44083

Широкомасштабное применение мин в локальных военных конфликтах

Дипломная

Военное дело, НВП и гражданская оборона

Выбор робота и миноискателя. Обзор существующих решений Проектирование системы управления роботом. Состав системы управления. Математическое моделирование системы управления. Модель системы управления.

Русский

2013-11-10

77.86 MB

38 чел.






Содержание

[1] Содержание

[2] Постановка задачи

[2.1] Выбор робота и миноискателя

[3] Обзор существующих решений

[4] Проектирование системы управления роботом

[4.1] Состав системы управления

[4.2] Математическое моделирование системы управления

[4.2.1] Расчет приведенного момента инерции

[4.2.2] Модель привода

[4.2.3] Модель робота

[4.2.4] Модель системы управления

[4.2.5] Совместное моделирование системы зрения и системы управления роботом

[4.2.6] Выводы

[4.3] Требования к системе технического зрения

[5] Разработка алгоритма работы системы технического зрения

[5.1] Предварительная обработка изображения

[5.2] Решение задачи обнаружения объекта

[5.3] Выбор камер для определения координат

[5.4] Определение координат

[5.5] Вычислительная сложность алгоритма работы системы технического зрения

[5.6] Требования к системе технического зрения

[6] Проектирование системы технического зрения

[6.1] Требования к элементам системы

[6.2] Анализ рабочей зоны системы технического зрения

[6.2.1] Выбор рабочих зон исходя из достоверности обнаружения

[6.2.2] Проверка точности для выбранных зон

[6.2.3] Вычисление параметров сканирования рабочих зон роботом

[7] Экспериментальное исследование

[7.1] Разработка стенда

[7.2] Алгоритм обнаружения

[7.3] Калибровка

[7.4] Результаты эксперимента системы навигации

[8] Конструкторская часть

[8.1] Расчёт требуемой производительности

[8.2] Выбор вычислителя

[8.3] Электрическая схема устройства

[8.4] Плата обработки видеоинформации

[9] Технологическая часть

[9.1] Анализ технологичности

[9.2] Обоснование метода изготовления печатной платы

[9.3] Организация технологического процесса сборки изделия

[9.4] Технологический процесс сборки контроллера обнаружения объекта

[9.5] Контроль

[10] Экономическая часть

[10.1] Расчет затрат на изготовление платы

[10.2] Сетевой график работ

[10.3] Определение затрат на проектирование и изготовление опытного образца

[10.3.0.1] N

[10.3.0.2] ТРУДОЕМКОСТЬ

[10.3.0.3] ЧЕЛОВЕКОДНИ

[11] ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ.

[11.1] Анализ опасных и вредных факторов на рабочем месте разработчика системы управления.

[11.2]
Расчет звукоизоляциой перегородки.

[11.3] Анализ источников загрязнения окружающей среды при изготовлении платы контроллера обнаружения объекта.

[11.4] Расчет реакции нейтрализации сточных вод при производстве платы контроллера обнаружения объекта.

[12] Заключение

[13] Список литературы

[14] Приложения

Введение

Широкомасштабное применение мин в локальных военных конфликтах привело к неожиданно опасному результату: простое и давно знакомое средство заграждения превратилось в оружие массового поражения замедленного действия.

По приблизительным оценкам ООН на минных полях ежегодно гибнет более 24000 человек, и, по крайней мере, вдвое большее число людей получает тяжелые ранения, требующие длительного лечения и приводящие, как правило, к ампутации конечностей. По статистике Международного Красного Креста среди пострадавших военных не более 10%, основными жертвами минного оружия становятся мирные люди, главным образом женщины и дети. Выжившие после встречи с миной уже никогда не смогут играть активную роль ни в семье, ни в обществе. Забота о калеках тяжким бременем ложится на их семьи. Массовое минирование наносит также значительный материальный ущерб: обширные участки земли до их полного разминирования выбывают из сельскохозяйственного оборота; из-за мин беженцы и перемещенные лица боятся возвращаться домой; реальное или подозреваемое присутствие мин исключает доступ к остро необходимым ресурсам и услугам, препятствует восстановлению экономики после военного конфликта и подрывает нормальное социально-экономическое развитие.

Массовые жертвы в ходе локальных вооруженных конфликтов мирного населения в результате действия противопехотных мин (ППМ) привели к созданию национальных и международных общественных движений, выступающих за полное запрещение и уничтожение указанного вида оружия. Наиболее влиятельная организация из их числа – Международная кампания за запрещение мин – в 1997 г. стала лауреатом Нобелевской премии мира. Большинство европейских стран полностью сняли противопехотные мины с вооружения своих армий. Именно эти государства инициировали принятие в 1993 г. резолюции ООН № 48/75, призывающей все страны мира ввести мораторий на экспорт противопехотных мин; принятие в мае 1996 г. II Протокола “О запрещении и ограничении применения мин, мин-ловушек и других устройств” к Женевской конвенции 1980 года “О запрещении или ограничении применения конкретных видов обычного оружия, которые могут считаться наносящими чрезмерные повреждения или имеющими неизбирательное действие” (Конвенция о "негуманном" оружии), а также ведение переговоров и принятие Конвенции о запрещении противопехотных мин.

В ряде стран производство мин полностью прекращено и идет постепенное уничтожение минных запасов. Тем не менее, около сотни специализированных предприятий 55 стран ежегодно выпускают более 10 млн. мин только на экспорт.

Согласно статистике ООН, к настоящему времени на территории 69 стран мира уже установлено более 110 млн. мин. По различным оценкам ежегодно устанавливается от 2 до 5 млн. боеприпасов, а извлекается только 100 тыс. В результате количество устанавливаемых мин превышает число уничтожаемых.

Тренированные саперы обследуют обширные территории дециметр за дециметром, при этом производительность одного специалиста – от силы 50 м2 в день. К тому же проблема не только в сроках – стоимость обезвреживания одной мины составляет от $300 до $1000.

Зарубежные специалисты отмечают, что снизить стоимость и повысить темпы поиска, обезвреживания и уничтожения современных мин можно только путем разработки новых технических средств, в частности, робототехнических комплексов.

Говоря о робототехнических комплексах для разминирования, следует четко различать:

- военные комплексы;
- дистанционно управляемые полицейские роботы для проведения взрывотехнических работ;
- роботы для гуманитарного разминирования.

Военные роботы-саперы предназначены для проделывания проходов в минных полях в условиях огневого противодействия противника. Скорость передвижения более важна, чем фактор безопасности. Как правило, для разминирования используют дистанционно управляемые танки, оборудованные колейными катковыми или ножевыми тралами. Приемлемым считается уничтожение или удаление 80 % мин.

Полицейские роботы используются для поиска и уничтожения самодельных взрывных устройств, обычно в городских условиях, и для проведения разминирования на больших площадях крайне не эффективны.

Из роботов для гуманитарного разминирования к настоящему времени наиболее отработанными являются дистанционно управляемые устройства для поиска мин и сплошного разминирования минных полей. Работы по созданию автономных роботов-саперов, проводимые многочисленными компаниями и научно-исследовательскими организациями, находятся на начальной стадии.

К устройствам для гуманитарного разминирования предъявляются следующие требования:

- низкая стоимость;
- гарантированная безопасность для оператора;
- простота конструкции, отсутствие необходимости доводки и сложной регулировки на месте применения;
- мобильность;
- транспортабельность.


  1.  Постановка задачи

В данной работе предлагается установить миноискатели на мобильный робот, и создать систему управления для автоматической навигации этого робота. Система должна быть мобильной. Оператор устанавливает видеокамеры в безопасной зоне и проводит настройку системы. Далее робот в автоматическом режиме объезжает заданную местность. В месте обнаружения мины устанавливается метка и выдается тревожное сообщение оператору. Внешний вид работы системы навигации изображен на .

Рис.   Работа системы навигации робота-сапера

Под навигацией робота подразумевается движение его по заданной траектории. Движение должно быть таким, чтобы обеспечить проверку всей местности без пропусков. Координаты робота будут определяться с помощью системы технического зрения. Для обнаружения робота системой технического зрения, на него устанавливается маркер. Система зрения обнаруживает этот маркер, вычисляет координаты и корректирует движение робота по траектории.

Таким образом, целью данной работы является разработка системы управления для навигации мобильного робота-сапера.

Задачами работы являются:

  1.  Разработать структуру системы управления мобильным роботом;
  2.  Разработать алгоритм системы технического зрения;
  3.  Провести моделирование системы управления мобильным роботом;
  4.  Провести анализ рабочих зон системы технического зрения;
  5.  Провести экспериментальное исследование системы на макете.


  1.  Выбор робота и миноискателя

В качестве робота был выбран робот-вездеход ТМ-3, выпускаемый серийно Ковровским заводом, что удешевляет разработку. Внешний вид робота изображен на . Его характеристики приведены в . Этот робот обладает достаточно хорошей проходимостью, мощьностью и временем автономной работы. В базовой комплектации робот оснащается видеокамерами и манипулятором. Для нашей задачи это не нужно. Вместо этого на него необходимо установить маркер и устройство маркировки мин.

Рис.   Робот-вездеход ТМ-3

Габариты (ДШВ)

0,61х0,51х0,46 м

Масса снаряженного МРК

35 кг

Скорость

0-0,7м/с

Время работы

75 мин

Радиус действия по радио

до 600м

Преодолеваемые роботом препятствия:

- порог высотой до 0,10м

- косогор по курсу с углом наклона 20°

- склон в поперечном направлении 20°

Глубина преодолеваемого снежного покрова

0,05м

Табл. Основные характеристики робота-вездехода ТМ-3

Вид траектории может быть различным, и зависит от местности, например зигзаг или спираль. Важно, чтобы все проходы робота выполнялось с перекрытием области обнаружения мин. Величина перекрытия должна быть не меньше, чем удвоенная величина ошибки движения робота по траектории. Решено было установить на робот 4 катушки миноискателя GARRETT GTI 2500 (). В этом случае ширина проверяемой за один проход зоны равна 1230 мм, а ошибка движения робота не должна превышать 600 мм.

Рис.   Величина проверяемой зоны за один проход


  1.  Обзор существующих решений

Израильская фирма ELTA Еlectronic Industries предлагает дистанционно управляемую машину высокой проходимости, оснащенную нелинейным радиолокатором и телекамерами (фото 1*). Кроме того, на машине могут быть установлены индукционный миноискатель и тепловизор. Утверждается, что машина способна обнаруживать мины как в металлических, так и в пластмассовых корпусах в полосе шириной 2 – 3 м и на глубине 0,3 – 15 м при движении со скоростью до 4 м/с. Широкие колеса обеспечивают очень низкое давление на опорную поверхность, что позволяет машине передвигаться без опасности подорваться на минах нажимного действия, имеющих усилие срабатывания в пределах 700 – 2500 Н.


Рис.   Робототехническая система поиска мин

Весьма перспективным считается поиск мин с помощью беспилотных летательных аппаратов.

Компанией Schiebel Technology разработан комплекс Camcopter, предназначенный для разведки минных полей.

В состав комплекса Camcopter входят:

малогабаритный дистанционно управляемый вертолет (), оснащенный телевизионной камерой и подфюзеляжной платформой, на которой устанавливаются необходимые датчики, например, тепловизор;

наземная станция управления, включающая модули управления полетом, навигации и управления платформой ().

Рис.   Малогабаритный дистанционно управляемый вертолет Camcopter

а) пульт управления полетом

б) монитор станции управления

Рис.   Станция управления вертолетом Camcopter

 Комплекс Camcopter имеет модульную конструкцию и может перевозиться к месту применения на легковом автомобиле. Для развертывания комплекса и управления вертолетом нужен всего один человек.

Вертолет выполнен из легких высокопрочных материалов; масса его составляет 40 кг. Надежный двухтактный бензиновый двигатель мощностью 15 л.с. обеспечивает полет со скоростью 90 км/ч, набор высоты со скоростью 185 м/мин и подъем 25 кг полезной нагрузки на 1000 м. Максимальное время полета – 6 часов, радиус действия – 10 км.

Вертолет управляется вручную или автоматически. При автоматическом управлении полет выполняется по маршруту, предварительно запрограммированному на станции управления. Оператор контролирует полет по монитору и, если нужно, может прервать программу, выполнить необходимые маневры в ручном режиме, а затем вернуться к автоматическому полету. Устойчивость на маршруте обеспечивается инерциальной навигационной системой, которая содержит гироскоп, акселерометры и связана с приемником сигналов глобальной спутниковой системы позиционирования (GPSGlobal Positioning System). Приемопередатчик на борту вертолета принимает управляющие команды и непрерывно передает на наземную станцию данные с разведывательной аппаратуры и координаты машины.

На экран монитора станции управления постоянно выводятся изображение со встроенной телекамеры вертолета и цифровая карта исследуемой местности, на которой отображаются текущее положение летательного аппарата, запрограммированный маршрут и данные разведки – местоположение миноподобных объектов. Оператор анализирует взаимное расположение отметок от предполагаемых мин и принимает решение о принадлежности минного поля к тому или иному типу, учитывая при этом особенности постановки минных полей различными способами: с воздуха, системами залпового огня или вручную. Окончательным результатом воздушной разведки являются точные географические координаты минного поля.

Основным достоинством воздушной разведки минных полей является высокая производительность и низкая стоимость. К недостаткам следует отнести практическую невозможность обнаружения 1 – 2 мин, так как их легко спутать с расположенными на поверхности земли другими предметами, и ограниченные возможности по обнаружению мин, установленных в грунт, поскольку в этом случае возможность обнаружения в значительной мере зависит от того, насколько мина нарушает поверхностный покров.

Можно выделить три основных направления создания робототехнических средств для сплошного разминирования:

разработка комплектов приборов и устройств, позволяющих переоборудовать серийные машины-тральщики в роботизированные или дистанционно управляемые комплексы;

разработка на базе серийных машин, с максимально возможным использованием серийных агрегатов и узлов, универсальных роботов, оснащенных комплектом сменного оборудования;

разработка специальных роботов, предназначенных для уничтожения определенного типа мин.

Наиболее быстрым считается разминирование с помощью специальных механических устройств – катковых, ножевых и цепных тралов. Эти устройства разработаны для проделывания проходов в минно-взрывных заграждениях и не предназначены для очистки больших площадей. Кроме того, для их работы требуются мощные машины-тральщики, типа танка или тяжелого трактора.

С целью вывода водителя за пределы минного поля и обеспечения возможности автоматической работы тральщика фирма Omnitech Robotics International разработала комплект дистанционного управления STS (Standardized Teleoperation System), позволяющий превратить любое транспортное средство в роботизированный комплекс ().


Рис.   Комплект дистанционного управления STS

В комплект входят два набора модулей. Модули первого набора – антенна, пульт управления и радиопередатчик системы аварийного отключения – находятся на посту управления. Второй набор, включающий антенну, цветные видеокамеры на поворотных устройствах, приводы и блок управления приводами, а также блоки переключения режимов, передачи видеосигнала, микрофонов и приемника системы аварийного отключения, располагается на машине.

STS обеспечивает:

управление двигателем (пуск и останов, регулирование числа оборотов);

торможение;

переключение передач;

поворот;

управление навесным тралом (подъем, опускание, наклон);

обратную видео- и акустическую связь.

Важной особенностью комплекта является сохранение возможности ручного управления машиной. Переход от автоматического режима к ручному осуществляется простым переключением тумблера.

К настоящему времени уже установлено более 60 комплектов STS. Среди переоборудованных машин – танки-тральщики Panther I и II, применяемые при очистке минных полей в Косово и Боснии (), тяжелые тракторы Caterpillar D7G , многоцелевые автомобили Hummer и бронированные инженерные машины M9.


Рис.   Танк-тральщик Panther II, оборудованный катковым тралом


Рис.   Дистанционно управляемый трактор Caterpillar D7R, оборудованный ножевым тралом

По заказу МО США в рамках научно-исследовательской программы гуманитарного разминирования была разработана дистанционно управляемая машина для удаления мин и неразорвавшихся боеприпасов ETODS (Enhanced Teleoperated Ordnance Disposal System). Этот робототехнический комплекс предназначен для проведения разминирования уже разведанных минных полей в тех случаях, когда применение тяжелой техники невозможно или нецелесообразно.

ETODS выполнена на базе малогабаритного фронтального погрузчика типа Bobcat. Масса транспортного средства без навесного оборудования составляет 2045 кг. Дизельный двигатель мощностью 30 л.с. обеспечивает скорость передвижения до 10 км/ч.

С помощью комплекса выполняются:

выкапывание и транспортирование к месту уничтожения противотанковых мин и неразорвавшихся боеприпасов;

уничтожение противопехотных мин;

выкашивание травы и кустарника на старых минных полях.

Для каждой работы существует свой набор навесного оборудования.

Удаление травы и кустарника производится выдвижной косилкой (). Режущая головка косилки шириной 102 см установлена на специальном манипуляторе, что дает возможность выкашивать растительность на расстоянии до 2,6 м от машины. В случае взрыва мины пострадает только косилка, а сама машина останется целой.


Рис.   ETODS, оборудованный выдвижной косилкой

Противопехотные мины уничтожаются навесным цепным тралом с шириной полосы траления 178 см. Для защиты робота от осколков на корпус навешиваются броневые листы (). Полевые испытания показали, что машина без вреда для себя выдерживает взрыв мины с зарядом 0,45 кг тротила.


Рис.   ETODS, цепной тральщик

Для выкапывания противотанковых мин на машину устанавливаются:

манипулятор со сменным рабочим оборудованием (захватное устройство и ковш);

устройство Air Knife (воздушный нож) для удаления грунта струей сжатого воздуха;

миноискатель с маркером для уточнения расположения закопанной мины ().


Рис.   ETODS в конфигурации для выкапывания мин

 Общий порядок работы при выкапывании мин следующий:

В среднем, на извлечение одной противопехотной мины затрачивается 5 мин, а противотанковой – 10 мин.

Для очистки открытой слабопересеченной местности (сельскохозяйственных полей) от противопехотных мин в Эдинбургском университете (Великобритания) разработали машину необычной конструкции ().


Рис.   Дистанционно управляемая машина Dervish

 Машина (ее назвали Dervish) в плане представляет собой правильную трехлучевую звезду. В центре звезды находятся силовой агрегат и система управления. На концах лучей расположены колеса – тяжелые (масса 80 кг) стальные диски толщиной 6 см – приводимые в движение компактными гидромоторами. Если колеса вращаются с одинаковыми скоростями, то машина просто крутится на месте. Рассогласование скоростей заставляет машину двигаться, описывая спираль шириной 5 м с шагом всего 3 см.

