Разработка программного обеспечения сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create

Для обнаружения препятствий, расположенных на небольшом расстоянии, можно использовать излучающий ИК-светодиод с небольшим фотоприемником. В совокупности компоненты называют оптопарой.

Используемый принцип обнаружение препятствия близок к принципу работы датчика отражения, но с одним усовершенствованием. ИК-излучение должно быть не непрерывным, а импульсным, что позволит исключить паразитные ИК-излучения (солнечный свет, источник тепла). При наличии препятствия перед роботом излучение отражается и принимается приемником. Но эффективность этой системы зависит от мощности излучения, угла отражения, происхождения и цвета препятствия.

Импульсное излучение модулирует несущую волну на частоте 40 кГц. Эта частота является стандартной несущей частотой всех коммуникационных систем, использующих ИК-излучения (пульты дистанционного управления телевизорами и прочие приборы). Излученный сигнал принимается специальным приемным модулем, который включает в себя фотодиод, усилитель и демодулятор, работающий на частоте 40 кГц. Модуль после демодуляции преобразует ее в цифровую форму и в уровнях, непосредственно совместимых с уровнями сигналов на входах платы управления.

Для обеспечения достоверности информации необходимо, чтобы продолжительность излучения составляла примерно 1 мс, а между излучениями выдерживалась пауза длительностью 1 мс. Во время излучения выполняется чтение приемника, наличие препятствия подтверждается отсутствием сигнала приемника при отсутствии излучения. Указанные промежутки могут быть сокращены при испытаниях в конкретной ситуации.

Схема датчика представлена на рисунке 2.6.



Рисунок 2.6 - Схема детектора приближения

Для увеличения или уменьшения расстояния обнаружения можно изменить номинал резистора.

Функция измерения расстояния обеспечивает проверку положения робота, рассчитанного другими способами. Долгое время измерение расстояния являлось прерогативой ультразвуковых систем из-за относительно небольшой стоимости по сравнению с лазерными телеметрическими датчиками. Ситуация изменилась после разработки технологичных телеметрических ИК-датчиков. Они обеспечивают достаточно точно измерение расстояний в пределах от 10 до 80 см при помощи инфракрасного излучения.

Для расчета расстояния или наличия объекта в поле зрения эти датчики используют триангуляцию совместно с сетью фотодиодов. Идея заключается в излучении коротких и мощных ИК-импульсов, которые отражаются объектом или теряются, если не попали в поле его зрения. В случае отражения на детектор поступает луч в точке, образующей треугольник с точкой излучения и обнаруженным объектом (рис. 2.7).

Угол отражения в треугольнике меняется в зависимости от расстояния до обнаруженного объекта. Точность датчика повышается линзой детектора. Фазочувствительный детектор положения определяет угол отражения и рассчитывает расстояние до объекта. Этот способ позволяет исключить влияние окружающего освещения, а также цвета обнаруженного объекта. Соответственно, возможно обнаружить черную стену при полном освещении помещения.

Рисунок 2.7 - Принцип работы телеметрических ИК-датчиков [13]

2.2.4 Пироэлектрические датчики

Пироэлектричекие датчики способны обнаруживать тепло, исходящее от человеческого тела или от огня. В самом деле, живые существа - люди или теплокровные животные - излучают инфракрасное излучение (в диапазоне от 8 до 10 мкм), которое может быть обнаружено пироэлектрическими датчиками. Эта особенность используется для обнаружения несанкционированного движения человека в системах тревожной сигнализации. Пироэлектрические датчики другого типа используются для обнаружения возгорания и подачи сигнала срабатывания на систему пожарной сигнализации. Датчики последнего типа представляют собой УФ-датчики, чувствительные к излучениям, исходящим от огня (от 185 до 260 нм).

2.2.5 Звуковые датчики

Окружающие нас предметы могут передавать полезные звуки, которыми даже лечат больных или проводят релаксацию работников, подверженных стрессу. Но они могут издавать и вредные звуки, которые называют источниками звуковых «загрязнений». Чем выше частота звука, тем с большей точностью можно определить направление на него. Звуки распространяются со скоростью 320 м/с, если их измерять на уровне моря при температуре 25 °С. При других условиях скорость может отличаться от приведенной. Звуки используются разными способами. С их помощью можно общаться с роботом или обнаруживать препятствия, на которых звуки образуют эхо.

