Я работаю в Altium Designer. Команда УНМЦ «Гидронавтика» о своей истории, развитии подводной робототехники, разработанных аппаратах и знакомстве с Altium 365

1057

Личный опыт и победы команды, новые направления и новое ПО.

Путь в «Гидронавтику»

Дмитрий Затекин
Дмитрий Затекин

Дмитрий Затекин, капитан студенческой команды «Гидронавтика»:

До того как я пришёл в Гидронавтику, у меня уже был большой опыт в робототехнике. Моё увлечение этой областью началось в 2014 году, когда я, ещё школьником, участвовал в соревнованиях «Eurobot». Это достаточно известные международные молодёжные состязания, где на полигоне 2 х 3 метра участники с помощью управляемых и/или автономных роботов должны выполнить несколько заданий по регламенту.

Изначально электроника в наших роботах была достаточно простой; первое время это была вообще элементарная схема на кнопках, проводах и навесном монтаже. Потом появилась Arduino с макетами и шилдами, и в один момент появилась задача – использовать 8 датчиков, работающих по интерфейсу I2C. Но из-за отсутствия у них энергонезависимой памяти нужно было использовать схему на мультиплексоре с согласованием уровней – и это была первая моя плата. Я разрабатывал её в EAGLE CAD, тогда ещё не зная о существовании Altium Designer. Но функционала EAGLE всё же хватило для создания такой элементарной схемы:

Я работаю в Altium Designer. Команда УНМЦ «Гидронавтика» о своей истории, развитии подводной робототехники, разработанных аппаратах и знакомстве с Altium 365

С каждым годом наши роботы всё усложнялись и усложнялись. Как-то мы даже хотели сконструировать систему позиционирования на ультразвуке, для чего попытались скопировать китайский датчик HC-SR04 и переделать его усилитель и детектор под себя. К сожалению, идея не увенчалась успехом, и в итоге мы просто сделали систему на этом датчике.

Я работаю в Altium Designer. Команда УНМЦ «Гидронавтика» о своей истории, развитии подводной робототехники, разработанных аппаратах и знакомстве с Altium 365

К слову, о производстве самих плат: в школьные годы средств на заказ плат с завода не было, зато были текстолит и фрезерный станок, а также фрезы, которыми можно было делать эти платы. Мы наладили собственный производственный процесс. Трассированные платы из EAGLE CAD экспортировали в dxf и фрезеровали их на фрезерном станке. Иногда делали даже двухсторонние.

Я работаю в Altium Designer. Команда УНМЦ «Гидронавтика» о своей истории, развитии подводной робототехники, разработанных аппаратах и знакомстве с Altium 365

Благодаря своему проекту системы позиционирования я выиграл в олимпиаде «Шаг в будущее», которая дала мне возможность поступить в МГТУ им. Н. Э. Баумана без экзаменов.

Изначально я выбрал кафедру СМ7 «Робототехнические системы и мехатроника», но одновременно с этим хотел найти лабораторию, где мог бы продолжить своё практическое увлечение робототехникой. Так я наткнулся на УМНЦ «Гидронавтика» и чуть позже встретился с ребятами из центра, которые любезно согласились устроить мне экскурсию.

Её провёл нынешний ментор команды Иван Семенюк, который тогда был её капитаном. Он рассказал про специфику учёбы в МГТУ и заманил меня на кафедру СМ11 «Подводные роботы и аппараты» – именно после разговора с ним я понял, что буду поступать на СМ11, где сейчас и учусь, и очень рад, что послушал Ивана.

История команды

Иван Семенюк, ментор команды «Гидронавтика»:

Наш центр основал профессор Станислав Павлович Северов в декабре 2010 года. Он вёл курс «Основы управлениями проектами» и однажды пришёл в свою группу с предложением собрать команду для участия в международных соревнованиях по подводной робототехнике, проходивших в США с середины нулевых.

Спонсором первого аппарата, «Акватор», выступила компания «Подводная робототехника»; и сам «Акватор» представлял из себя переработанный под требования соревнований телеуправляемый необитаемый подводный аппарат «Гном» российского производства. С ним команда отправилась на свои первые соревнования – MATE ROV Competition. Они проходили на Гавайях, и «Акватор» был предназначен для диагностики донной вулканологической станции Гавайского архипелага.

Нас очень впечатлили и уровень подготовки соревнований, и возможность пообщаться с инженерами-единомышленниками со всего мира, так что по возвращении мы начали подготовку к первенству следующего года, разрабатывая для участия уже собственный аппарат  – «Акватор 2». С тех пор год от года, шаг за шагом команда создаёт новые аппараты, улучшая и дополняя их в соответствии с техническим прогрессом и приобретёнными навыкам. Побывать на виртуальной экскурсии в нашей лаборатории можно здесь.