При движении Dervish подрывает противопехотные мины, имитируя давление ноги человека. За одну минуту колеса машины обрабатывают 5 м2, что в 1000 раз быстрее, чем при ручном разминировании.

Живучесть машины чрезвычайно высока. Dervish, рассчитанный на подрыв противопехотных мин с зарядом до 0,25 кг тротила, с минимальными повреждениями выдерживает взрыв противотанковой мины с зарядом 5 кг.

Один оператор может по радио управлять несколькими машинами с расстояния 400 м. В процессе движения на мониторе пульта управления отображаются карта местности, траектории движения машин и очищенная площадь.

Ни одно из предлагаемых для гуманитарного разминирования робототехнических средств не удовлетворяет в полной мере предъявленным требованиям и, прежде всего, по эффективности – средства механической очистки минных полей удаляют не более 80 % мин, а требуется 99,6 %. Тем не менее, это лучше, чем ничего, и, по мнению зарубежных специалистов, робототехнические комплексы окажут существенную помощь саперам.

Примечание. Оборудование для разминирования очень дорого (например, простой Dervish стоит $16000, универсальный ETODS – $280000, а цена дистанционно управляемого тяжелого трактора с соответствующим навесным оборудованием может перевалить за $1,5 млн.).



  1.  Проектирование системы управления роботом
    1.  Состав системы управления

Структура системы в общем виде приведена на . Данный робот имеет правый и левый приводы, управляемые раздельно. Приводы подключены к контроллеру, в котором реализовано управление роботом. В контроллере вычисляется текущее положение робота за счет интегрирования скоростей колес с использованием кинематической модели. При интегрировании накапливается ошибка, поэтому возникает необходимость коррекции текущего положения робота. Для коррекции используется СТЗ. В СТЗ входят видеокамеры, контроллеры обнаружения объекта и компьютер.

Рис.   Структура системы управления мобильным роботом

  1.  Математическое моделирование системы управления

Моделирование проводилось для оценки параметров системы управления, проверки эффективности совместной работы системы зрения с системой управления. Для оценки ошибок движения робота по траектории

  1.  Расчет приведенного момента инерции

При моделировании в данной работе учитывалась кинематика робота и динамика привода. Применялся метод замороженных параметров. Для моделирования привода необходимо рассчитать момент инерции нагрузки, приведенный к валу двигателя.

Момент инерции, приведенный к колесному валу определяется из выражения:

Поскольку, робот имеет 6 колес

r - радиус колес, mкол - масса колеса, mробота -масса робота.

Момент инерции робота распределяется между правой и левой стороной. Средний момент инерции для каждой стороны будет равен половине общего. Тогда приведенный момент инерции к валу двигателя будет выглядеть следующим образом:

Подставим характеристики робота:

  1.  Модель привода

Робот ТМ-3 имеет по два двигателя на каждую сторону. Применяются коллекторные электродвигатели постоянного тока ДПР-30. Эти двигатели изготавливаются заводом НПО «Энергия», г.Москва. На официальном сайте завода приведены характеристики данного двигателя ]. Характеристики, необходимые для моделирования приведены в .

Параметры, единицы измерения

Величина

Номинальное напряжение, В

12

Сопротивление обмотки якоря, Ом

21,80

Максимальный длительный ток, А

0,320

Момент инерции якоря, гс•см2

1,96

Электромеханическая постоянная времени, мс

15,80

Постоянная вращающего момента, мН•м/А

16,80

Индуктивность обмотки якоря, Гн

5,73∙10-5

Коэффициент противо ЭДС, В∙с/рад

0,0115

Коэффициент усиления преобразователя ШИМ, В

3,66∙10-4

Постоянная времени преобразователя ШИМ, с

5∙10-5

Приведенный момент инерции нагрузки, кг∙м2

∙10-3 

Табл. Технические характеристики электродвигателя ДПР-30

С использованием этих характеристик была создана модель электродвигателя:

В этой модели учитывается момент инерции нагрузки и внешний возмущающий момент.

К системе управления скорости предъявлялись следующие требования:

  •  Независимость установившейся скорости привода;
  •  Полоса пропускания контура скорости не менее 70Гц;
  •  Показатель колебательности контура скорости не выше 2;
  •  Величина перерегулирования скорости не более 5%;
  •  Обеспечить соответствующие запасы устойчивости Δφ>45°; ΔА>7дБ;

Далее были проведены расчеты контуров скорости и тока.

Электромагнитная постоянная времени:

 с.

Возьмем постоянную времени электронного преобразователя равной:

Коэффициент усиления преобразователя:

Коэффициент противо ЭДС:

Коэффициент момента двигателя:

Регулировочный расчет контура тока.

В качестве регулятора контура тока выберем П-регулятор. При выборе П-регулятора искомой величиной является коэффициент усиления регулятора , который можно рассчитать, проанализировав передаточную функцию замкнутого контура тока по управляющему воздействию.

контура тока.

контуру тока.

функция замкнутого контура тока по управляющему воздействию.

Передаточная функция замкнутого контора тока представляет собой колебательное звено, имеющего постоянную времени:

и эквивалентный декремент затухания

Выразим величину  через значение :

Настроим контур тока на модульный оптимум (МО), при котором обеспечивается значение  При отработки ступенчатого воздействия контур тока будет иметь перерегулирование  Это соответствует показателя колебательности , а время переходного процесса будет минимальным. Подставив  в формулу для определения , получим:

Подставив полученное выражение в формулу для эквивалентной постоянной времени контура тока, получим  , откуда эквивалентная собственная частота контура тока:

Требуемое значение коэффициента усиления регулятора тока:

Вычислим параметры регуляторов для контура тока каждого двигателя.

11.272

2.502

3.503

Табл.  Характеристики регуляторов контура тока

Регулировочный расчет контура скорости.

В качестве регулятора контура скорости выберем ПИ-регулятор. Если в контуре тока используется П-регулятор, то передаточная функция разомкнутого контура скорости имеет вид:

скорости,

Если в выражение для передаточной функции отбросить четвертое слагаемое ввиду его малости, то выражение в квадратных скобках может быть приближенно представлено в следующем виде:

Данное допущение справедливо, поскольку . То есть знаменатель разлагается на два апериодических звена, причем постоянная времени первого звена значительно больше постоянной времени второго. С учетом последнего упрощения получим:

Настроим контур скорости на модульный оптимум.

При настройки контура скорости на модульный оптимум постоянную времени регулятора выбирают равной:

При этом происходит компенсация самой большой постоянной времени в контуре скорости, то есть:

Передаточная функция замкнутого контура будет иметь вид:

При настройке на МО получим:

Вычислим параметры регуляторов для контура скорости каждого электропривода.

0.218

6.533

924.861

Табл.  Характеристики регуляторов контура скорости

Рассчитанные привода были промоделированы в среде Mathlab. На  приведена модель системы управления по скорости. Графики переходных процессов приведены на . Моделировалось входное ступенчатое воздействии и реакция на внешнее воздействие. Моделирование проводилось для расчетного момента инерции нагрузки и для удноенного.

Рис.   Модель приводов робота

Рис.   Переходные процессы приводов

Характеристики переходной функции контура скорости:

Настройка на модульный оптимум выполнена, перерегулирование не превосходит 5%. Система быстро отрабатывает заданное значение скорости.

  1.  Модель робота

Модель робота разрабатывалась на основании его размеров:

  •  B=410 колесная база
  •  D=200 диаметр колес

Габариты:

  •  600х500 с колесами
  •  500х300 без колес

Поскольку, на практике движение реального робота не совпадает с движением модели, в модель робота были введены ошибки отработки траектории за счет изменения диаметра колес робота. Разница составляет 5%. Модель приведена на .

Рис.   Кинематическая модель робота

  1.  Модель системы управления

В системе управления моделировался контур положения. На входе системы управления может быть задано движение робота в точку, либо его траектория. При движении по траектории осуществляется контурное управление. Текущее положение робота вычисляется за счет интегрирования скоростей колес с использованием кинематической модели. Управление происходит по двум взаимосвязанным контурам - по расстоянию до заданной точки и по направлению движения в заданную точку. Модель системы управления приведена на .

Рис.   Модель системы управления мобильным роботом

Результаты моделирования при движении робота в точку приведены на . Робот пришел в заданную точку, но с ошибкой. Ошибка составила 10 см.

Результаты моделирования при движении робота по прямой приведены на  и . Как видно из графиков, робот успешно отработал заданную траекторию, но в процессе движения накапливались ошибки.

Результаты моделирования при движении робота по окружности приведены на  и . Из графиков видно, что робот и в этом случае начал накапливать ошибки.

Рис.   Графики движения робота в заданную точку


Рис.   Графики движения робота в по прямой

Рис.   Ошибки при движении робота по прямой

Рис.   Графики движения робота по окружности

Рис.   Ошибки при движении робота по окружности

Совместное моделирование системы зрения и системы управления роботом

На листе 9 приведены результаты совместного моделирования системы управления робота с системой зрения. Модель системы управления заключена в блоке «Робот». Система зрения на модели представляет собой запаздывание вычисления координат. Эти координаты поступают в систему управления робота и корректируют его положение.

Рис.   Совместная модель системы зрения и системы управления роботом

На , , ,  и  приведены графики для движения робота в точку, по прямой и по кругу. Из графиков видно, что система успешно отрабатывает задание, и при использовании коррекции, ошибка регулирования стремится к 0.

Рис.   Графики движения робота в точку с коррекцией по СТЗ

Рис.   Графики движения робота по прямой с коррекцией по СТЗ

Рис.   Ошибки при движении робота в точку с коррекцией по СТЗ

Рис.   Графики движения робота по окружности с коррекцией по СТЗ

Рис.   Ошибки при движении робота по окружности с коррекцией по СТЗ

Интересным в плане точности является ошибка при установившемся движении по траектории. Было промоделировано движение по кругу в установившемся режиме для различных величин задержки СТЗ. Ошибка при задержке 100 мс не превышает 90 мм, что является приемлемым.

Рис.   Ошибки при движении робота по окружности в зависимости от задержки СТЗ

  1.  Выводы
    1.  Требования к системе технического зрения


  1.  Разработка алгоритма работы системы технического зрения

В данной работе предложена система навигации с помощью системы технического зрения, в которой камеры неподвижно закреплены по краям области, в которой осуществляется навигация мобильного робота. Для этого, на роботе крепится специальный маркер. Робот должен быть виден одновременно как минимум с двух камер. Предполагается, что камеры находятся примерно на одной высоте с роботом.

Алгоритм работы системы изображен на . Программа периодически получает изображение с камер. Алгоритм обнаружения объекта может выполняться для каждого изображения параллельно. Результаты работы алгоритма системы технического зрения передаются в программу управления роботом и отображаются на мониторе оператора персонального компьютера на предварительно созданном плане местности.

Рис.   Алгоритм работы системы технического зрения

  1.  Предварительная обработка изображения

Предварительная обработка изображения нужна для более качественной работы алгоритма обнаружения объекта: минимизации влияния шумов и помех видеосистемы, для подчёркивания или обнаружения контуров, если они используются в алгоритме обнаружения. Применение того или иного вида предварительной обработки зависит от алгоритма обнаружения и условий работы системы технического зрения.

В данной работе применялась медианная фильтрация и алгоритм обнаружения контуров. Медианная фильтрация хорошо описана в русскоязычной литературе, например в [1]. Алгоритм обнаружения контуров не так хорошо описан, поэтому приведём его описание здесь.

Одним из наиболее простых способов выделения границ является пространственное дифференцирование функции яркости. Для двумерной функции яркости A(x, y) перепады в направлениях x и y регистрируются частными производными ∂A(x, y)/ ∂x и ∂A(x, y)/ ∂y, которые пропорциональны скоростям изменения яркости в соответствующих направлениях. Для контуров, направление которых произвольное, используют модуль градиента функции яркости

|A(x, y)| =,

который пропорционален максимальной (по направлению) скорости изменения функции яркости в данной точке и не зависит от направления контура. Модуль градиента в отличие от частных производных принимает только неотрицательные значения.

Для цифровых изображений аналогами частных производных и модуля градиента являются разностные функции.

Пример выделения границ на изображении приведен на . Исходное изображение (а) является достаточно однотонным.  

Рис.   Алгоритм Кэнни. Слева - исходное изображение. Справа- результат алгоритма.

Недостаток алгоритма - пропуск границы с малыми перепадами яркости и включение в число границ деталей изображения с большими изменениями яркости. При зашумлении изображения карту граничных точек будут загрязнять и просто шум, поскольку не учитывается, что граничные точки соответствуют не просто перепадам яркости, а перепадам яркости между относительно монотонными областями.

Для снижения влияния данного недостатка изображение сначала подвергают гауссовой фильтрации.

Градиент яркости в каждой точке характеризуется длиной и направлением. Выше при поиске граничных точек использовалась только длину вектора. Направление градиента - это направление максимального возрастания функции, что позволяет использовать процедуру подавления дублирующих контуров. При этой процедуре для каждой точки рассматривается отрезок длиной в несколько пикселей, ориентированный по направлению градиента и с центром в рассматриваемом пикселе. Ищется пиксель в этом отрезке, модуль градиента которого будет среди других максимальный. Граничными можно признать все максимальные пиксели с величинами модуля градиента больше определенного порога.

Перпендикулярность градиента яркости к границе может быть использована для прослеживания границы, начиная с некоторого граничного пикселя. Такое прослеживание используется в гистерезисной фильтрации максимальных пикселей. Идея гистерезисной фильтрации заключается в том, что длинный устойчивый граничный контур, скорее всего, содержит в себе пиксели с особенно большим перепадом яркости, и, начиная с такого пикселя, контур можно проследить, переходя по граничным пикселям с меньшим перепадом яркости.

При проведении гистерезисной фильтрации вводят не одно, а два пороговых значения. Меньшее (a) соответствует минимальной длине градиента, при которой пиксель может быть признан граничным. Большее (b), соответствует минимальной длине градиента, при которой пиксель может инициализировать контур. После того как контур инициализируется в максимальном пикселе P с длиной градиента, большей b, рассматриваются каждый соседний с ним максимальный пиксель Q. Если пиксель Q имеет длину градиента, большую a, и угол между векторами PQ и (P) близок к 90o, то P добавляется к контуру, и процесс рекурсивно переходит к Q. Таким образом, алгоритм нахождения границ на основе градиента заключается в последовательном применении следующих операций:

- гауссовская сглаживающая фильтрация;

- нахождение градиента яркости в каждом пикселе;

- нахождение максимальных пикселей;

- гистерезисная фильтрация максимальных пикселей.

Этот алгоритм носит названия алгоритма Кэнни [2].

  1.  Решение задачи обнаружения объекта

Алгоритм обнаружения объекта приведен на .

Рис.   Алгоритм обнаружения объекта

Для решения задачи обнаружения объекта был использован корреляционный метод. Для этого формируется изображение маркера. Изображение представляется в виде функции, с помощью которой последовательно сканируется поле зрения. При сканировании вычисляется коэффициент взаимной корреляции.

На вход алгоритма поступает изображение с видеокамеры. В данной работе используется нормированный коэффициент корреляции, который вычисляется по формуле

f°,g°- средние значения интенсивности для изображений f и g соответственно

Нормированный коэффициент корреляции обладает следующими свойствами:

То есть, если маркер присутствует на входном изображении в идеальном виде, коэффициент в точке, где находится маркер, равняется 1. Для реальных изображений это не возможно, т.к. присутствуют искажения от неравномерного освещения, прохождения света через атмосферу, искажения в линзе. Поэтому выбирается порог. Если коэффициент на всем изображении не превышает определенного порога - маркер на изображении отсутствует. В точке, где коэффициент достигает глобального максимума, находится маркер.

Недостатком метода является вычислительная сложность. В связи с этой проблемой предполагается, что маркер не может переместиться мгновенно в произвольную точку изображения, т.к. робот движется с ограниченной скоростью. Скорость движения маркера по изображению определяется следующей формулой:

, где

V – скорость робота, d – расстояние до робота, H – разрешение видеокамеры по горизонтали, β – угол обзора камеры по горизонтали.

Таким образом, коэффициент корреляции  вычисляется не в каждой точке всего изображения, а только в квадрате, выделенном относительно предыдущего положения маркера.  Исходя из этой формулы, максимальной скорости робота и скорости захвата кадров был определен размер квадрата.

Максимальная скорость робота составляет 0.7 м/с. Скорость движения маркера по кадру равна 44.8 пикс/сек. Частота захвата кадра 10 кадров в секунду. То есть за один такт маркер может переместиться максимум на 5 пикс. Для размера маркера 5 пикселей, размер фрагмента составляет 3а.

Ниже приведен пример работы алгоритма обнаружения для реального изображения.

Рис.   Пример работы алгоритма обнаружения объекта

Слева приведено изображение, из которого вырезан фрагмент, для него и маркера вычислена взаимокорреляционная функция. Мы видим, что коэффициент достигает абсолютного максимума в точке (15, 12) и равняется 0.94. Таким образом, маркер на изображении обнаружен верно.

Данный алгоритм был реализован и проверен для различных размеров маркера и при искажениях изображения маркера. Рассмотрим, как ведет себя коэффициент корреляции при повороте и масштабировании изображения. На  слева изображен маркер. Далее изображен он же с поворотом. При повороте брался шаг 5 градусов. Для повернутых изображений был вычислен коэффициент корреляции с исходным изображениям. Результат представлен на .

Рис.   Поворот маркера

Рис.   Зависимость коэффициента корреляции от поворота маркера

На  для примера изображен исходный маркер и он же при масштабировании. Шаг масштабирования брался 5%. Для этих изображений и исходного также был вычислен коэффициент корреляции. Результат приведен на графике на .

Рис.   Масштабирование маркера

Рис.   Зависимость коэффициента корреляции от масштабирования маркера

Из графиков видно, что коэффициент сильно падает при отклонениях. Поэтому к маркеру предъявляются требования, чтобы его форма была одинаковой при взгляде со всех сторон. Это можно осуществить, применив цилиндрическую форму маркера. Для хорошей контрастности с окружающим фоном, его целесообразно делать состоящим из черной и белой полос. Изображение такого маркера и его вид на изображении камеры приведен на .

