98122

Разработка мехатронной системы ориентирования с использованием SLAM технологии

Дипломная

Информатика, кибернетика и программирование

Обобщенный алгоритм работы системы определения положения робота Сложность технического процесса определения текущего местоположения и построения карты обусловлена низкой точностью приборов участвующих в процессе вычисления текущего местоположения. Для реализации SLAM-метода основанного на анализе прямых окружающих робота необходимо следовать алгоритму....

Русский

2015-10-29

2.47 MB

1 чел.

АННОТАЦИЯ

Квалификационная работа «Разработка мехатронной системы ориентирования с использованием SLAM технологии» посвящена актуальной теме – разработка отечественного аналога мехатронной системы ориентирования в рамках импортозамещения.

Расчётно-пояснительная записка содержит 5 разделов, состоит из 134 страниц, содержит 32 – таблиц, 57 - рисунков. Объём графической части работы составляет 4 листа формата А1.

В проектно - конструкторской части была разработана структурная схема и 3D модель мехатронной системы ориентирования. Спроектированы электронная и механическая части.

В производственно - технологической части после проектирования механической и электронной частей, были изготовлены компоненты системы, произведена сборка и устранение неисправностей. Разработано программное обеспечение, реализующее алгоритмы работы системы.

В организационно - управленческой части приведен расчет стоимости разработки мехатронной системы ориентирования и затрат на эксплуатацию системы.

В исследовательской части произведено исследование сущеструющих решений SLAM, проведено исследование точности разработанной мехатронной системы, проведен опыт по определению  перемещения мехатронной системы ориентирования.

В разделе охрана труда и экология приведена оценка условий безопасности труда и произведен расчет воздухообмена рабочего пространства.

Практическая ценность квалификационной работы состоит в разработке отечественного аналога мехатронной системы ориентирования в рамках импортозамещения.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 10

1. Исследовательская часть 12

1.1. Обзор существующих решений 12

1.2. Методы измерения расстояния с использованием лазеров 15

1.3. Описание решения 17

2. Проектно-конструкторская часть 21

2.1. Технические характеристики разработанного лазерного сканирующего дальномера 21

2.2. Структурная схема сканирующего лазерного дальномера 23

2.3. Разработка электронных схем 25

2.3.1. Разработка фотоприёмного устройства 25

2.3.2. Разработка лазерного излучателя 32

2.3.3. Разработка генератора стартового импульса 36

2.3.4. Разработка вычислительного блока 37

2.3.5. Разработка блока питания 42

2.4. Разработка механики сканирующего лазерного дальномера 46

2.4.1. Технические характеристики двигателя 46

2.4.2. Электронная схема управления 48

2.4.3. Концевой датчик 49

2.4.4. Управление механикой сканера 50

3. Производственно-технологическая часть 54

3.1. Монтаж электронных элементов на платы 54

3.2. Изготовление корпусных деталей на 3D принтере 55

3.3. Алгоритм измерения расстояния 66

3.4. Алгоритм сканирования и построения изображения 68

3.5. Проведение экспериментов 72

3.5.1. Исследование точности на разных дистанциях 72

3.5.2. Определение перемещения на основе анализа изображения полученного при сканировании 76

4. Организационно-управленческая часть 84

4.1. Стоимость 84

4.2. Затраты на электроэнергию 93

5. Охрана труда и защита окружающей среды 94

5.1. Характеристика параметров по обеспечению безопасности труда 94

5.1.1. Характеристика нормативных параметров микроклимата рабочего помещения 94

5.1.2. Характеристика параметров электробезопасности 98

5.1.3. Характеристика параметров электромагнитной безопасности 99

5.1.4. Обеспечение пожаровзрывобезопасности 100

5.1.5. Характеристика параметров акустической безопасности 102

5.1.6. Характеристика параметров освещённости рабочего места сборочного участка 103

5.1.7. Обеспечение защиты монтажника от загрязнений во премя пайки 104

5.2. Защита окружающей среды 108

5.2.1. Определение количества выделяющихся веществ 110

5.2.2. Класс опасности вредных веществ 112

Заключение 115

Список использованных источников 116

ПРИЛОЖЕНИЕ А 119

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 126


СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВКР – выпускная квалификационная работа;

ОКР – опытно-конструкторская работа;

НИР – научно-исследовательская работа;

SLAM – simultaneous localization and mapping;

ICP – Iterative closest point;

EKF – extended Kalman filter;

КРЛЗ – Калужский радиоламповый завод;

ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема;

ФПУ – фотоприёмное устройство;

ОУ – операционный усилитель;

ВЦП– время-цифровой преобразователь;

SPI serial peripheral interface;

UART – Universal asynchronous receiver/transmitter;

МГТФ – многожильный гибкий термостойкий с фторопластовой изоляцией;

SMD – surface mounted device.


Введение

Данная выпускная квалификационная работа выполнялась в рамках сотрудничества кафедры «Мехатроника и робототехника» и предприятия ОАО «Восход» КРЛЗ. Техническое задание для ВКР было сформировано предприятием заказчиком.

Актуальность работы заключается в разработке отечественного аналога мехотронной системы ориентирования, в рамках импортозамещения.

Важной задачей в современной робототехнике является разработка способов определения положения робота в окружающем пространстве. Не зная положения робота в пространстве, не зная как выглядит окружающее пространство невозможно решить даже простейшую задачу движения из точки А в точку Б. Наиболее часто используемые способы определения положения – интегрирование перемещений робота (с помощью одометрии) или применение маяков, установленных в определенных местах. Использование маяков не универсально и требует предварительного оборудования рабочих помещений, при этом маяки постоянно должны быть в зоне видимости роботом. Интегрирование показаний одометров не обеспечивает точности позиционирования из-за накопления ошибки по всем отслеживаемым координатам.

При этом необходимо не только определение собственного положения, но и запоминание и сохранение изображения окружающего пространства для областей, информации о которых нет в памяти робота. Так же необходимо предотвращение столкновений робота с окружающими предметами, для этого эффективно использовать дальномеры.

Целью выпускной квалификационной работы было разработать мехатронную систему ориентирования с использованием SLAM технологии.

В ходе работы передо мною были поставлены следующие задачи: исследовать существующие решения SLAM; разработать электронную часть мехатронной системы ориентирования; разработать механическую часть мехатронной системы ориентирования; разработать алгоритмы работы мехатронной системы ориентирования; разработать программное обеспечение, реализующее алгоритмы работы мехатронной системы ориентирования; провести исследование точности разработанной мехатронной системы ориентирования; провести эксперимент по определению перемещения на основе анализа изображений, полученных при сканированиях.


  1.  Исследовательская часть
  2.  Обзор существующих решений

Наиболее передовые алгоритмы используют изображение с веб-камер и дальномеров для определения положения робота. Эти методы являются более точными и универсальными. Разработками подобных алгоритмов занимаются ведущие мировые университеты. В иностранной литературе [1] алгоритмы определения положения робота на карте одновременно с построением карты называют аббревиатурой SLAM (Simultaneous Location and Mapping). Большинство реализованных алгоритмов основаны на применении фильтров частиц. Для определения положения они используют "особые точки" в имеющихся данных, которых обычно не так уж много, особенно в привычных прямоугольных помещениях, где ими являются только углы. Поэтому при длительной работе возникают ошибки – полученный образ пространства искажается, хотя возможность навигации по карте сохраняется [2]. Значит, необходим алгоритм вычисления положения робота, адекватно работающий при малом числе особых точек и не искажающий пространство при длительной работе. . Обобщенный алгоритм работы системы определения положения робота приведен на рисунке (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Обобщенный алгоритм работы системы определения положения робота

Сложность технического процесса определения текущего местоположения и построения карты обусловлена низкой точностью приборов, участвующих в процессе вычисления текущего местоположения. Метод одновременной навигации и построения карты (SLAM) — это концепция, которая связывает два независимых процесса в непрерывный цикл последовательных вычислений. При этом результаты одного процесса участвуют в вычислениях другого процесса [3].

Однако даже при наличии качественного лазерного дальномера задача составления карты нетривиальна: для этого необходимо с высокой точностью определить текущее положение робота, а для того, чтобы определить положение по показаниям дальномера, нужно составить карту. Прямолинейные подходы к решению задачи, в которых сначала производится локализация по существующей частично составленной карте, а затем на основе наиболее вероятного текущего положения достраивается недостающая ее часть, имеют тенденцию к составлению карт с ошибками. Более того, эти ошибки накапливаются с течением времени. Движение робота по замкнутому кругу при таком подходе может привести к серьезным проблемам с выравниванием в месте  замыкания цикла.

Одним из первых алгоритмов, способных решать данную задачу в один проход и без дополнительных эвристик для разрешения циклов, был FastSLAM. Этот алгоритм основывался на идее Мерфи. Он использовал фильтр частиц Рао-Блэквелла для построения гипотез о текущем положении робота и фильтр Калмана для отслеживания положений наперед заданных меток [4]. Данный метод решал проблему составления карты ценою введения меток. Проблема же их распознавания была достаточно сложна,  хотя существовали наработки и по этой тематике.


  1.  Методы измерения расстояния с использованием лазеров

В ходе ВКР велась разработка лазерного дальномера.  Лазеры могут быть использованы при различных бесконтактных способах измерения расстояний или смещений. С помощью лазеров осуществляются наиболее точные измерения длин и расстояний. Лазерные системы имеют очень большую скорость получения данных (с пропускной способностью до нескольких мегагерц), используются для больших диапазонов измерений, хотя эти качества, как правило, не объединены одним способом измерения. В зависимости от конкретных требований используются разные технические подходы [5]. Они находят широкий спектр применения, например, в области архитектуры, контроля на производстве, анализа мест происшестий, в военных целях и т.д.

Методы измерения расстояний:

  1. Триангуляция – геометрический метод, используемый для измерения расстояния в диапазоне от 1 мм до многих километров.
  2. Времяпролётный метод (или импульсный метод) – основан на измерении времени прохода лазерного импульса от измерительного прибора до некоторой цели и обратно.
  3. Метод фазового сдвига использует модулированный по интенсивности лазерный луч. По сравнению с интерферометрическим методом, его точность ниже, но он позволяет однозначные измерения на больших расстояниях и больше подходит для целей с рассеянным отражением. Отметим, что методику фазового сдвига иногда, называют методом времени пролёта, так как сдвиг фазы пропорционален времени пролета, но этот термин является более подходящим для метода, описанного выше, где измеряется время пролета светового импульса.
  4. Методы частотной модуляции используют частотно-модулированные лазерные лучи, например, с повторяющимся линейным законом изменения частоты. Измеряемые расстояния могут быть переведены в смещение частоты, которые могут быть измерены с помощью биения исходящего и принятого пучка [6].
  5. Интерферометрия позволяет измерять расстояния с точностью, превышающей длину волны используемого света. 


  1.  Описание решения

Для устранения искажений возникающих в результате работы алгоритма необходимо учитывать не только особые точки – разнообразные углы объектов, но и сами прямые объекты – стены и другие длинные прямые предметы. Для этого необходимо сначала выделить эти объекты во входных данных. Для поиска прямых линий обычно используется преобразование Хафа [7], входными данными для него являются двумерные изображения. Двумерное изображение можно построить, основываясь на информации от сканирующего лазерного дальномера

Алгоритм должен отслеживать окружающие робота прямые в течение времени работы робота и на основании параметров p и θ прямых определять положение робота. Параллельно с этим должна обновляться карта видимого окружающего пространства.

Для реализации SLAM-метода, основанного на анализе прямых, окружающих робота необходимо следовать алгоритму, представленному на рисунке (Рисунок 2). Этот алгоритм раскрывает этап вычисления перемещения из алгоритма на рисунке 1. и выполняется на каждой итерации рабочего цикла робота. Последним этапом алгоритма является обновление карты окружающего пространства.

Рисунок 2 – Алгоритм вычисления перемещения робота

Отслеживание наблюдаемых прямых основано на условии, что измерения расстояний должны производиться достаточно часто в процессе движения. При этом, чем чаще производится измерение, тем меньше смещение локального максимума, соответствующего конкретной прямой в накопительных пространствах преобразования Хафа текущего и предыдущего измерений.

Так, после вычисления преобразования Хафа в накопительном пространстве производится поиск локальных максимумов со значением более Hmin. Это обеспечивает использование в расчете только прямых, на которых лежит минимум Hmin точек. После необходимо отфильтровать локальные максимумы. Фильтрация осуществляется для исключения ложных локальных максимумов, образующихся вокруг истинных прямых из-за дискретности расчета и погрешностей измерений. При фильтрации сохраняются те прямые, на которые попало больше точек измерений.

Для установления соответствия прямых, обнаруженных в новых данных и известных ранее вычисляется рейтинг каждого из возможных вариантов связывания прямых из разных измерений и выбирается вариант с максимальным рейтингом [8].

Выходными данными преобразования Хафа является двумерный массив H(p, θ), называемый накопительным пространством. Координаты локального максимума в этом пространстве определяют найденные прямые линии в виде:

                                  (1)

где p и θ – определенны, с помощью преобразования Хафа параметры прямой.

При заполнении накопительного пространства для каждой не нулевой точки Ax,y входного изображения вычисляются все возможные проходящие через нее прямые. Через каждую точку Ax,y может проходить бесконечное число прямых, удовлетворяющих уравнению

                          (2)

Изменяя θi от -90 до 90 градусов с шагом Δθ и округляя значения px,y(θi) до ближайшего p'i=n*Δp, где n – целое, а Δp – шаг расчета по расстоянию, получаем массив (pi',θi), содержащий набор параметров прямых, проходящих через точку Ax,y.

Далее значение каждой точки H(pii) инкрементируется. Таким образом осуществляется голосование точками входного изображения A за проходящие через них прямые.

