококлассных специалистов мирового уровня».

Следующим большим этапом для команды стал 2019 год, когда «Формула Студент МАДИ» и «Формула Электрик МАДИ» стали одной командой – «Формула МАДИ». Перед командой вновь стоит сложная и интересная задача – создание беспилотного автомобиля.

Как же все это возможно

Команда всегда развивалась, не боясь воплощать все более сложные идеи в своих автомобилях.

Побеждает команда не с самым быстрым болидом, а с наилучшим набором общих характеристик, который состоит из конструкторской разработки, гоночных параметров, а также логистического и финансового планирования для дальнейшего производства данной машины. Поэтому соревнование разбивают на несколько конкурсных этапов (динамические и статические тесты). У кого лучше получается комплексно решить задачу, тот зарабатывает больше баллов и становится победителем.

Судят соревнования обычно ведущие конструктора мировых автоконцернов, при этом конкуренция среди участников очень серьезная, поэтому студенты и кураторы, выезжающие на соревнования, получают уникальный опыт.

Преподаватели в процессе проектирования и изготовления не участвуют, а только направляют, давая возможность студенческому коллективу взять на себя обязанности полноценной инженерной компании. Кураторы и сотрудники университетов только консультируют команды, обеспечивают безопасность проводимых работ и оппонируют принятым решениям.

Студенты, прошедшие полный годичный цикл проектирования и изготовления, получают знания не только в техническом плане, но зачастую и в областях, далёких от своей специальности. Например, знакомятся с тем, как функционируют компании. Учатся учитывать потребности всех отделов, финансовое состояние проекта и мнение других участников.

Больше того, «Формула МАДИ», как и подобные команды из МАДИ и других ВУЗов, функционирует за счёт средств компаний-партнёров и получает комплектующие от реальных участников рынка. Благодаря этому студенты, ещё обучаясь в университете, имеют дело с бизнес-коммуникациями, порядком отчётности и другими процессами, с которыми они столкнутся в своей дальнейшей профессиональной деятельности.

Многие члены команды получают приглашения от компаний-партнёров, то есть устраиваются на работу, часто недоступную для обычных выпускников.

Что будет дальше

Ещё с 2020 года команда ведёт разработку нового роботизированного болида. В сезоне 2022 команда планирует участвовать в соревнованиях Formula Student в классе DV (беспилотные болиды). Это означает, что нужно спроектировать и построить болид, оснащенный необходимыми приводами рулевой и тормозной системы, системой датчиков и контроллеров, а также научить его распознавать трассу и ехать по ней.

Рендер электроболида 2022 года
Рендер электроболида 2022 года

Производство болида уже началось. Параллельно команда доделывает и оптимизирует узлы, требуемые для автономной системы, а также занимаемся разработкой и отладкой алгоритмов управления в виртуальном симуляторе.

Инструменты победы

До определенного момента автомобили создавались на коленке, но постепенно “арсенал” команды расширялся. От проектирования подвески на бумаге ушли к расчетам в современном ПО. 3D модели, сборки и чертежи с каждым годом становились все более проработанными. С выпуском регламента специально для электроболида в геометрической прогрессии стало расти число электронных устройств, что мотивировало участников команды искать наиболее адекватное специализированное решение. Имея опыт работы в специализированном ПО по расчету подвески, все понимали, что работа в подобных программах – это уникальное конкурентное преимущество.

3D-модель
3D-модель

После анализа решений для автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств был сделан выбор в пользу Altium Designer. Компания Altium проявила заинтересованность в поддержке студенческого инженерного творчества и предоставила команде лицензии на программный продукт. Основным критерием выбора была перспектива использования полученных навыков выпускниками в дальнейшей работе, что было бы их конкурентным преимуществом как высококвалифицированных специалистов.

Важной особенностью работы в команде является готовность участников к быстрому освоению инструментов для создания своих автомобилей. У студентов есть всего лишь год на проектирование и изготовление нового автомобиля, что по меркам индустрии – очень сжатые сроки. Здесь на помощь пришел Youtube-канал Altium Russia с русскоязычным контентом, позволивший получить базовые навыки работы.

Разработчик команды Дмитрий Данилкин говорит: «Я ожидал увидеть сложный продукт, на который придется потратить много времени, но также понимал, что буду конкурентоспособным специалистом, если освою его. Очень здорово, что существует стартовый курс в МАДИ, есть насыщенный Youtube-канал Altium Russia, а самое главное есть сообщество единомышленников».

На бортах всех автомобилей МАДИ размещена информация о партнерах, благодаря которым достигаются наши победы. Помимо продуктов команду всегда интересует поддержка ведущих специалистов компаний партнеров.