Рис.   Вид маркера

По поведению графиков видно, что при отклонении до 5% коэффициент корреляции колеблется в диапазоне от 0.6 до 1. Поэтому, целесообразно принять порог обнаружения равным 0.6 и ввести ограничения по движению робота под углом до 5%.

Для разных размеров маркера было взято по 10 изображений. На рисунке приведены примеры изображений с разными размерами маркера.

Рис.   Примеры изображений с различным размером маркера

Результаты работы алгоритма обнаружения объекта для различных размеров маркера приведены в таблице.

Табл.  результат работы алгоритма обнаружения объекта для различных размеров маркера

Из результатов видно, что 5 пикселей - минимально допустимый размер маркера, который и был принят для размера маркера в данной работе. Экономит вычислительные ресурсы и дает возможность при больших размерах  маркера (больше 10 пикселей) использовать прореженное изображение.

Для экономии вычислительных ресурсов при вычислении корреляционной функции, входное изображение необходимо прореживать. Это решено было делать по следующей формуле.

, где:

 Y - исходное изображение, Y^ - прореженное изображение, k - коэффициент прореживания.

Коэффициент прореживания вычисляется по следующей формуле:

, где:

а - размер маркера, % - деление нацело.

Размер маркера на кадре будет меняться при приближении и удалении робота. Поэтому был разработан специальный алгоритм масштабирования маркера.

Алгоритм масштабирования маркера заключается в следующем: при запуске системы оператор указывает положение и размер маркера на кадре. Затем, в циклическом режиме после обнаружения маркера определяется его размер. Для этого используется алгоритм поиска контуров Кенни, подробно описанный в главе . По найденным контурам строятся линии, ограничивающие маркер методом наименьших квадратов. Уравнение линии берется в виде:

y = mx + b

Для этого нужно сначала создать выборку точек. Для этого выполняется проход сверху и снизу изображения и берутся граничные точки. Для выборки точек, принадлежащих каждой границе, вычисляются коэффициенты линии по следующим формулам:

Размер маркера вычисляется как расстояние между серединами отрезков этих линий, заключенных в пределах маркера. Результат работы предложенного алгоритма приведен на .

Рис.   Результат работы алгоритма определения размера маркера

Отметим достоинства и недостатки метода.

Достоинства метода:

  •  Простота алгоритма;
  •  Инвариантен к изменению освещённости;

Недостатки метода:

  •  Чувствителен к повороту, масштабированию, перспективе изображения маркера;
  •  Большое время обработки изображения;
    1.  Выбор камер для определения координат 

Если объект обнаружен только с двух камер, с них и осуществляется решение. Если же объект обнаружен с трёх или более камер, появляется задача выбора камер. В данной работе выбираются камеры, ошибка определения координат с которых минимальна. Для простоты в данной работе выбираются камеры, которые находились ближе к объекту при прошлом решении геометрической задачи. Близость камеры к объекту характеризуют ошибку весьма условно.

В дальнейшем, для лучшего результата, возможно вычисление геометрического фактора для каждой пары камер. Этот параметр будет соответствовать точности решения геометрической задачи с помощью данных камер. Выбор камер для решения геометрической задачи можно производить на основании этой величины.

Вторым перспективным направлением является учёт результатов измерений всех камер. Подобные задачи решены для спутниковой навигации. Для решения их в данной задаче необходимо подвести хорошую математическую базу.

  1.  Определение координат

Для определения координат объекта требуются показания минимум от двух камер. Точка на матрице видеокамеры соответствует линии-направлению на объект в мировой системе координат. Так, объекты стоящие друг за другом проецируются в одну точку. Положение объекта вычисляется как точка пересечения направлений с двух камер. Это происходит посредством решения системы линейных алгебраических уравнений.

На  пунктами показаны:

Мобильный робот с маркером

Видеокамера, обнаруживающая робот

Матрица видеокамеры

Рассмотрим четыре системы координат, показанных на :

  •  Система координат изображения (x2,y2)
  •  Полярная система координат камеры (α1,r1)
  •  Декартова система координат камеры (x1,y1)
  •  Система координат зоны (x0,y0) («мировая» система координат)

Решение геометрической задачи разбивается на четыре этапа. 1-3 этап осуществляется для каждой камеры. 4 этап для двух камер одновременно.

  1.  Пересчёт координат точки из СК изображения (x2,y2) в полярную СК камеры (α1,r1)
  2.  Составление уравнения прямой в декартовой СК камеры
  3.  Перевод уравнения в СК зоны (x0,y0)
  4.  Совместное решение уравнений прямых для камер

Схематично решение геометрической задачи изображено на .

Рис.   Алгоритм вычисления координат

 

Рис.   Соответствие между системой координат изображения и камеры

После решения задачи обнаружения, у нас имеется точка О(X2, Y2) на матрице видеокамеры. Пересчет из системы координат изображения (x2,y2) в полярную систему координат камеры (α1,r1) проводится с помощью предварительной калибровки камеры. В процессе калибровки, каждому положению объекта на изображении ставится в соответствие угол в полярной системе координат камеры. При этом, используется только координата x2 изображения и после перевода получается только угол α1. Координата r1 нам неизвестна. Подробнее калибровка рассмотрена в главе .

Если же калибровка по какой-то причине не проводилась, то придётся принять предположение о линейности камеры:

   (), где:

 β - угол обзора камеры,

H - разрешение камеры по горизонтали.

По результатам экспериментов, приведённым в главе , установлено, что это утверждение не далеко от истины.

Далее составляется уравнение прямой, проходящей через ось камеры, на которой находится наш объект (линия визирования).  Уравнение составляется в декартовой системе координат камеры (x1,y1). Поскольку, прямая проходит через центр координат под углом , уравнение будет выглядеть следующим образом:

(), где

Пересчёт координат из СК камеры (x1,y1), в СК зоны (x0,y0) происходит по следующей формуле:

()

Величины ,  и изображены на . Они определяют положение камеры в СК зоны. На практике их не измеряют инструментом, а вычисляют при калибровке. Подробнее это рассмотрено в главе .

Для решения третьей подзадачи выразим отсюда (x1,y1) и подставим в предыдущее уравнение.

Приведём уравнение прямой к каноническому виду:

Обозначим:

Таким образом, уравнение прямой будет выглядеть так:

()

Аналогичные действия можно провести для второй камеры. Таким образом, мы имеем уравнения двух прямых, проходящих через точку, соответствующую центру объекта. Составим систему уравнений (СЛАУ):

()

Решая эту систему методом Крамера, получим точку в системе координат зоны, соответствующую объекту:

  1.  Вычислительная сложность алгоритма работы системы технического зрения

Для алгоритма всей СТЗ была рассчитана вычислительная сложность. Она состоит из сложности входящих в него вычислений, а именно прореживание полученного изображения, нормирование изображений, вычисление взаимокорреляционной функции, поиск её максимума. Сложность вычислений определялась для максимально возможного размера маркера.

После прореживания изображения максимальный размер маркера равен 9 пикс., т.к. для 10 уже применяется прореживание. Исходя из этого, максимальный размер фрагмента для поиска маркера равен 27 пикс. Максимальный размер непрореженного изображения таким образом, будет равен 459, а коэффициент прореживания 17. По формуле для прореживания, для каждого пикселя исходного изображения должна применяться операция сложения. Таким образом, максимальная вычислительная сложность алгоритма прореживания определяется по следующей формуле:

Нормирование изображения происходит после прореживания. Исходя из формулы его сложность составляет 3 целочисленных операции для каждого пикселя и общая сложность определяется по формуле

Для вычисления взаимокорреляционной функции сейчас разработаны алгоритмы вычисления через быстрое преобразование Фурье. Вычислительная сложность будет равняться сумме сложности прямого и обратного преобразования и почленного умножения коэффициентов разложения в частотной области. Она определяется по формуле.

Вычисление максимума будет осуществляется перебором. Вычислительная сложность перебора определяется по формуле. Заметим, что максимум ищется для коэффициентов корреляции, которые являются числами с плавающей точкой.

Суммарная вычислительная сложность алгоритма для целочисленных операций и с плавающей точкой примерно равна:

  1.  Требования к системе технического зрения


  1.  Проектирование системы технического зрения 

К системе технического зрения предъявляются следующие требования:

возможность работать в полевых условиях;

наличие зоны работы системы, в которой соблюдаются заданные параметры;

обнаружение робота с маркером на борту в зоне работы с максимальной точностью и ошибкой не более 600мм;

задержка выдачи координат не должна превышать 100 мс;

На основании общих требований к системе технического зрения, требований от алгоритма зрения, требований от системы управления роботом, был разработан состав системы технического зрения:

  •  Видеокамеры
  •  Штативы для видеокамер
  •  Контроллеры обнаружения объекта
  •  Компьютер
  •  Сетевой коммутатор
  •  Информационные кабели и провода питания

  1.  Требования к элементам системы

К видеокамерам предъявляются следующие требования:

  •  достаточное разрешение для достоверного обнаружения маркера на выбранном расстоянии;
  •  достаточное разрешение для определения координат с максимальной точностью и ошибкой не более 600мм;
  •  достаточный углом обзора для работы в выбранном секторе.

К штативам предъявляются следующие требования:

  •  возможность работать в полевых условиях;
  •  надежность и однозначность закрепления камеры;
  •  возможность точно выставлять расстояние между камерами и направление обзора установленной видеокамеры.

К контроллерам обнаружения объекта предъявляются следующие требования:

  •  возможность работать с выбранными камерами;
  •  выдача информации по протоколу, подходящем для связи с ПК нескольких плат;
  •  задержка обнаружения маркера не должна превышать 60мс.

К компьютеру и ПО предъявляются следующие требования:

  •  наличие блока бесперебойного питания;
  •  возможность принимать информацию от плат (до 8ми) и выдавать управляющие сигналы для робота по радиоканалу;
  •  задержка выдачи управляющих сигналов не должна превышать 30мс.

К проводам и соединениям предъявляется требование работы в полевых условиях и в условиях частой их перепрокладки.

  1.  Анализ рабочей зоны системы технического зрения
    1.  Выбор рабочих зон исходя из достоверности обнаружения

Для обнаружения объекта на робот устанавливается маркер, состоящий из черного и белого прямоугольника. Этот маркер для достоверного обнаружения, должен занимать не меньше пяти пикселей на матрице видеокамеры. При постоянном размере маркера это условие будет выполняться только до некоторого расстояния маркера от камеры. Таким образом, область обнаружения одной камеры будет выглядеть как сектор, с радиусом D и углом  Приведем расчет дальности устойчивого обнаружения для одной камеры, при допущении, что объективы линейны.

D - расстояние до самого отдаленного объекта, αH - угол обзора камеры в градусах (в горизонтальной области), d - размер маркера в метрах, H - разрешение камеры по ширине в пикселях, j - число пикселей приходящихся на маркер, расположенный на расстоянии D от камеры.

Видеокамеры необходимо расположить таким образом, чтобы объект устойчиво обнаруживался с двух камер в любой точке. Для обнаружения любого объекта с помощью систем технического зрения (СТЗ) необходимо чтобы изображение объекта занимало минимум 5 пикселей. Из описания робота ТМ-3, приведённого в  главе  следует, что размер маркера должен быть не более 0.5 метра, иначе он будет выступать за габариты робота и мешать движению.

Наиболее распространенные и дешёвые видеокамеры на сегодняшний день ,удовлетворяющие поставленным требованиям - это аналоговые видеокамеры, разрешением до 600 телевизионных линий. В приложении приведены стандартные углы обзора  видеокамер для матрицы 1/3". Жирным выделены наиболее доступные. Все приведенные в таблице данные приблизительные и даны в качестве начальной справки.

Используя вышеприведенный расчет и аналоговые камеры, было проведено теоретическое исследование размеров  и типов зон, в которых возможна уверенная навигация мобильного работа. В зависимости от размеров местности устанавливается от двух до восьми камер.

Количество видеокамер и размеры зон работы приведены в , а расположение видеокамер на .

Тип зоны

а

б

в

Количество камер, шт.

2

4

8

Размеры зоны, м

80x50

180x120

300x225

Табл.  Типы рабочих зон для разного количества видеокамер

а)

б)

в)

Рис.   Расположение видеокамер в зависимости от размеров зон работы

Проверка точности для выбранных зон

Погрешность вычисления координат зависит от погрешности определения угла направления на объект. Она вычисляется по следующей формуле:

- погрешность нахождения маркера на кадре,  - угол бозора видеокамеры, H - разрешение видеокамеры по горизонтали.

Поскольку, координаты вычисляются по показаниям с двух камер, ошибка определения координат будет складываться из двух ошибок следующим образом:

, где икоординаты объекта, определяемые формулами, выведенными в разделе  данной работы.

Погрешность СТЗ будет определяться как геометрическая сумма погрешностей по х и по у:

Исходя из приведенных формул, была рассчитана ошибка в зависимости от направлений на объект с двух камер. Результаты приведены на ,  и . Была найдена линия наименьших ошибок. Она проходит через точку (0, 0.15). Её график приведен на . Расчеты, по которым проводились данные исследования приведены а приложении.

Рис.   Распределение ошибки по х

Рис.   Распределение ошибки по у

Рис.   Распределение суммарной ошибки

Рис.   Распределение ошибок вдоль линии наименьших ошибок

Погрешность по х резко возрастает, если объект находится близко к камерам. Если объект лежит на линии камер, она стремится к бесконечности. Ошибка же по у, напротив возрастет при большом удалении от камер. Суммарная ошибка складывается из них. Поэтому в качестве рабочей зоны необходимо выбирать зону на среднем удалении от камер.

Для каждой из выбранных зон в пункте , были рассчитаны эти погрешности. Результаты приведены на . Погрешности для всех зон не превышают 11.5 см.

Рис.   Распределение погрешностей для зоны типа а)

Вычисление параметров сканирования рабочих зон роботом

Ошибка движения робота составляет сумму ошибки СТЗ и ошибки системы управления. В нашем случае их сумма не превышает 20 см. Это значит, что при движении робота должно выполняться перекрытие 40см, как показано на .

Рис.   Перекрытие для ошибки движения 20см

Вид объезда рабочей зоны может быть различным. Зависит от типа местности и наличия препятствий на ней. Он должен определяться оператором. Простейшие типы траекторий приведены на .

Рис.   Типы траекторий робота для сканирования местности

Для типов рабочих зон, рассмотренных в предыдущем параграфе, и вида траектории 1 были определены параметры сканирования зон роботом. Результаты приведены в .

Табл. Параметры обхода рабочих зон роботом ТМ-3 при виде траектории 1

Параметры были определены для робота ТМ-3, исходя из его характеристик. Длина пути вычислялась  для перекрытия определенного ранее. Время обходы вычислялось исходя из длины пути и максимальной скорости робота. Количество смен аккумуляторов вычислялось исходя из времени автономной работы робота.


  1.  Экспериментальное исследование

Моделирование показало эффективность разработанных алгоритмов, что позволило перейти к эксперименту на макете. Для этого был изготовлен стенд, имитирующий зону работы типа б).

  1.  Разработка стенда

Рис.   Фото экспериментального стенда

В ходе работы над данной системой был создан макет системы, для решения следующих задач:

1) Выбор и отладка алгоритмов распознавания мобильного робота.

2) Выбор и отладка алгоритма определения координат мобильного робота.

3) Выбор и отладка алгоритма управления, для прохождения заданной траектории автономно.

4) Оценка ошибки в определении координат мобильного робота и ошибки отклонения от траектории.

Макет состоит из следующих частей:

  1.  Планшет.
    •  Планшет представляет собой органическое стекло прямоугольной формы с бортами по периметру.
      •  Планшет оборудован местами для крепления видеокамер. Крепление камер прикреплено к планшету разборным соединением, позволяющим легко монтировать и демонтировать камеры.
        •  Планшет оборудован бортами для выделения объекта распознавания,  высотой 3 см.
        •  Планшет предусматривает работу с областью обнаружения, линейные размеры которой 2м на 1.5м.
        •  В области обнаружения планшета нет посторонних элементов конструкции.
      1.  Видеокамеры предназначены для определения координат объекта распознавания.
      2.  Вычислительный блок
      3.  Программное обеспечение

Вычислительный блок производит все вычисления необходимые для решения задачи определения координат объекта и для управление роботом.

На  изображен эскиз макета, который представляет из себя плоскость, размерами 2 м x 1.5 м, в углах которого установлены видеокамеры. Для обнаружения объекта, размеры которого 10 мм в диаметре, установлено 8 аналоговых видеокамер высокого разрешения (600 твл) и высокой чувствительности (0.01 люкс).

Цифрами на эскизе обозначены следующие позиции:

  1.  Область обнаружения.
  2.  Корпус планшета (непрозрачный).
  3.  Видеокамеры.

Пространство вокруг области обнаружения, предназначенное для камер, подсветки для камер и их креплений.

Рис.   Эскиз макета навигационной системы

В качестве вычислителя был выбран ПК со следующими характеристиками:

  1.  Процессор Intel Atom.
    1.  Материнская плата форм-фактор Mini-ITX.
      1.  ОЗУ  1Гб
        1.  Плата видеозахвата Hawell

В качестве робота была взята радиоуправляемая машинка, изображенная на . Вместо органов управления в пульт была встроена микросхема, подключенная к компьютеру через КОМ-порт. Для простоты в качестве микросхемы был выбран четырехразрядный счетчик. Выходы счетчика были подключены к сигналам управления «вправо», «влево», «вперед», «назад». На вход счетчика подается сигнал данных TD. Принципиальная схема подключения пульта к компьютеру изображена на .

Рис.   Радиоуправляемая машинка

Рис.   Схема подключении пульта машинки к компьютеру

Таким образом, структура макета будет выглядеть, как показано на . Предложенные алгоритмы были реализованы в ПО. Были созданы две программы: программа определения координат и программа управления роботом. Интерфейсы программ приведены на  и .

Рис.   Структура макета системы управления

Рис.   Интерфейс программы обнаружения объекта

Рис.   Интерфейс программы управления роботом

  1.  Алгоритм обнаружения

Ввиду вычислительной сложности разработанного алгоритма обнаружения, его необходимо реализовывать на отдельном устройстве. Это длительный и дорогостоящий процесс. Поэтому, для предварительной проверки системы управления совместно с системой технического зрения, был использован упрощенный алгоритм обнаружения робота, который был реализован на персональном компьютере. Полный же алгоритм обнаружения робота проверялся отдельно от системы управления.