Найдя локальные максимумы в H(p,θ), определим все найденные прямые. Каждому локальному максимуму под номером j с координатами (pj,θj) соответствует прямая на изображении, где p=pj, θ=θj

Перемещение между i и j измерениями вычисляются по формулам:

                                 (3)

                               (4)

                               (5)

где pi,1, θi,1 и pi,2,  θi,2  - параметры 1 и 2-ой прямых в измерениях под номером i, а pj,1, θj,1 и pj,2,  θj,2 – параметры 1 и 2-ой прямых в измерениях под номером j. Δx, Δy, Δφ – изменение положения робота (координат и направления) между двумя моментами i и j. Эти уравнения выведены из соотношений изменения параметров двух пересекающихся прямых при перемещении начала координат.


  1.  Проектно-конструкторская часть
  2.  Технические характеристики разработанного лазерного сканирующего дальномера

Для реализации SLAM необходима аппаратная база. В совместной работе кафедры «Мехатроника и Робототехника» с предприятием ОАО «Восход КРЛЗ» был разработан сканирующий лазерный дальномер. Трехмерная модель сканера приведена на рисунке (Рисунок 3).

Технические характеристики:

  1. Тип лазера: Импульсный;
  2. Мощность лазерного излучения: 75 Вт в импульсе;
  3. Угол сканирования: 900;
  4. Высота плоскости сканирования относительно основания: 140 мм;
  5. Количество точек в одном скане: 5000 точек;
  6. Максимальное измеряемое расстояние: 31 м;
  7. Погрешность измерений: до ±2% от измеряемого расстояния;
  8. Напряжение питания: 12 В;
  9. Ток потребления: 0.9 А;

Рисунок 3 – Трехмерная модель сканера


  1.  Структурная схема сканирующего лазерного дальномера

Техническое задание было сформировано предприятием ОАО «Восход КРЛЗ».

Основные положения ТЗ:

  1.  Дальномер должен работать на основе импульсного метода дальнометрирования;
  2.  Отказ от использования дорогостоящих ПЛИС схем;
  3.  В качестве лазерного диода использовать SPL_PL90_3 фирмы изготовителя OSRAM;
  4.  По возможности использовать компонентную базу производимую предприятием заказчиком

Во ходе работы была разработана структурная схема сканирующего лазерного дальномера (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Структурная схема дальномера

Во избежание передачи электромагнитных помех от схемы запуска лазера в фотоприёмное устройство, и повышения точности измерений, было решено разделить питание лазерного излучателя от питания остальной схемы [9].

Разработка сканирующего лазерного дальномера разделилась на этапы:

  1.  Разработка электронных схем
  2.  Разработка фотоприёмного устройства;
  3.  Разработка лазерного излучателя;
  4.  Разработка генератора стартового импульса;
  5.  Разработка вычислительного блока;
  6.  Разработка блока питания;
  7.  Разработка механики лазерного сканирующего дальномера


  1.  Разработка электронных схем
    1.  Разработка фотоприёмного устройства

Для того чтобы принять отраженный от объекта сигнал необходимо фотоприёмное устройство (ФПУ). Оно включает в себя линзу, оптический фильтр, корпус, фотодиод, схему усиления сигнала (Рисунок 5), и компаратор. Максимальная дальность сканирования в первую очередь зависит от ФПУ и уже потом от мощности лазера [10].

Рисунок 5 – Первый каскад усилителя

В схеме используется фотодиод КОФ137В производства КРЛЗ «Восход», он имеет следующие характеристики:

  1.  Чувствительность: 0,75 А/Вт;
  2.  Темновой ток: 10 нА;

Чувствительность отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

В физике и электронике темновым током называют малый электрический ток, который протекает по фотодиоду, в отсутствии падающих фотонов. Физической причиной существования темнового тока являются случайные генерации электронов и дырок в p-n слоеустройства, которые затем начинают упорядоченно двигаться за счет сильного электрического поля. Темновой ток — один из главных источников шума [11].

Усилитель представляет собой 3 каскада выполненных на ОУ ADA4817-1, технические характеристики которого приведены в [12]. Первый каскад является преобразователем ток-напряжение с коэффициентом усиления 2400. Второй и третий каскады – это одинаковые усилители с коэффициентом усиления 10 (Рисунок 6).

Рисунок 6 – Второй и третий каскады усиления

Одним из важнейших расчетов фотоприёмного устройства является энергетический расчет.

У любого фотоприёмника, помимо темнового тока фотодиода, есть шумовой ток, зависящий от полосы пропускания, который рассчитывается по формуле:

                                         (6)

Исходя из формулы (6)  шумовой ток прямо пропорционален корню квадратному из полосы пропускания фотоприёмника.

Для нахождения шумового тока рассчитаем полосу пропускания фотоприёмника. Резистор и конденсатор в обратной связи представляют собой фильтр верхних частот, а в паре с обвязочным конденсатором этот резистор образует фильтр верхних частот. Для расчета частоты среза RC-фильтров применяют формулу:

                                                 (7)

Используя формулу (7) найдем верхнюю и нижнюю границу полосы пропускания фотоприёмника:

        (8)

                (8)

Зная значения верхней и нижней границы можно рассчитать полосу пропускания:

      (10)

Подставляя значение, полученное в (10), в формулу (6) рассчитаем величину шумового тока:

         (11)

Для того чтобы определить полезный сигнал на фоне шумов, он должен быть в 5–10 раз больше чем сумма темнового тока фотодиода и шумового тока приёмника [13]. Зададимся значением полезного сигнала, величиной 3 мкА. Исходя из чувствительности фотодиода, определим мощность оптического излучения, которое должно попадать на него для генерации тока равного 3 мкА:

                           (12)

Фотоприёмное устройство, помимо фотодиода и схемы усиления, содержит в своём составе оптическую систему, включающую в себя линзу диаметром 30 мм и фокусным расстоянием 51 мм, и оптический фильтр, пропускающий только излучение с длинной волны 905 нм. Оптический фильтр необходим для уменьшения влияния засветки на фотодиод. Он расположен между линзой и фотодиодом, при его установке необходимо учитывать что фокусное расстояние увеличится на величину равную толщине фильтра. Это происходит потому, что свет распространяется в фильтре параллельными лучами.

Для того чтобы определить максимально возможное расстояние, на котором полезный сигнал будет различим на фоне шумов, проведем энергетический расчет. Лазерный луч, попадая на объект, отражается от него в виде полусферы, и в результате не все излучение попадает на фотоприёмник (Рисунок 7).

Рисунок 7 – Отражение лазерного луча от объекта сканирования. 1 – ФПУ;    2 – лазерный излучатель; 3 – объект сканирования.

Конус, образующийся площадью линзы фотоприёмника и расстоянием до объекта сканирования, называется зрительным углом. Он определяет ту мощность, которая непосредственно попадет на ФПУ. В этом и заключается цель энергетического расчета фотоприёмника.

                                       (13)

– мощность лазерного излучения (для SPLPL90_3 ); D – диаметр линзы ФПУ (D=30 мм);r – расстояние до объекта.

Преобразовав формулу (13), выведем r:

                                             (14)

Подставив значения в формулу (14) получим максимальное расстояние которое возможно измерить:

                          (15)

Значение полученное в выражении (15) является идеальным, в реальности же большинство объектов поглощают часть излучения. Для объектов, с отражательной способность 18%, максимальное расстояние будет равно:

                  (16)

ФПУ включает в себя компаратор, необходимый для получения логического сигнала. В схеме используется компаратор ADCMP600, технические характеристики которого приведены в [14] (Рисунок 8).

Рисунок 8 – Компаратор


  1.  Разработка лазерного излучателя

В сканере используется лазерный диод SPLPL90_3 фирмы OSRAM, технические характеристики которого приведены в [15]. Нормальные условия работы для этого диода:

  1.  Частота: 1КГц;
  2.  Длительность импульсов: 100 ns;
  3.  Ток: 30 А.

Воспользуемся схемой накачки лазера через разряд конденсатора (Рисунок 9).

Рисунок 9 – Схема накачки лазера

Она заключается в том, что пока транзистор закрыт, конденсатор заряжается через резистор до напряжения питания. Как только транзистор открывается, происходит разряд конденсатора через лазерный диод за малый промежуток времени, в результате чего получается необходимый для лазерного импульса ток.

В схеме используется драйвер полевого транзистора MIC4451, технические характеристики которого приведены в [16]. Выходной ток драйвера 12 А, что достаточно для быстрого открытия транзистора. Время открытия было установлено экспериментально и равняется 10 нс.

Ёмкость конденсатора была определена опытным путем. В ходе эксперимента запускался лазер и измерялось напряжение на резисторе 0.1 Ом. По закону Ома ток проходящий через лазерный диод определяется выражением:

                                                    (17)

Ёмкость конденсатора подбиралась, начиная с 10 нФ, и каждый раз параллельно подключался конденсатор той же ёмкости, пока ток, проходящий через резистор, не стал равен 30 А. Результаты эксперимента приведены в таблице (Таблица 1).

Таблица 1 – Результаты эксперимента

Ёмкость конденсатора, нФ

Напряжение на резисторе, В

Ток в цепи, А

10

2.01

20.1

20

2.07

20.7

30

2.15

21.5

40

2.42

24.2

50

2.61

26.1

60

2.74

27.4

70

2.87

28.4

80

3.02

30.2

Лазер был подвергнут испытаю, в ходе которого была исследована  зависимость температуры нагрева лазерного диода от частоты импульсов.

Испытания начались с частоты 100 Гц и каждый раз частота повышалась на 100 Гц. Температура измерялась через 5 минут работы. Результаты опыта приведены в таблице (Таблица 2).

Таблица 2 – Результаты эксперимента

Частота

Температура

100 Гц

23

200 Гц

27

300 Гц

31

400 Гц

35

500 Гц

38

600 Гц

41

700 Гц

46

800 Гц

50

900 Гц

52

1 КГц

55

1.1 КГц

60

1.2 КГц

71

1.3 КГц

83

1.4 КГц

95 (перегрев)

График результатов измерения приведен на рисуке (Рисунок 10).

Рисунок 10 – Зависимость температуры диода от частоты излучения

Из эксперимента видно что лазер после 1.1 КГц теряет свою стабильность. В виду этого  в сканере была выбрана частота 1 КГц.

Так как было решено разделить питание лазера и остальной схемы, импульс на вход драйвера поступает с оптрона 6N137 (Рисунок 11). Технические характеристики оптрона приведены в [17].

Рисунок 11 – Схема включения оптрона


  1.  Разработка генератора стартового импульса

Так как питание у излучателя и всей остальной схемы раздельное, брать стартовый импульс с резистора в цепи запуска лазера не представляется возможным. Поэтому был разработан генератор стартового импульса который действует по принципу оптрона. Он состоит из линзы, корпуса, фотодиода КОФ137В и компаратора ADCMP600. Фотоприёмник располагается позади лазерного излучателя, как только лазер начинает светить часть излучения, отраженного от калиматора, попадает на фотодиод, и генерируется стартовый импульс. Электрическая схема генератора стартового импульса приведена на рисунке (Рисунок 12).

Рисунок 12 – Генератор стартового импульса


  1.  Разработка вычислительного блока

Так как по условиям технического задания запрещено использование ПЛИС схем. Необходимо было найти замену. В качестве вычислительной схемы был рассмотрен время-цифровой преобразователь TDC-GP22 фирмы производителя Acam, технические характеристики которого приведены в [18]. Это сравнительно дешевая микросхема (500 р. Против стоимости ПЛИС в 9600р.).

TDC-GP22 (Рисунок 13) – универсальный двухканальный время-цифровой преобразователь с последовательным интерфейсом, адаптированный для ультразвуковых расходомеров жидкости и теплосчётчиков, с интегрированной аналоговой секцией расходомера, модулем повышения динамики и диагностики пузырьков.

Рисунок 13 – Архитектура микросхемы TDC-GP22

Технические характеристики:

  1.  2 канала с типовым разрешением 90 пс
  2.  Диапазон от 3,5 нс (0 нс) до 2,4 мкс
  3.  4-х проводный SPI интерфейс
  4.  До 1 миллиона измерений в секунду в режиме 1
  5.  Напряжение I/O от 2,5 В до 3,6 В
  6.  Напряжение питания кристалла от 2,5 В до 3,6 В
  7.  Температурный рабочий диапазон от – 40 °C до +125 °C
  8.  Корпус 32-QFN (Рисунок 14)

Рисунок 14 – TDC-GP22 в корпусе 32-QFN

Описание всех входов/выходов микросхемы приведено в таблице (Таблица 3).


Таблица 3 –  Описание входов/выходов микросхемы TDC-GP22

Название

Описание

1

XIN

Вход драйвера осциллятора

2

XOUT

Выход драйвера осциллятора

3

VIO

I/O – напряжение питания входов-выходов

4

GND

Земля

5

FIRE_UP

Выход 1 генератора запускающих импульсов

6

FIRE_DOWN

Выход 2 генератора запускающих импульсов

7

FIRE_IN

Сигнальный вход для квазиобзвона

8

INTN

Флаг прерывания

9

SSN

Выбор Slave

10

SCK

Частота последовательного интерфейса

11

SI

Вход данных последовательного интерфейса

12

SO

Выход данных последовательного интерфейса

13

RSTN

Вход сброса

14

VCC

Напряжение питания кристалла

15

CLK32OUT

Выход генератора импульсов 32 КГц

16

CLK32IN

Вход генератора импульсов 32 КГц

17

SENSET

Вход датчика измерения температуры

18

LOADT

Выход датчика измерения температуры

19

PT4

Порт 4 измерения температуры

20

PT3

Порт 3 измерения температуры

21

GND

Земля

22

VIO

I/O – напряжение питания шины входа-выхода

23

PT2

Порт 2 измерения температуры

24

PT1

Порт 1 измерения температуры

25

EN_STOP2

Вход разрешения импульса стопа 2

26

EN_STOP1

Вход разрешения импульса стопа 1

27

STOP2

Вход импульса стопа 2

28

GND

Земля

29

VCC

Напряжение питания кристалла

30

STOP1

Вход импульса стопа 1

31

START

Вход импульса старт

32

EN_START

Вход разрешения импульса старт

GP22 использует внутреннюю задержку распространения сигналов по вентилям для того, чтобы осуществлять измерение временных интервалов. Возможность максимального разрешения строго зависит от максимальной задержки распространения сигнала по вентилям. Задержка на одном вентиле равна 90 пс. Измерительный диапазон ограничен емкостью счетчика:

                       (18)

Это даёт хорошее разрешение при измерении дальномером (90 пс – время за которое свет проходит 1.35 см). Максимальное расстояние которое может измерить микросхема теоретически составляет 354 метра. Это значение покрывает дальность фотоприёмника.