Развитие подводных аппаратов
Развитие подводных аппаратов

Профессор Северов ушёл из жизни в 2018 году, до последнего принимая активное участие в деятельности и развитии центра. Многие выпускники УНМЦ продолжают работать по специальности и занимают ведущие позиции в профильных компаниях, связанных с подводными аппаратами и оборудованием – «Гном», «Ровбилдер», «Тетис-ПРО». Кроме того, наши выпускники основали собственную компанию, «Гидроботикс», которая занимается производством комплектующих для подводной техники.

Бывшие «гидронавты» также продолжают участвовать в конкурсах, но уже среди производителей подводных аппаратов и силовых ведомств. Так, в 2020 году команда спецотряда «Лидер» МЧС России заняла призовые места на соревнованиях «Восточный бриз 2020» с подводным аппаратом компании «Ровбилдер», в разработке которого принимали участие бывшие члены «Гидронавтики».

Главные победы «Гидронавтики»

Я работаю в Altium Designer. Команда УНМЦ «Гидронавтика» о своей истории, развитии подводной робототехники, разработанных аппаратах и знакомстве с Altium 365

Дмитрий Затекин: 

Изначально команда участвовала исключительно в международных соревнованиях MATE ROV Competition. Первую свою награду – Sharkpedo, за лучшие инженерные инновации, «Гидронавтика» получила с «Акватор 3D» – за реализацию трёхмерной камеры на подводном аппарате. В том же году команда взяла награду Design Elegance за лучший технический дизайн аппарата.

На соревнованиях MATE аппараты выполняют работы, аналогичные тем, для которых используется профессиональная техника — поисковые и спасательные операции, остропка и извлечение крупных предметов со дна, работы по техническому обслуживанию объектов нефтегазового комплекса, операции по разминированию, поддержка водолазных работ и т.д. Круг решаемых задач постоянно расширяется, и под каждую новую задачу необходимо создавать аппарат с соответствующими функциями.

В 2014 году наша команда с аппаратом Jellyfish заняла 2 место в общем зачёте, а также выиграла специальный приз за лучшую техническую документацию. В 2017-м началась разработка гибридного (сочетающего в себе автономные и телеуправляемые возможности) подводного аппарата «Кусто». С ним в 2019 году «Гидронавтика» заняла 4 место на соревнованиях SAUVC в Сингапуре (автономный режим) и 1 место на соревнованиях в рамках форума АТУРК 2019 (телеуправляемый режим).

Помимо этого, команда нашего центра не раз становилась лауреатом различных инженерных конкурсов. А в 2021-м новый состав команды с аппаратом «Кусто 2А» занял 1 место на кубке России по телеуправляемым подводным аппаратам, который проходил в Астрахани.

Также участники нашего центра занимаются научной и исследовательской деятельностью, периодически публикуя статьи уровня РИНЦ, ВАК и Scopus.

Планы, ограничения и новые направления

Я работаю в Altium Designer. Команда УНМЦ «Гидронавтика» о своей истории, развитии подводной робототехники, разработанных аппаратах и знакомстве с Altium 365

В данный момент наш центр активно развивается, пробуя себя в новых направлениях и совершенствуясь в старых. Так, только за этот учебный год мы уже поучаствовали в трёх выставках и провели несколько мастер-классов для студентов-первокурсников и школьников. Также заявки наших участников прошли в финал в грантовом конкурсе «Умник», и мы надеемся на их победу.

За этот год возросло и количество активных участников центра – теперь нас около 20-25 человек, и сейчас мы все серьёзно трудимся над новым аппаратом «Северов» (SeveROV), который назван в честь основателя нашего центра. Исходя из прошлогоднего опыта, мы планируем снова поехать в Астрахань и побороться за первое место, но собираемся выставить там уже две команды, с новым и старым аппаратами. Также мы готовимся к соревнованиям в Сингапуре, которые пройдут в сентябре 2022 года. Надеемся, что успеем доделать наш аппарат и достойно там выступить.

Коронавирусные ограничения не особо влияют на работу центра, потому что они кратковременные. И, поскольку много времени уходит на моделирование и разработку, то в период карантинов мы проектируем наши аппараты в различных программах и пишем статьи, а после окончания периода изоляции возвращаемся в лабораторию, собираем всё в железе и всё тестируем. Ну и, конечно же, ездим с нашим аппаратом по различным мероприятиям.