Для решения задачи обнаружения объекта на макете был использован специальный бортик, который находится на краях макета. Бортик представляет собой белую и чёрную полосу. Расположение бортика на кадре задаётся точками. Изображение бортика вырезается и к нему применяется алгоритм поиска контуров. Порог для алгоритма подбирается таким образом, чтобы выделить границу между чёрной и белой полосой. Затем эта граница считывается и анализируется на предмет разрывов. Таким образом, если на поверхности макета находится объект, он пересечёт границу, разорвет её, что и зафиксирует алгоритм.

Результат работы алгоритма обнаружения объекта приведен на . В контролируемой зоне находится объект. Сзади него виден фон из чёрной и белой полосы. Сверху изображен этот фон после предварительной обработки. Границы обнаруженного объекта изображены двумя вертикальными линиями.

Рис.   Результат работы алгоритма обнаружения объекта

  1.  Калибровка

В параграфе  была решена геометрическая задача для произвольно расположенных двух камер и объекта, обнаруженного с этих камер. Предполагалось, что объектив имеет линейную характеристику, то есть направление на объект пропорционально координате объекта на изображении. На самом деле это не так, и присутствует эффект абберации, особенно, если объект находится не в центре изображения. Более того, предполагалось, что известны координаты оптического центра камеры, и направление осей её системы координат, то есть, направление обзора камеры. На самом деле, ни то ни другое нам не известно, и измерить измерительным инструментом крайне сложно.

Перед началом работы с камерой, её фокусируют, меняя взаимное расположение объектива и матрицы камеры. Фокусировка зависит от расстояний, на которых будет работать камера и изначально установить расстояние между объективом и матрицей невозможно. Таким образом, зная расположение камеры, оптический центр объектива можно определить лишь примерно. То же с углом и направлением обзора видеокамеры. Они изменяются при фокусировке. Стандартные углы обзора объективов камер приведены в приложении, но они задаются лишь примерно.

Проблема решается с помощью калибровки камер. В данной работе, калибровке подвергалось направление обзора и угол обзора камеры. Положение оптического центра считалось примерно совпадающим с центром объектива и измерялась с помощью измерительного инструмента.

Рассмотрим . Положение системы координат камеры относительно системы координат зоны задается углом . Положение же реальной камеры имеет смещение, относительно системы координат, обозначенное .

Рис.   Калибровка одной камеры

Чтобы провести калибровку, необходимо с определенным угловым шагом устанавливить калибровочный образец на плоскость макета. Сняв при этом положение объекта на матрице видеокамеры, мы получим калибровочную точку. По массиву точек по всей области обзора камеры можно построить сплайн-функцию, которая и будет являться калибровочной кривой. Смещением  будет являться угол, вычисленный по этой кривой, соответствующий нулевому положению объекта на матрице.

Перед выполнением калибровки на плоскость планшета наклеивалась калибровочная пленка. На плёнке нанесены калибровочные точки для каждой камеры. Каждая точка соответствует углу, соответствующий данной калибровочной точке. Поскольку, точек слишком много, на  приведено расположение калибровочных точек планшета только для двух камер. Точки нумеруются: Ax, где А – номер камеры, х – угол, соответствующий данной калибровочной точке.

Рис.   Калибровка планшета

В рамках данной работы было разработано специальное ПО с графическим интерфейсом, реализующее описанные методы, позволяющее провести калибровку камер макета. Описание ПО и алгоритм калибровки находится в приложении к работе.

С помощью данной программы была проведена калибровка камер макета. Калибровочные точки приведены в , а сплайн-функции, полученные в результате на .

 

Угол, град.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

положение объекта, пикс

камера 1

12

101

185

270

354

440

524

610

-

-

-

-

-

камера 2

-

-

-

53

109

161

217

270

325

379

434

486

538

камера 3

-

60

113

166

222

277

332

388

443

498

553

606

-

камера 4

-

-

71

154

239

322

405

490

576

-

-

-

-

Табл. Калибровочные точки для камер макета

Рис.   Калибровочные характеристики камер

Как видно из графиков, видеокамеры обладают весьма линейной характеристикой. Чтобы численно оценить насколько характеристика линейна, проведем аппроксимацию калибровочных точек прямой методом наименьших квадратов. Уравнение для прямой линии имеет следующий вид:

y = mx + b

где, значения m и b — коэффициенты, рассчитываемые по следующим формулам:

и – средние значения выборки, например , а  .

В  приведены калибровочные точки (столбцы пикс. и угол), значение прямой в этой точке (столбцы ожид.) и отклонение точки от прямой в направлении оси ординат. Внизу каждй таблицы вычислено СКО отклонения в пикселях. На  показаны линии, получившиеся в результате аппроксимации. Как видно из таблиц и графиков, характеристика камер достаточно линейна, СКО от линии не превышает 1.3 пикселя. Однако, положение и крутизна у каждой характеристики своя. Это означает, что при калибровки можно использовать линейную аппроксимацию. Линия должна строиться методом наименьших квадратов по калибровочным точкам.

Пикс.

Угол

Ожид.

Откл.

12

0

14.08333

2.083333

101

5

99.20238

-1.79762

185

10

184.3214

-0.67857

270

15

269.4405

-0.55952

354

20

354.5595

0.559524

440

25

439.6786

-0.32143

524

30

524.7976

0.797619

610

35

609.9167

-0.08333

СКО

1.159111

Пикс.

Угол

Ожид.

Откл.

53

15

54.41645

1.416452

109

20

108.3396

-0.6604

161

25

162.2627

1.26274

217

30

216.1859

-0.81412

270

35

270.109

0.109028

325

40

324.0322

-0.96783

379

45

377.9553

-1.04468

434

50

431.8785

-2.12154

486

55

485.8016

-0.1984

538

60

539.7247

1.724747

560

62

561.294

1.294005

СКО

 

Пикс.

Угол

Ожид.

Откл.

71

10

70.05811

0.941886

154

15

154.2382

-0.23823

239

20

238.4183

0.581661

322

25

322.5985

-0.59845

405

30

406.7786

-1.77856

490

35

490.9587

-0.95868

576

40

575.1388

0.861209

610

42

608.8108

1.189164

СКО

1.060898

Пикс.

Угол

Ожид.

Откл.

60

5

58.04545

1.954545

113

10

112.9455

0.054545

166

15

167.8455

-1.84545

222

20

222.7455

-0.74545

277

25

277.6455

-0.64545

332

30

332.5455

-0.54545

388

35

387.4455

0.554545

443

40

442.3455

0.654545

498

45

497.2455

0.754545

553

50

552.1455

0.854545

606

55

607.0455

-1.04545

СКО

1.078298

Табл. Аппроксимация калибровочной характеристики и её отклонение от линейности для 0-3 камер слева направо и сверху вниз

Рис.   Линейная аппроксимация

  1.  Результаты эксперимента системы навигации

Пригодность предложенного способа решения геометрической задачи (определение координат объекта распознавания) было проверено экспериментально.

Различают следующие точности:

  •  Линейность
  •  Чувствительность
  •  Достоверность

Линейность была исследована следующим образом:

На стекло планшета была наклеена миллиметровая бумага. На бумаге проводились 6 линий. Калибровочный образец устанавливался на линию через равные промежутки. Показания системы фиксировались и сравнивались со шкалой миллиметровки.

На  приведены результаты эксперимента. Как видно из графиков, система в целом ведёт себя линейно. На  приведены графики отклонения системы от линейности. СКО этого отклонения приведено в .

Ближняя линия

Средняя линия

Дальняя линия

СКО по У

1.525856

3.657761

3.510361

СКО по Х

10.28779

2.027676

2.265624

Табл. СКО координат

Рис.   Проверка системы определения координат на линейность

Рис.   Отклонения от линейности

Вывод:

  •  Для повышения точности необходимо провести внутреннюю и внешнюю калибровки видеокамер.

Проверка чувствительности проводилась с помощью калибровочного образца. На стекло планшета была наклеена миллиметровая бумага. Образец устанавливался в определённую точку и двигался через каждый миллиметр, пока результат, выдаваемый системой не изменится. Было установлено, что система реагирует каждые 2 миллиметра.

После этого была определены ошибки определения координат. Результаты приведены в . Ошибки определения координат приведены на графиках на

Х

У

Реал Х

Реал У

Диаметр

Откл Х

Откл У

0

100

6

105

10

6

5

400

100

409

102

13

9

2

750

100

746

100

14

-4

0

1100

100

1089

100

16

-11

0

1500

100

1499

104

10

-1

4

0

500

5

504

10

5

4

400

500

403

502

10

3

2

750

500

750

500

12

2

0

1100

500

1103

501

9

3

1

1500

500

1499

502

10

-1

2

0

1000

4

1001

11

4

1

400

1000

402

1001

12

2

1

750

1000

752

1005

14

0

5

1100

1000

1099

1003

15

-1

3

1500

1000

1498

998

11

-5

-2

0

1500

0

1498

13

0

-2

400

1500

403

1505

13

2

5

750

1500

750

1499

12

0

-1

1100

1500

1096

1505

15

-1

5

1500

1500

1495

1495

11

-5

-5

0

2000

2

2003

12

0

3

400

2000

402

1995

13

2

-5

750

2000

745

2002

16

-5

2

1100

2000

1099

2006

11

-1

6

1500

2000

1491

1996

12

-9

-4

СКО:

4.511836

3.1559468

Табл. Результаты проверки стенда

Как видно из графиков, характер распределения ошибок совпадает с расчетным. Ошибки не превышает 10мм. Была проверена работа системы управления при движении машинки в точку, по прямой и по окружности. Максимальная ошибка составляет 8 см.

Рис.   Погрешности стенда по Х

Рис.   Погрешности стенда по У

Рис.   Суммарные погрешности стенда

Ошибка определения координат не превысила 1 см, следовательно, ожидаемое значение ошибки на местности не превысит 1.5 м. При использовании калибровки камер ошибку можно уменьшить. В то время как ошибка при использовании ГЛОНАСС составляет 10 м. Величина ошибки оказалась больше расчетной, что объясняется неточностью установки камер и недостаточной калибровкой.

Была проверена работа системы управления при движении машинки в точку, по прямой и по окружности. Результаты приведены на ,  и .

Рис.   Движение макета в заданную точку

 

Рис.   Движение макета по прямой

Рис.   Движение макета по окружности


  1.  Конструкторская часть

В связи с большой вычислительной сложностью алгоритма обнаружения объекта, возникает необходимость разработать устройство, решающее эту задачу, что и было выбрано как задача конструкторской части работы.

  1.  Расчёт требуемой производительности

В параграфе  была оценена вычислительная сложность алгоритма работы системы технического зрения, она составляет 215 000 целочисленных операций и 730 операций с плавающей точкой. В параграфе  были поставлены требования по задержке к контроллеру обнаружения объекта. Задержка обнаружения маркера не должна превышать 60мс. Примем коэффициент запаса по производительности с учетом операций доступа к памяти и инкрементирования счетчиков равным 3. Исходя из этих данных, контроллер обнаружения объекта должен обладать следующей производительностью:

  •  10'750’000 целочисленных операций
  •  36'500 операций с плавающей точкой
    1.  Выбор вычислителя

Известно много алгоритмов быстрой свертки, но из-за сложности обработки данных не всегда решается задача высокого быстродействия. Другим направлением повышения быстродействия есть аппаратная реализация цифровых фильтров, которая требует использования сложных приборов и больших аппаратных ресурсов. В этом случае наиболее эффективным вариантом аппаратной реализации является использование программированных логических интегральных схем (ПЛИС). ПЛИС, в   последнее время, становятся все более распространенной элементной базой для применения в приборах цифровой обработки сигналов (ЦОС). Благодаря развитой архитектуре, высокой тактовой частоте и невысокой цене ПЛИС незаменимы при макетировании и мелкосерийном производстве.

Рассмотрим основные подходы при выборе ПЛИС для реализации проектов. Как известно, при выборе элементной базы руководствуются следующими критериями отбора:

·        Быстродействие;

·        логическая емкость, достаточная для реализации алгоритма;

·      объем встроенной блочной памяти;

·        схемотехнические и конструктивные параметры ПЛИС, надежность, рабочий диапазон температур, стойкость к ионизирующим излучениям и т.п.;

·        стоимость владения средствами разработки, включающая как стоимость программного обеспечения, так наличие и стоимость аппаратных средств отладки;

·        стоимость оборудования для программирования ПЛИС или конфигурационных ПЗУ;

·        наличие методической и технической поддержки;

·        наличие и надежность российских поставщиков;

·        стоимость микросхем.

Рассмотрим с этих позициий продукцию ведущих мировых производителей ПЛИС, имеющих российских дилеров.

Фирма Altera Corporation. В настоящее время High-end продуктом этой фирмы является семейство APEX20K, особенности архитектуры которого упоминались выше. Кроме того, Altera выпускает CPLD семейств MAX3000, MAX7000, MAX9000 (устаревшие серии специально не упоминаются), FPGA семейств FLEX10K, FLEX8000, FLEX6000. Дополнительным фактором при выборе ПЛИС Altera является наличие достаточно развитых бесплатных версий САПР. Кроме того, ПЛИС фирмы Altera выпускаются с возможностью программирования в системе непосредственно на плате. Для программирования и загрузки конфигурации устройств опубликована схема загрузочного кабеля ByteBlaster и ByteBlasteMV. Следует отметить, что новые конфигурационные ПЗУ EPC2 позволяют программирование с помощью этого устройства, тем самым отпадает нужда в программаторе, что естественно снижает стоимость владения технологией. ПЛИС фирмы Altera выпускаются в коммерческом и индустриальном диапазоне температур.

Компания Xilinx Inc. High-end семейство Virtex характеризуется широким разнообразием высокоскоростных трассировочных ресурсов, наличием выделенного блочного ОЗУ, развитой логикой ускоренного переноса. ПЛИС данной серии обеспечивают высокие скорости межкристального обмена - до 200 МГц (стандарт HSTL IV). Кристаллы серии Virtex за счёт развитой технологии производства и усовершенствованного процесса верификации имеют достаточно низкую стоимость (до 40% от эквивалентной стоимости серии XC4000XL).

Помимо семейства Virtex, Xilinx выпускает FPGA семейств XC3000A, XC4000E, Spartan, XC5200, а также CPLD XC9500 и малопотребляющую серию CoolPLD.

Существует бесплатная версия САПР – WebPACK, поддерживающая CPLD XC9500 и CoolPLD, Spartan, некоторые приборы Virtex, обеспечивающая ввод описания алгоритма с помощью языка описания аппаратуры VHDL.

Следует заметить, что Xilinx существенно обновил модельный ряд как своих ПЛИС, так и программного обеспечения, которое теперь разрабатывается с участием фирмы Synopsys. Для ВУЗов предусмотрены значительные скидки на ПО.

Компания Actel Corporation. Особенностью ПЛИС Actel является применение так называемой Antifuse технологии, представляющей собой создание металлизированной перемычки при программировании. Данная технология обеспечивает высокую надежность и гибкие ресурсы трассировки, а также не требуется конфигурационное ПЗУ. По этой технологии выпускаются семейства ACT1, ACT2, 1200XL, а также новые семейства 54SX, А40МХ и А42МХ (со встроенными модулями памяти), имеющих хорошие показатели цена/логическая емкость (ПЛИС заменяющая 300 – 350 корпусов ТТЛ стоит 10$, при частоте > 250 МГц ).

Детальный обзор семейства ПЛИС Spartan-3 фирмы Xilinx.

В апреле 2003 г. фирма Xilinx начала выпуск нового семейства ПЛИС с архитектурой FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) – Spartan™-3. Семейство специально разработано для использования в электронных устройствах, рассчитанных на недорогие комплектующие.

Всего в семейство входит 8 кристаллов, отличающихся логической ёмкостью, при этом минимальный по ёмкости кристалл содержит 50 тыс. эквивалентных системных вентилей, а максимальный – 5 млн. В представлены основные свойства кристаллов серии Spartan-3.

Кристалл

Системные вентили

Логические ячейки

Матрица КЛБ

(1 КЛБ = 4 секции)

Распределенная память, кбит

Блочная память, кбит

Встроенные умножители

Блоки синхронизации

Доступные для пользователя контакты ввода вывода, макс.

Доступные для пользователя дифференциальные пары, макс.

Строка

Колонка

Всего КЛБ

XC3S50

50 K

1 728

16

12

192

12 K

72

4

2

124

56

XC3S200

200 K

4 320

24

20

480

30 K

216

12

4

173

76

XC3S400

400 K

8 064

32

28

896

56 K

288

16

4

264

116

XC3S1000

1 M

17 280

48

40

1 920

120 K

432

24

4

391

175

XC3S1500

1,5 M

29 952

64

52

3 328

208 K

576

32

4

487

221

XC3S2000

2 M

46 080

80

64

5 120

320 K

720

40

4

565

270

XC3S4000

4 M

62 208

96

72

6 912

432 K

1 728

96

4

712

312

XC3S5000

5 M

74 880

104

80

8 320

520 K

1 872

104

4

784

344

Семейство Spartan-3 является дальнейшим развитием семейства Spartan-IIE, при этом увеличены логические ресурсы, емкость внутренней памяти, общее число пользовательских блоков ввода-вывода и системная производительность, а также улучшено управление синхронизацией. Большинство улучшений получены с использованием технологий и решений, применяемых в производстве кристаллов семейства Virtex™-II.

Кристаллы семейства Spartan-3 производятся по КМОП-технологии с проектными нормами 90 нм и являются первыми ПЛИС, выпускаемыми по такой технологии. Данная технология позволяет получать большее количество кристаллов с одной пластины, чем предыдущая технология (130 нм), что, в свою очередь, понижает стоимость кристалла эквивалентной ёмкости. Снижение стоимости может достигать 80%.

Следствием применения новой технологии производства кремния явилась необходимость понизить напряжение питания ядра кристалла до 1,2 В. Совместимость с более «высоковольтными» сигнальными стандартами достигается применением дополнительного питания блоков ввода-вывода, которое может меняться от 1,2 до 3,3 В и зависит от выбранного при программировании стандарта. Всего ПЛИС семейства Spartan-3 поддерживают 17 однополюсных и 6 дифференциальных стандартов, включая LVDS. Модули, выполняющие специальные функции, также требуют дополнительного напряжения питания, которое составляет 2,5 В.

Микросхемы семейства Spartan-3 выпускаются как в корпусах с «шариковыми» выводами, так и в корпусах с планарными выводами. Микросхемы в одном корпусе, но разной ёмкости совместимы по назначению выводов корпуса. В табл. 2 представлены данные о количестве пользовательских контактов ввода-вывода для микросхем семейства Spartan-3 в зависимости от логической емкости кристалла и типа корпуса.