Схема включения микросхемы приведена на рисунке (Рисунок 15).

Рисунок 15 – Схема включения TDC-GP22

Так как для дальномера необходимо только время-цифровое преобразование, другие функции микросхемы, такие как блок измерения температуры, не были задействованы.

TDC-GP22 обладает 7 конфигурационными регистрами в 32 бита. Старшие 24 бита используются для конфигурации и работают только на запись. Они используются для запуска рабочего режима TDС-GP22. Содержание конфигурационных регистров приведена в приложении (ПРИЛОЖЕНИЕ A)

Чтение данных происходит следующим образом: Как только данные из регистра выхода будут доступны, устанавливается флаг прерывания и пользователь может считывать данные путём посылки команды-кода 10110000 со следующими 16-тью циклами тактов. Первый нарастающий фронт SCK осуществляет сброс на выводе INTN.


  1.  Разработка блока питания

Так как было принято решение разделить питание излучателя от остальной схемы, в схеме блока питания были использованы элементы с гальванической развязкой. Это позволило избежать передачи шумов с излучателя на остальную схему, и повысить точность измерения расстояния.

В качестве таких элементов были применены TEL 2-2422 и TEL 2-2423 фирмы изготовителя TRACOPOWER. Схема включения блока TEL2-2422 приведена на рисунке (Рисунок 16).

Рисунок 16 – Cхема включения TEL 2-2422

TEL 2-2422 необходим для того, чтобы преобразовать напряжение с компьютерного блока питания (12В) во входное напряжение TEL 2-2423 (24В). Технические характеристики TEL 2-2422 приведены в [19].

Так как питание лазера отделено от остального питания, в блоке питания необходимо использовать 2 преобразователя TEL 2-2423. На входах этих преобразователей должно быть напряжение полученное с блока TEL 2-2422 (24В). На выходе преобразователей получаются напряжения +15В и -15В. В зависимости от подключения вывода COM, эти напряжения могут быть преобразованы в +30В и +15В.

Подключение преобразователя в схеме питания лазерного излучателя приведена на рисунке 17.

Рисунок 17 – Питание лазерного излучателя

Так же в схеме излучателя присутствует оптрон 6N137, напряжение питания которого +5В. Для получения данного напряжений используется стабилизатор КРЕН5А. Схема включения стабилизатора приведена рисунке (Рисунок 18).


Рисунок 18 – Включение стабилизатора КРЕН5А

Для питания остальной схемы тоже используется преобразователь TEL 2-2423, но в другом включении (Рисунок 19).

Рисунок 19 – Основное питание дальномера

Так же для запитывания ФПУ и Arduino UNO необходимы стабилизаторы напряжения на +5В и -5В. Напряжение +5В аногологично схеме питания оптрона берется со стабилизатора КРЕН5А (Рисунок 20).

Рисунок 20 – Стабилизатор напряжения +5В

Для получения напряжения -5В был использован стабилизатор L79l05ABURT, технические характеристики которого приведены в [20]. Схема его включения приведена на рисунке (Рисунок 21).

Рисунок 21 – Стабилизатор напряжения -5В

Для запитывания компараторов и микросхемы TDC-GP22 используется внутренний преобразователь напряжения 5В – 3.3В платы Arduino UNO.


  1.  Разработка механики сканирующего лазерного дальномера
    1.  Технические характеристики двигателя

В сканере используется униполярный шаговый двигатель ПМБГ-200-265-1, характеристики которого приведены в таблице (Таблица 4).

Таблица 4 – Характеристики шагового двигателя ПМБГ-200-265-1

Характеристика

Значение

Угол поворота за один шаг

1.8 градуса

Количество шагов на полный оборот вала

200 шагов

Количество выводов

6 выводов

Количество обмоток

2 со средней точкой

Напряжение питания

12 В

Сопротивление обмоток

70 Ом

Потребляемый ток

0.17 А

Схема двигателя приведена на рисунке (Рисунок 22).

Рисунок 22 – Схема двигателя ПМБГ-200-265-1

Обозначение выводов шагового двигателя приведены в таблице (Таблица 5).

Таблица 5 – Обозначение выводов шагового двигателя

Черный

AB

Белый

CD

Красный

A

Желтый

B

Зеленый

C

Синий

D


  1.  Электронная схема управления

В работе используется схема управления униполярного шагового двигателя на полевых транзисторах FZ44NS (Рисунок 23).

Рисунок 23 – Схема управления током обмоток шагового двигателя

Выводы AB (черный) и CD (белый) шагового двигателя подключены к +12В. А выводы A, B, C и D подключены к стокам транзисторов, которые играют роль ключей и замыкаясь подают на выводы нулевое напряжение, вследствие чего ток течет по обмоткам двигателя.


  1.  Концевой датчик

На нижней платформе расположена оптопара (Рисунок 24), она нужна для определения начального положения сканера.

Рисунок 24 – Схема оптопары

Оптопара состоит из инфракрасного светодиода и фотодиода КОФ137В с нагрузкой 5,1 кОм. Для того чтобы светодиод работал, через него нужно пропустить ток приблизительно равный 20 мА. Для этого необходим резистор с номиналом:

                            (19)

Когда между светодиодом и фотодиодом нет преграды, напряжение на нагрузке фотодиода равно 3.4 В, что соответствует уровню логической 1 для платы Arduino UNO. Как только между свето- и фотодиодом встает оптический прерыватель, расположенный на верхней платформе, напряжение падает до 0,1 В, что соответствует логическому 0. При этом срабатывает прерывание и программа управления определяет начальное положение.

  1.  Управление механикой сканера

Для обеспечения сканирования, двигатель поворачивает верхнюю платформу в горизонтальной плоскости (Рисунок 25).

Рисунок 25 – Зоны работы сканера

В целях увеличения точности и стабильности работы сканера, целесообразно проводить определение начального положения при каждой итерации. Это позволит уменьшить риск накопления угловой ошибки, из за возможного пропуска шагов двигателем.

Двигатель управляется в полушаговом режиме. Преимущества и недостатки полушагого режима по сравнению с  полношаговым приведена в таблице (Таблица 6).


Таблица 6 – Преимущества и недостатки полушагового режима

Преимущества

Недостатки

Более высокая разрешающая способность без применения более дорогих двигателей

Меньшие проблемы с явлением резонанса. Резонанс приводит лишь к частичной потере момента, что обычно не мешает нормальной работе привода.

Довольно значительное  колебание момента от шага к шагу. В тех положениях ротора, когда запитана одна фаза, момент составляет примерно 70% от полного, когда запитаны две фазы. Эти колебания могут явиться причиной повышенных вибраций и шума, хотя они всё равно остаются меньшими, чем в полношаговом режиме.

Как видно из рисунка 25, механика сканера работает в 3 зонах, самой важной зоной является зона сканирования. В этой зоне двигатель должен обеспечить постоянную угловую скорость. Зона сканирования имеет величину 900, что соответствует 100 полушагам двигателя. Один полушаг двигатель выполняет за 50 мс. Временная диаграмма управления шаговым двигателем приведена на рисунке (Рисунок 26).

Рисунок 26 – Временная диаграмма управления двигателем

Исходя из этих данных, можно рассчитать время нахождения сканера в зоне сканирования, а так же угловую скорость двигателя.

                                 (20)

                                    (21)

Дальномер измеряет расстояние с частотой 1 КГц, то есть одно измерение занимает 1 мс. Следовательно в зоне сканирования дальномер сделает:

                           (22)

Каждое измерение сдвинуто относительно предыдущего на угол равный:

                                       (23)

Этот угол рассчитан исходя из того, что двигатель за 1 полушаг смещается на 0.90, и за время этого поворота дальномер делает 50 измерений.

Угол равный 0.0180 обеспечивает на расстоянии 10 метров разрешение:

                          (24)


  1.  Производственно-технологическая часть
  2.  Монтаж электронных элементов на платы

При изготовлении лазерного сканирующего дальномера осуществляется монтаж радиоэлементов с помощью пайки свинцовосодержащим припоем (ПОС-61), а так же покраска и лакирование.

В технологическом процессе пайки применяются припой оловянно свинцовый ПОС-61.

С целью повышения качества пайки радиоэлементов используются флюсы. Они необходимы для удаления окислов с поверхности монтажных выводов радиоэлементов [21].

Элементы монтируются на макетные платы, в качестве соединительных проводников используется тонкожильный МГТФ провод. SMD элементы монтируются на клей АК-20 выводами вверх, и припаивается к монтажным отверстиям плат при помощи отдельных жил провода МГТФ [22].

Все элементы должны быть расположены максимально близко друг к другу.

Монтаж производится с использованием микроскопа. После монтажа необходима прозванка каждого вывода, для избежания короткого замыкания. После проверки монтажа элементы герметизируются прозрачным эласилом.

Все платы соединяются между собой экранированными шлейфами. Длинны проводников должны быть максимально короткими для уменьшения емкости и индуктивности связей.

Во избежание передачи электромагнитных помех с лазерного излучателя на фотоприёмное устройство, схема запуска лазера помещается в экранированный корпус. Все провода по которым проходят импульсы экранируются.

  1.  Изготовление корпусных деталей на 3D принтере

Некоторые комплектующие сканирующего лазерного дальномера изготовлены посредством печати на 3D принтере, основным материалом которого является АБС-пластик.

Принцип создания прототипов 3D принтером, заключается в послойном наращивании изделия путем укладки расплавленного полимера согласно геометрии разработанного прототипа. Основой для прототипирования является математическая модель, представленная в нужном формате. Процесс создания прототипа полностью автоматизирован.

В отличие от традиционных методов прототипирования, 3D принтеры позволяют исключить значительную долю ручного труда при создании даже самых сложных изделий, например, печать 3D макетов.

Для печати на 3D принтере необходимо создать 3D модель детали в любой системе автоматизированного проектирования и конвертировать его в общепринятый формат STL.

В ходе данной работы на 3D принтере были изготовлены следующие детали:

  1. Основание;
  2. Вращающаяся платформа;
  3. Корпус объектива;
  4. Корпусные детали лазерного излучателя:
  5. Оправа лазерного диода;
  6. Корпус лазерного излучателя;
  7. Передняя крышка корпуса излучателя;
  8. Задняя крышка корпуса излучателя;
  9. Крепление лазерного излучателя и фотоприёмного устройства;
  10. Корпус концевого датчика;
  11. Крепление платы Arduino UNO.

Трехмерная модель основания приведена на рисунке (Рисунок 27).

Рисунок 27 – 3D-модель основания

На основании крепятся шаговый двигатель, электронная плата управления шаговым двигателем и концевой датчик.

Трехмерная модель вращающейся платформы приведена на рисунке (Рисунок 28).

Рисунок 28 – 3D-модель вращающейся платформы

Вращающаяся платформа монтируется на вал шагового двигателя. На самой платформе монтируются платы с электронными схемами, крепление лазерного излучателя и фотоприёмного устройства и крепление для платы Arduino UNO.

В ходе работы был спроектирован и изготовлен корпус объектива фотоприёмного устройства. Трехмерная модель которого приведена на рисунке (Рисунок 29)

Рисунок 29 – 3D-модель корпуса объектива


На корпус объектива монтируются:

  1. Собирательная линза, диаметром 30 мм и с фокусным расстоянием 51 мм;
  2. Полосовой светофильтр, диаметром 14 мм и толщиной 2мм, пропускающий только инфракрасное излучение;
  3. Плата с электронной схемой фотоприёмного устройства.

Так же на 3D принтере изготавливались корпусные детали включающие в себя следующие элементы:

  1. Оправа лазерного диода;
  2. Корпус лазерного излучателя;
  3. Передняя крышка корпуса излучателя;
  4. Задняя крышка корпуса излучателя.

Оправа лазерного диода служит для фиксации лазера на фокусном расстоянии линзы коллиматора, к оправе крепится плата с электронной схемой лазерного излучателя. Трехмерная модель оправы лазерного диода приведена на рисунке (Рисунок 30).

Рисунок 30 – 3D-модель оправы лазерного диода

На 3D принтере изготавливался корпус лазерного излучателя. Он служит для защиты платы с электронной схемой лазерного излучателя от механического воздействия. Так же внутренняя сторона корпуса покрыта экранирующим слоем, это делается для устранения передачи электромагнитных помех, которые возникают во время работы лазерного излучателя. Трехмерная модель корпуса лазерного излучателя приведена на рисунке (Рисунок 31).