Ограничения сказываются в том, что некоторые новые ребята уже не слишком заинтересованы в работе, потому что не могут быстро испытать, попробовать свои разработки вживую, если нет доступа в лабораторию. Но в целом наш центр хорошо справляется с подобными трудностями, и это не становится для нас серьёзной преградой. Да, из-за эпидемиологической ситуации в мире перенесли некоторые международные соревнования, но мы воспользовались этим дополнительным временем для совершенствования наших аппаратов и для тренировок.

Разработка электроники и Altium

Я работаю в Altium Designer. Команда УНМЦ «Гидронавтика» о своей истории, развитии подводной робототехники, разработанных аппаратах и знакомстве с Altium 365

Дмитрий Доронин, главный электронщик команды:

Самые первые платы для аппаратов в нашем центре разрабатывались в программе P-CAD, которую в то время изучали на лабораторных работах на нашей кафедре. Но время шло, центр развивался, и довольно скоро мы оказались стеснёнными нашим выбором САПРа. Схемы и трассировка становились сложнее, росло количество ошибок. Поэтому в скором времени команда перешла на промышленный эталон – Altium Designer.

Мы сразу начали быстро осваивать новые возможности – различные интерфейсные фичи, систему генерации списка компонентов, экспорт производственных чертежей и генерацию моделей. Кстати, в этом вопросе мы стали своеобразными первопроходцами – позже лабораторные работы стали также проводить в Altium Designer.

Но со временем нам понадобился ещё один важный инструмент. Пока конструкторы занимаются начинкой робота и готовят контуры для плат, мы, электронщики, занимаемся разработкой принципиальных схем. В нашем последнем роботе, «Кусто II», около 10 уникальных плат, которые разрабатывала команда из 7 человек. Как же мы поддерживали эффективную работу?

В тот момент мы организовывали работу через общее облако, в котором находилась наша базовая библиотека и шаблоны, заточенные под технологические процессы нашего производителя. Каждая плата имела собственную библиотеку, основанную на базовой, которая заполнялась уникальными для платы компонентами. Далее разрабатывалась схема и трассировалась сама плата, а в какой-то момент проект уходил на диск в ожидании проверки. Комментарии давались лично или в переписках. Сроки и состояние проектов отслеживалось в Trello.

Казалось бы, рабочая схема, но у неё вскоре выяснились болезненные недостатки. Коммуникация между разработчиками – одна из главных составляющих успешного продукта, и с ней в данном случае сложнее всего. Разработчики смежных плат вынуждены постоянно согласовывать друг с другом изменения; комментарии и исправления ведутся в переписках; компоненты не унифицированы; библиотеки стагнируют, не обновляются; контроль версий базовый или вообще отсутствует, а степень готовности платы обновляется редко. Подобных проблем масса.

А наш новый аппарат, SeveROV, гораздо амбициознее «Кусто». В нём планируется уже 15-20 плат, которые будут для нас новыми не только со стороны схемотехники, но и технологически. И это означает, что существующие проблемы станут ещё острее.

Мы решили применить более организованный подход и начали готовить переход к контролю версий плат на Git; завели библиотеку на основе базы данных на нашем сервере. Но все эти решения по ощущению – своего рода «костыли». Поэтому мы были невероятно рады, когда Altium дал нам попробовать новый продукт – Altium 365.

Проекты, реализованные в Altium Designer

В нашем центре мы занимаемся платами самого разного уровня: от простых, которые обеспечивают общение между модулями аппарата, до сложных, для обработки гидроакустики, где идёт работа с аналоговыми сигналами. За последние пять лет мы разработали около 20-30 плат; причём практически все они были спаяны, отлажены и встроены в работу.

В качестве примера – низкоуровневые «мозги» подводного аппарата «Кусто». Модуль главного контроллера отвечает за коммутацию всех систем робота, формирование сигналов управления на все винтомоторы и замыкание контуров управления по положению.

Как мы рассказывали ранее, аппарат у нас гибридный – работает либо автономно, либо управляется через кабель. С одной стороны, на контроллер приходят сигналы от микрокомпьютера или оператора. На физическом уровне сигналы на главный контроллер приходят по RS-485, который позволяет передавать сигнал через 25-метровый кабель, а на программном – по UART. С другой стороны, на том же RS-485 у нас реализована шина для связи со множеством устройств нашего робота. Главный контроллер в этом случае является связью между «низким» и «высоким» уровнем.