Из таблицы видно, что ПЛИС начиная с XC3S1000 производятся только в BGA (корпусах с «шариковыми выводами»), что весьма затрудняет изготовление печатной платы в условиях единичного производства. Таким образом, наилучшим вариантом из этих соображений является ПЛИС XC3S400 в корпусе TQ144. Ресурсы ПЛИС:

-Количество системных вентилей: 400 тыс.

-Количество логических ячеек: 8064-объединяются в секции (slice) по 2 ячейки;

-Блочная память: 576 кбит;

-Распределенная память: 56 тыс. кбит (на основе LUTLook-up-Table);

-Встроенные умножители: 16 (MAC);

-Пользовательские контакты ввода вывода: 97;

-Встроенных блоков синхронизации:4;

Логическая емкость этой ПЛИС является достаточной для реализации достаточно крупных проектов параллельно-конвейерной обработки, таких как фильтры, декодеры, Ethernet – контроллеры и т.п.

Наличие распределенного быстродействующего внутреннего ОЗУ, который скомпонован в блоки необходимого размера, является привлекательной чертой ПЛИС Xilinx для реализации алгоритмов ЦОС по сравнению с ПЛИС других производителей. Использование такого ОЗУ является очень эффективным для реализации алгоритмов ЦОС методом распределенной арифметики, а также для сохранения коэффициентов, результатов  промежуточных исчислений и т.д. При этом за счет возможности аппаратного обеспечения параллельности процесса обработки, гибкой адаптации структуры прибора под нужный алгоритм, высокой эффективности интегрирования средств разработки становиться возможным построение высокопродуктивной системы ЦОС на одном кристалле за относительно небольшое время.

  1.  Электрическая схема устройства

На рисунке в общем виде представлен список необходимых устройств на плате:

На рисунке представлена общая структура выводов Spartan-3 в корпусе с планарными выводами TQ144.

.

Рис.17

В первую очередь необходимо произвести развязку питания и предусмотреть все необходимые средства для программирования ПЛИС. В корпусе TQ144 цепи VCCO банка 0 и банка 1 объединены, аналогично и для других пар: 2-3, 4-5, 6-7, далее будем рассматривать эти пары как один банк. Таким образом, в корпусе TQ144 микросхема Spartan-3 может иметь четыре независимых источника VCCO.

Общие требования к питанию:

1. Нельзя оставлять неподключенными контакты VCCO.

2. На все контакты VCCO одного банка должно быть подано одинаковое напряжение питания.

3. В пределах банка блоки ввода-вывода могут быть запрограммированы на совместимость только со стандартами, которые используют одинаковое значение VCCO. За соблюдением этого правила следит программа создания конфигурационной последовательности.

4. Если ни один из пользовательских БВВ в банке не используется, все контакты VCCO этого банка должны быть объединены и присоединены к источнику питания с напряжением 2,5 В.

5. С момента включения питания и до окончания процесса конфигурирования на контакты VCCO банка 4 необходимо подавать напряжение 2,5 В. Такое же напряжение необходимо подавать на VCCO контакты банка 5 во время параллельной загрузки конфигурационной последовательности, а также выполнения операций обратного считывания.

Воспользуемся специализированной для использования с ПЛИС данной серии микросхемой питания  TPS75003 фирмы Texas Instruments.

Данная микросхема имеет возможность получения трех напряжений питания одновременно: два настраиваемых вывода со специализированными контроллерами, линейный выход на 2.5V для дополнительного питания ядра ПЛИС. Настройка двух выводов микросхемы производится с помощью внешней обвязки.

Электрическую схему спроектируем таким образом, чтобы ПЛИС получала питания ввода-вывода трех пар банков 3.3 вольта для использования со стандартами CMOS или TTL.  Для еще одной пары банков ввода-вывода оставим возможность выбора между уровнями 3.3 и 2.5 вольт (последний в случае неиспользования банков).

Конфигурирование ПЛИС.

ПЛИС семейства Spartan-3 конфигурируются путем загрузки конфигурационных данных во внутреннюю конфигурационную память. Часть специальных контактов, которые при этом используются, не могут применяться для других целей, в то же время остальные могут после завершения конфигурирования служить в качестве контактов ввода-вывода общего назначения.

Загрузка конфигурации может производиться несколькими способами. Способ конфигурирования задается через M0, M1, M2 (табл. 4).

Таблица 4.

Совместно с контактами M0, M1, M2 используется контакт HSWAP_EN. Этот контакт определяет, будут ли подключены внутренние pull-up резисторы на контакты ввода-вывода во время процесса загрузки конфигурационной последовательности или нет. Эти контакты используются только для загрузки. Также к специальным контактам конфигурирования относится контакт синхронизации процесса конфигурирования (CCLK). В зависимости от выбранного режима конфигурирования контакт CCLK может быть либо источником сигнала синхронизации, либо наоборот, приемником сигнала от внешнего генератора синхросигналов. 

Для хранения конфигурационной последовательности фирма Xilinx выпускает три семейства ПЗУ:

1. Однократно программируемые ПЗУ семейства XC17V00.

2. Перепрограммируемые в системе ППЗУ семейства XC18V00.

3. Перепрограммируемые в системе ППЗУ семейства Platform Flash.

Выберем рекомендуемое Xilinx ППЗУ семейства Platform Flash XC02S.

Для программирования выберем ведущий последовательный режим. В этом режиме с выхода CCLK ПЛИС сигнал подается на соответствующий вход микросхемы ППЗУ, которая передает данные на DIN-вход той же ПЛИС. Прием данных в ПЛИС осуществляется по каждому нарастающему фронту сигнала CCLK. После полного конфигурирования микросхемы данные для следующих устройств, соединенных цепочкой, появляются на выходе DOUT после каждого нарастающего фронта сигнала CCLK. Интерфейс, поддерживающий этот режим, идентичен интерфейсу подчиненного режима, за исключением того, что для генерации синхросигнала конфигурирования используется внутренний осциллятор ПЛИС. Частота для этого синхросигнала может быть выбрана из широкого диапазона значений, но по умолчанию всегда используется низкая частота (6 МГц). Переключение на более высокую частоту происходит данными, которые распознаются микросхемой в самом конфигурационном потоке, после чего оставшаяся часть потока загружается уже с новой скоростью. Переключение снова на более низкую частоту запрещается.

Рис.18

Частота синхронизации CCLK устанавливается выбором ConfigRate в программе генерации конфигурационного потока. Схема подключения дана на рис. 18.

 Выбор АЦП:

Для скоростной обработки данных необходим быстрый АЦП 8-битный АЦП, способный работать на частотах до 30 МГц. Для этих целей выберем АЦП AD775JR фирмы Analog Devices.

Рис. – временная работа АЦП AD775JR

Опорное напряжение для АЦП получим с источника опорного напряжения 2.5 вольта.

     

Тактирование элементов:

В качестве источника тактового сигнала выберем кварцевый генератор синхроимпульсов kx-v97, задающий частоту 25Мгц. Выход тактового генератора заведем только на ПЛИС и внутренним образом заведем на один из четырех блоков цифрового управления тактированием(DCM).

ПЛИС Spartan-3 предоставляет полный и гибкий контроль над частотой, фазой и расфазировкой синхронизирующих импульсов. Контроль осуществляется с помощью модулей автоподстройки задержки (DLL), входящих в состав цифровых блоков управления синхронизацией (DCM).

DCM поддерживает три основные функции:

1. Устранение расфазировки синхронизирующих импульсов. Достигается за счет выравнивания фаз выходного тактового сигнала, производимого DCM, и этого же сигнала, полученного через обратную связь.

2. Синтез частот. Из входного тактового сигнала одной частоты DCM может сгенерировать на выходе тактовый сигнал с другой частотой. Это достигается путем умножения и/или деления частоты на целочисленный коэффициент допустимого диапазона.

3. Фазовый сдвиг. DCM может осуществить фазовый сдвиг всех выходных тактовых сигналов относительно входного тактового сигнала.

Блок DCM состоит из четырех функциональных модулей (рис. 22):

1. Модуля автоподстройки задержки – DLL (Delay-Locked Loop).

2. Цифрового синтезатора частот – DFS (Digital Frequency Synthesizer).

3. Модуля фазового сдвига – PS (Phase Shifter).

4. Модуля состояний блока DCM – SL (Status Logic).

В ПЛИС Spartan-3 имеется 8 глобальных тактовых входов – GCLK0 - GCLK7. Эти входы предоставляют доступ к внутренней сети линий связи, предназначенной для передачи сигналов с малыми задержками и высокой частотой. Глобальная сеть тактовых линий изображена на рис. 19. Каждый из восьми тактовых входов GCLK может быть соединен с любым КЛБ кристалла через эту сеть. Входы GCLK заводятся на глобальную тактовую сеть через глобальные тактовые мультиплексоры (BUFGMUX).

Элемент BUFGMUX – это мультиплексор 2 в 1, который может принимать сигналы от любого из четырех источников, перечисленных ниже(Рис.).

1. Один из четырех входов GCLK, расположенных на той же стороне кристалла (верхней или нижней).

2. Любая из четырех близлежащих горизонтальных двойных линий.

3. Один из четырех выходов блока DCM, расположенного в правом квадранте той же стороны.

4. Один из четырех выходов блока DCM, расположенного в левом квадранте той же стороны.

Таким образом, все тактовые выходы элементов платы подключим к тактовым линиям внутри ПЛИС. Тогда управление частотами внешних по отношению к ПЛИС элементов будет производиться её перепрограммированием.

Видеосинхроимпульсы будем получать (как говорилось выше) с помощью микросхемы – селектора LM1881 фирмы National Semiconductor.

Схема включения LM1881

Выводы смеси синхроимпульсов ССП и вертикальных импульсов заводятся на ПЛИС с согласованием уровней логических сигналов. Способ их обработки приводился выше в описании логической схемы фильтра.

Следующий этап разработки устройства – разработка принципиальной электрической схемы и конструирование печатной платы. Для реализации задачи воспользуемся САПР Altium Designer. Отличительной особенностью программы является проектная структура и сквозная целостность ведения разработки на разных уровнях проектирования. Иными словами изменения в разработке на уровне платы могут мгновенно быть переданы на уровень схемы и так же обратно.  При этом будем учитывать все необходимые условия фирм-изготовителей микросхем, которые будут использованы в данном проекте, в первую очередь уже выбранной микросхемы ПЛИС фирмы Xilinx.

Также необходимо учесть, что будет производиться обработка изображения с аналоговой видеокамеры.  Поэтому потребуется средство оцифровки аналогового сигнала и передачи его ПЛИС, а также средство выделения синхросигналов. Обработанный видеосигнал на выходе ПЛИС необходимо преобразовывать обратно в аналоговый или оставлять его в цифровом виде.

Так как, данное устройство будет  работать в тракте обработки видеоизображения, то есть будет не единственным, то целесообразно предъявить требования к габаритным размерам платы.

 Таким образом, сформируем требования к устройству:

- Задержка обнаружения объекта не превышает 70мс;

-Возможность подключения аналоговой камеры;

-Возможность подключения монитора;

-Передача результатов обработки по каналу Ethernet;

-Габаритные размеры платы 100x80 мм;

  1.  Плата обработки видеоинформации

Основание платы обработки видеосигнала должно состоять из двух сигнальных слоев, разделенных изоляционными прокладками,  слоями электропитания и экранирующим слоем. Вследствие высокой плотности размещения печатных проводников МПП обладают высокой коммутационной способностью. К достоинствам применения МПП можно отнести возможность передачи наносекундных сигналов без существенных искажений и потерь, высокую устойчивость к внешним воздействиям, снижение количества внешних контактов. Следует отметить и недостатки Miili: высокая стоимость, повышенная трудоемкость проектирования и изготовления, высокие требования к исходным материалам и точности изготовления печатных проводников и переходных отверстий и т. д.

Выбор 4-х слоев для реализации проекта есть необходимость, так как в устройстве есть микросхемы, работающие с аналоговым сигналом, для нормальной работы которых влияние импульсных шумов от работы цифровых микросхем и импульсных источников питания является недопустимым, а также электромагнитных полей от проводников питания.

4-х слоев будет достаточно для уменьшения влияния источников питания на аналоговые сигналы и нормальную работу микросхем АЦП и ЦАПа. Для этого в качестве сигнальных слоев будем использовать внешние слои, а в качестве слоев питания – внутренние, причем один из внутренних слоев полностью отведем под заземление – это также уменьшит влияние “цифрового” шума. Расположение питающей и заземляющей поверхностей в соседних слоях обеспечивает дополнительную межповерхностную емкость, которая способствует высокочастотной развязке тока питания. После трассировки всех необходимых проводников сигналов и питания проведем “заливку ” всех слоев полигонами заземления.

Обеспечение низкоимпедансных заземляющих поверхностей большой площади очень важно для всех современных аналоговых схем. Заземляющая поверхность действует не только как низкоимпедансный обратный тракт для развязки высокочастотных токов (вызванных работой скоростных цифровых схем), но также минимизирует электромагнитные радиочастотные (EMI/RFI) помехи. Благодаря экранирующему действию заземляющей поверхности чувствительность устройства ко внешним помехам также уменьшается.

Выводы питания должны быть развязаны прямо на заземляющую поверхность с помощью низкоиндуктивных керамических конденсаторов для поверхностного монтажа (SMD). Керамические конденсаторы должны быть расположены как можно ближе к выводам питания микросхемы.

Проведем анализ потребляемой мощности и тока для всех микросхем на плате:

-Spartan 3 XC3S400 в корпусе TQ400 при напряжениях питания ядра 1.2 В, дополнительного питания ядра 2.5В, использовании стандарта ввода-вывода LVCMOS3.3 и полном использовании ресурсов – рассеиваемая мощность 2 Вт, потребляемый ток – 700мА. (Расчет проводится средствами Xilinx ISE)

-AD775  -АЦП - рассеиваемая мощность 60мВт при питании 5В и частоте дискретизации 30МГц. Ток потребления – 12мА.

-ADV7128KR30 – ЦАП - рассеиваемая мощность 350мВт при питании 5В. Ток потребления – 70мА.

-Lm1881 –селектор синхроимпульсов - рассеиваемая мощность 1100 мВт при питании 5В. Ток потребления – 220мА.

-XCF02S – потребляемый ток 4мА при 3.3В питании.

-AD585- ИОН – 60 мкрВт – потребляемый ток 5мА.

-AD780- ИОН – 3 мВт – потребляемый ток 1мА.

-ADG3308 –транслятор уровня сигнала - потребляемый ток  1 мкрА*3.

-TPS70053 – линейный регулятор напряжения – рассеиваемая мощность 2,27 Вт.

Суммарная рассеиваемая мощность  5.7 Вт.

Суммарный потребляемый ток  1А.

Импульсный стабилизатор напряжения, используемый для преобразования входных 12В в 5В, выберем с расчетом его максимального выходного тока.

Для этих целей выберем DC-DC стабилизатор R-78 фирмы Innoline с выходными параметрами 5В, 1.5А. (имеется запас мощности)

Ширина проводников на плате:

ГОСТ 23.751-86 устанавливает допустимую токовую нагрузку на элементы проводящего рисунка, выполненные из медной фольги, - 100 - 250 А/мм2. Обычно нижний предел принимается для внутренних проводников многослойных печатных плат, а верхний - для наружных слоев. Считается, что теплообмен проводников на наружных слоях лучше и что они способны пропускать большие токовые нагрузки без опасного перегрева.

Таким образом, ширина основных проводников питания, расположенных на внутреннем слое платы с учетом ширины проводника 18 мкм:

S  =  = 0.83 мм. Выберем ширину, равную 1 мм.

Для сигнальных проводников, расположенных на двух внешних слоях, выберем ширину в пределах 0.5 мм до 0.2 мм. Нижний предел выбран с учетом близости расположения выводов некоторых микросхем(например, ПЛИС).

Разделение аналогового и цифрового заземления:

В системах со смешанными сигналами с большим числом цифровых схем весьма желательно физически отделить чувствительные аналоговые компоненты от шумных цифровых компонентов. Также пойдет на пользу использование раздельных заземляющих поверхностей для аналоговых и цифровых схем. Эти поверхности не должны перекрываться для того, чтобы уменьшить емкостную связь между ними. Чувствительные аналоговые компоненты, такие как усилители и источники опорного напряжения, всегда подключаются и развязываются на аналоговой заземляющей поверхности. АЦП и ЦАП (и другие ИС со смешанными сигналами) с небольшими цифровыми токами рассматриваются как аналоговые компоненты и также заземлены и развязаны на аналоговой заземляющей поверхности. Разделение аналоговой и цифровой заземляющих поверхностей проведем с помощью дросселя с ферритовой бусиной в одной точке.

Переходы между слоями:

В качестве межслойных переходов используются только сквозные отверстия, что упрощает изготовление печатной платы. Диаметр отверстий: 0.6..0.8 мм.

В качестве крепежных используются 3-и отверстия диаметром 3мм и внешним контуром металлизации шириной 2 мм.



  1.  Технологическая часть

Для выбора методов изготовления печатной платы и составление технологического процесса сборки проанализируем условия работы устройства:

Плата обработки видеосигнала должна эксплуатироваться на улице в любых погодных условиях. Поэтому предъявляются повышенные требования к основанию по температуре работы.

АЦП и ПЛИС тактируются и осуществляют информационное взаимодействие на частотах 25МГц. К плате предъявляются повышенные требования по распространению наносекундных сигналов.

Опасности перегрева и возгорания нет.

Плата будет эксплуатироваться без ударов и линейных ускорений. Возможно наличие вибраций.

Плата должна находиться в корпусе, не допускающем доступ воды, пыли и влаги.

Основание платы обработки видеосигнала должно состоять из двух сигнальных слоев, разделенных изоляционными прокладками,  слоем электропитания и экранирующим слоем. На плате располагаются элементы с планарными выводами (ЭРЭ и ИС) и элементы со штыревыми выводами (разъемы).

Элементы платы расположены плотно, плата должна изготавливаться по 4му классу точности.