Команда начала свою работу с ПО Altium Designer по внутривузовской сети с локальным сервисом из офиса команды, расположенного на территории МАДИ. Но 2020 год внес свои коррективы в жизнь команды, работать в офисе не было возможности и пришлось искать гибкие решения. На помощь пришла «лицензия по требованию», которая как раз используется инфраструктурой Altium Designer. Подключаться можно откуда угодно, главное, чтобы был доступ к сети Интернет. При отсутствии доступа к Интернету или нестабильном сигнале ребятам приходилось работать офлайн, что к счастью также оказалось возможным.

В офисе команды есть мощные компьютеры и мониторы с высоким разрешением, для комфортной работы можно использовать несколько экранов, но во время удаленной работы удалось справиться с заданиями и на простой технике.

Удобно ли работать в Altium Designer, быстро ли можно освоить

Порог входа достаточно высок, команда пока не применяет весь функционал. Несмотря на то, что удаётся успешно изготавливать платы, поле для роста еще огромное. В последних версиях совместное использование с SolidWorks стало проще (с использованием Altium CoDesigner), это ускоряет разработку финального устройства, а также значительно снижает количество ошибок.

Существовал ряд организационных проблем при удалённой работе, которые удалось успешно решить с помощью продуктов Altium:

  1. Первая и самая значительная: участники начинают работать с одним файлом и либо создают дубли на командном диске, либо заменяют или удаляют результаты работы другого участника. Сейчас в процесс проектирования электрических узлов вовлечены ещё и конструкторы, то есть большое число людей, которые могут сломать проект или внести неразбериху.

Сервер Altium предупреждает, если файл уже кто-то использует, и не позволяет его редактировать.

  1. Вторая проблема: совместная работа с отделом конструкторов. Им нужна актуальная версия платы под их задачи, при том что время работы не нормировано и потребность может возникать в любой момент в течении суток.

Хорошим решением стал плагин, позволяющий портировать 3D-модель платы в SolidWorks и обратно. Для конструкторов не составило труда освоить такую возможность.

  1. Проект в первую очередь образовательный, поэтому всегда в работе задействованы новички, работу которых нужно контролировать. Для отслеживания исправлений и устранения ошибок в Altium 365 предусмотрена прозрачная история разработки платы.

В команде сформировался стандарт работы над устройствами, участники прививают культуру инженерной работы новичкам, делающим первые шаги. Удаленная работа позволила в сжатые сроки наладить механизмы взаимодействия, и переход на Altium 365 был значимым и необходимым шагом.

Процесс разработки плат в программе Altium Designer

Процесс создания готовых устройств включает в себя не только непосредственное проектирование в среде Altium Designer, но и подготовку к этому процессу, которая состоит из нескольких шагов.

Первоначально создается функциональная схема болида и схема взаимодействия устройств, затем производиться группировка функций по их месту расположения, например функция снятия показаний о положении педали акселератора будет находиться в педальном блоке.

После того как разработчик определился с месторасположением каждой из функций, начинается процесс формирования устройств и объединение нескольких функций в одном устройстве. Так, например, в уже упомянутом педальном блоке может находиться не только функция педали акселератора, но и функция мониторинга уровня давления в тормозных контурах.

После проведения подготовительных этапов возможно перейти в среду для разработки печатных плат.

Далее начинается работа по созданию схемы платы, которую можно разделить на 2 этапа: подбор компонентов и создание из них цепей, для каждого отдельного устройства.

В процессе подбора компонентов для платы учитываются такие параметры:

  • электромагнитная совместимость,
  • доступность для заказа,
  • стоимость,
  • масса-габаритные характеристики.

Для команды оценка электромагнитной совместимости оказалась проблемой, так как все элементы должны быть детально описаны.

Далее начинается создание первичной печатной платы, расположение компонентов и трассировка дорожек. Затем начинается масштабная проверка всех плат: разработчик должен убедиться,  что во все блоки приходят нужные им сигналы, все цепи спроектированы верно и что каждый из блоков сможет реализовать заложенный в него функционал.

В процессе проверки выявляются ошибки и недочеты, что неизбежно, так как мы разрабатываем абсолютно новые блоки.

После всех вышеперечисленных шагов мы переходим к созданию печатной платы, а именно к первичной трассировке. В ее процессе все элементы занимают свои места, появляются дорожки, полигоны, плата принимает свои примерные габариты, а также производится установка не поддающихся передвижению элементов, например, радиатора, и закладка крепежных отверстий. На двухслойных платах разработчики команды применяют на одном из слоев полигон, для реализации заземления. А на четырехслойных платах реализованы два внутренних слоя, один – полигон заземления, а второй отдан под цепи питания. Такое решение позволяет сделать конечное устройство более компактным.