Рисунок 31 – 3D-модель корпуса лазерного излучателя

На 3D принтере была изготовлена передняя крышка корпуса лазерного излучателя. На переднюю крышку монтируется оправа лазерного диода со схемой лазерного излучателя, для этого предусмотрено монтажное отверстие под оправу и 2 отверстия для фиксации оправы при помощи болтов. Сама же передняя крышка крепится к корпусу излучателя. Передняя крышка, так же как и корпус излучателя, с внутренней стороны имеет экранирующее покрытие. Трехмерная модель передней крышки корпуса лазерного излучателя приведена на рисунке (Рисунок 32).

Рисунок 32 – 3D-модель передней крышки корпуса излучателя

Так же лазерный излучатель содержит в своем составе еще одну корпусную деталь, это задняя крышка корпуса излучателя. К задней крышке крепится блок генератора стартового импульса. Так же на задней крышке предусмотрено отверстие для проводов питания и провода по которому передаются запускающие импульсы. Трехмерная модель задней крышки корпуса излучателя приведена на рисунке (Рисунок 33).

Рисунок 33 – 3D-модель задней крышки излучателя

После изготовления деталей производится сборка лазерного излучателя. Схема сборки приведена на рисунке (Рисунок 34).

Рисунок 34 – Схема сборки лазерного излучателя

Для обеспечения параллельности осей лазерного излучателя и фотоприёмного устройства, было изготовлено специальное крепление. Трехмерная модель крепления лазерного излучателя и фотоприёмного устройства приведена на рисунке (Рисунок 35).

Рисунок 35 – 3D-модель крепления лазерного излучателя и фотоприёмного устройства

Для определения начального положения платформы необходим концевой датчик, корпус концевого датчика был изготовлен посредством 3D печати. Концевой датчик монтируется на основание. Трехмерное изображение корпуса концевого датчика приведена на рисунке (Рисунок 36).

Рисункок 36 – 3D-модель корпуса концевого датчика

Для монтажа платы Arduino UNO было изготовлено специальное крепление, трехмерная модель которого приведена на рисунке (Рисунок 37).

Рисунок 37 – 3D-модель крепления платы Arduino UNO

  1.  Алгоритм измерения расстояния

Блок-схема алгоритма измерения расстояния приведена на рисунке (Рисунок 37)

Рисунок 37 – Алгоритм измерения расстояния

Инициализация работы ВЦП подразумевает отправку на GP22 по интерфейсу SPI команды «01110000». Эта команда запускает блок измерения. После чего происходит запуск лазера и ожидание прерывания по SPI. Если прерывание сработало значит ВЦП получил стоповый сигнал и данные можно считать отправив команду «10110000» с последующими 16 тактами. Данные приходят в двоичном системе счисления и после переводятся в десятичную. Данные представляю собой число вентилей, которые прошел сигнал, каждый вентиль сигнал проходит за 90 пс. Результат умножается на 90 пс и вычисляется время полета лазерного импульса. После чего, так как получившееся время включает в себя полет и туда и обратно, оно делится на 2. Результат умножается на скорость света и определяется расстояние.


  1.  Алгоритм сканирования и построения изображения

Блок – схема алгоритма сканирования приведена на рисунке (Рисунок 38).

Рисунок 38 – Алгоритм сканирования

В начале работы производится сброс микросхемы GP-22. Это делается для того чтобы очистить регистр результата и избежать ошибочного первого измерения. После сброса производится настройка конфигурационных регистров ВЦП, они определяют режим работы микросхемы, таблицы значений каждого бита регистров приведена в приложении (ПРИЛОЖЕНИЕ А). Для теста соединения на ВЦП отправляется команда «10110101»  и ожидается ответ. Соединение исправно если в ответ контроллер получает «00011001». После чего происходит установка сканера в начальное положение, которое определяется срабатыванием концевого датчика. Далее производится 4 цикла сканирования, результаты которых усредняются для повышения точности в 2 раза (), и усредненные значения передаются пользователю по интерфейсу UART. Программная реализация алгоритма сканирования приведена в приложении (ПРИЛОЖЕНИЕ Б, Листинг 1).

Полученные при сканировании расстояния используются для построения изображения в среде Matlab. Блок-схема алгоритма построения изображения приведена на рисунке (Рисунок 39).

Рисунок 39 – Алгоритм построения изображения

Входными данными для построения изображения является массив расстояний измеренных при сканировании. Расчет углов для каждого измерения подразумевает создание одномерного массива включающего в себя углы из промежутка с шагом . После расчета углов, данные полученные при сканировании переводятся в декартовую систему координат при помощи выражений:

                                   (25)

где rii-ое измерение из массива расстояний, αi – соответствующий угол из массива углов, m – размерность матрицы изображения ( необходимо для смещения центра системы координат).

Значения x и y округляются до целого, это делается для того чтобы при построении изображения каждому значению (x,y) соответствовал один пиксель.

После преобразования измерений в декартовую систему координат, создается матрица А размерности (m,n), заполненная нулевыми элементами при помощи команды A=zeros(m,n).

После чего перебираются все преобразованные измерения и соответствующие им ячейки матрицы приравниваются 1

                                        (26)

И на основе полученной матрицы строится бинарное изображение.


  1.  Проведение экспериментов
    1.  Исследование точности на разных дистанциях

В ходе работы был проведен эксперимент по определению точности сканирующего лазерного дальномера. Во время эксперимента были измерены расстояния до целей расположенных в 2, 4 и 8 метрах от сканера [23]. До каждой цели было проведено 100 измерений.

Результаты измерений на дистанции 2 метра приведены на рисунке (Рисунок 40)

Рисунок 40 – Результаты измерений на дистанции 2 метра

Результаты измерений на дистанции 4 метра приведены на рисунке (Рисунок 41)

Рисунок 41 – Результаты измерений на дистанции 4 метра

Результаты измерений на дистанции 8 метра приведены на рисунке (Рисунок 42)

Рисунок 42 – Результаты измерений на дистанции 8 метров

Для эксперимента на 4 метрах было рассчитано среднеквадратичное отклонение:

,                                         (27)

где – среднеквадратичное отклонение, – результат i-го измерения,  – среднеарифметическое значение всех измерений.

                    (28)

Воспользовавшись значением среднеквадратичного отклонения можно построить график нормального распределения, который задается функцией плотности вероятности:

                           (29)

График распределения вероятности приведен на рисунке (Рисунок 43).

Рисунок 43 – Распределение вероятностей

По правилу 3ϭ погрешность измерений составляет ±9 см. Для повышения точности используется накопление и усреднение измерений. Точность увеличивается в (где n – количество измерений). В данной работе производится накопление 4 измерений и их усреднение, следовательно точность увеличивается в . И тогда погрешность измерений будет ровняться ±4,5 см, что составляет ±1,125% от 4 метров.

Так же в ходе исследования точности были проведены измерения на 12, 16, 20, 24, 28 и 30 метров. Аналогичным способом для них была определены погрешности измерений и построен график зависимости погрешности от измеряемого расстояния (Рисунок 44)

Рисунок 44 – График зависимости погрешности от измеряемого расстояния

На графике видно что погрешность измерений находится в пределах ±2 % от измеряемого расстояния.


  1.  Определение перемещения на основе анализа изображения полученного при сканировании

В ходе ВКР был проведен опыт по определению перемещения сканирующего лазерного дальномера. Схема проведения эксперимента приведена на рисунке (Рисунок 45).

Рисунок 45 – Схема проведения эксперимента

Сначала производится сканирование затем сканирующий лазерный дальномер перемещается на 50 см по оси X и поворачивается на 200. Массивы измерений каждого сканирования загружаются в Matlab и создаются 2 изображения по алгоритму описанному в главе 3.4.


Изображение первого скана приведена на рисунке (Рисунок 46).

Рисунок 46 – Изображение первого скана

Изображение второго скана приведена на рисунке (Рисунок 47)

Рисунок 47 – Изображение второго скана


После создания изображений выполняется программа обнаружения прямых линий и определения сдвига и поворота изображения по параметрам прямых линий. Блок-схема алгоритма программы приведена на рисунке (Рисунок 48).

Рисунок 48 – Алгоритм определения сдвига и поворота

Прямые линии на изображениях определяются при помощи преобразования Хафа.

Преобразование Хафа – алгоритм, численный метод, применяемый для извлечения элементов из изображения. Используется в анализе изображений, цифровой обработке изображений и компьютерном зрении. Предназначен для поиска объектов, принадлежащих определённому классу фигур, с использованием процедуры голосования. Процедура голосования применяется к пространству параметров, из которого и получаются объекты определённого класса фигур по локальному максимуму в так называемом накопительном пространстве, которое строится при вычислении трансформации Хафа.

Классический алгоритм преобразования Хафа связан с идентификацией прямых в изображении. Нормальное уравнение прямой имеет вид:

                                 (30)

где ρ – длина радиус-вектора, проведенного из начала координат до прямой, θ – угол наклона радиус-вектора относительно оси абсцисс.

Накопительное пространство Хафа формируется параметрами ρ и θ.

Для каждого скана была проведена процедура преобразования Хафа. Код программы приведен в приложении (ПРИЛОЖЕНИЕ Б, Листинг 2).

Прямые найденные на первом изображении приведены на рисунке (Рисунок 49)

Рисунок 49 – Прямые обнаруженные на первом изображении

Изображение первого скана в накопительном пространстве Хафа приведена на рисунке (Рисунок 50).

Рисунок 50 – Первое изображение в накопительном пространстве Хафа

Прямые найденные на втором изображении приведены на рисунке (Рисунок 51).

Рисунок 51 – Прямые обнаруженные на втором изображении

Изображение второго скана в накопительном пространстве Хафа приведена на рисунке (Рисунок 52).

Рисунок 52 – Второе изображение в накопительном пространстве Хафа

Параметры прямых линий, найденные в среде Matlab приведены на рисунке (Рисунок 53).

Рисунок 53 – Параметры прямых линий

Выходными данными преобразования Хафа являются:

                                       (31)

Полученные параметры прямых линий подставляются в формулы  для вычисления сдвига изображения 2 оносительно изображения 1.

                             (32)

                            (33)

В формулах 32 и 33 вычисляются углы радиус-векторов точек пересечения прямых на сканах.

                                         (34)

                                       (35)

В формулах 34 и 35 вычисляются длины радиус-векторов точек пересечения прямых на сканах.

После определения точек пересечения прямых на сканах, определяются их сдвиги относительно друг друга по осям X и Y с использованием формул:

                                     (36)

                                    (37)

Значения вычисленные по формулам 36 и 37 соответствуют перемещению сканирующего лазерного дальномера по осям X и Y.

Угол поворота определяется по параметрам прямых и соответствует разности углов радиус-векторов проведенных из начала координат до прямых. Угол поворота вычисляется по формуле

                                (38)

Результаты вычислений в среде Matlab приведена на рисунке (Рисунок 54)

Рисунок 54 – Результаты вычисления перемещения в среде Matlab

В ходе эксперимента были определены сдвиги по осям и поворот сканирующего лазерного дальномера:

                                       (39)

Результаты, полученные при вычислении перемещения, соответствуют, с некоторой погрешностью, схеме эксперимента приведенной на рисунке (Рисунок 55)

Рисунок 55 – Схема проведенного эксперимента

  1.  Организационно-управленческая часть

Лазерные сканирующие дальномеры необходимы для реализации систем технического зрения. Лазерный сканер позволяет построить карту окружающего пространства в рабочей плоскости, для детектирования препятствий. Структурная схема сканера приведена на рисунке 56.

Рисунок 56 – Структурная схема сканера

  1.  Стоимость

Стоимость сканера складывается и нескольких составляющих [24]:

  1. Стоимость вычислительного блока;
  2. Стоимость лазерного излучателя;
  3. Стоимость фотоприёмного устройства;
  4. Стоимость генератора стартового импульса;
  5. Стоимость блока питания;
  6. Стоимость механической части;
  7. Стоимость плат и межплатных связей;
  8. Стоимость оптической системы;
  9. Оплата труда разработчиков.

             (40)

Вычислительный блок необходим для время-цифрового преобразования и обработки результатов измерения. Стоимости элементов приведены в таблице (Таблица 7).

Таблица 7 – Стоимость вычислительного блока

Наименование

Количество

Цена

Стоимость

Arduino UNO

1

670

670

TDC-GP22

1

460

460

Кварцевый резонатор

2

25

50

Резисторы

3

0.005

0.015

Конденсаторы

8

0.005

0.04

Итого

1180.055

Лазерный излучатель отправляет пучок света который в дальнейшем детектируется фотоприёмником для измерения времени полёта света. Стоимости элементов излучателя приведена в таблице (Таблица 8).


Таблица 8 – Стоимость лазерного излучателя

Наименование

Количество

Цена

Стоимость

Лазерный диод

1

1200

1200

Транзистор

1

60

60

Конденсаторы

5

0.005

0.025

Резисторы

5

0.005

0.025

Драйвер транзистора

1

120

120

Оптрон

1

33

33

Диоды

1

10

10

Итого

1423.05

Фотоприёмное устройство необходимо для детектирования отраженного от объекта пучка и формирования логического сигнала STOP для вычислительного блока. Стоимости элементов приведена в таблице (Таблица 9).


Таблица 9 – Стоимость фотоприёмного устройства

Наименование

Количество

Цена

Стоимость

Фотодиод

1

270

270

Операционный усилитель

3

320

980

Компаратор

1

350

350

Резисторы

32

0.005

0.16

Конденсаторы

28

0.005

0.14

Диоды

3

10

30

Итого

1630.3

Генератор стартового импульса служит формирования логического сигнала START для вычислительного блока. Стоимости элементов приведена в таблице (Таблица 10).


Таблица 10 – Стоимость генератора стартового импульса

Наименование

Количество

Цена

Стоимость

Фотодиод

1

270

270

Компаратор

1

350

350

Резисторы

8

0.005

0.04

Конденсаторы

10

0.005

0.05

Итого

620.09

Блок питания необходим для преобразования напряжения аккумулятора в напряжения питания блоков сканера. Стоимости элементов приведены в таблице (Таблица 11).