  1.  Анализ технологичности

В результате проведённого анализа конструкции платы обработки видеоинформации было выявлено несколько особенностей системы:

  •  Печатная плата является четырёхслойной ;
  •  монтажно-сборочные  работы могут быть обеспечены автоматизированным оборудованием.
  •  Все микросхемы и радиодетали являются стандартными и устанавливаются с помощью поверхностного монтажа на стандартные монтажные площадки.
  •  Все микросхемы и радиодетали монтируются на одной стороне платы, что обеспечивает возможность автоматизации монтажно-сборочных работ.
  •  Разъемы устанавливаются в отверстия отдельно от сборки остальных элементов.
  •  В схеме используются микросхемы с различным напряжением питания, что приводит к усложнению печатной платы, увеличению числа используемых радиодеталей и увеличению трудоемкости контроля работоспособности изделия.

Выводы, сделанные в результате анализа технологичности конструкции:

  1.  Из-за сложности конструкции сборочные операции следует производить последовательно, не прибегая к узловой сборке
  2.  Разработать такую последовательность сборочных операций, чтобы обеспечить наибольшую скорость сборки.

Таким образом, на основе качественной оценки можно сделать вывод, что конструкция платы обработки видеосигнала является технологичной.

  1.  Обоснование метода изготовления печатной платы

Выбор материала основания

В качестве основания печатных плат используют фольгированные и нефольгированные диэлектрики (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, стеклоткань, лавсан, полиимид, фторопласт и др.), керамические материалы и металлические пластины. При выборе материала основания ГШ необходимо обратить внимание на следующее: предполагаемые механические воздействия (вибрации, удары, линейное ускорение и т. п.); класс точности ГШ (расстояние между проводниками); реализуемые электрические функции; быстродействие; условия эксплуатации; стоимость.

По сравнению с гетинаксами стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглощение. Однако у них есть ряд недостатков: невысокая нагревостойкость по сравнению с полиимидами, что способствует загрязнению смолой торцов внутренних слоев при сверлении отверстий; худшая механическая обрабатываемость; более высокая стоимость; существенное различие (примерно в 10 раз) коэффициента теплового расширения меди и стеклотекстолита в направлении толщины материала, что может привести к разрыву металлизации в отверстиях при пайке или в процессе эксплуатации.

Для изготовления ПП, обеспечивающих надежную передачу нано-секундных импульсов, необходимо применять материалы с улучшенными диэлектрическими свойствами (уменьшенным значением диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь). Поэтому к перспективным относится применение оснований ПП из органических материалов с относительной диэлектрической проницаемостью ниже 3,5.

В производстве ПП широко используют отечественные и импортные материалы. Прежде чем останавливать свой выбор на том или ином материале, следует иметь в виду, что при использовании недорогих отечественных стеклотекстолитов при ширине проводников и зазоров между ними менее 0,3 мм большой процент ПП уйдет в брак, что, естественно, увеличит стоимость ПП и приблизит к стоимости ПП на импортных материалах. При изготовлении ДПП отечественные материалы целесообразно применять, если нет повышенных требований по климатическим воздействиям и частотным характеристикам. Если стоимость модуля 1 -го уровня (ячейки) превышает стоимость ПП примерно в 10 раз, желательно использовать импортные материалы. Подготовка производства ПП на импортных материалах в 2—2,4 раза дороже чем на отечественных, а изготовление 1 дм2 — в 1,8—2,2 раза и зависит от объема заказа в дм2 или типа производства и наличия-отсутствия защитной паяльной маски. Применение защитных паяльных масок увеличивает стоимость ПП на отечественных материалах примерно на 30...35 %, а на импортных — на 5 %.

Проведя анализ был выбран материал основания платы - фольгированный армированный фторопласт ФАФ-4Д ГОСТ 21000-81. Листы ФАФ-4Д представляют собой армированный стеклотканью фторопласт-4Д, облицованный с обеих сторон медной фольгой толщиной 0,035 или 0,05 мм.

Фольгированные высокочастотные диэлектрики находят широкое применение в качестве оснований печатных плат работающих в диапазоне СВЧ, в качестве электрической изоляции для печатных элементов приемно-передающей аппаратуры, способны длительно работать в интервале температур от - 600 до + 2500 С.

Краткий перечень механических и электрических параметров материала приведен в .

Наименование показателей

Значение

Прочность сцепления фольги с основанием на полоску 10 мм, Н (кгс), не менее

17,6 (1,8)

Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц, не более

7*10-4

Диэлектрическая проницаемость при частоте 106 Гц

2,5±0,1

Табл. Технические характеристики ФАФ-4Д

Изготовление слоев печатной платы

На рисунке приведены методы изготовления токопроводящих дорожек.

Проанализировав все методы, было решено токопроводящие дорожки изготавливать химическим травлением раствором хлорного железа. Этот метод отличается высокой и равномерной скоростью травления, малой величиной бокового подтравливания, высокой четкостью получаемых контуров, незначительным содержанием токсичных веществ, экономичностью. Суммарная реакция, протекающая в растворе, описывается уравнением.

2FeCl3+CuCuCl2+2FeCl2                          

Основными методами, применяемыми в промышленности для создания рисунка печатного монтажа, являются офсетная печать, сеткография и фотопечать. Выбор метода определяется конструкцией ПП, требуемой точностью и плотностью монтажа, производительностью оборудования и экономичностью процесса.

Метод офсетной печати состоит в изготовлении печатной формы, на поверхности которой формируется рисунок слоя. Форма закатывается валиком трафаретной краской, а затем офсетный цилиндр переносит краску с формы на подготовленную поверхность основания ПП (рис. 9.4). Метод применим в условиях массового и крупносерийного производства с минимальной шириной проводников и зазоров между ними 0,3 ... 0,5 мм (платы 1 и 2 классов плотности монтажа) и с точностью воспроизведения изображения ±0,2 мм. Его недостатками являются высокая стоимость оборудования, необходимость использования квалифицированного обслуживающего персонала и трудность изменения рисунка платы.

Сеткографический метод основан на нанесении специальной краски на плату путем продавливания ее резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, на котором необходимый рисунок образован ячейками сетки, открытыми для продавливания (рис. 9.5). Метод обеспечивает высокую производительность и экономичен в условиях массового производства. Точность и плотность монтажа аналогичны предыдущему методу.

Самой высокой точностью (±0,05 мм) и плотностью монтажа, соответствующими 3—5 классу (ширина проводников и зазоров между ними 0,1—0,25 мм), характеризуется метод фотопечати. Он состоит в контактном копировании рисунка печатного монтажа с фотошаблона на основание, покрытое светочувствительным слоем (фоторезистом).

Проанализировав возможные методы было решено изготавливать рисунок печатного монтажа методом фотопечати.

Изготовление многослойной печатной платы

Широкое применение в электронной аппаратуре нашли следующие методы изготовления: металлизации сквозных отверстий, открытых контактных площадок, попарного прессования, послойного наращивания рисунка и многослойной печатной платы (МПП) с выступающими выводами.

В книге Технология приборостроения: Учебник / Под общей редакцией проф. И.П.Бушминского. – М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана. дается сравнительный анализ технологичности методов изготовления многослойных печатных плат. Кратко он приведён в .  

Проведя анализ исходных данных, был выбран метод металлизации сквозных отверстий. Плата изготовленная этим методом пригодна для монтажа элементов как с планарными, так и со штыревыми выводами, обладает хорошей надежностью межсоединений, хорошей ремонтопригодностью, низкой стоимостью изготовления и средней длительностью цикла производства.


Вариант МПП

Максимальное  число слоев

Надежность межсоединений

Относительная плотность монтажа

ИС и ЭРЕ с планарными выводами

ИС и ЭРЕ со штыревыми выводами

Относительная трудоемкость изготовления

Ремонтопригодность

Механизация и автоматизация

Стоимость изготовления

Длительность цикла производства

Соединение объемными деталями

4..6

Высокая

0,5

+

+

1

Высокая

Возможна

Средняя

Средняя

Открытые контактные площадки

8..12

«»

0,6

+

-

0,7

Низкая

Невозможна

Низкая

Малая

Выступающие выводы

10..15

«»

0,5

+

-

2

Высокая

Возможна

Высокая

Средняя

Попарное прессование

4

Хорошая

0,8

+

+

1

Затруднена

«»

Низкая

«»

Послойное наращивание

4

Высокая

1

+

-

5

Низкая

«»

Высокая

Большая

Металлизация сквозных отверстий

15..20

Хорошая

0,8

+

+

1

Хорошая

«»

Низкая

Средняя

Табл. Сравнительные характеристики конструкторско-технологических вариантов МПП

 

  1.  Организация технологического процесса сборки изделия

Электромонтаж в конструкции ЭВМ должен:

Обеспечивать нормальную работу в заданных механических и климатических условиях;

Соответствовать техническим условиям, принципиальным и электромонтажным схемам;

Обеспечивать высокую надежность электрических соединений;

Допускать удобную и быструю замену вышедших из строя элементов;

Допускать возможность подключения контрольно-измерительной аппаратуры к любой точке;

Быть технологичным;

ГОСТ 14.312-74 устанавливает две формы организации технологических процессов:

- групповая;

- поточная.

Групповая форма организации технологических процессов характеризуется  однородностью конструктивно-технологических признаков изделий, единством средств технологического оснащения одной или нескольких технологических операций  и специализации рабочих мест.

Поточная форма организации технологических процессов характеризуется:

-специализацией каждого рабочего места на определенной операции;

-согласованным и ритмичным выполнением всех операций технологического процесса на основе постоянства такта выпуска;

-размещением рабочих мест в последовательности, строго соответствующей технологическому процессу.

На основании проведённого качественного анализа был сделан вывод, что для среднесерийного производства плат обработки видеоинформации целесообразно применять поточную форму организации производства.

Основным конструктивным элементом, образующим модули первого уровня (ТЭЗ, модули, ячейки) является одностронняя, двусторонняя или многослойная ГШ, по одну или обе стороны которой размещаются МС, ЭРЭ, элементы коммутации и пр. Число МС и ЭРЭ, устанавливаемых на плату, может достигать десятков и сотен штук. В зависимости от вида внешних выводов МС и ЭРЭ их монтаж на поверхность ГШ делят на штыревой, пленарный и поверхностный (рис. 10.1).

Установка МС и ЭРЭ на ГШ проводится в зависимости от типа производства ручным, механизированным, полуавтоматическим или автоматическим способом. Однако вне зависимости от способа монтажа необходимо выполнение следующих операций: комплектация элементов, устанавливаемых на плату, подготовка элементов к монтажу, установка элементов на плату и их фиксация, пайка, защита и контроль готового модуля.

После пайки необходимо обеспечить контроль паянных соединений на предмет качества пайки и на присутствие посторонних включений.

Заводской номер маркировать краской 4М черного цвета ТУ29-02-859-78 шрифтом НО.010.007.

  1.  Технологический процесс сборки контроллера обнаружения объекта

Маршрутный технологический процесс

оп.

Наименование

Оборудование

1

Установка компонентов в ленту сборочного аппарата

Amistar M6ex

2

Нанесение паяльной пасты

Монтажный стол

3

Установка резисторов, конденсаторов и микросхем

Amistar M6ex

4

Пайка оплавлением

Конвекционная печь RO06 ESSEMTEC

5

Промывка

Монтажный стол

6

Установка и пайка штыревых компонентов

Монтажный стол, паяльная станция LUKEY-868

8

Контроль

АОИ Mirtec MV-3

Операционный технологический процесс

№ пер.

Наименование

Оборудование.

Приспособления и инструменты

Топ, мин

1. Установка компонентов в ленту сборочного аппарата

1

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата конденсатор TC2917 47 мкФ +/- 20% 25 В 1шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.32

2

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата конденсатор TC2917 470 мкФ +/- 20% 6.3 В 1шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.23

3

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата конденсатор С0603 0.1 мкФ +/- 20% 25 В 18шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.74

4

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата конденсатор TC2917 47 мкФ +/- 20% 25 В 3шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.29

5

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата конденсатор С0603 1.5 мкФ +/- 20% 25 В 2шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.26

6

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата конденсатор С0603 0.01 мкФ +/- 20% 25 В 2шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.26

7

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата конденсатор С0603 10 мкФ +/- 20% 25 В 5шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.35

8

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата конденсатор С0603 1 мкФ +/- 20% 25 В 20шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.8

9

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата конденсатор С0603 47 мкФ +/- 20% 25 В 20шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.8

10

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата конденсатор С0603 0.47 мкФ +/- 20% 25 В 4шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.32

11

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата конденсатор TC1411 47мкФ +/- 20% 10В 1шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.23

12

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата микросхему XC3S400-4TQ144I 1шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.23

13

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата микросхему 2HT16-27 1шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.23

14

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата микросхему AD775JR 1шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.23

15

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата микросхему ICS1890 1шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.23

16

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата микросхему kx-v97 1шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.23

17

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата микросхему LM1881M

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.23

18

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата микросхему TPS75003 1шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.23

19

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата микросхему XCF02SVO20C 1шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.23

20

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата микросхему ADG3308 5шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.35

21

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата микросхему AD780AR 1шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.23

22

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата диод 10BQ100 3шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.23

23

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата светодиод LED3216G 1шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.23

24

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата транзистор MOSFET-P 1шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.23

25

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата резистор SMD 0805 1 кОм +/- 5% 40шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

1.4

26

Распаковать и уложить в ленту сборочного аппарата переключатель DHN-02F 6шт.

Amistar M6ex

Ножницы, лента сборочного аппарата

0.38

Время на операцию

9

  1.  Нанесение паяльной пасты

1

Прикрепить трафарет к плате

Трафарет, зажим

1

2

Нанести паяльную пасту

дозатор

5.3

3

Снять трафарет

0.2

Время на операцию

6.5

3. Установка резисторов, конденсаторов и микросхем

1

Установить плату в автоукладчик

Amistar M6ex

Паллета

0.5

2

Уложить элементы

Amistar M6ex

0.5

Время на операцию

1

4. Пайка оплавлением.

1

Установить плату в печь

Конвекционная печь RO06 ESSEMTEC

Паллета

0.5

2

Пайка

Конвекционная печь RO06 ESSEMTEC

3.5

Время на операцию

4

5. Промывка

1

Промыть

Amistar M6ex

Трафарет, зажим

2

Время на операцию

2

6. Установка штыревых компонентов.

1

Распаковать и установить на плату катушку SLF7045T-221MR33-PF 2шт.

0.4

2

Пропаять катушку

паяльная станция LUKEY-868

2

3

Распаковать и установить на плату разъем HDR1X2 1шт.

0.2

4

Пропаять разъем

паяльная станция LUKEY-868

1

5

Распаковать и установить на плату разъем DB15 1шт.

0.2

6

Пропаять разъем

паяльная станция LUKEY-868

1

7

Распаковать и установить на плату разъем HDR1X6 1шт.

0.2

8

Пропаять разъем

паяльная станция LUKEY-868

1

9

Распаковать и установить на плату разъем BNC 1шт.

0.2

10

Пропаять разъем

паяльная станция LUKEY-868

1

11

Распаковать и установить на плату разъем TJ6-10P10C 1шт.

0.2

12

Пропаять разъем

паяльная станция LUKEY-868

1

Время на операцию

8.4

7. Контрольная.

1

1

Установить плату в аппарат автоматической оптической инспекции

АОИ Mirtec MV-3

0.5

2

Провести контроль

АОИ Mirtec MV-3

1

Время на операцию

1.5

Общее время сборки  платы

32.4

  1.  Контроль

Средства для контроля и отладки аппаратных средств МПУ представляют собой универсальные средства, независимые от типа процессора и предназначенные для более широкого применения в дискретной и аналоговой радиоэлектронной аппаратуре. Для отладки МПУ на схемном уровне широко используются осциллографы, мультиметры, частотомеры и измерители временных интервалов, генераторы импульсов, простейшие тестеры логического состояния и другие приборы. При выполнении отладки на логическом и функциональном уровнях используют логические анализаторы, сигнатурные анализаторы, комплексы диагностирования.

Алгоритм контроля аппаратных средств платы обработки видеоинформации изображен на плакате в графической части диплома.

На начальном этапе осуществляется контроль платы на соответствие электрическим характеристикам с помощью стандартных средств РЭА.

  1.  Осмотр внешнего вида. Необходимо проверить наличие маркировок и соответствие элементов, а также отсутствие замыкания и обрыва цепи.
  2.  Проверка питания микросхем. Подключить блок питания и проверить наличие напряжения на соответствующих выводах микросхем в соответствии с техническими условиями:

ножки 20 микросхем DD6, DD9..DD11;

Ножки 7,17,29,40,51,55,63 микросхемы DD12;

Ножки 11, 13 микросхемы DD4;

Ножка 2 микросхемы DD5;

        Напряжение на выводах должно быть не менее 4,5 В и не более 5,5 В.

Ножка 115, 126, 138, 75, 91, 106, 43, 54, 66, 3, 19, 34 микросхемы DD2;

Ножка 4 микросхемы DD8;

Ножка 1 микросхем DD6, DD9..DD11;

        Напряжение на выводах должно быть не менее 3 В и не более 3,6 В.

Ножка 48, 62, 120, 134 микросхемы DD2;

Напряжение на выводах должно быть не менее 2.3 В и не более 2.7 В.

Ножка 49, 61, 121, 133 микросхемы DD2;

Напряжение на выводах должно быть не менее 1.1 В и не более 1.3 В.

  1.  Проверка общих выводов микросхем. Убедиться в наличии на соответствующих выводах нулевого потенциала:

Ножки 11 микросхем DD6, DD9..DD11;

Ножки 8, 16, 18, 25, 41, 54, 56, 57 микросхемы DD12;

Ножки 24, 2, 21, 20 микросхемы DD4;

Ножка 4 микросхемы DD5;

Ножка 139, 136, 117, 114, 101, 94, 88, 81 микросхемы DD2;

Ножка 2 микросхемы DD8;

На втором этапе осуществляется диагностика платы с помощью специальных средств - универсального отладочного комплекса на базе ПК.

  1.  Подсоединить контроллер к испытательному стенду. Для этого подключить коаксиальный кабель видеокамеры к разъему Х2. Подключить монитор к разъему Х1. Подключить компьютер с помощью LAN провода к разъему Х3. Подключить разъем питания Х6
  2.  Включить питание от блока питания.
  3.  Записать управляющую программу и тестовые константы на ПЛИС контроллера.

Подключить разъем программатора к разъему JTAG на плате.

Запустить программу на ПК для перепрограммирования платы .

Нажать на кнопку Reset платы и начать перепрограммирование.