Датчик детектирования звуков представляет собой классический микрофон, сигнал которого усиливается до определенного уровня. Декодирование звуковой команды для исполнения роботом может потребовать значительных ресурсов, если речь идет о распознавании звуков человеческого голоса. Но если для общения с роботом довольствоваться выбором одной определенной частоты, положение дел значительно упрощается. В этом заключается причина успеха небольших роботов, которые реагируют на такие простые однотонные звуки, как хлопанье в ладоши или свист.

В данном случае, как правило, используется два электронных устройства: частотный детектор селектирующий из множества одну определенную частоту, и преобразователь «частота-напряжение», генерирующий напряжение, пропорциональное поступающей на его вход частоте.

Схема, показанная на рисунке 2.8, является одной из возможных реализаций преобразователя частоты в напряжение. Устройство работает по следующему принципу: сигнал, вырабатываемый микрофоном, усиливается интегральной схемой LM386. Она представляет собой усилитель звуковых частот определяемых источником питания +5 В, работающий в диапазоне низких напряжений. Интегральная схема LM2917 -- это преобразователь частота-напряжение.



Рисунок 2.8 - Схема преобразования частоты в напряжение

Ультразвуковые частоты лежат выше диапазона звуковых частот и обладают узкой направленностью. Это свойство ультразвуковых сигналов позволило использовать их для измерения расстояний от нескольких сантиметров до 11 м. Ультразвуковая система измерения расстояния излучает спектр частот в полосе частот 40 кГц, а затем измеряет время возврата (отклика) отраженного сигнала. Так как излученный сигнал прошел расстояние от источника до препятствия дважды, измеренное время должно быть разделено на два. Для получения расстояния остается умножить полученный результат на скорость звука.

Теоретически измерить расстояние с помощью ультразвука может показаться простой задачей, но на практике возникают проблемы с правильным приемом отраженного сигнала. Первая проблема - паразитное взаимодействие передатчика и приемника, когда часть сигнала передатчика «просачивается» на вход своего же приемника, в результате чего через несколько секунд после излучения импульса генерируется ложное эхо. Во-вторых, амплитуда отраженного сигнала уменьшается пропорционально пройденному расстоянию.

Первой решение этих проблем предложила компания Polaroid, которая уже 20 лет тому назад изобрела мгновенный фотоаппарат со встроенной системой распечатки снимков.

Polaroid решила проблему, изменяя коэффициент усиления в зависимости от времени (минимальный коэффициент усиления в начале увеличивается с прошествием времени), и блокируя в течение нескольких миллисекунд любой принятый отраженный сигнал.

2.2.6 Датчики положения

Знание положения для выбора направления движения - это одна из проблем для ориентации робота. Точное знание своего положения и ориентация относительно отправной точки представляет собой непростую задачу, которая требует привлечения значительных математических ресурсов [15]. Но не всегда требуется знать точное положение. Для некоторых роботов достаточно простого указания для ориентации направления их движения.

Для определения своего местоположения робот может воспользоваться несколькими способами. Используемая информация бывает абсолютной или относительной.

Система глобального позиционирования (GPS - Global Position System) позволяет определить местоположение любого мобильного (сухопутного или водного) транспортного средства на земном шаре с точностью, достаточной для него, но недостаточной для робота, установленного на предприятии. Решение заключается в установке неподвижных маяков на маршруте движения робота для передачи ему необходимой информации. Для повышения точности определения местоположения в качестве возможного дополнительного навигационного маяка можно использовать электронный компас, но магнитные поля двигателей часто снижают достоверность его работы.

В некоторых случаях достаточно знать угол вращения относительно оси. Робот-пылесос, направляясь к разъему зарядного устройства, довольствуется изменением угла вращения относительно источника света, установленного в устройстве.

Ориентиры выполняют для роботов ту же роль, что и маяки для морских судов. Они могут указывать на препятствия, от которых следует уклониться, или передавать другую нужную роботу информацию. В случае с роботами маяк может быть пассивным или активным. Простейшие пассивные маяки представляют собой отражающую ленту, а самые сложные - штрих-коды. Они могут передавать простую или более сложную информацию. Таким образом, несколько маяков, установленных на маршруте движения робота, передают ему информационные сообщения об относительном или абсолютном положении.

Активные маяки дают возможность проводить измерения на базе сигналов различных диапазонов частот. Для общения с роботом используются инфракрасные, ультразвуковые или звуковые сигналы. Ультразвуковые сигналы обеспечивают возможность измерения расстояний или курсовых углов между маяками и роботом. Задача робота заключается в идентификации этих маяков. ИК-сигналы позволяют кодировать излучения для различения маяков. Звуковые сигналы способны при необходимости заменить ультразвуковые сигналы. Первый вариант взаимодействия сигналов различных частот - маяки передают кодированные ИК-сигналы, которые робот получает, направляясь к ним. Второй вариант взаимодействия - робот излучает ИК-луч, активирующий маяки. В свою очередь, маяки излучают спектр ультразвуковых сигналов, измеряемый роботом.

Еще один вид датчиков положения - гироскопы представляют собой датчики, позволяющие измерять угол вращения робота относительно выбранной оси. Гироскоп предназначен для двух следующих измерений: угла поворота робота или его угловой скорости. Он представляет собой датчик угловой скорости, основанный на явлении кориолисовых сил. Это явление возникает в результате передачи на гироскоп определенной угловой скорости вращения. На рис. 2.9 представлен принцип работы датчика.



Рисунок 2.9 - Принцип роботы пьезоэлектрического гироскопа

2.2.7 Датчики внутреннего состояния робота

Датчики этого типа сообщают информацию о внутреннем состоянии робота [16]. Плата управления робота обрабатывает информацию с датчиков - прежде всего, ток потребления двигателей и напряжение питания батареи. Но внутренние датчики могут также сообщать информацию о температуре или выполнять тестирование внешних датчиков.

Для измерения напряжения батареи используется делитель напряжения с активным сопротивлением, который обеспечивает напряжение 5 В при полной зарядке батареи. Получаемые при измерениях значения напряжений меняются в зависимости от того, работает ли робот, или он выключен. В состоянии покоя напряжение всегда выше значения для батареи, подающей ток. О реальном состоянии батарей следует судить по их напряжению при работе робота.

Измерение тока потребления двигателей также является очень важной информацией. Оно может либо подтвердить нормальную работу робота, либо указать блокировку одного из двигателей. В случае блокировки робот должен вращаться вокруг своей реи вместо движения по прямой. Если эта неисправность не будет вовремя устранена, двигатель может выйти из строя при повышении тока больше максимально допустимого. Как правило, для определения тока, потребляемого двигателями, используются резисторы небольшого номинала, подключаемые последовательно с каждым из двигателей.

Чрезмерное увеличение температуры электронных компонентов или двигателей представляет собой верный признак неисправности в их работе. В этом случае достаточно использовать терморезистор с отрицательным или положительным температурным коэффициентом сопротивления совместно с каким-либо резистором для образования делителя напряжения, напряжение с которого можно прочесть через аналоговый вход платы управления. Существуют также датчики температуры, которые вырабатывают аналоговое напряжение, пропорциональное температуре.

2.3 Сенсорная система iRobot Create

iRobot Create имеет следующие внешние датчики (рисунки 2.10, 2.11):

- два датчика столкновения, для обнаружения удара слева или справа. Они расположены внутри бампера робота;

- инфракрасный приемник, расположенный сверху на передней части робота (используется вместе с виртуальной стеной, домашней базой);

- датчики спада, находящиеся на ведущих колесах, переднем и заднем ролике;

- четыре ИК-датчика, расположенных под бампером.

К внутренним датчикам относятся:

- датчик, показывающий превышение потребляемого тока левым колесом;

- датчик, показывающий превышение потребляемого тока правым колесом;

- два одометра, расположенных на ведущих колесах;

- напряжение батареи;

- температура батареи;

- датчик заряда батареи.



Рисунок 2.10 - iRobot Create (вид сверху)

Рисунок 2.11 - iRobot Create (вид снизу)

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ IROBOT

3.1 Открытый интерфейс iRobot Create

iRobot Create содержит последовательный протокол передачи данных, называемый открытым интерфейсом (OИ), используемый для управления роботом и чтения состояния его датчиков.

Открытый интерфейс (OИ) состоит из аппаратного и программного интерфейсов. Аппаратный интерфейс включает в себя 7 контактный разъем Mini-DIN и 25 контактный разъем в грузовом отсеке для подключения оборудования, например, манипулятора, оптического датчика и т.д. Программный интерфейс позволяет манипулировать поведением робота, считывать данные с его датчиков, а также выполнять ряд других.

Каждая команда начинается из однобайтового кода операции. Некоторые из команд должны следовать за байтами данных. Все команды ОИ включают заданное количество байт данных. После команды необходимо указать количество байт данных, иначе, процессор робота войдет в состояние «ожидание».

ОИ Create имеет четыре режима работы: выключенный, пассивный, безопасный и полный. После замены батареи или первой подзарядки ОИ находится в выключенном режиме. При этом скорость передачи данных установлена на 57600 или 19200 байт/с для получения команды Старт. После этой команды можно включить любой из трёх оставшихся режимов.

Находясь в пассивном режиме можно получать данные с датчиков робота, но нельзя изменять параметры исполнительных механизмов (двигатель, динамик и т.д.). В этом режиме также доступно выполнение демонстрационных команд.

Безопасный режим дает полный контроль над iRobot Create, за исключением следующих положений:

- обнаружение обрывов при движении вперед;

- обнаружение спада колеса (любого);

- обнаружение зарядного устройства.

Если попытаться выполнить запрещенную команду, робот вернется в пассивный режим.

В полном режиме возможен контроль над всеми исполнительными механизмами и запрещенными в безопасном режиме командами.

Передача команд с ПК осуществляется через последовательный порт (COM-порт) с помощью программ, работающих с потоками данных, например - RealTerm. RealTerm очень хороший и функциональный пакет для работы с последовательным портом ПК, имеет множество настроек, позволяет выводить и считывать байты в различных форматах, и протоколах, тестировать порты, и многое другое. Интерфейс этой программы представлен на рисунке 3.1.

Список основных команд приведен в таблицах А.1, А.2.

Рисунок 3.1 - Интерфейс программы RealTerm

Начинать работу с роботом необходимо с команды Старт, которой соответствует код операции номер 128. После неё необходимо указать режим работы (при первом обращении к iRobot Create), а потом интересующий нас код. Например: последовательность 128 132 142 9 переведет робот в полный режим и прочтет состояние датчика спада левого колеса.

Как видно из Рисунка 3.1 программа RealTerm будет сложной для понимания пользователям, плохо разбирающимся в аппаратном и программном обеспечении. Поэтому, будет целесообразно написать программу с более дружественным интерфейсом. Это возможно сделать с помощью таких языков как C#, C++, Delphi.

3.2 Описание программного обеспечения

Программа была разработана в среде программирования Borland Delphi и рассчитана для работы с открытым интерфейсом iRobot.

Delphi - язык программирования, который используется в одноимённой среде разработки. Сначала язык назывался Object Pascal. Начиная со среды разработки Delphi 7.0, в официальных документах Borland стала использовать название Delphi для обозначения языка Object Pascal.

Поскольку Delphi является визуальная среда разработки программ, она максимально упрощает создание приложения и облегчает жизнь программисту, упрощая процесс формирования внешнего вида программы. При этом можно больше внимания уделить логике выполнения программы и непосредственно заниматься созданием математической части приложения.