Проведя первичную трассировку, возможно перейти к процессу проверки всей проделанной работы, все ли дорожки проведены, соединяются ли везде полигоны, зазоры между элементами, дорожками, толщина дорожек, переходные отверстия. Как и с проверкой схемы, в этой части проектирования тоже всплывают разного рода ошибки, которые требуется устранить.

Получив предварительно спроектированную плату, мы начинаем процесс экспортирования ее в среду SolidWorks. Здесь нужно отметить простоту осуществления этого процесса, благодаря встроенным функциям в Altium Designer и SolidWorks 3D модель платы не только быстро и без дополнительного вмешательства пользователя переходит из одного САПР в другой, но и внесенные изменения в среде Altium Designer отображаются в SolidWorks, что позволяет работать с одной моделью платы на протяжении всего процесса проектирования.

После экспорта начинается процесс создания корпуса данного устройства: определяются конечные габариты устройства и  способ его крепления на болиде. Также из-за сложностей размещения устройства возможны изменения его габаритов или перемещение его крепежных отверстий, что влечёт за собой повтор процесса трассировки платы.

После выполнения всех описанных этапов разработчик может начать формировать документацию для производства наших плат, а именно создать Gerber файлы и отправить их на производство, после чего остается только ждать готовые платы.

Всего для одной машины сезона 2021-2022 года было спроектировано 19 плат, 18 из которых на данный момент изготовлены.

Процесс изготовления готовых устройств
Процесс изготовления готовых устройств

Самые интересные устройства для автомобиля 2022 года

Наибольший интерес представляет плата системы мониторинга состояния аккумуляторного контейнера – AC Board, система сбора данных от педального узла – Pedal Box Unit и самое сложное комбинированное устройство обработки данных – CCU Board.

Плата системы мониторинга состояния аккумуляторного контейнера
Плата системы мониторинга состояния аккумуляторного контейнера
Плата системы мониторинга состояния аккумуляторного контейнера
Плата системы мониторинга состояния аккумуляторного контейнера

Устройство AC Board находится в аккумуляторном контейнере и следит за его состоянием, его функционал прописан в регламенте соревнований, а именно:

  • Система предварительного заряда (Pre-charge), она необходима для правильного и безопасного замыкания высоковольтной системы.
  • Измерение напряжения на главных контакторах как со стороны болида, так и со стороны аккумулятора.

За все время проектирования плата прошла большой процесс изменений и усовершенствований.

Устройство сбора данных от педального узла (Pedal Box Unit)

Устройство расположено непосредственно на педали акселератора. В его задачи входит сбор данных о положении педали акселератора и давлении в тормозных контурах. Все это происходит посредством двух аналоговых датчиков давления и двух аналоговых датчиков угла наклона. Микроконтроллер осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровой и передачу цифрового сигнала по мультиплексной шине CAN.

Устройство сбора данных от педального узла
Устройство сбора данных от педального узла
Плата устройства сбора данных от педального узла
Плата устройства сбора данных от педального узла

Система сбора данных от педального узла CCU board — самое сложное устройство на автомобиле.

Плата выполнена четырёхслойной, протяженность дорожек превышает 4 метра.

Комбинированное устройство обработки данных
Комбинированное устройство обработки данных
Плата комбинированного устройства обработки данных
Плата комбинированного устройства обработки данных

На плате габаритами 200х115мм собраны сигнально аналоговые, сигнально цифровые, силовые и высоковольтные линии, что в свою очередь требует обеспечение электромагнитной совместимости.

CCU board отвечает за 6 функций:

  1. Контроль разряда конденсаторов в блоке тяговых преобразователей напряжения. Эта функция реализована для обеспечения безопасности болида в выключенном состоянии.
  2. Контроль состояния болида – мониторинг всей системы болида и информирование о ее состоянии, происходит посредством контроля напряжения на мотор-контроллерах и высоковольтных реле.
  3. Также реализована система отключения всех потребителей и контроллеров. Ее назначение – отключить все потребители в болиде при нажатии одной из кнопок. Это может быть сделано как в случае штатной ситуации, такой как транспортировка, так и в случае нештатной ситуации, к примеру, маршал на соревнованиях может нажать одну из кнопок если болид начнет неконтролируемое движение.
  4. Питание бортовой сети болида. На плате расположена цепь питания на 24 В с предохранителями.
  5. Мониторинг состояния и балансирование ячеек низковольтной батареи, питающей бортовую сеть болида.
  6. Мониторинг состояния всего электрооборудования болида и сбор информации о нем.

Команда МАДИ успешно применяет устройства, разработанные с использованием программных продуктов Altium, на своих автомобилях и продолжает осваивать функционал активно развивающейся экосистемы. Очень ценным является то, что компания Altium идёт на встречу университетам и студентам, оказывая им всестороннюю поддержку.