Вытащить разъем программатора.

  1.  Нажать  на кнопку Reset платы.
  2.  Запустить тестовую программу на ПК.
  3.  Убедиться в появлении изображения с камеры на мониторе.
  4.  Установить объект в определенное положение на планшете.
  5.  Запросить координаты объекта на ПК.
  6.  Сравнить полученные координаты с эталонными.
  7.  Завершить сеанс в ПК.
  8.  Отсоединить плату от контрольного стенда.
  9.  Плату уложить в тару. В случае обнаружения неисправностей приложить сопроводительный лист с результатами проверки.

Возможные причины отказа при основном контроле

  1.  Связь не установлена:

Неправильно подсоединён кабель связи с компьютером. Проверить правильность подключения.

Нет питания на плате при проверке питания через Ethernet. Проверить правильность подключения — необходимо использовать разъемы PSE коммутатора.

  1.  Инициализация не завершена успешно:

Проверить правильность подключения платы по сети

Стенд контроля платы обработки видеосигнала

Структура испытательного стенда представлена на рис. .

В состав стенда входят:

  1.  ПК USN BUSINESS 708 Intel Core 2 Duo E7200 2,53 / 1024Mb / 160 GB / FDD / DVD-RW / ATX 350W;
  2.  PoE коммутатор D-LINK DES-1008P
  3.  Монитор 17" NEC TFT 73VM silver-black (1280*1024, 160° / 140°, 270кд / м, 500:1, 8ms, spk) TCO"03 2 шт.;
  4.  Осциллограф С1-64;
  5.  Мультиметр М3-82;
  6.  Генератор импульсов И7-36;
  7.  Блок питания Б5-48.
  8.  Монитор 17" NEC TFT 73VM silver-black (1280*1024, 160° / 140°, 270кд / м, 500:1, 8ms, spk) TCO"03 2 шт.;
  9.  Планшет
  10.  Видеокамера
  11.  Объект



  1.  Экономическая часть

Предметом настоящего дипломного проекта является проектирование системы управления мобильного робота для контроля взлётно-посадочной полосы. Система управления, использует координаты, вычисляемые подсистемой определения координат, разработка которой также входит в данный проект. Данные системы разрабатываются в качестве НИОКР, чтобы оценить жизнеспособность и эффективность предложенных методов на практике.

Внедрение системы управления включает в себя выполнение проектно-конструкторских работ и изготовление опытного образца системы. В Задачу организационно-экономической части дипломного проекта входит расчёт стоимости изготовления платы, затрат на проектно-конструкторские работы и  на изготовление опытного образца системы.


  1.  Расчет затрат на изготовление платы

В состав подсистемой определения координат системы управления входят платы обработки видео. Эти платы разрабатываются заново. Затраты на изготовление одной платы определяются по следующим статьям:

Материальные затраты.

К этой статье относится стоимость всех необходимых ресурсов для производства одной платы. Количество и стоимость всех компонентов указанны в таблице 4.1.

    Таблица 4.1

Наименование

Номинал

Количество

Цена, р/шт

Стоимость, р

Микросхемы

XC3S400-4TQ144I

1

1 230.96

1 230.96

ADG3308

 

5

122.65

613.25

ICS1890

 

1

140

140

2HT16-27

 

1

75

75

AD775JR

1

344

344

Кварцевый резонатор

HC-49S-GND

7.3728MHz

1

30

30

Диоды

BAV99

BAV99

1

2

2

LED_3MM

L-934IT

1

5

5

Индуктивности

SDR1006

330uH

1

21

21

CM453232

10uH

1

21

21

Конденсаторы

CAP0805

10nF

5

1

5

ALUMINIUM_8

100uFx50V

4

14

56

TANTAL_B

10uFx10V

1

7

7

CAP0805

0.1uF

40

1,5

60

CAP0805

0.022uF

1

1

1

CAP0805

22pF

2

1

2

CAP0805

22nF

10

1

10

CAP0805

1mkF

1

2

2

Резисторы

RES0805

1.5k

1

0,5

0,5

RES0805

4.7k

2

0,5

1

RES0805

1k

8

0,5

4

RES0805

100k

1

0,5

0,5

RES0805

180

1

0,5

0,5

RES0805

240

1

0,5

0,5

RES1206

1.2k

3

0,6

1,8

RES0805

240

1

0,5

0,5

RES0805

10k

2

0,5

1

RES0805

1

10

0,5

5

Разъемы

MF-6R

1

14

14

MKF-8

1

20

20

PLS-2

1

3,2

3,2

PLS-4

1

2,5

2,5

Радиатор

И-235

1

20

20

Печатная плата

Maxon_controller

1

46

200

Вспомогательные материалы

Термопроводная подложка,

самоклеющаяся, 23х11мм

1

2

2

Паста паяльная

0,004125 кг

500

2

Итого

2 940.21

Затраты на материалы для производства одной платы составят 2 940.21 руб.

Для партии количеством 8 шт затраты на материалы составят:

С учетом брака компонентов и потерь при монтаже увеличим количество компонентов закупаемых для партии плат на 10%.

Затраты на покупные комплектующие изделия определяются по ценам, выставляемым поставщиками с учетом НДС.

Затраты на  дополнительные расходные материалы, смазки, растворители, бумага и пр. составляют 2% от стоимости материалов.

Итого материальные затраты составляют:

Транспортные расходы по материалам.

Общая сумма увеличивается на величину транспортно – заготовительных расходов и составляет 2% от общей стоимости материалов.

Таким образом, сумма транспортных расходов составит:

Оборудование.

К этой статье затрат относятся затраты, связанные с приобретением и амортизацией оборудования, которое необходимо для строительных и сборочных работ.

Так как все оборудование имеется на предприятии, и покупать его не придется, подсчитаем его амортизацию за время работы на строительстве данного объекта.

Срок изготовления всей партии составляет порядка 18 часов, т. е. 3 рабочих дня.

,

где  - амортизация, руб;

- цена оборудования, руб;

- срок работы, дн;

- ресурс работы, год.

Результаты расчетов приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Наименование оборудования

Кол-во

Цена, руб

Сумма, руб

Срок службы, год

Аммортизация, руб

Принтер  автоматического нанесения паяльной пасты

1

1080000

1080000

10

826,9

Автоматический расстановщик smd элементов

2

2700000

5400000

10

4382,5

Печь паяльная

1

4050000

4050000

20

1634,8

Станция паяльная, ручная

1

72000

72000

7

84,2

Принтер нанесения краски и лака

3

540000

1620000

5

2752,7

Камера сушильная

1

1620000

1620000

5

2482,7

Стеллаж

5

2400

12000

25

3,3

Тележка

2

1600

3200

15

1,2

Спецодежда

2

1200

2400

1

16,2

Итого

12426.9

Цены на оборудования взяты на выставке Экспоэлектроника 2007 у представителей компании OSTEC.

Итоговая амортизация оборудования будет равна: 12426.9 руб.

Затраты на электроэнергию

Наименование оборудования

Потребляемая мощность, кВт

Суммарное Время работы, час

Суммарное потребление, кВтч

Принтер  автоматического нанесения паяльной пасты

1,1

2,32

2,552

Автоматический расстановщик smd элементов

2,6

10,05

26,13

Печь паяльная

14

1,32

18,48

Станция паяльная, ручная

0,3

1,52

0,456

Принтер нанесения краски и лака

1,8

4,94

8,892

Камера сушильная

3

2,62

7,86

Итого, кВтч

64,37

Тариф электроэнергию поставляемую ТЭЦ-27 за 1 кВтч, руб

0,31862

Сумма, руб

20,51

Затраты на электроэнергию составляют менее 0,01% от общих капитальных затрат, поэтому их не учитываем.

Основной фонд заработной платы рабочих,

Основную заработную плату определяют на основе средних ставок по категориям работников и затраченного ими времени за счет весь период проведения работ по заданному комплексу.

Месячный оклад инженера-аппаратчика составляет L=20000руб.

Тогда среднедневной заработок будет равен:

Lср.дн.=L/F, где F =21,8дня – месячный фонд времени (рабочие дни).

Lср.дн.=20000/21,8=917,4руб.

Нормированный срок работы для изготовления одной партии плат составляет 7,21 часа или 1 рабочий день:

Заработная плата за выполнение заданного объема работ инженера--аппаратчика:

Lи1=917,4 руб.

На производстве занято 6 человек.

Lи1=917,4 руб.

Дополнительный фонд заработной платы:

Дополнительная заработная плата составляет 15-20% от основной:

.

Основной фонд заработной платы:

.

Единый социальный налог.

Для организаций, не признаваемых индивидуальными предпринимателями, применяются следующие ставки:

Пенсионный фонд – 20%, из них

  •  6% - Федеральный бюджет
    •  14% - ПФ(страховые и накопительные взносы)

Фонд социального страхования РФ – 2,9%;

Фонды обязательного медицинского страхования – 3,1%, из них

  •  Федеральный фонд обязательного медицинского страхования – 1,1%;
    •  Территориальные фонды обязательного медицинского страхования – 2%.

ИТОГО: 26%.

Таким образом, начисления на заработанную плату составляют 26% от суммы основной и дополнительной заработанных плат:

Накладные расходы.

Это статья затрат включает расходы, связанные с управлением и обслуживанием подразделений НИИ, КБ и т.д. Накладные расходы начисляются в процентах от основной заработной платы исполнителей и дополнительной заработанной платы. Эта величина для каждого предприятия имеет свое значение в зависимости от финансирования и учета денежных средств. Рассматриваемое предприятие является большим, с большим управленческим и обслуживающим персоналом.

Итого, полные затраты на изготовление партии плат составляют: 721661 руб.

  1.  Сетевой график работ

Сетевой график с перечнем работ приведен на листе в графической части.

Приведена карта проекта до оптимизации. Длина критического пути, а соответственно и время всего проекта, составляет 164 дня. Учитывая имеющиеся резервы, а также тот факт, что параллельно ведутся две похожие работы практически по одному алгоритму, имеются возможности для оптимизации сетевого графика . Так, например, после окончания работы 16-17 человек переходит на работу 10-11, что сокращает ее срок. Оптимизированный сетевой график приведен на рисунке 6.2.. Длина критического пути для оптимизированного графика составляет 136 дней.

  1.  Определение затрат на проектирование и изготовление опытного образца

Проектируемая система управления является опытным образцом. Следовательно, она является опытно конструкторской разработкой (ОКР). Планирование и учет стоимости ОКР осуществляется по следующим статьям расходов:

  1.  МАТЕРИАЛЫ (за вычетом стоимости отходов).
  2.  ПОКУПНЫЕ ИЗДЕЛИЯ. 

В этой статье учитываются все расходы на приобретение и доставку, включая изготовление макетов и опытных образцов.

  1.  СПЕЦИАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НАУЧНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ. 

К этой статье относятся все затраты на приобретение стендов, специального оборудования, приборов для проведения работ по данной теме. Если оборудование предназначено для выполнения нескольких тем, то оно определяется через амортизационные отчисления, которые зависят от нормы амортизации и продолжительности использования оборудования.

  1.  ЗАРАБОТНАЯ ПЛАТА И НАЧИСЛЕНИЯ НА СОЦИАЛЬНЫЕ НУЖДЫ.

Включает основную, дополнительную заработную платы и начисления на социальные нужды производственного персонала, занятого работой над темой. Производственный персонал, состоит из рабочих, ИТР, служащих отделов, лабораторий и тематических подразделений.

  1.  НАКЛАДНЫЕ РАСХОДЫ.

Эта статья включает расходы, в равной мере относящиеся ко всем разрабатываемым темам (заработная плата начальника лаборатории и отдела, если он руководит работой по нескольким темам, премии, выплачиваемые производственному персоналу). Величина этих расходов исчисляется в процентах к основной заработной плате и составляет
100-150% от нее.

  1.  ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ КОМАНДИРОВКИ.

На эту статью калькуляции относятся все расходы по командировкам (суточные, квартирные, стоимость проезда). При отсутствии на момент составления данных следует принять сумму в размере до 2% от основной заработной платы

  1.  КОНТРАГЕНТНЫЕ РАБОТЫ.

К этой статье относятся стоимости работ, выполняемых сторонними организациями непосредственно для калькулируемой темы (оплата производится согласно договору). В данном дипломном проекте эта статья не учитывается.

Затраты на выполнение проектно-конструкторских работ.

Рассчитаем затраты на выполнение всех проектно-конструкторских работ. Для этого необходимо установить количество чертежей формата А4, необходимое для проектирования опытного образца и разбить общее количество этих чертежей по видам проектирования и в зависимости от сложности работ. Практика показала, что количество чертежей на этапе проектирования изделий одной и той же группы не имеет резких отклонений. Для спецвычислительных цифровых устройств (именно к такой группе относится проектируемая система) типичное число чертежей формата А4 составляет 180. По количеству листов удельный вес работ по видам проектирования составляет:

РОД РАБОТ

УДЕЛЬНЫЙ ВЕС, %

ГРУППА СЛОЖНОСТИ

КОЭФФИЦИЕНТ УСЛОЖНЕНИЯ

Техническое задание

2

1

0.7

Эскизный проект

10

1

0.7

Технический проект

22

2

1.0

Рабочий проект

66

3

1.0

Общие затраты на проектирование системы управления Тп определяются по формуле:

(1)

где:

Тк - трудоемкость этапа проектирования;

р - стадия проектирования.

Трудоемкость этапа проектирования определяется по формуле:

(2)

где:

n - количество групп сложности чертежей формата А4;

Ki- коэффициент усложнения в зависимости от группы сложности;

Li- количество чертежей i-ой сложности;

t - трудоемкость проектирования одного чертежа.

Согласно нормативным данным t = 0.96 чел.дней.

При разработке устройства принимаем следующие количественные соотношения между группами сложности чертежей для всех этапов проектирования:

ТАБЛИЦА 6.3

ГРУППА СЛОЖНОСТИ

УДЕЛЬНЫЙ ВЕС.%

КОЭФФИЦИЕНТ УСЛОЖНЕНИЯ

1

5

0.7

2

15

1.0

3

40

1.3

4

40

1.6

Определим по формуле 2 трудоемкость каждого этапа проектирования:

а) Техническое задание

Ттз = 0.02*0.7*(0.05*0.7 + 0.15*1 + 0.4*1.3 + 0.4*1.6)*180*0.96 = 4 чел дня

б) Эскизный проект

Тэк = 0.1*0.7*(0.05*0.7 + 0.15*1 + 0.4*1.3 + 0.4*1.6)*180*0.96 = 17 чел дня

в) Технический проект

Ттп = 0.22* 1*(0.05*0.7 + 0.15*1 + 0.4*1.3 + 0.4*1.6)*180*0.96 = 52 чел дня

г) Рабочий проект

Трп = 0.66* 1*(0.05*0.7 + 0.15*1 + 0.4*1.3 + 0.4*1.6)*180*0.96 = 154 чел дня

По формуле 1 рассчитаем общую трудоемкость

Тп = Ттз+ Тэп+ Ттп+ Трп = 4 + 17 + 52 + 154 = 227 чел дня

Составим таблицу этапов разработки и выпуска технической документации и приведем трудоемкость каждого этапа в % от общей трудоемкости. При этом учитывается дополнительная трудоемкость Тдоп по доводке макетного образца.

ТАБЛИЦА 6.3

N

ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ТРУДОЕМКОСТЬ

ЧЕЛОВЕКОДНИ

1

Ознакомление с ТЗ и согласование

0.5

1.2

2

Сбор информации для проектирования

2

4.6

3

Выдача частых ТЗ

0.5

1.2

4

Разработка чертежей устройства

30

68.1

5

Разработка общей конструкции

18

40.9

6

Выполнение сборочных чертежей

30

68.1

7

Составление спецификаций

5

11.4

8

Технологическая инспекция чертежей

4

9.1

9

Нормоконтроль документации

2

4.6

10

Копирование подлинников

8

18.2

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ТРУДОЕМКОСТЬ

11

Инженерный расчет

10

22.7

12

Обслуживание производства при изготовлении опытного образца

15

34.1

13

Корректировка документации

2

4.6

С  учетом  дополнительной  трудоемкости  полная  трудоемкость  по проектированию опытного образца системы управления Тс составит:

Тс =Тп+ Тдоп = 227 + 22.7 + 34.1 + 4.6 =289 чел.дн.

Если сравнить сетевой график и полученную полную трудоемкость по проектированию опытного образца системы управления, то можно в их эквивалентности.

На основании таблицы, рассчитанной трудоемкости этапов, назначаем исполнителей, рассчитываем время выполнения и затраты на заработную плату персонала, занятого разработкой и проектированием блока (оклады по штатному расписанию базового предприятия)

Исполнитель

К-во

Трудо- дни

Продолжительность, дни

Оклад, руб

Дневной заработок, руб

Стоимость работ, руб

1

Начальник отдела

1

1.2

2

4000

181,8

363,6

2

Инженер1 кат.

1

4.6

5

3250

147,7

738,5

3

Инженер1 кат.

1

1.2

2

3250

147,7

295,4

4

Инженер2 кат.

5

68.1

14

2600

118,2

8274,0

5

Инженер2 кат.

4

40.9

10

2600

118,2

4728,0

6

Инженер

5

68.1

14

1900

86,4

6048,0

7

Техник 1 кат.

2

11.4

6

1900

86,4

1036,8

8

Инженер

2

9.1

5

1900

86,4

864,0

9

Контролер

1

4.6

5

1700

77,3

386,5

10

Чертежник

4

18.2

5

1800

81,8

1636,0

11

Инженер

4

22.7

6

1900

86,4

2073,6

12

Инженер

2

34.1

17

1900

86,4

2937,6

13

Инженер2 кат.

2

4.6

3

2600

118,2

709,2

ВСЕГО Фпр

30091,2

Определим дополнительную заработную плату. Согласно нормам базового предприятия она составляет 20% от основной заработной платы

Фпр = 30091,2 руб

Фдоп = Фпр*0.2 =6018,24 руб

Накладные расходы принимаем в размере 100% от основной заработной платы, тогда они составляют: 30091,2 руб

Определим затраты на производственные командировки. Они составляют 2% от основной заработной платы

Фпк = Фпр*0.02 =601,82 руб

Определим затраты на социальное страхование. Отчисления производятся по следующим статьям:

28% -пенсионный фонд;

1.5% - фонд занятости;

5.4% - фонд обязательного государственного страхования.

3.6% - фонд медицинского страхования.