Таблица 11 – Стоимость блока питания

Наименование

Количество

Цена

Стоимость

Преобразователь напряжения

3

680

2040

Стабилизатор напряжения

3

140

420

Конденсаторы

32

0.005

0.16

Итого

2460.16

Механика сканера служит для вращения дальномера в горизонтальной плоскости. Стоимости элементов приведены в таблице (Таблица 12).


Таблица 12 – Стоимость механической части

Наименование

Количество

Цена

Стоимость

Шаговый двигатель

1

750

750

Пластмасса

0.5

1100

550

Транзисторы

4

60

240

Резисторы

5

0.005

0.025

Диоды

4

10

40

Конденсаторы

1

0.005

0.005

Светодиод

1

5

5

Фотодиод

1

130

130

Резисторы

2

0.005

0.005

Итого

1715.035

Все элементы монтируются на платы, платы в свою очередь связываются МГТФ проводами. Стоимости плат и межплатных связей приведена в таблице (Таблица 13).


Таблица 13 – Стоимость плат и межплатных связей

Наименование

Количество

Цена

Стоимость

Макетная плата

2

120

240

МГТФ

2

3.5

7

Разъемы

8

5

40

Итого

287

Для точного измерения расстояния на большой дистанции дальномеру необходима оптическая система. Стоимости элементов оптической системы приведена в таблице (Таблица 14).

Таблица 14 – Стоимость оптической системы

Наименование

Количество

Цена

Стоимость

Коллиматор

1

220

220

Линза

2

130

260

Оптический фильтр

1

75

75

Итого

555

Разработчику сканера необходимо платить заработную плату в соответствии с объёмом выполняемой работы. В разработке принимает участие инженер-конструктор. Разработка делится на 3 этапа:

  1. Разработка электронной схемы;
  2. Разработка механической части;
  3. Разработка программного обеспечения.

Трудоёмкости каждого этапа приведена в таблице (Таблица 15).

Таблица 15 – Оплата труда разработчиков

Вид работы

Трудоемкость

Разработка электронной схемы

80

Разработка механической части

20

Разработка программного обеспечения

40

Итого

140

Тарифная ставка инженера-конструктора 3 категории – 120 рублей в час. Стоимость разработки, исходя из объёма работ и тарифной ставки, составляет 16800 рублей.

(41)


  1.  Затраты на электроэнергию

Мощность сканера – 11 Вт. Расход электричества на 8 часов работы составляет 88 Вт. Для одного года (260 рабочих дней) расход равняется 22,88 кВт.

Стоимость электричества составляет 4,5 руб/кВт.

Итого получаем затраты на электроэнергию за год 3,54*22,88=103 рубля.

Вывод: В данной работе рассчитана стоимость разработанного лазерного сканирующего дальномера (26670.69 рублей).  Приведен расчет стоимости отдельных частей сканера. В частности, вычислительный блок стоит 1180.055 рублей, лазерный излучатель – 1423.05, фотоприёмное устройство – 1630.3, генератор стартового импульса – 620.09, блок питания – 2460.16, механика сканера – 1715.035, платы и межплатные связи – 287, оптическая система 555. Ежегодная эксплуатация робота, с учетом затрат на электроэнергию и обслуживание составляет 103 рубля.


  1.  Охрана труда и защита окружающей среды

На данном этапе выпускной квалификационной работы рассмотрим условия труда инженера – конструктора на стадии разработки лазерного сканирующего дальномера.

  1.  Характеристика параметров по обеспечению безопасности труда
    1.  Характеристика нормативных параметров микроклимата рабочего помещения

Микроклимат в помещении, где происходит разработка программной системы, определяется сочетанием температуры рабочей зоны, влажности и скорости движения воздуха, а также температурой окружающего воздуха.

Показатели микроклимата должны обеспечивать сохранение теплового баланса человека с окружающей средой и поддержание оптимального или допустимого теплового состояния организма.

К опасным и вредным факторам относятся:

  1. повышенная или пониженная влажность воздуха;
  2. повышенная или пониженная подвижность воздуха;
  3. повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны.

Оптимальные микроклиматические условия установлены по критериям оптимального теплового и функционального состояния человека. Они обеспечивают общее и локальное ощущение теплового комфорта в течение 8-часовой рабочей смены при минимальном напряжении механизмов терморегуляции, не вызывают отклонений в состоянии здоровья, создают предпосылки для высокого уровня работоспособности и являются предпочтительными на рабочих местах.

Допустимые микроклиматические условия установлены по критериям допустимого теплового и функционального состояния человека на период 8-часовой рабочей смены. Они не вызывают повреждений или нарушений состояния здоровья, но могут приводить к возникновению:

  1. общих и локальных ощущений теплового дискомфорта;
  2. напряжению механизмов терморегуляции;
  3. ухудшению самочувствия;
  4. понижению работоспособности.

Допустимые величины показателей микроклимата устанавливаются в тех случаях, когда по технологическим требованиям, техническим и экономически обоснованным причинам не могут быть обеспечены оптимальные величины.

Для обеспечения установленных норм микроклиматических параметров и чистоты воздуха на рабочих местах применяются:

  1. кондиционеры;
  2. вентиляционные установки;
  3. дефлекторы;
  4. отопительные приборы.

Система отопления должна обеспечивать соответствующие значения температуры воздуха в помещениях в холодный период года. Нагревание воздуха должно быть достаточно постоянным (в течение суток колебания не должны превышать 2-3 °С) и равномерным (в горизонтальном направлении колебания температуры не должны превышать 2 °С на каждый метр длины, а в вертикальном - 1 °С на каждый метр высоты помещения).

Система отопления рассчитывается с учетом потерь тепла через строительные конструкции помещения, на нагрев проникающего внутрь холодного воздуха, а также поступающих извне материалов и оборудования, если они имеют место по технологии.

Для обеспечения установленных норм микроклиматических параметров и чистоты воздуха в машинных залах и других помещениях применяют вентиляцию. Проектирование системы вентиляции предполагает определение расхода воздуха для вентиляции машинного зала и аэродинамический расчет воздуховодов, выбор воздухозаборных и воздухораспределительных устройств.

Приточно-вытяжная вентиляция позволяет, наряду с отводом выделяемых в помещении вредных веществ, с улучшением аэроионного состава воздуха также удалять накопившуюся пыль. В частности, в залах для ПЭВМ, содержание пыли не должно превышать 0,75 мг/м3 при размерах частиц не более 3 мкм. Изначально, воздух, поступающий в помещение, должен очищаться от загрязнений, в том числе от пыли и микроорганизмов с помощью фильтров различного действия.

Количество приточного свежего воздуха определяется технико-экономическим расчетом и выбором системы вентиляции. Расчет воздухообмена проводится по теплоизбыткам от машин, людей, солнечной радиации и внешнего освещения. Минимальный расчет воздуха в машинном зале определяется из расчета 60 м3 на одного работающего при условии двукратного обмена воздуха в час.

Для поддержания определенной температуры, влажности и для очистки воздуха от загрязнений в машинных залах и других помещениях используются системы кондиционирования воздуха.

Постоянство параметров воздушной среды обеспечивает надежную работу ПЭВМ, длительное хранение носителей информации, комфортные условия для обслуживающего персонала.

В настоящее время наибольшее распространение получили два типа систем охлаждения и кондиционирования воздуха: раздельный и совмещенный.

Системы раздельного типа представляют собой устройства кондиционирования воздуха с двумя зонами регулирования, предназначенными соответственно для обеспечения технических средств охлажденным воздухом и машинного зала - свежим кондиционированным воздухом. В таких системах воздух для охлаждения вычислительной техники поступает через пространство под технологическим полом во внутреннее пространство стоек независимо и раздельно от воздуха, подаваемого в машинный зал.

В системе кондиционирования совмещенного типа воздух одновременно подается в машинный зал и для охлаждения вычислительной техники.

Устройства для кондиционирования воздуха необходимы прежде всего в машинном зале, а также в помещениях для размещения сервисной и периферийной аппаратуры и для хранения носителей информации. В домашних условиях при необходимости можно использовать бытовой кондиционер соответствующей мощности, который будет эффективно обеспечивать параметры микроклимата в помещении, особенно летом.

Параметры микроклимата в рабочей зоне:

  1.  в холодный период года должна поддерживается температура воздуха в пределах 22-24 ºС, относительная влажность воздуха 40-60 %, скорость движения воздуха 0,1 м/с.
  2.  в теплый период года должна поддерживается температура воздуха в пределах 23-25 ºС, относительная влажность воздуха 40-60 %, скорость движения воздуха 0,1 м/с.

Параметры микроклимата в рабочей зоне соответствуют СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы»

  1.  Характеристика параметров электробезопасности

Фактором поражения человека электрическим током является опасный уровень напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека.

Проходя через живые ткани, электрический ток оказывает термическое, электролитическое и биологическое воздействия. Это приводит к различным нарушениям в организме, вызывая как местное поражение тканей и органов, так и общее поражение организма. Наравне со всеми системами организма поражается нервная система, что может повлечь необратимые последствия.

Причинами поражения человека электрическим током являются:

  1.  случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям, находящимся под напряжением;
  2.  появление напряжения на конструктивных металлических частях электрооборудования – корпусах, кожухах и т.п. в результате повреждения изоляции и других причин;
  3.  появление напряжения на отключенных токоведущих частях, на которых работают люди, вследствие ошибочного включения устройства.

Для предотвращения поражения электрическим током обеспечено:

  1.  наличие провода защитного заземления в электрической розетке;
  2.  наличие заземляющего контура для внешнего заземления.

Все оборудование, которое используется при работе установки, питается от сети переменного тока напряжением 220 В с частотой 50 Гц. Помещение соответствует первому классу согласно классификации «Правил устройства электроустановок», т.е. без повышенной опасности поражения током. Это сухое, беспыльное помещение с нормальной температурой воздуха и изолированными полами.

Средства защиты от поражения электрическим током установлены ГОСТ 12.4.019-79 «Средства защиты от поражения электрическим током», электроустановки соответствуют ГОСТ 12.1.009-88 «ССБТ. Электробезопасность. Термины и определения». Предельно допустимые уровни напряжений прикосновений и токов соответствовуют ГОСТ 12.1.038-82 «Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов».

  1.  Характеристика параметров электромагнитной безопасности

В результате работы различных частей установки и персонального компьютера возникают электромагнитные излучения, которые оказывают вредное воздействие на рабочего, приводя к:

  1.  нарушению в работе центральной нервной системы;
  2.  нарушению в работе верхних дыхательных путей;
  3.  нарушению в работе сердечно – сосудистой системы;
  4.  нарушению в работе органов пищеварения;
  5.  эндокринологическим заболеваниям;
  6.  снижению иммунитета;
  7.  снижению работоспособности.

Допустимая величина напряженности электромагнитного поля по электрической составляющей на расстоянии 50 см от монитора составляет:

  1.  не более 25 В/м в диапазоне частот 5 Гц – 2 кГц;
  2.  не более 2,5 В/м в диапазоне частот 2 – 400 кГц.

Плотность магнитного потока:

  1.  не более 250 нТл в диапазоне частот 5 Гц – 2 кГц;
  2.  не более 25 нТл в диапазоне частот 2 – 400 кГц.

Поверхностный электростатический потенциал экрана монитора не превышает 500 В.

Для ослабления вредного воздействия электромагнитного поля проведены следующие мероприятия:

  1.  увеличены расстояния между источниками электромагнитного поля и рабочими местами;
  2.  используются мониторы нового поколения с низким уровнем излучения.

Величины напряженности, интенсивности и частоты переменного электромагнитного поля в помещении с ПК соответствуют нормам СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы».

  1.  Обеспечение пожаровзрывобезопасности

Согласно ГОСТ 12.1.004-91 опасными факторами пожара, воздействующими на людей, являются:

  1. Открытый огонь и искры;
  2. повышенная температура воздуха, предметов и т.п.;
  3. токсичные продукты горения;
  4. дым;
  5. пониженная концентрация кислорода;
  6. обрушениеконструкций, оборудования, коммуникаций.

В процессе проведения анализа структуры управления предприятием в помещении не используются легковоспламеняющиеся и взрывоопасные вещества. Однако в качестве горючего компонента могу служить строительные материалы для акустической и эстетической отделки помещений, перегородки, двери, полы, мебель, магнитные ленты и диски, изоляция силовых кабелей, а также радиотехнические детали и соединительные провода электронной схемы.

Окислитель в виде кислорода воздуха имеется в любой точке помещения.

Источниками воспламенения могут быть электрические искры, дуги и перегретые участки. Источники воспламенения возникают в электронных схемах, кабельных линиях, вспомогательных электрических и электронных приборах, а также в устройствах, применяемых для технического обслуживания элементов ЭВМ.

Таким образом, при анализе структуры управления предприятием могут существовать все три основных фактора, способствующих возникновению пожара. Подобное помещение относится к категории "В", т.е. пожароопасное, в котором обращаются негорючие вещества и материалы в холодном состоянии.

Для обнаружения и локализации пожара, эвакуации рабочего персонала, а также для уменьшения материальных потерь выполнены следующие условия:

  1. наличие системы автоматической пожарной сигнализации;
  2. наличие эвакуационных путей и выходов;
  3. наличие первичных средств тушения пожаров: пожарные стволы, внутренние пожарные водопроводы, сухой песок, огнетушители.

Применение воды в машинных залах ЭВМ, в виду опасности повреждения дорогостоящего электронного оборудования, возможно только в исключительных случаях, когда пожар угрожает принять крупные размеры.

Общие требования по пожаровзрывобезопасности соответствуют ГОСТ 12.1.004-91.

  1.  Характеристика параметров акустической безопасности

В рабочем помещении характерно наличие механического шума (охлаждающие вентиляторы) и электромагнитного шума (от преобразователей напряжения). Для подобных помещений допустимые уровни звукового давления и уровня шума на рабочем месте не должны превышать 50 дБ (значительных внешних источников шума не имеется). Источники ультразвука и инфразвука в помещении отсутствуют.

Повышенный уровень шума вредно воздействует на нервную систему человека, вызывая:

  1. гипертонию;
  2. неврозы;
  3. усталость;
  4. частичную потерю слуха;
  5. повышенное внутри кровяное давление;
  6. замедление реакции.

Меры по снижению уровня шума: специальная подготовка помещения (звукоизоляция стен, окон, дверей, потолка), установка на системный блок компьютера специального защитного корпуса с малошумным вентилятором.

Шумовые параметры соответствуют СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 приложение 19 п.2.7 и ГОСТ 12.1.003-83: «Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности».


  1.  Характеристика параметров освещённости рабочего места сборочного участка

При выполнении сборочных работ приходится выполнять операции, требующие высокой точности расположения элементов друг относительно друга. Недостаточность освещения приводит к напряжению органов зрения, преждевременной усталости и ослабляет внимание. Чрезмерно яркий свет вызывает ослепление, раздражение и резь в глазах. Неправильное направление света приводит к появлению на рабочем месте резких теней, бликов. Рациональное освещение производственного помещения является одним из важнейших факторов предупреждения травматизма и профессиональных заболеваний.

Возможны следующие влияния вредных факторов на персонал, работающий на сборочном участке:

  1. недостаточная освещенность рабочей зоны;
  2. отсутствие или недостаток естественного света;
  3. повышенная яркость света;
  4. пониженная контрастность;
  5. повышенная пульсация светового потока;
  6. наличие прямой и отраженной блескости;
  7. неправильное направление света;
  8. неравномерное распределение яркости.

Действие данных факторов вызывает быструю утомляемость и снижение производительности труда, в перспективе может привести к частичной потере зрения.

Условия зрительной работы на операции «пайка»:

  1. минимальные различимые объекты (объект различения) – расстояние между печатными проводниками ;
  2. фон средний;
  3. контраст объекта с фоном средний.

Освещение производственных помещений регламентируется СанНиП 23-05-95.

Освещение рабочих мест при операции «пайка» (разряд 2в):

  1. в светлое время суток - совмещенное боковое;
  2. в темное время суток - искусственное комбинированное.

Мероприятия по ограничению неблагоприятного воздействия освещения:

  1. использование стационарного освещения (местного);
  2. светильники прямого действия, газоразрядных люминесцентных ламп дневного света;
  3. использование осветительной арматуры, предохраняющей глаза от яркости (экраны);
  4. рациональное оборудование рабочего места осветительными приборами (правильный выбор защитного угла светильника);
  5. использование солнцезащитных устройств.

  1.  Обеспечение защиты монтажника от загрязнений во премя пайки

При изготовлении лазерного сканирующего дальномера осуществляется монтаж радиоэлементов с помощью пайки свинцовосодержащим припоем (ПОС-61), а так же покраска и лакирование.

В технологическом процессе пайки применяются припой оловянно свинцовый ПОС-61.

С целью повышения качества пайки радиоэлементов используются флюсы. Они необходимы для удаления окислов с поверхности монтажных выводов радиоэлементов.

Количество свинца, выделяемого при пайке припоем ПОС - 61, паяльником мощностью до 60 Вт составляет 0,02-0,04 мг/100 паек (Санитарные правила организации процессов пайки мелких изделий сплавами содержащих свинец N 952-72), а так как предельно-допустимая концентрация составляет 0.01мг/м3 (ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ), то рабочее место пайки требуется оборудовать местной вытяжной вентиляцией.

Для предотвращения ожогов и загрязнения свинцом кожи рук работающих выделяют салфетки для удаления лишнего припоя с жала паяльника, а так же пинцеты для поддерживания припаиваемого элемента.

Для обеспечения безопасных условий труда необходимо провести технические и организационные мероприятия:

  1.  помещение оборудовать местной вытяжной вентиляцией;
  2.  использовать средства индивидуальной защиты (спецодежду, защитные очки);
  3.  обеспечить работающих пинцетами для поддержания припаиваемого вывода, провода или других элементов;

Произведем расчет вытяжного зонта (Рисунок 57)  для рабочего места монтажника с целью улучшения  вентиляции.

Рисунок 57 – Чертеж вытяжного зонта

Дано: Максимальное количество вредных выделений не превышает 100 м3 /час. Доля фракций размером более 10 мкм составляет более 50% по массе. Начальная концентрация вредных выделений Сн = 0.09 мг/м3. Максимально разовая предельно допустимая концентрация их в атмосфере составляет СПДК = 0.01 мг/м3. Температура отходящих газов 40С. Расстояние между зонтом и местом пайки  h = 0,3м;  Размеры и площадь рабочей области:

                         (42)

Скорость всасывания в рабочее отверстие вытяжного зонта для паров свинца 1,5 м/с.

Определить геометрические размеры вытяжного зонта круглого сечения Dз, количество удаляемого воздуха L.

Расчет геометрических размеров зонта:

Диаметр сечения зонта определяется по формуле:

             (43)

Количество удаляемого воздуха:

           (44)

В результате расчета получили, что расход воздуха через местную вытяжную систему превышает объем загрязненного воздуха, что свидетельствует об эффективности данного способа удаления вредных веществ из рабочей зоны монтажника.


  1.  Защита окружающей среды

Некоторые комплектующие лазерного сканирующего дальномера изготовлены посредством печати на 3D принтере, основным материалом которого является АБС-пластик.

Принцип создания прототипов 3D принтером, заключается в послойном наращивании изделия путем укладки расплавленного полимера согласно геометрии разработанного прототипа. Основой для прототипирования является математическая модель, представленная в нужном формате. Процесс создания прототипа полностью автоматизирован.

В отличие от традиционных методов прототипирования, 3D принтеры позволяют исключить значительную долю ручного труда при создании даже самых сложных изделий, например, печать 3D макетов. В объемной печати воплощена концепция "getwhatsee" - получаешь то, что видишь.

Фотополимеры, используемые в качестве сырья, получают путем химической реакции с применением сурьмы – токсичного тяжелого металла. Предметы, напечатанные из такого материала, могут содержать в 100 раз больше тяжелого металла, чем предметы из других полимеров, например, полиэтилентерефталата, из которого производят упаковку для пищевых продуктов.

Фотополимеры, которые используют для 3D-печати, могут стать источником сурьмы на полигонах, мусоросжигательных заводах и в окружающей среде. 

Последствия растущего содержания сурьмы в окружающей среде могут быть очень серьезными, особенно если тяжелый металл попадет в водоносные слои с питьевой водой. По побочным эффектам сурьма схожа с мышьяком, в частности она может причинить вред сердцу.

 Большинство печатных материалов состоят из полностью перерабатываемой нити и с помощью экструдеров можно выполнить переработку пластиковых отходов в полностью функциональный материал для 3D печати. Если деталь износилась — ее можно просто утилизировать и переработать до состояния нити и начать все сначала. Это эффективный выход из ситуации. Можно остановить все пластиковые загрязнения, а также создать спрос на вторично используемые пластмассы, который в свою очередь будет финансировать утилизацию.

Современные 3D принтеры являются экологически чистым методом прототипирования. В принтеры встроены системы очистки воздуха, представленные аэрозольными фильтрами.


  1.  Определение количества выделяющихся веществ

АБС-пластик(акрилонитрилбутадиенстирол) — это ударопрочная техническая термопластическая смола, содержащая 5-35% акрилонитрила, 10-40% бутадиена, 25-80% стирола. Свойства материала зависят от соотношения компонентов. При работе происходит нагрев материала, что приводит к выделению вредных веществ, таких как: стирол, сурьма и т.д.

Стирол C8H8 (фенилэтилен, винилбензол, этиленбензол) — бесцветная жидкость со специфическим запахом. Стирол практически нерастворим в воде, хорошо растворим в органических растворителях, хороший растворитель полимеров. Стирол  яд общетоксического действия, он обладает раздражающим, мутагенным и канцерогенным эффектом и имеет очень неприятный запах (порог ощущения запаха — 0.07мг/м³). При хронической интоксикации у рабочих бывают поражены центральная и периферическая нервная система, система кроветворения, пищеварительный тракт, нарушается азотисто-белковый, холестериновый и липидный обмен. Стирол проникает в организм в основном ингаляционным путём. При попадании на слизистые оболочки носа, глаз и глотки паров и аэрозоля стирол вызывает их раздражение.

Предельно допустимая концентрация(ПДК) стирола в воздухе рабочей зоны составляет 30 мг/м³.

При печати на принтере с 1 м АБС – пластика выделяется около 200 грамм стирола, что составляет 25 мг/м³. Данная концентрация стирола соответствует допустимой норме.

Акрилонитрил – бесцветная жидкость с характерным запахом миндаля или вишневых косточек, растворима в воде, т. кип. 77 °C. Пары тяжелее воздуха. Относится к категории СДЯВ (сильнодействующих ядовитых веществ). При печати выделяется 0,2 мг/м³, что соответствует норме ПДК 0,5 мг/м³.

Сурьма - серебристо-белый металл. Применяется в различных сплавах (типографских, антифрикционных, баббитах). Окислы сурьмы (сурьмянистый ангидрид и сурьмяный ангидрид) применяются для изготовления огнестойких текстильных изделий, огнеупорных красок, встречаются в воздухе производственных помещений при плавке сурьмы. ПДК для пыли металлической сурьмы - 0,5 мг/м³, при печати выделяется 0,1 мг/м³.

При одновременном присутствии в воздушной среде нескольких вредных веществ, обладающих однонаправленным действием, должно соблюдаться условие:

 ,                          (45)

где ,, - фактические концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны, мг/м³;

, , - предельно допустимые концентрации веществ в воздухе рабочей зоны;

                                  (46)

По данному условию можно сделать вывод, что при печати на 3D принтере происходит выделение таких вредных веществ, как: стирол, акрилонитрил и сурьма, но оно не наносит вред человеку, т.к. соответствует нормам ПДК.


  1.  Класс опасности вредных веществ

Класс опасности вредных веществ — условная величина, предназначенная для упрощённой классификации потенциально опасных веществ. Признаки определения класса опасности установлены стандартом ГОСТ 12.1.007-76 «Классификация и общие требования безопасности». По степени воздействия на организм вредные вещества подразделяются на четыре класса опасности, представленные в таблице (Таблица 16).

Таблица 16 – Классы опасности

Класс опасности

Степень опасности

I

чрезвычайно опасные вещества

II

высокоопасные вещества

III

умеренно опасные вещества

IV

малоопасные вещества

В зависимости от норм и показателей вредных веществ, представленных в таблице (Таблица 17), определяем класс опасности.


Таблица 17 – Нормы и показатели вредных веществ

Наименование показателя

Норма для класса опасности

I

II

III

IV

ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны, мг/м³

менее 0,1

От 0,1 до 1,0

От 1,1 до10,0

более 10,0

Средняя смертельная доза (ЛД50) при введении в желудок, мг на 1 кг массы тела

менее 15

От 15 до 150

От 151 до 5000

более 5000

Средняя смертельная концентрация в воздухе, мг/м³

менее 500

От 500 до 5000

От 5001 до 50000

более 50 000

Средняя смертельная доза при нанесении на кожу, мг на 1 кг массы тела

менее 100

От 100 до 500

От 501 до 2500

более 2500

По результатам таблицы можно сделать вывод, что сурьма и стирол относятся ко второму классу опасности.

Выводы: В данной части выпускной квалификационной работы были изложены требования к рабочему месту инженера – конструктора и микроклимату в помещении. Созданные условия должны обеспечивать комфортную работу. На основании изученной литературы по данной проблеме, проведен расчет вытяжного зонта по нормам, подобраны параметры микроклимата помещения, отвечающие нормативным требованиям, а также проведен расчет необходимого воздухообмена в рабочем помещении. Соблюдение условий, определяющих оптимальную организацию рабочего места инженера – конструктора, позволит сохранить хорошую работоспособность в течение всего рабочего дня.

В связи с тем, что разработка комплектующих лазерного сканирующего дальномера не наносит вред окружающей среде, нет необходимости применять какие-либо меры по ее защите.


Заключение

В данной работе был разработан рабочий макет мехатронной системы ориентирования.

Для разработки мехатронной системы ориентирования были проведены расчет и проектирование электронной части, проектирование механической части мехатронной системы. Так же были разработаны алгоритмы работы мехатронной системы ориентирования и программное обеспечение, реализующее алгоритмы работы.

Для разработанной мехатронной системы было проведено исследование точности измерений и построен график зависимости погрешностей от измеряемых расстояний.

Был проведен опыт по определению перемещения на основе изображений, полученных при сканированиях.

С точки зрения экономического обоснования, был произведен расчет стоимости разработки мехатронной системы ориентирования, которая составила 26670,69 руб. Произведен расчет эксплуатационных затрат мехатронной системы ориентирования.

Поставленная цель, заключающаяся в разработке мехатронной системы ориентирования с использованием SLAM технологии, была достигнута.

Результаты работы внедрены в производство предприятием заказчиком.


Список использованных источников

  1.  Gasteratos A. Computer Vision Systems2008, 551 c.
  2.  SLAM for Dummies. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ocw.mit.edu/courses/aeronautics-and-astronautics/16-412j-cognitive-robotics-spring-2005/projects/1aslam_blas_repo.pdf (дата обращения: 12.02.2015)
  3.  Simultaneous Localisation and Mapping (SLAM): Part I The Essential Algorithms. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа: http://www.cs.berkeley.edu/~pabbeel/cs287-fa09/readings/Durrant-Whyte_ Bailey_SLAM-tutorial-I.pdf (дата обращения: 15.02.2015)
  4.  Fernаndez-Madrigal. Simultaneous Localization and Mapping for Mobile Robots: Introduction and Methods. 2012. 497 с.
  5.  Chang W. Principles of lasers and optics. 2005. 352 с.
  6.  Фёдоров Б.Ф. Лазеры Основы устройства и применение. Москва. 2001. 311 с.
  7.  Вудс Р. Цифровая обработка изображений. Техносфера. 2012. 438 с.
  8.  Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. Техносфера. 2012. 362 с.
  9.  Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Мир, 1993. 413 с.
  10.  Тришенков М.А. Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. Москва. 1992. 400 с.
  11.  Иванов М.Т. Радиотехнические цепи и сигналы. СПбГУ ИТМО2014. 374 с.
  12.  ADA4817-1_4817-2. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ ADA4817-1_4817-2.pdf (дата обращения: 17.03.2015)
  13.  Большаков И. А. Выделение потока сигналов из шума. Советское радио. 1982. 341 с.
  14.  ADCMP600_601_602. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа:   http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ ADCMP600_601_602.pdf (дата обращения: 18.03.2015)
  15.  SPL PL90_3. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа: http://z.compel.ru/item-pdf/6ab8225b60861e32903adc9f7e5ef707 /pn/osram~spl-pl90_3.pdf (дата обращения: 21.03.2015)
  16.  MIC4451/4452. 12A-Peak Low-Side MOSFET Driver Bipolar/CMOS/DMOS. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа:  http://www.micrel.com/_PDF/mic4451.pdf (дата обращения: 21.03.2015)
  17.  6N137. High Speed Optocoupler. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа:  http://www.vishay.com/docs/84131/6n137.pdf (дата обращения: 21.03.2015)
  18.  TDC GP-22. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа: http://www.acam.de/fileadmin/Download/pdf/others/DB_GP22_ru.pdf (дата обращения: 02.04.2015)
  19.  TEL-2. DC/DC CONVERTER. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа:  http://www.tracopower.com/fileadmin/medien/dokumente/pdf/ datasheets/tel2.pdf (дата обращения: 09.04.2015)
  20.  L79l05ABURT. Negative voltage regulators. [Электронный ресурс]. –  Режим доступа: http://z.compel.ru/item-pdf/9f3f14c9df99084d8a4db9fb3b 1fd21f/ps/st~l79l05ab.pdf (дата обращения: 09.04.2015)
  21.  Петрунин И.Е. Справочник по пайке. Москва. 1984. 400 с.
  22.  Нинг-Ченг Ли. Технология пайки оплавлением, поиск и устранение дефектов. Поверхностный монтаж, BGA, CSP и flip chip технологии. Технологии. 2006. 497 с.
  23.  Гришенцев А.Ю. Теория и практика технического и технологического эксперимента. СПбГУ ИТМО. 2010. 332 с.
  24.  Мамбетшаев C.В. Методические указания по выполнению организационно-экономической части дипломного проекта, Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 20 с.
  25.  СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений».
  26.  ГОСТ 12.1.012 - 90 «Электробезопасность. Общие требования».
  27.  ГОСТ 12.2.007.0-75 «Система стандартов безопасности труда. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности».
  28.  ГОСТ 12.1.003-83 «Допустимые уровни шумов в производственных помещениях».
  29.  Тищенко Н.Ф.  Охрана атмосферного воздуха. Расчет содержания вредных веществ и их распределение в воздухе. Москва, Химия, 1991. 370 с.
  30.  Технологии охраны здоровья [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://protivogaz.com/pages/fp-300.html (дата обращения: 12.05.15)

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Содержание конфигурационных регистров время-цифрового преобразователя TDC-GP22

Таблица 18 – Содержание регистра 0

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7…0

ANZ_FIRE

DIV_FIRE

ANZ_PER_CALRES

DIV_CLKHS

START_CLKHS

ANZ_PORT

TCYCLE

ANZ_FAKE

SEL_ECLK_TMP

CALIBRATE

NO_CAL_AUTO

MESSB2

NEG_STOP2

NEG_STOP1

NEG_START

ID0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

00

Таблица 19 – Расшифровка параметров регистра 0

Параметр

Назначение

Значение

ANZ_FIRE

Устанавливает число импульсов, генерируемых  генератором запускающих импульсов

0 = отключен

1 = 1 импульс

2 = 2 импульса

127 = 127 импульсов

DIV_FIRE

Устанавливает делитель задающей частоты  генератора запускающих импульсов

0 = не допущен

1 = деление на 2

2 = деление на 3

3= деление на 4

15 = деление 16

ANZ_PER_CALRES

Устанавливает число периодов для калибрации керамического резонатора

0 = 2 периода

1 = 4 периода

2 = 8 периодов

3 = 16 периодов

DIV_CLKHS

Устанавливает предварительный делитель

0 = деление на 1

1 = деление на 2

2 = деление на 4

3 = деление на 8

Продолжение таблицы 19

START_CLKHS

Определяет интервал времени, который чип ждёт после начала осцилляций перед процедурой измерения

0 = Осциллятор отключен

1 = осциллятор непрерывно включён

2 = установленный интервал 480 мкс

ANZ_PORT

Устанавливает число портов используемых при температурных измерениях

0 = 2  порта

1 = 4 порта

TCYCLE

Устанавливает длительность цикла при температурных измерениях

0 = 128 мкс

1 = 512 мкс

ANZ_FAKE

Устанавливает число холстых циклов в начале температурных измерений

0 = 2 измерения

1 = 7 измерения

SEL_ECLK_TMP

Выбор опорной частоты при температурных изменениях

0 = 32.768 kHz

1 = 128 * CLKHS

CALIBRATE

Разрешает/запрещает калибрационные вычисления в ALU

0 = выключена

1 = включена

NO_CAL_AUTO

Разрешает/запрещает автокалибрацию,  проистекающую в ВЦП

0 = разрешена

1 = запрещена

MESSB2

переключение в диапазон измерения 2

0 = диапазон измерения 1

1 = диапазон измерения 2

NEG_STOP2

Инвертирование входа STOP2

0=неинвертированный

1 = инвертированный

NEG_STOP1

Инвертирование входа STOP1

0=неинвертированный 1 = инвертированный

NEG_START

Инвертирование входа START

0=неинвертированный 1 = инвертированный

Таблица 21 – Содержание регистра 1

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7…0

HIT1

HIT2

EN_FAST_INIT

k.d.

HITIN2

HITIN1

CURR32K

SEL_FAST_FIRE

SEL_TSTO2

SEL_TSTO1

ID1

0

0

0

1

1

0

0

1

1

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

00


Таблица 22 – Расшифровка параметров регистра 1

Параметр

Назначение

Значение

HIT2

Определяет оператор для окончания обработки данных ALU

0 = Start

1 – 4 = Stop Ch1

9 – C = Stop Ch2

HIT1

Определяет оператор для начала обработки данных ALU

0 = Start

1 – 4 = Stop Ch1

9 – C = Stop Ch2

EN_FAST_ INIT

Разрешает операции fast init

0 = разрешён

1 = запрещён

HITIN2

Число событий, ожидаемых на канале 2

0 = стоп канал 2 не задействован

1 = 1 событие

2 = 2 события

3 = 3 события

4 = 4 события

HITIN1

Число событий, ожидаемых на канале 1

0 = стоп канал 1 не задействован

1 = 1 событие

2 = 2 события

3 = 3 события

4 = 4 события

CURR32K

Опция с низким током потребления  для 32 кГц осциллятора

0 = низкий рабочий ток

1 = высокий рабочий ток

SEL_START_ FIRE

Запускающий импульс Firepulse используется как запуск TDC.

0 = разрешён

1 = запрещён

SEL_TSTO2

Определяет функции вывода EN_START.

0 =  высокий уровень разрешает вход START

1 = START_TDC выход

2 = STOP1 TDC выход 

3 = STOP2 TDC выход

Таблица 23 – Содержание регистра 2

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7…0

EN_INT

RFEDGE2

RFEDGE1

DELVAL1

ID2

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

00

Таблица 24 – Расшифровка параметров регистра 2

Параметр

Назначение

Значение

EN_INT

Активирует источники прерывания, подключённые по OR.

бит 31 = прерывание Timeout разрешено

бит 30 =  прерывание End Hits разрешено

бит 29 = прерыване ALU разрешено

RFEDGE2

Чувствительность канала 2 по фронтам

0 = по нарастающему фронту

1 = по спадающему фронту

RFEDGE1

Чувствительность канала 1 по фронтам

0 = по нарастающему фронту

1 = по спадающему фронту

DELVAL1

Величина задержки для внутреннего модуля разрешения стопа, событие 1 канал 1

DELVAL1=0 – 16383.96875

Таблица 25 – Содержание регистра 3

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7…0

k.d.

EN_ERR_VAL

SEL_TIMO_MSB2

DELVAL2

ID3

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

00

Таблица 26 – Расшифровка параметров регистра 3

Параметр

Назначение

Значение

EN_ERR_VAL

Тайм-аут заставляет ALU записать 0xFFFFFFFF в регистр выхода

0 = запрещён

1 = разрешён

SEL_TIMO_MSB2

Выбирает делитель для тайм-аут в измеренительном диапазоне 2

0 = 64 мкс

1 = 256 мкс

2 = 1024 мкс

3 = 4096 мкс

DELVAL2

Величина задержки для внутреннего модуля разрешения стопа, событие 2 канал 1

DELVAL2=0 – 16383.96875

Таблица 27 – Содержание регистра 4

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7…0

          k.d

DELVAL3

ID4

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

00

Таблица 28 – Расшифровка параметров регистра 4

Параметр

Назначение

Значение

DELVAL3

Величина задержки для внутреннего модуля разрешения стопа, событие 2 канал 1

DELVAL3=0 – 16383.96875

Таблица 29 – Содержание регистра 5

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7…0

CONF_FIRE

EN_START_NOISE

DIS_PHASESHIFT

REPEAT_FIRE

PHFIRE

ID5

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

00


Таблица 30– Расшифровка параметров регистра 5

Параметр

Назначение

Значение

CONF_FIRE

Конфигурация выхода для генератора импульсов

Бит 31: FIRE_BOTH

Бит 30: разрешает FIRE_UP

Бит 29 разрешает FIRE_DOWN

EN_STARTNOISE

Разрешает дополнительный шум для канала старта

1 = включение модуля шума

DIS_PHASESHIFT

Модуль шума фазы. Улучшает результаты измерения и запускается, когда стартовый импульс генерирования  производится от тактового сигнала

1 = запрещает шум фазы

0 = разрешает шум фазы

REPEAT_FIRE

Число повторений последовательности импульсов для „квазиобзвона“

0 = нет повторения сигнала

1 = 1 повторение сигнала

2 = 2 повторения сигнала

...

7 = 7 повторений сигнала

PHFIRE

Разрешает реверсирование фазы для каждого импульса последовательности вплоть  до 15 возможных импульсов

0 = нет инверсии

1 = инверсия

Таблица 31 – Содержание регистра 6

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7…0

EN_ANALOG

NEG_STOP_TEMP

k.d.

k.d.

k.d.

TW2

k.d.

k.d.

CYCLE_TEMP

CYCLE_TOF

HZ60

FIREO_DEF

QUAD_RES

DOUBLE_RES

TEMP_PORTDIR

k.d.

ID6

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

00

Таблица 32 – Расшифровка параметров регистра 6

Параметр

Назначение

Значение

EN_ANALOG

Активирует аналоговую часть ультразвукового измерителя потока

0 = STOP1 и STOP2 являются цифровыми входами

1 = используется аналоговая секция

NEG_STOP_TEMP

Инвертирует SenseT входной сигнал

0 = нет инверсии

1 = инверсия

TW2

Таймер заряжает конденсатор рекомендуемой RC цепи во время использования внутренней аналоговой части

0 = 90 мкс

1 = 120 мкс

2 = 150 мкс

3 = 300 мкс

CYCLE_TEMP

Выбирает таймер для запуска второго измерения температуры кратное  50/60 Гц

0 = 1

1 = 1,5

2 = 2

3 = 2,5

CYCLE_TOF

Выбирает таймер для запуска второго измерения ToF кратное 50/60 Гц

0 = 1

1 = 1,5

2 = 2

3 = 2,5

HZ60

Временной интервал между двумя измерениями базируется на 50 или 60 Гц.

0 = 50 Гц база, 20 мс

1 = 60 Гц база , 16,67 мс

FIREO_DEF

Определяет уровень по умолчанию неактивного  буффера FIRE.

