Разработка мехатронной системы ориентирования с использованием SLAM технологии

Работа выполнена согласно требований ГОСТ. Сдана на отлично. Уровень оригинальности текста на антиплагиат.ру составил 75 ...

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 механикойсканера 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

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 определен ных 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.

Трехмерная модель основания приведена на рисунке (Рисунок 27).Рисунок 27 – 3D-модель основанияНа 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 платформыВращающаяся 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 объективаНа корпус объектива монтируются:Собирательная линза, диаметром 30 мм и с фокусным расстоянием 51 мм;Полосовой светофильтр, диаметром 14 мм и толщиной 2мм, пропускающий только инфракрасное излучение;Плата с электронной схемой фотоприёмного устройства.Так же на 3D принтере изготавливались корпусные детали включающие в себя следующие элементы:Оправа лазерного диода;Корпус лазерного излучателя;Передняя крышка корпуса излучателя;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 диодаНа 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 излучателяНа 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 излучателяТак 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 излучателяПосле изготовления деталей производится сборка лазерного излучателя. Схема сборки приведена на рисунке (Рисунок 34).Рисунок 34 – Схема сборки лазерного излучателяДля 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 устройстваДля 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 датчикаДля монтажа платы Arduino UNO было изготовлено специальное крепление, трехмерная модель которого приведена на рисунке (Рисунок 37).Рисунок 37 – 3D-модель крепления платы Arduino UNOАлгоритм измерения расстоянияБлок-схема алгоритма измерения расстояния приведена на рисунке (Рисунок 37)Рисунок 37 – Алгоритм измерения расстоянияИнициализация 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.Алгоритм сканирования и построения изображенияБлок – схема алгоритма сканирования приведена на рисунке (Рисунок 38).Рисунок 38 – Алгоритм сканированияВ 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 изображенияВходными 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 ri – i-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.Проведение экспериментовИсследование точности на разных дистанцияхВ 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 метраРезультаты измерений на дистанции 4 метра приведены на рисунке (Рисунок 41)Рисунок 41 – Результаты измерений на дистанции 4 метраРезультаты измерений на дистанции 8 метра приведены на рисунке (Рисунок 42)Рисунок 42 – Результаты измерений на дистанции 8 метровДля 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 вероятностейПо 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 расстоянияНа графике видно что погрешность измерений находится в пределах ±2 % от измеряемого расстояния.Определение перемещения на основе анализа изображения полученного при сканированииВ ходе ВКР был проведен опыт по определению перемещения сканирующего лазерного дальномера. Схема проведения эксперимента приведена на рисунке (Рисунок 45).Рисунок 45 – Схема проведения экспериментаСначала 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 сканаИзображение второго скана приведена на рисунке (Рисунок 47)Рисунок 47 – Изображение второго сканаПосле 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 поворотаПрямые 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 изображенииИзображение первого скана в накопительном пространстве Хафа приведена на рисунке (Рисунок 50).Рисунок 50 – Первое изображение в накопительном пространстве ХафаПрямые найденные на втором изображении приведены на рисунке (Рисунок 51).Рисунок 51 – Прямые обнаруженные на втором изображенииИзображение второго скана в накопительном пространстве Хафа приведена на рисунке (Рисунок 52).Рисунок 52 – Второе изображение в накопительном пространстве ХафаПараметры прямых линий, найденные в среде Matlab приведены на рисунке (Рисунок 53).Рисунок 53 – Параметры прямых линийВыходными 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 MatlabВ 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 экспериментаОрганизационно-управленческая частьЛазерные 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 сканераСтоимостьСтоимость сканера складывается и нескольких составляющих [24]:Стоимость вычислительного блока;Стоимость лазерного излучателя;Стоимость фотоприёмного устройства;Стоимость генератора стартового импульса;Стоимость блока питания;Стоимость механической части;Стоимость плат и межплатных связей;Стоимость оптической системы;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 блокаНаименованиеКоличествоЦенаСтоимостьArduino UNO1670670TDC-GP221460460Кварцевый резонатор22550Резисторы 30.0050.015Конденсаторы80.0050.04Итого1180.055Лазерный 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 излучателяНаименованиеКоличествоЦенаСтоимостьЛазерный диод112001200Транзистор16060Конденсаторы 50.0050.025Резисторы 50.0050.025Драйвер транзистора1120120Оптрон 13333Диоды11010Итого1423.05Фотоприёмное 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 устройстваНаименованиеКоличествоЦенаСтоимостьФотодиод1270270Операционный усилитель3320980Компаратор 1350350Резисторы 320.0050.16Конденсаторы 280.0050.14Диоды 31030Итого1630.3Генератор стартового импульса служит формирования логического сигнала START для вычислительного блока. Стоимости элементов приведена в таблице (Таблица 10).Таблица 10 – Стоимость генератора стартового импульсаНаименованиеКоличествоЦенаСтоимостьФотодиод 1270270Компаратор 1350350Резисторы 80.0050.04Конденсаторы100.0050.05Итого620.09Блок питания необходим для преобразования напряжения аккумулятора в напряжения питания блоков сканера. Стоимости элементов приведены в таблице (Таблица 11).Таблица 11 – Стоимость блока питанияНаименованиеКоличествоЦенаСтоимостьПреобразователь напряжения36802040Стабилизатор напряжения3140420Конденсаторы320.0050.16Итого 2460.16Механика сканера служит для вращения дальномера в горизонтальной плоскости. Стоимости элементов приведены в таблице (Таблица 12).Таблица 12 – Стоимость механической частиНаименованиеКоличествоЦенаСтоимостьШаговый двигатель1750750Пластмасса0.51100550Транзисторы 460240Резисторы 50.0050.025Диоды 41040Конденсаторы10.0050.005Светодиод 155Фотодиод 1130130Резисторы 20.0050.005Итого 1715.035Все 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 связейНаименованиеКоличествоЦенаСтоимостьМакетная плата2120240МГТФ23.57Разъемы8540Итого 287Для точного измерения расстояния на большой дистанции дальномеру необходима оптическая система. Стоимости элементов оптической системы приведена в таблице (Таблица 14).Таблица 14 – Стоимость оптической системыНаименованиеКоличествоЦенаСтоимостьКоллиматор 1220220Линза 2130260Оптический фильтр17575Итого555Разработчику сканера необходимо платить заработную плату в соответствии с объёмом выполняемой работы. В разработке принимает участие инженер-конструктор. Разработка делится на 3 этапа:Разработка электронной схемы;Разработка механической части;Разработка программного обеспечения.Трудоёмкости каждого этапа приведена в таблице (Таблица 15).Таблица 15 – Оплата труда разработчиковВид работыТрудоемкостьРазработка электронной схемы80Разработка механической части20Разработка программного обеспечения40Итого140Тарифная ставка инженера-конструктора 3 категории – 120 рублей в час. Стоимость разработки, исходя из объёма работ и тарифной ставки, составляет 16800 рублей.(41)Затраты на электроэнергиюМощность 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.Охрана труда и защита окружающей средыНа данном этапе выпускной квалификационной работы рассмотрим условия труда инженера – конструктора на стадии разработки лазерного сканирующего дальномера.Характеристика параметров по обеспечению безопасности трудаХарактеристика нормативных параметров микроклимата рабочего помещенияМикроклимат 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:повышенная или пониженная влажность воздуха;повышенная или пониженная подвижность воздуха;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.