1% - транспортный налог

1% - налог на образование

В сумме эти затраты составляют 40.5% от основной и дополнительной заработной платы и составляют

Фсс = ( Фпр+ Фдоп)*0.405 = 14624,32 руб.

Расходы на материалы:

Наименование

Количество

Рублей

Дискеты, шт

10

150

Ватман, А1

10

50

Бумага, листов

500

100

Ручки, шт

5

10

Карандаши, шт

5

10

Тубус, шт

1

50

ВСЕГО

370

Затраты на изготовление опытного образца системы управления.

Структура затрат на изготовление опытного образца системы управления:

материалы;

покупные изделия;

амортизация оборудования;

энергия;

основная заработная плата рабочих;

дополнительная заработная плата рабочих;

отчисления в фонд социального страхования;

цеховые накладные расходы;

общезаводские накладные расходы;

внезаводские расходы (не учитываем).

Определим затраты на заработную плату рабочих, занятых изготовлением опытного образца системы управления. Для этого составим таблицу перечня работ согласно технологическому циклу и определим затраты на заработную плату. Нормы времени и тарифные ставки с учетом объема и сложности работ взяты на базовом предприятии путем сопоставления их с аналогичными работами.

N

Наименование

Исполнитель

К-во

Разряд

Норма времени, час

Ставка, руб/час

Стоимость работ, руб

1

Сборка

Слесарь

1

4

8

12

96,0

2

Монтаж плат

Монтажник

1

4

40

12

480,0

3

Монтаж системы

Монтажник

3

3

46

11,5

529,0

4

Настройка плат

Регулировщик

2

4

18

13

234,0

5

Настройка системы

Регулировщик

1

5

26

14

364,0

6

Сдача устройства

Регулировщик

1

5

2

14

28

ВСЕГО

Фр

1731,0

Определим дополнительную заработную плату. Согласно нормам базового предприятия она составляет 20% от основной заработной платы

Фр = 1731 руб.

Фдоп = Фр* 0.2 =346,2 рубля.

Определим начисления в фонд социального страхования. Эти затраты определяются в размере 40.5% от основной и дополнительной заработной платы и составляют:

Фсс = (Фр+ Фдоп)* 0.405 = 841,27 рубля.

Цеховые накладные расходы. Для базового предприятия берутся как 176% от основной заработной платы: Кц = Фр* 1.76 = 1731* 1.76 = 3046,56 рубля.

Общезаводские расходы. Берутся в размере 97.3% от основной заработной платы Кз = Фр* 0.98 = 1731* 0.98 =1684,26 рубля.

Расчет затрат на материалы, необходимые для изготовления опытного образца сводим в таблицу. Нормы расхода материалов соответствуют технической документации на систему управления.

Наименование

Марка

Единица

Норма

Цена, руб

Стоимость, руб

Провод

МГШВ

М

1500

14

21000

Припой

ПОС-61

Кг

2

700

1400

Канифоль

Кг

1

200

200

Спирт тех.

Л

1

200

200

Лак

ФЛ-582

Кг

1

500

500

ВСЕГО

23300

Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования. При настройке системы управления используются стандартные электрорадиоизмерительные приборы, которые могут использоваться при настройке широкого класса радиоизделий, а также - ПЭВМ. Поэтому затраты по этой статье рассчитываем через амортизационные отчисления в зависимости от времени использования приборов и компьютера. Время использования определяем по нормам регулировочных работ и таблиц, а норму амортизационных отчислений - согласно нормам амортизационных отчислений по основным фондам. В справочнике приводиться годовая норма амортизации. При этом сумма амортизационных отчислений за эксплуатацию приборов в течении нескольких дней может быть определена по формуле:

Sам = (Ц* Н%* n)/ (100%* 265)

,где:

Sам - сумма амортизационных отчислений;

Ц - цена прибора;

n - число дней использования прибора;

Н%- годовая норма амортизации;

265 - среднее число рабочих дней в году.

Исходные данные и расчетные амортизационные отчисления сведены в
таблицу.

Наименование

Тип

К-во

Цена, руб

Норма, %

Время использования,

Сумма, руб

1

Осциллограф

С 1-65

1

855

16.7

7

3.8

2

Генератор

Г5-54

1

476

15.5

7

3.6

3

Источник питания

Б5-7

1

200

20

7

3.2

4

Компьютер

IBM

1

5000

18.3

7

40

ВСЕГО

50.6

Себестоимость опытного образца системы управления.

Для определения производственной себестоимости изготовления опытного образца системы управления составим таблицу затрат по различным статьям расходов. Из стоимости покупных изделий вычтем стоимость компьютера, т.к. один компьютер управляет большим количеством универсальных контроллеров, стоимость которого в основном и рассчитывалась. Стоимость и количество компьютеров необходимо учитывать отдельно, после анализа необходимой конфигурации системы, т.к. их стоимость не влияет на стоимость основного компонента системы.

1

Материалы и покупные изделия

1'927220

2

Основная зарплата

362’955

5

Дополнительная зарплата

66’591

6

Отчисления на социальные нужды

125864

7

Накладные расходы

248069

Всего

2680699


  1.  ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ.
    1.  Анализ опасных и вредных факторов на рабочем месте разработчика системы управления.

Предметом настоящего дипломного проекта является проектирование СУ мобильного робота, осуществляющего контроль заминированной области. При проектировании разработчик работает за компьютером, поэтому на его рабочем месте действуют следующие вредные и опасные факторы связанные с:

неправильной организацией рабочего места;

шумами на рабочем месте;

вибрацией;

микроклиматом в помещении;

визуальными параметрами устройств отображения информации (мониторов);

освещением рабочего места;

утомляемостью;

воздействием электрического тока;

электромагнитными излучениями;

электростатическими полями.

Далее приводятся допустимые нормы и методы защиты от опасных и вредных воздействий.

Требования к организации рабочего места.

Площадь помещения на одного человека должна составлять не менее 6 м, кубатура не менее 20 м с учетом максимального числа одновременно работающих в смену. На основе [21] можно сформулировать требования к организации рабочего места при работе сидя:

высота установки системы отображения информации (монитор дисплея)
850-1650 мм;

высота установки органов управления (клавиатура, мышь) 600-1000 мм., как правило, располагается на столе;

глубина пульта (расстояние до монитора) 320-500мм.;

угол наклона спинки кресла 95-100;

угол наклона сидения 0-5;

высота опорного сидения кресла от пола 450 мм.;

вертикальный радиус спинки кресла 620 мм.;

горизонтальный радиус спинки кресла 460 мм.;

ширина подлокотника кресла 50-80 мм.;

высота поверхности стола от пола 700 мм.;

угол наклона терминала 30.

Остальные размеры могут изменяться свободно в зависимости от антропометрических данных.

Шум на рабочем месте.

где  Р - среднеквадратичное значение звукового давления, Па;

исходное значение звукового давления в воздухе.

Постоянный шум на рабочих местах характеризуется уровнем звуковых давлений в децибелах в октавных полосах со среднегеометрическими частотами: 31.5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц, определяемым по формуле.

Характеристикой непостоянного шума на рабочих местах является интегральный параметр - эквивалентный (по энергии) уровень звука.

Уровень звука и эквивалентный уровень звука, дБ

Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах

со среднегеометрическими частотами, Гц

31.5

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

50

86

71

61

54

49

45

42

40

38

Для обеспечения этих требований необходимо проводить акустическую обработку помещения (выполнить облицовку стен и потолка звукопоглощающим материалом). Обесепечить звукоизоляцию стен и окон.

Вибрация на рабочем месте.

Уровень вибрации в помещении оператора не должен превышать предельно допустимых значений, указанных в таблице 7.2 [6].

V, Гц

2

4

8

16

32

63

Lv, дБ

91

82

76

75

75

75

Это обеспечивается при помощи применения антивибрационных прокладок под кондиционерами и вычислительными блоками.

Микроклимат в помещении

Микроклимат в помещении должен соответствовать [6]:

а) в холодное время года

температура воздуха 22-24 С;

относительная влажность 40-60 ;

подвижность воздуха 0.1 м/с;

б) в теплое время года

температура воздуха 22-24 С;

относительная влажность 40-60 ;

подвижность воздуха 0.1 м/с;

Воздух, поступающий в помещение оператора, должен быть очищен от загрязнений, пыли и микроорганизмов. Концентрация пыли в воздухе не должна превышать 5 мг/м.

Количество приточного воздуха на одного человека при объёме помещения, приходящегося на него, - 6 м должно быть не менее 6 м/ч.

Автоматическое поддержание параметров микроклимата в необходимых пределах в течение всех сезонов года, очистка воздуха от пыли и вредных веществ, создание небольшого избыточного давления с целью исключения поступления неочищенного воздуха в помещение вычислительного центра должно обеспечиваться системой кондиционирования воздуха.

Требования к визуальным параметрам мониторов.

Требования к визуальным параметрам устройств отображения информации приводятся в нормах [6]:

внешняя освещенность экрана 100 лк;

яркость знака или фона (измеряется в темноте) от 35 до 120 —кД/ м;

контраст между фоном и символами от 3:1 до 1.5:1;

временная нестабильность изображения (мерцания) не должна быть зафиксирована более 90% наблюдателей;

угловой размер знака от 16' до 60', что составляет от 0.46 до 1.75 см., если пользователь смотрит на экран с расстояния 50 см. (минимальное рекомендуемое расстояние);

отношение ширины знака к высоте от 0.5 до 1.0;

отражательная способность экрана (блики) не более 1%.

Обеспечить выполнение этих требований можно соответствующим образом, выбирая компьютерную технику, для оператора, а также использую различные защитные экраны.

Утомляемость.

Время непрерывной работы с экраном в большинстве случаев не должно превышать 1.5-2 часа, длительность перерыва для отдыха должна составлять 5-15 мин [19, 21].

Воздействие электрического тока.

Необходимо предусмотреть защиту оператора от воздействия электрического тока:

обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением для случайного прикосновения. Происходит за счет применения, сплошных корпусов, скрывающих токопроводящие части;

устранение опасности поражения при появлении напряжения на корпусах. Достигается защитным заземлением корпуса компьютера, защитным отключением;

организация безопасной эксплуатации электроустановок.

При работе оператора на ПЭВМ на корпусе последнего происходит накопление статического заряда. При достижении им критического значения возможен пробой на тело оператора, что может привести к травмоопасной ситуации (при разряде человек непроизвольно дергается). В целях предупреждения таких ситуаций и устранения заряда с корпуса ПЭВМ используются следующие методы:

применение заземления на корпус;

в помещение вычислительного центра настилаются токонепроводящие полы.

Электромагнитные излучения.

При работе с ПЭВМ оператор подвергается воздействию электромагнитного поля. При длительном воздействии электромагнитных полей на человека возникает тепловой эффект: организм не в состоянии отвести тепло, полученное в результате воздействия электромагнитных полей. Наиболее уязвимы органы, содержащие много воды: глаза, почки и т.д. Электромагнитные поля так же действуют на клеточном уровне.

Согласно ГОСТ 12.1.006-84 уровни напряженности электромагнитных полей на рабочих местах персонала, работающих в помещениях с источниками электромагнитных полей в течении дня не должны превышать:

по электрической составляющей (В/м):

Е, В/м

50

20

10

5

, МГц

0,06-3

3-30

30-50

50-300

по магнитной составляющей (А/м):

Н, А/м

5

0.3

f, МГц

0.06-1.5

30-50

Для снижения напряженности электромагнитных полей используют защитные экраны.

Кроме электромагнитных полей при эксплуатации ПЭВМ имеют место рентгеновское, видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, интенсивность которых обычно значительно ниже существующих допустимых нормативных значений. Однако, учитывая недостаточную изученность воздействия этих излучений на оператора, рекомендуется ограничивать время работы с ПЭВМ, не размещать ПЭВМ концентрированно в рабочей зоне, применять защитные экраны, которые необходимо не менее одного раза в течении одной рабочей смены протирать от пыли.

Электростатические поля.

При работе с ПЭВМ оператор может находиться под воздействием электростатического поля. Степень его воздействия на оператора зависит от напряженности и времени воздействия.

Предельно допустимая напряженность электростатического поля на рабочем месте определяется нормами по [9]:

при воздействии до 1 часа -60кВ/м;

при воздействии свыше 1 часа до 9 часов - , где t - время от 1 до 9 часов. 

В случае превышения напряженности электростатического поля нормируемого значения, должны применяться средства защиты, такие как: защитные экраны, нейтрализаторы, антистатические препараты и увлажнители.

Освещение на рабочем месте.

Нормированные значения освещенности в люксах и КЕО в % в производственных помещениях представлены в таблице. Для общего освещения в системе комбинированного следует предусматривать, как правило, газоразрядные лампы независимо от типа источника света местного освещения.

При работе с мониторами общая освещенность не должна быть меньше 10% освещенности монитора.

Степень зрительной работы

Наименьший размер объекта различения, мм

Зрительная работа

Контраст объекта различения с фоном

Характеристика фона

Освещение

Разряд

Подразряд

искусственное

естественное

Совмещенное

Комбинированное

Общее

Верхнее

Боковое

Верхнее

Боковое

Освещенность, лк

КЕО, %

КЕО, %

Наивысшая

Менее 0.15

1

а

малый

темный

5000

1550

б

Малый средний

средний темный

4000

1250

в

малый средний большой

светлый средний темный

2500

750

10

3.5

6

2

г

средний большой

светлый средний

1500

400

  1.  
    Расчет звукоизоляциой перегородки.

При проектировании ограждений нормативной величиной служит допустимый по нормам спектр звукового давления. Соответственно звукоизолирующая способность ограждений во всем диапазоне частот должна быть достаточной для его обеспечения.

Требуемую звукоизолирующую способность ограждения или его элемента определяют расчетом. Расчет ведется на основе [19].

Требуемую звукоизолирующую способность от воздушного шума рассчитывают в октавных полосах со средними частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. Ее рассчитывают по формулам, в случае проникания шума из помещения с источниками шума в смежное изолируемое помещение [дБ]:

, где:

-суммарный октавный уровень звуковой мощности всех источников шума в помещении; определяется по таблицам; Lpk - октавный уровень звуковой мощности, излучаемой рассматриваемым источником шума, дБ;

m - общее количество источников шума в шумном помещении;

Вш, Ви - соответственно постоянные шумного и изолируемого помещений в данной октавной полосе частот, м; их определяют по [19];

Si - площадь рассматриваемого ограждения или его элемента, через которое шум проникает в изолируемое помещение, м;

Lдоп - допустимый по нормам октавный уровень звукового давления в расчетной точке изолируемого помещения, дБ; определяется по формуле [6]:

 , где Lн - нормативный уровень звукового давления, определяемый по табл. [19], дБ; 

- сумма поправок, определяемая согласно табл. [19], в дБ, а также примечаниям к табл.;

n - общее количество принимаемых в расчет предельных элементов ограждений;

Lcp - средний октавный уровень звукового давления в шумном помещении, дБ; определяется измерением на действующих объектах с аналогичным оборудованием.

Расчет ведем по первой формуле. Lрсум см. табл 4; V=3*4*2.5=30м, отсюда:

Вш=Ви=4м; Si=10м; n=1;

нормативный уровень звукового давления Lн см. выше (Табл 7.1.);

Отсюда Lдоп

Суммарный октавный уровень шума, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц

31.5

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

63

64

62

64

65

67

63

61

62

 

Уровень звука и эквивалентный уровень звука, дБА

Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах

со среднегеометрическими частотами, Гц

31.5

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

50

86

71

61

54

49

45

42

40

38

Отсюда звукоизолирующую способность RТРi

Звукоизолирующая способность, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц

31.5

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

-19

3

5

14

20

26

25

25

28

  1.  Анализ источников загрязнения окружающей среды при изготовлении платы контроллера обнаружения объекта.

В технологиях производства платы контроллера обнаружения объекта процессы, отрицательно воздействующие на окружающую среду, такие как:

термическая обработка материалов;

гальваническая обработка материалов;

механическая обработка материалов;

резка;

пайка;

окраска.

При механической обработки материалов для промывки деталей, санитарно-гигиенической обработки помещений широко используется вода. Сточные воды в этих случаях могут быть загрязнены минеральными маслами, мылами, металлической и абразивной пылью, эмульгаторами, кроме того, при механической обработке материалов в атмосферу в виде вентиляционных выбросов могут выбрасываться пыль, стружка, а при обработке стеклотекстолита вредные пары связующих смол и пыль.

При решении проблем экологии производства в настоящее время широко используются методы пассивные методы защиты, суть которых сводится к ограничению количества загрязняющих окружающую среду выбросов, т. е. улавливанию пыле- и газовыделений, выбрасываемых в атмосферу, очистке сточных вод от примесей и т. д..

  1.  Расчет реакции нейтрализации сточных вод при производстве платы контроллера обнаружения объекта.

Одной из стадий техпроцесса изготовления печатной платы для проектируемой системы является их промывка проточной водой. В результате происходит загрязнение сточной воды побочными продуктами техпроцесса и возникает необходимость нейтрализации сточных вод. Определим расход товарной извести, содержащей 50 % активной окиси кальция для нейтрализации сточной воды травильного отделения. В сточной воде содержатся примеси соляной кислоты и хлорного железа:

q(HCl) = 4 кг/м ;

q(FeCl3) = 10 кг/м ;

Реакция нейтрализации происходит по уравнению:

2HCl + Ca(OH)2 CaCl2 + 2 H2O;

2FeCl3 + 3Ca(OH)2 Fe(OH)3  + 3 CaCl2;

Количество вещества:

HCl:

молярная масса M(HCl) = 36.5 г/моль;

= 4000/36.5 = 109.6 моль.

FeCl3:

молярная масса M(FeCl3) = 162 .5 г/моль;

= 10000/162.5 = 61.54 моль.

Из уравнения: для нейтрализации 1 моль HCl требуется 0.5 моль Ca(OH)2, а для нейтрализации 1 моль FeCl3 – 1.5 моль Ca(OH)2.

Таким образом для нейтрализации HCl необходимо 54.8 моль Ca(OH)2, а для нейтрализации FeCl3 – 92.3 моль Ca(OH)2.

m(Ca(OH)2) = *M = 147.1*74 = 10885.4 г/м = 10.9 кг/м

Расход товарной извести:

M = m(Ca(OH)2) *2 = 10.9*2 = 21.8 кг/м

Расчет количества веществ, выделяющихся при изготовлении печатных плат.

Количество паров испаряющихся веществ определяется по формуле: