Скоро

Скоро

В лонгриде подробно рассматриваются четыре технологических процесса, в опоре на один из которых должен быть разработан ваш модуль

Технологические процессы и системы

Скоро

Скоро

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.

Название характеристики

Описание характеристики

Примеры принимаемых значений

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.

О процессе выращивания растения на примере анализа полей из космоса

Для мониторинга полей чаще всего используется аэрофотосъемка и космическая съемка поверхности Земли

Инженерам приходится думать над управлением не только техническими системами, но и процессами, связанными с живыми организмами.

Процесс выращивания растения зависит от культуры, целей выращивания и условий произрастания. 

Ярким примером такого процесса является процесс выращивания растений (см. рисунок 1). Процесс выращивания растений может быть связан с сельским хозяйством, например, быть подчиненным процессам производства определенных биоматериалов – зерна, кормов и пр. Но выращивание растений может быть частью и более сложных процессов, таких как украшение жилища, поддержание экосистем, выстраивание определенных ландшафтов и т. д. 

Ключевой целью процесса выращивания является обеспечение роста и развития растения, доведения его от стадии прорастания до стадии зрелости. Так как живой организм не может быть непосредственно сконструирован, процесс выращивания подразумевает создание условий для самостоятельного роста и развития растения. Поэтому инженеру принципиально важно знать эти условия и понимать, как их создавать и поддерживать.

Рассмотрим подробнее пример масштабного промышленного производства  сельскохозяйственной продукции, для которого характерны посадки монокультур (таких как кукуруза, рапс и др.) на больших площадях — в полях, измеряемых в гектарах и обрабатываемых с помощью тракторов и других машин. В промышленном сельском хозяйстве огромную роль играет мониторинг состояния растений: стадий роста, влажности, цветения или поражения вредителями и т. п. В зависимости от состояния растений в поле, бывает необходимо срочно принимать меры: в нужный момент распахивать землю и сажать, поливать, бороться с вредителям и т. д.

Сейчас, благодаря так называемому цифровому сельскому хозяйству, огромные площади могут обрабатываться небольшим числом работников, оснащенных роботизированными системами (полива, сбора урожая и т. д.) и специальными системами мониторинга. 

Рисунок 3. Принцип работы сложной технической системы для промышленного сельскохозяйственного выращивания растений

Рисунок 2. Анализ растений с помощью мультиспектральной космической съемки

Рисунок 1. Процесс выращивания растений

При этом используется не только оптическая съемка местности, но мультиспектральная съемка — съемка одного и того же участка местности производится одновременно в нескольких различных спектрах с помощью нескольких камер или фильтров. Так, благодаря сопоставлению оптических и инфракрасных диапазонов (см. рисунок 2) можно сделать выводы о стадии созревания растения, его состоянии с точки зрения насыщенности влагой, достаточности минералов и т. д. Это становится возможным благодаря фундаментальным физическим свойствам взаимодействия света с материей — радиоволны разной длины по-разному отражаются и поглощаются поверхностью земли и объектами на поверхности. Это позволяет сделать выводы о состоянии поверхности.

Обобщим ключевые отличия промышленного выращивания растений:

Выращиваются монокультуры, при этом от побочных культур, насекомых и многих других живых организмов избавляются – это позволяет работать с более простой моделируемой живой системой.

Огромные объемы производства не позволяют учитывать состояния отдельных растений, требуют массовых решений.

Требуется регулярный мониторинг больших площадей (десятки и сотни гектаров, большая протяженность полей и т. д.) с точным позиционированием (до кв. метра) отдельных участков – для точечного применения роботизированной техники.

Необходимо поддерживать рост растений на всех стадиях их жизни, максимально автономно.

1.

2.

3.

4.

Таким образом, техническая система, которая должна обеспечивать выращивание растений должна учитывать и описанные выше ограничения, и доступные технологические возможности. Такая техническая система может быть достаточно сложной (см. рисунок 3) и включать в себя как мониторинговую часть (например, космические спутники), так и обрабатывающую часть (трактора, в т.ч. роботизированные, беспилотники для точечного полива, распылители, доступ к воде, специальные химические вещества и т. д.). 

Рассмотрим, примеры значимых характеристики для процесса выращивания растений, которые можно выделить при проектировании такой технической системы:

Ключевая целевая характеристика, поскольку промышленное с/х ориентировано прежде всего на объемы производства

Суммарная масса урожая составляет 30 тонн.
Средняя масса стебля с листьями составляет 400 грамм.

Стадия выращивания растения – от семени до появления плодов

Побег, цветение и т.п.

Уровень насыщенности растения влагой

Увлажнение 80% от нормы.

Уровень наличия необходимых минералов

Сниженное содержания калия

Наличие живых организмов: насекомых, грибов, бактерий, препятствующих выращиванию растений

Картофель поражен колорадским жуком

Наличие побочных растений и сорняков (или процент от выходной массы продукта)

5% урожая рапса составляет сурепка.

На какой территории выращивается растение

Поле имеет площадь 5 га.

Как часто мы можем обновлять обозначенные выше характеристики, тем самым реагировать на возникающие изменения

Частота обновления – 2 суток.

Минеральный и органический состав почвы в месте выращивания

Дерново-подзолистая почва
Содержание минералов в почве:

Рельеф в месте расположения поля, бывает важно учитывать при расчетах и автономной обработке

Перепад высоты в поле составляет 4 метра на 100 метров

Географическое положение поля

Координаты центра поля широта/долгота в градусах: 55.3 634 472, 35.8 010 528

Данные характеристики можно объединить и построить модель выращивания растений для промышленного сельского хозяйства. Два противоположных подхода могут помочь выйти на построение модели.

Название характеристики

Описание характеристики

Примеры принимаемых значений

Первый подход

Первый подход заключается в опоре на уже выработанные в биологии и сельском хозяйстве модельные представления о растениях и их выращивании. Так, в биологии вводятся модели, описывающие строение растения на каждой из стадий развития, вводятся определенные нормы роста и развития (высота растения, длина корня, площадь поверхности листьев и т. п.). Для долгосрочных процессов выращивания, особенно в открытом грунте и с естественным освещением, становятся климатические модели, связывающие между собой освещенность, влажность и др. В почвоведении вводятся модели почв, описывающие ключевые необходимые для роста растений параметры и т. д.

Второй подход

Второй подход подразумевает опору на возможности доступных технических систем, которые обеспечивают выращивание растений. Например, анализ доступных для гражданского использования космических аппаратов (как отечественных, так и зарубежных) и производимых ими снимков позволяет увидеть, какие типы съемки и с какой точностью в принципе возможны, какие спектры и длины волн будут доступны для анализа. Количество спутников и их траектории пролета могут дать информацию о частоте обновления данных. Существуют различные системы обработки растений, удобрения, химические вещества для обработки и т. д. Помимо этого в настоящий момент широко распространены специальные генномодифицированные виды растений, выращивание которых происходит с особенностями, позволяющими упрощать технические системы, обеспечивающие выращивание. Например, такие растения могут обладать устойчивостью к определенным вредителям, что позволяет избавиться от отдельных процедур обработки полей химикатами.

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 игры 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. В качестве виртуальной среды можно взять какую-то из популярных игр, представляющих процесс выращивания растений, например, в жанре симулятора фермы (Stardew valley, Farming Simulator, Modern Farming и др.). Работу с реальной ситуацией можно построить на анализе реальных космических снимков сельскохозяйственных полей в регионе проведения занятий. Сопоставление моделей, необходимых на каждом из этих занятий, позволит сформулировать модель выращивания растений, необходимую для промышленного сельского хозяйства.

Эта номинация предполагает воссоздание целостного процесса управления ориентацией, включающего моделирование и программное управление. Поскольку школьники вряд ли смогут выстроить процесс управления сельскохозяйственным предприятием, в данном случае можно рассмотреть симуляционную задачу – про прохождение полного цикла управления в виртуальной среде (например, в профессиональных системах управления фермой с открытым кодом, таких как LiteFarm). Другой вариант – самостоятельно создать с учащимися простую самостоятельную игру/симуляционную среду в опоре на открытые данные космических снимков.