О процессе ориентации на примере движения подводного робота

Рисунок 1. Процессы движения, навигации и ориентации

Ориентация технических систем в пространстве – один из базовых процессов, который связан с движением в пространстве. Процесс движения подразумевает изменение положения системы в пространстве в течение времени, для этого технической системе требуется (см. рисунок 1): 

во-первых, непрерывно определять и уточнять свое местоположение, что называют процессом навигации;
во-вторых определять, уточнять и изменять направление движения, что называют процессом ориентации.

Процесс ориентации подразумевает, что техническая система в состоянии не только изменять свое направление, но и иметь заданные представления о пространстве, позволяющие определять и корректировать отклонения от цели движения.

Процессы ориентации организуются по-разному при движении в различных средах — при движении колесного робота по плоской поверхности, полете самолета в небе, движении спутника по орбите или плавании аппарата под водой.

Это связано и с физическими ограничениями самих сред, и с доступными техническими системами для ориентации. К примеру, подводный робот может легко поворачиваться при помощи встроенных винтов, а спутник при движении по орбите не может вращаться, отталкиваясь от окружающего пространства, что требует куда более сложных систем изменения направления.
Рассмотрим подробнее пример ориентации робота, движущегося под водой (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Условия ориентации подводного аппарата

Подводная среда имеет ряд принципиальных отличий с точки зрения движения и управления движением, в том числе:

Вода представляет собой вязкую среду, которая затрудняет движение за счет трения.

Как правило, водная среда содержит течения, в том числе турбулентные, из-за чего аппарату нужно непрерывно динамически удерживать свое положение и корректировать движение.

Водная среда слабо проницаема для большинства радиоволн, в т.ч. ограничивает распространение световых лучей, что усложняет визуальную навигацию, связь и т. д. При этом водная среда хорошо проницаема для колебаний, в т.ч. ультразвуковых сигналов, что дает возможность использовать сонары и другие системы гидролокации.

Ориентирами при движении в водной среде могут служить поверхность воды, особенности геометрии дна, а также другие подводные объекты.

1.

2.

3.

4.

Таким образом, техническая система, которая должна обеспечивать ориентацию под водой должна учитывать и ограничения среды, и доступные технологические возможности.

Рассмотрим, примеры значимых характеристики для процесса ориентации аппарата, которые можно выделить при проектировании технической системы:

Положение в пространстве относительно поверхности воды, дна или специальных маяков

Аппарат находится на поверхности
Аппарат находится в секторе 8-6

Углы наклона вектора движения аппарата относительно заданных сторон света или других ориентиров

Аппарат направлен в сторону дна
Аппарат под углом 30 градусов к поверхности
Отклонение курса на 15 градусов

Скорость изменения положения заданной точки аппарата (как правило – его центра масс)

Аппарат движется со скоростью 1 узел

Скорость изменения углов наклона

Аппарат вращается со скоростью 10 градусов в секунду вокруг вертикальной оси

Размеры и вес аппарата, которые могут влиять на управление движением и, в частности, ориентацией

Аппарат имеет размеры куба со стороной 30 сантиметров, вес аппарата в надводном положении 8 кг

Как и в каких точках происходит воздействие на среду для перемещения и изменения положения

Винты аппарата расположены в трех плоскостях по центру каждой из шести поверхностей куба.
Ходовой винт расположен в хвосте торпеды

Механические системы, которые позволяют менять направление движения за счет изменения геометрии

Вертикальный руль повернуть на 10 градусов вправо

Связан ли аппарат с поверхностью кабелем, ограничивающим движение, но дающим ориентир, или полностью автономен

Аппарат питается по кабелю, связанному с буем на поверхности воды
Аппарат имеет аккумуляторную батарею для автономного хода на 2 часа

Данные характеристики можно объединить и построить модель процесса ориентации для подводного робота. Два противоположных подхода могут помочь выйти на построение модели.

Первый подход

Первый подход заключается в опоре на уже выработанные в физике модельные представления о среде и движении в ней. Так, движение в водной среде, как правило, описывается трехмерной декартовой системой координат, подразумевающей как перемещение в пространстве, так и вращение вокруг каждой из осей. Помимо локальной системы координат вводится глобальная система координат, привязанная к линии поверхности воды или трехмерной карте поверхности дна, что позволяет выбрать для ориентира «низ», «верх» или стороны света, а также возможности измерения расстояний и углов. Таким образом модель может быть представлена в виде схемы и соответствующих математических выражений.

Второй подход

Второй подход подразумевает опору на возможности доступных технических систем для ориентации. Разработанные инженерами технические системы такие как гидролокаторы, гирокомпасы, двигатели, а также используемые программные пакеты уже содержат в себе определенные модели, в т.ч. заданные в математических выражения. Так, гирокомпас создан исходя из определенной модели Земли, в т.ч. системы координат, точности измерений и т. д. Конструируя сложную техническую систему из доступных приборов и систем, инженеру необходимо проанализировать их возможности и объединить вместе доступные представления приборов о пространстве, возможностях ориентации и т. п. Как правило эта задача решается системой управления, в т.ч. программой, которая должна привести все системы аппарата к общей модели процесса ориентации.

В завершении рассмотрим, как процесс ориентации подводного аппарата может быть реализован в каждой из двух сценариев использования, предложенных в рамках конкурса.

Номинация 1. «От моделирования в игре к моделированию в реальности»

Номинация 2. «Цифровое управление процессами и системами в реальном мире»

В данной номинации занятия должны касаться общей модели, представленной в виртуальной среде и реальной технической системе. Это можно сделать, если вместе с учащимися изучить какую-то из доступных видеоигр про подводные путешествия (например, Deep Dive, Subnautica, Explore Deep и др.), а затем провести занятия по работе с движением робота под водой. Сопоставляя представления о движении в воде в игре и в реальности, можно выделить общие моделируемые характеристики. Еще один вариант реализации занятий связан с использованием образовательных или промышленных симуляторов, таких как MUR IDE, вместе с образовательными конструкторами подводных роботов.

Эта номинация предполагает воссоздание целостного процесса управления ориентацией, включающего моделирование и программное управление. Примером таких занятий может быть инженерное соревнование, в рамках которого подводный аппарат, программируемый участниками,  должен сориентироваться по направлению  к дну. В этом случает занятия можно построить по следующей схеме: выработать модель ориентации, запрограммировать ее и испытать на технической системе в водоеме. Альтернативный сценарий может строиться на задаче обратного инжениринга. К примеру, аппарат с известной программой, обеспечивающей ориентацию, помещают в новые условия: в емкость с течением. Необходимо определить, что в действующей логике управления ориентацией дает сбой.

Контакты

© 2026 Ассоциация кружков