Из-за широкого спектра задач, которые стоят перед аппаратом, мы пришли к тому, что он должен быть модульным – то есть интерфейсы, посылки, питание должны быть унифицированными. С одной стороны, это позволяет нам адаптировать его под конкретные соревновательные задачи и упрощает его доработку. С другой – у модульности есть свои минусы: универсальность модулей их усложняет. Поэтому практически на каждой плате есть микроконтроллер и коммутатор на RS-485.

Ниже представлена электрическая схема, разводка и фотография платы главного микроконтроллера. На ней – 3 коммутатора RS-485 с гальванической развязкой (связь с винтомоторами, берегом и драйверами доп. устройств), один коммутатор I2C, тоже с гальв-развязкой, микроконтроллер STM32F303 и цепи питания. Эту ключевую на нашем аппарате плату разработал, спаял и отладил бывший капитан «Гидронавтики», Ярослав Каменев.

Я работаю в Altium Designer. Команда УНМЦ «Гидронавтика» о своей истории, развитии подводной робототехники, разработанных аппаратах и знакомстве с Altium 365

Я работаю в Altium Designer. Команда УНМЦ «Гидронавтика» о своей истории, развитии подводной робототехники, разработанных аппаратах и знакомстве с Altium 365 Я работаю в Altium Designer. Команда УНМЦ «Гидронавтика» о своей истории, развитии подводной робототехники, разработанных аппаратах и знакомстве с Altium 365

В заключение

Дмитрий Затекин: У нас большой коллектив, который объединяет людей с разными специальностями, и все мы много работаем в Altium. Одни занимаются платами, другие конструируют аппарат, третьи делают красивые рендеры для плакатов –  хоть пиши про опыт работы каждого и про то, как продукт помогает в решении стоящих задач.

В этом году нашему центру исполняется уже 12 лет. Мы прошли немалый путь; у команды сотни выпускников и масса заслуг. Цели стали ещё более грандиозными, состав – ещё более молодым. И мы рассчитываем не только сохранить традиции, которые присущи такой необычной организации, но и вывести её на новый уровень.

С развитием нашего проекта – расширением команды, ростом сложности как задач, так и плат – мы пришли к тому, что нам нужен более гибкий инструмент для проектирования – Altium 365. Сейчас мы ещё в процессе перехода и изучения нового ПО, но впечатлений и отзывов уже множество, поэтому о своей работе в Altium 365 обязательно расскажем в следующем материале.

P.S. начало процесса перехода на Altium 365

Altium 365 – это полноценная интегрированная среда для разработки, с облачным хранилищем, библиотекой, системой контроля версий, состояния проекта, комментирования, системы заказа деталей и многих других фич, которые мы только осваиваем.

Для нас это значит, что все проекты лежат в специализированном облаке, где их можно просмотреть, даже не открывая приложения. Сейчас все участники команды могут ознакомиться со всеми платами, разработанными в нашем центре – их используют не только как референсы для новых разработок, но и как документацию при работе с аппаратом.

Altium 365
Altium 365

Кроме того, Altium 365 позволил значительно упростить проверку разработок. Как студенческая команда, мы делаем большой упор на обучение наших участников. К нам приходят студенты с младших курсов, которые нередко даже не умеют паять. Их всему нужно учить, а за их работой – внимательно наблюдать. Раньше они присылали нам на проверку проекты в архиве или приходили обсуждать очно. Сейчас мы очень рады контролю версий – процесс работы над платой ведётся практически онлайн. Каждая итерация выгружается в облако, и все участники могут комментировать и советовать.

И напоследок – вечная боль любого разработчика плат: контроль библиотеки компонентов. У нас была общая библиотека, которая лежала на диске, но её обновление всегда оставляли до лучших времён. В итоге мы пришли к тому, что каждый пользователь обрастал своей базой компонентов и вёл свой подвид исходной библиотеки. При этом, если находилась ошибка в базовой библиотеке, каждому пользователю нужно было исправить её самостоятельно.

Сейчас мы в процессе создания новой общей библиотеки. И её пополнение при создании новых проектов гораздо более удобное – не нужно обновлять базовую библиотеку на Git, не нужно подключаться к домашнему серверу с базой данных – всё выкладывается на общий диск, а библиотеки всех юзеров автоматически обновляются. Вдобавок каждый компонент проверяют библиотекари, поэтому мы не боимся, что новые участники смогут навредить нашему рабочему процессу.

Будущее с Altium 365

В целом мы пока только в процессе перехода и ещё изучаем новые фишки, но все члены команды уже безумно рады, что меньше времени будет уходить на администрирование и различную бюрократию. А это означает, что мы сможем больше заниматься тем, что нам действительно нравится – разработкой электроники и подводных роботов.