0 = высокий-Z

1 = низкий

QUAD_RES

Опция улучшения разрешения по фактору 4 с 90 пс до 22 пс

0 = выключено  

1 = включено

DOUBLE_RES

Удваевает разрешение от 90 пс до 45 пс

0 = выключено  

1 = включено

TEMP_PORTDIR

Порты  для измерения температуры измеряют в противоположном порядке

0 = PT1 > PT2 > PT3 > PT4

1 = PT4 > PT3 > PT2 > PT1


ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Листинг 1

#include <SPI.h>

const int slaveSelectPin = 8;

const int resetPin = 4;

const int START = 7;

byte res[2];

byte test;

float r[2];

float ToF;

float Result;

int n=0;

int s[4];

int i=0;

int j=0;

int m=0;

int k=0;

int l=0;

int n=0;

float sred=0;

int shagtime=50;

int pos=0;

int flag=0;

unsigned long time1=0;

unsigned long time1_p=0;

unsigned long time2=0;

unsigned long time2_p=0;

boolean pulse=LOW;

int iteration=0;

float data[4][5000];

float scan[5000];

void RESET()

{

 digitalWrite(resetPin, LOW);

 delay(0.001);

 digitalWrite(resetPin, HIGH);

}

void INIT()

{

 digitalWrite(slaveSelectPin, LOW);

 SPI.transfer(0x70);

 digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH);

}

void writeReg0()

{

 digitalWrite(slaveSelectPin, LOW);

 SPI.transfer(0x80);

 SPI.transfer(0x00);

 SPI.transfer(0x24);

 SPI.transfer(0x10);

 digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH);  

}

void writeReg1()

{

 digitalWrite(slaveSelectPin, LOW);

 SPI.transfer(0x81);

 SPI.transfer(0x19);

 SPI.transfer(0x49);

 SPI.transfer(0x00);

 digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH);  

}

void writeReg2()

{

 digitalWrite(slaveSelectPin, LOW);

 SPI.transfer(0x82);  

 SPI.transfer(0xE0);

 SPI.transfer(0x00);

 SPI.transfer(0x00);

 digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH);

}

void writeReg3()

{

 digitalWrite(slaveSelectPin, LOW);

 SPI.transfer(0x83);

 SPI.transfer(0x00);

 SPI.transfer(0x00);

 SPI.transfer(0x00);

 digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH);

}

void writeReg4()

{

 digitalWrite(slaveSelectPin, LOW);

 SPI.transfer(0x84);

 SPI.transfer(0x20);

 SPI.transfer(0x00);

 SPI.transfer(0x00);

 digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH);

}

void writeReg5()

{

 digitalWrite(slaveSelectPin, LOW);

 SPI.transfer(0x85);

 SPI.transfer(0x10);

 SPI.transfer(0x00);

 SPI.transfer(0x00);

 digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH);

}

void writeReg6()

{

 digitalWrite(slaveSelectPin, LOW);

 SPI.transfer(0x86);

 SPI.transfer(0x00);

 SPI.transfer(0x00);

 SPI.transfer(0x00);

 digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH);

}

void ReadDATA()

{

 digitalWrite(slaveSelectPin, LOW);

 SPI.transfer(0xB0);

 res[1] = SPI.transfer(0x00);

 res[0] = SPI.transfer(0x00);

 digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH);

 r[0]=float(res[0]);

 r[1]=float(res[1]);

 ToF=(r[0]+256*r[1])*0.09;

 Result=ToF*0.299792458/2;

 data[iteration][k]=Result;

 k++;

}

void setup()

{

  pinMode (slaveSelectPin, OUTPUT);

  pinMode (resetPin, OUTPUT);

  pinMode (START, OUTPUT);

  digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH);

  digitalWrite(START, LOW);

  RESET();

  SPI.begin();

  SPI.setDataMode(SPI_MODE1);

  SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV8);

  SPI.setBitOrder(MSBFIRST);

  writeReg0();

  writeReg1();                                

  writeReg2();

  writeReg3();

  writeReg4();

  writeReg5();

  writeReg6();

  attachInterrupt(0, ReadDATA, LOW);

  Serial.begin(9600);

  

  

  

  s[0]=10;

  s[1]=9;

  s[2]=6;

  s[3]=5;

  pinMode(s[0], OUTPUT);

  pinMode(s[1], OUTPUT);

  pinMode(s[2], OUTPUT);

  pinMode(s[3], OUTPUT);

  pinMode(3, INPUT);

  digitalWrite(s[0], LOW);

  digitalWrite(s[1], LOW);

  digitalWrite(s[2], LOW);

  digitalWrite(s[3], LOW);

  delay(1000);

  attachInterrupt(1, STARTSHAG, FALLING);

}

void STARTSHAG()

{

  s[0]=5;

  s[1]=6;

  s[2]=9;

  s[3]=10;

  flag=1;

  pos=0;

}

void ROTATE1()

{

 time1=millis();

 if(time1-time1_p>=shagtime)

 {

   time1_p=time1;

   digitalWrite(s[i], HIGH);

   digitalWrite(s[j], HIGH);

   for (m=0; m<4; m++)

   {

     if(m!=i && m!=j)

     {

       digitalWrite(s[m], LOW);

     }

   }

   if(j==i)

   {

     j=(i+1)%4;

   }

   else

   {

     i=(i+1)%4;

   }

   if (flag==1)

   {

     pos++;

   }

 }

}

void LaserPulse()

{

 time2=micros();

 if(time2-time2_p>=125)

 {

   time2_p=time2;

   pulse=~pulse;

   digitalWrite(START, pulse);

 }

}

void loop()

{

 if(iteration<4)

 {

  ROTATE1();

  if (pos==156)

  {

   s[0]=10;

   s[1]=9;

   s[2]=6;

   s[3]=5;

   flag=0;

   iteration++;

  }

  if(pos>=28&pos<=128)

  {

    LaserPulse();

  }

 }  

 else

 {

   for(l=0, l<5000, l++)

   {

     for(n=0, n<4, n++)

     {

       sred+=(data[n][l])/4;

     }

     scan[l]=sred;

     sred=0;

   }

   for(l=0, l<5000, l++)

   {

     Serial.println(scan[l]);

   }

 }

}


Листинг 2

clear;

clc;

 

A1=zeros(800,800);

A2=zeros(800,800);

alfa=pi/4:pi/2000:3*pi/4;

 

r1=[load('scandata1.txt')];

r2=[load('scandata2.txt')];

 

for i=1:1000

   x1(i)=round(r1(i).*cos(alfa(i)))+400;

   y1(i)=round(r1(i).*sin(alfa(i)));

   x2(i)=round(r2(i).*cos(alfa(i)))+400;

   y2(i)=round(r2(i).*sin(alfa(i)));

end

 

for j=1:1000

   A1(y1(1, j),x1(1, j))=1;

   A2(y2(1, j),x2(1, j))=1;

end

 

 

Image1=im2bw(100*A1);

Image2=im2bw(100*A2);

Image1=~Image1;

Image2=~Image2;

imwrite(Image1, '1scan.jpg');

imwrite(Image2, '2scan.jpg');

 

 

I1  = imread('1scan.jpg');

BW1 = edge(I1,'canny');

[H1,T1,R1] = hough(BW1);

P1= houghpeaks(H1,2,'threshold',ceil(0.1*max(H1(:))));

p1 = T1(P1(:,2)); theta1 = R1(P1(:,1));

 

 

I2  = imread('2scan.jpg');

BW2 = edge(I2,'canny');

[H2,T2,R2] = hough(BW2);

P2= houghpeaks(H2,2,'threshold',ceil(0.1*max(H2(:))));

p2 = T2(P2(:,2)); theta2 = R2(P2(:,1));

 

 

 

L(1,1)=p1(1);

L(1,2)=p1(2);

L(2,1)=p2(1);

L(2,2)=p2(2);

 

F(1,1)=(pi*theta1(1)/180);

F(1,2)=(pi*theta1(2)/180);

F(2,1)=(pi*theta2(1)/180);

F(2,2)=(pi*theta2(2)/180);

 

 

 

fi(1)=atan((L(1,1)*cos(F(1,2))-L(1,2)*cos(F(1,1)))/(L(1,2)*sin(F(1,1))-L(1,1)*sin(F(1,2))));

fi(2)=atan((L(2,1)*cos(F(2,2))-L(2,2)*cos(F(2,1)))/(L(2,2)*sin(F(2,1))-L(2,1)*sin(F(2,2))));

 

ro(1)=((L(1,1)/cos(F(1,1)))+(L(1,2)/cos(F(1,2))))/2;

ro(2)=((L(2,1)/cos(F(2,1)))+(L(2,2)/cos(F(2,2))))/2;

 

dx=ro(2)*cos(fi(2))-ro(1)*cos(fi(1));

dy=ro(1)*sin(fi(1))-ro(2)*sin(fi(2));

 

dfi=(((F(2,1)-F(1,1))+(F(2,2)-F(1,2)))/2)*180/pi;


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84197. РАК ОРГАНОВ ПИЩЕВАРЕНИЯ 28.13 KB
  Рак пищевода чаще всего возникает на границе средней и нижней трахеи его что соответствует уровню бифуркации трахеи. Предрасполагают к развитию рака пищевода хроническое раздражение его слизистых алкоголь курение грубая горячая пища рубцевые изменения после ожога инфекции пект анато мические нарушения дивертикулы этиология эпителия и желез. Среди предраковых изменений наибольшее значение имеют лейкоплания и дисплазия эпителия слизистой оболочки.
84198. БОЛЕЗНИ ПЕЧЕНИ. ГЕПАТИТЫ 26.06 KB
  ГЕПАТИТЫ Определение гепатита Вирусные гепатиты Вирусный гепатит В Болезни печени разнообразны. Возникновение первичного гепатита т. гепатита как самостоятельного заболевания чаще всего связано с воздействием генатотропного вируса вирусный гепатит алкоголя алкогольный или лекарств медикаментозный. Этиология вторичного гепатита т.
84199. БОЛЕЗНИ ПЕЧЕНИ. ГЕПАТОЗЫ. ЦИРРОЗ 23.49 KB
  ЦИРРОЗ Определение гепатоза Патологическая анатомия гепатоза Жировой гепатоз Цирроз печени Гепатозы заболевания печени характеризующиеся дистрофией и некрозом гепатоцитов. Наибольшее значение имеют токсическая дистрофия или прогрессирующий массивный некроз печени острое реже хроническое заболевание характеризующееся прогрессирующим массивным некрозом печени и печеночной недостаточностью. Затем она уменьшается становится дряблой а капсула морщинистой на разрезе ткань печени серая глинистого цвета.
84200. БОЛЕЗНИ ПОЧЕК. ГЛОМЕРУЛОПАТИИ 25.2 KB
  Патологическая анатомия Острый гломерулонефрит Хронический гломерулонефрит Нефротический синдром Фокальный сегментарный гломерулярный склероз Болезни почек при которых наблюдаются протеинурия спайки и гипертрофия сердца были объединены в начале XIX в. В настоящее время выделяют 2 нефролопатии или группы заболеваний почек гломерулои тубулопатии. Особую группу составляют пороки развития почек прежде всего политестеоз опухоли почек.
84201. БОЛЕЗНИ ПОЧЕК. АМИЛОИДОЗ ПОЧЕК. ТУБУЛОПАТИИ 23.58 KB
  В латентной стадии внешне почки изменены мало хотя в пирамидах сосочках обнаруживается склероз и амилоидоз по ходу прямых сосудов и собирательных трубок. В протеинурической стадии амилоидоз появляется в пирамидах и в клубочках в виде небольших отложений в мезонгии и отдельных капиллярных петлях в артериалах. В нефротические стадии количество амилоида увеличивается. В азотенической уремической стадии в связи с нарастающим амилоидозом и склерозом наблюдаются гибель нефронов их атрофия замещение соединительной тканью.
84202. БОЛЕЗНИ ПОЛОВЫХ ОРГАНОВ И ГРУДНЫХ ЖЕЛЕЗ 26.74 KB
  К ним относятся модулярная гиперплазия и аденома предстательной железы железистая гипоплация слизистой оболочки матки эндоцервикоз аденоматоз и полипы шейки матки доброкачественная дисплазия молочной железы. Модулярная гиперплазия и аденома предстательной железы наблюдается у 95 мужчин старше 70 лет. Мышечнофиброзная появлением значительного числа гладкомышечных волокон среди которых обнаруживаются атрофичные железистые элементы дольчатость железы нарушается.
84203. ПАТОЛОГИЯ БЕРЕМЕННОСТИ И ПОСЛЕРОДОВОГО ПЕРИОДА 26 KB
  К паталогии беременности относят: гестоз; внематочную беременность; самопроизвольный аборт; преждевременные роды; в пузырный занос. Экламксия среди проявлений токсикоза беременных наиболее клинически значима и опасна развивается во второй половине беременности реже в родах и послеродовом периоде. Развитие внематочной беременности связано с теми изменениями маточных труб которые препятствуют продвижению по ним оплодотворенного яйца хроническое воспаление врожденные аномалии опухоль.
84204. ПОНЯТИЕ ОБ ИНФЕКЦИОННЫХ БОЛЕЗНЯХ. МЕСТНЫЕ И ОБЩИЕ РЕАКЦИИ ПРИ ИНФЕКЦИЯХ. СЕПСИС 26.41 KB
  В таких случаях говорят об экзогенной инфекции. Однако заражение может быть эндогенным тогда и речь идет об эндогенной инфекции или аутоинфекции. Для инфекционных заболеваний характерен ряд общих признаков: каждое инфекционное заболевание имеет своего возбудителя который выявляется в крови или экскрементах больного; возбудитель инфекционной болезни имеет входные ворота характерные для каждой инфекции; при инфекционной болезни наблюдается образование первичного аффекта очага который обычно появляется во входных воротах. Сепсис ...
84205. КИШЕЧНЫЕ ИНФЕКЦИИ. ХОЛЕРА. САЛЬМОНЕЛЛЕЗЫ 23.78 KB
  САЛЬМОНЕЛЛЕЗЫ Холера Сальмонеллезы Холера острое инфекционное заболевание с преимущественным поражением желудка и тонкой кишки. В тонкой кишке отмечаются резкое полнокровие отек некроз и слущивание энтелиальных клеток ворсин инфильтрация слизистой лимфоцитами нейтрофилии очаги кровоизлияний. Между петлями тонкой кишки обнаруживается прозрачная липкая тянущаяся в виде нитей слизь. Септическая форма отличается от интерстициальной тем что при незначительно выраженных изменениях в тонкой кишке гесперемия отек гиперплазия лимфатического...