Delphi - результат развития языка Турбо Паскаль, который, в свою очередь, развился из языка Паскаль. Паскаль был полностью процедурным языком, Турбо Паскаль, начиная с версии 5.5, добавил в Паскаль объектно-ориентированные свойства, а в Object Pascal - динамическую идентификацию типа данных с возможностью доступа к метаданным классов (то есть к описанию классов и их членов) в компилируемом коде, также называемом интроспекцией - данная технология получила обозначение RTTI. Так как все классы наследуют функции базового класса TObject, то любой указатель на объект можно преобразовать к нему, после чего воспользоваться методом ClassType и функцией TypeInfo, которые и обеспечат интроспекцию.

Также отличительным свойством Object Pascal от С++ является то, что объекты по умолчанию располагаются в динамической памяти. Однако можно переопределить виртуальные методы NewInstance и FreeInstance класса TObject. Таким образом, абсолютно любой класс может осуществить «желание» «где хочу - там и буду лежать». Соответственно организуется и «многокучность».

Object Pascal (Delphi) является результатом функционального расширения Turbo Pascal.

Среда Delphi была выбрана, потому, что является визуальной, а визуальность дает удобные средства разработки для более быстрого написания кода.

Мною была взята существующая программа iRobot Create и дополнена некоторыми процедурами для получения данных с датчиков.

Далее идет пример некоторых процедур программы.

Процедура, выполняющая получение данных с датчиков:

procedure TfrmCreateMain.doRequestSensorData(logit: boolean);

begin

// очистить буфер и приготовится получить данные с датчиков

bufptrstart:= 0; // сделать значения равными 0

bufptrend:= 0;

buflength:= 0;

sensor_index:= 0;

refreshtimercnt:= 0;

reading_sensors:= true;

doSend('142 6', logit);

end;

С помощью этой процедуры робот переводится в пассивный режим:

procedure TfrmCreateMain.btnPassiveModeClick(Sender: TObject);

begin

reading_sensors:= false;

doSend('128'); // отправка команды, устанавливающая робот в пассивный // режим

doRequestSensorData(true);

PageControl1.ActivePage:=tabSensors; // вывод значений датчиков

end;

Следующая процедура получает данные о спаде колес, датчиках бампера и ИК-датчиках, находящихся под бампером:

procedure TfrmCreateMain.ProcessSensorData;

var

i: integer;

dist,angl: smallint;

begin

// Спад колес

if (sensors[SenBumpDrop] and 16) = 16 then // проверка ролика на спад

shCaster.Brush.color:= clRed // закрасить фигуру в красный, если есть спад

else

shCaster.Brush.color:= clGreen; // закрасить в зеленый

if (sensors[SenBumpDrop] and 8) = 8 then // проверка на спад левого колеса

shLeftWheel.Brush.color:= clRed

else

shLeftWheel.Brush.color:= clGreen;

if (sensors[SenBumpDrop] and 4) = 4 then // проверка на спад правого колеса shRightWheel.Brush.color:= clRed

else

shRightWheel.Brush.color:= clGreen;

// Бампер

if (sensors[SenBumpDrop] and 2) = 2 then // проверка значения 1-го датчика

// бампера

shBumpLeft.Brush.color:= clRed // если есть касание, закрасить фигуру в // красный

else

shBumpLeft.Brush.color:= clGreen;

if (sensors[SenBumpDrop] and 1) = 1 then

shBumpRight.Brush.color:= clRed

else

shBumpRight.Brush.color:= clGreen;

// ИК-датчики под бампером

if (sensors[SenCliffL] = 1) then // проверка 1 ИК-датчика под бампером

shCliffLeft.brush.color:= clRed // если под датчиком нет поверхности - // закрасить его на схеме в красный

else

shCliffLeft.brush.color:= clGreen;

lblCliffLeft.caption:= inttostr((sensors[SenCliffLSig1] shl 8) + sensors[SenCliffLSig0]);

if (sensors[SenCliffFL] = 1) then// аналогично к первому проверка 2-го // датчика

shCliffFrontLeft.brush.color:= clRed

else

shCliffFrontLeft.brush.color:= clGreen;

lblCliffFrontLeft.caption:= inttostr((sensors[SenCliffFLSig1] shl 8) + sensors[SenCliffFLSig0]);

if (sensors[SenCliffFR] = 1) then

shCliffFrontRight.brush.color:= clRed

else

shCliffFrontRight.brush.color:= clGreen;

lblCliffFrontRight.caption:= inttostr((sensors[SenCliffFRSig1] shl 8) + sensors[SenCliffFRSig0]);

if (sensors[SenCliffR] = 1) then

shCliffRight.brush.color:= clRed

else

shCliffRight.brush.color:= clGreen;

lblCliffRight.caption:= inttostr((sensors[SenCliffRSig1] shl 8) + sensors[SenCliffRSig0]);

Интерфейс программы показан на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Интерфейс программы

Подключение к COM-порту осуществляется с помощью компонента TComPort. Для установки этого компонента и подключения его к программе необходимо в меню Delphi выбрать Component->Install Component, далее открыть вкладку «Into new package tab» и открыть файл CPort.pas, находящийся на диске, приложенном к дипломному проекту, и нажать кнопку «ОК» для компиляции и установки компонента.

3.3 Руководство пользователя

После открытия программа имеет интерфейс показанный на Рисунке 3.2. Для начала работы с программой необходимо открыть вкладку «Датчики» и нажать на кнопку «Открыть Com-порт…». После нажатия на эту кнопку, появится окно с установками для подключению к Com-порту (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 - Установки для подключения к Com-порту

Baud rates устанавливает скорость передачи данных, Stop Bits устанавливает стоповый бит, data bits устанавливает количество бит в слове, Pfrity утанавливает проверку на четность. Необходимо установить следующие значения: количество бит в слове - 8; стоповый бит - 1; проверка четности - нет; скорость - 57600.

Потом выбрать «Пассивній режим», для того, чтобы убедиться, что программа считывает данные с датчиков робота, и установить фляжок «Автоматическое обновление» равное 300 мс. После этого программа должна отобразить значения всех датчиков. Для осуществления полного контроля над роботом необходимо нажать на кнопку «Полній режим». С помощью кнопок «Отправить 2» и «Отправить 3» можно отправлять роботу собственные скрипты. Кнопки «Вперед» и «Назад» позволяют осуществлять движение вперед и назад, соответственно, а кнопки «Вправо» и «Влево» - поворот вправо и влево, соответственно. В программе существуют следующие поля: «Пройденная дистанция» - показывает пройденное расстояние, мм; «Угол поворота» - показывает угол поворота, мм; «Скорость» - скорость, мм/с; «Левого колеса» и «Правого колеса» - скорость левого и правого колес, соответственно; «Состояние зарядки» - состояние заряда батареи; «Напряжение батареи» - напряжение батареи, мВ; «Температура батареи» - температура батареи, ^оC.

В верхнем левом углу вкладки датчики расположен схематический рисунок робота, на котором показаны состояние датчиков спада колес (прямоугольники), бампера(овалы), ИК-датчиков расположенных под бампером(квадраты). Окраска этих фигур в зеленый цвет означает, что робот не обо что не ударяется и стоит на твердой поверхности. В противном случае датчики окрашиваются в красный цвет.

На вкладке «Log» показываетя код команды отправленной роботу.

4. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНИ И ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

4.1 Анализ условий труда

Анализ условий труда проводится с точки зрения выявления возможных (потенциальных) опасных и вредных производственных факторов, созданных техническими средствами, технологическими процессами, неправильной организацией труда в производственных помещениях и на рабочих местах [17].

Помещение, где разрабатывается программное обеспечение сенсорной системы мобильной платформы iRobot, представляет собой вычислительный центр, который расположен на шестом этаже двенадцатиэтажного кирпичного здания. Производственное помещение имеет размеры 12x9x4 м. Таким образом площадь помещения составляет 108 м², а его объем 432 м³. В помещении вычислительного центра работают 7 человек, находятся 7 ПЭВМ типа IBM PC, лазерный принтер и сканер. На каждого работающего отводится 15,4 м² площади и 61.7 м³ объема помещения, что соответствует требованиям ДНАОП 0.00-1.31-99, при норме 6 м² и 20 м³ на 1 работающего.

Сеть электропитания - трехфазная четырехпроводная с глухозаземленной нейтралью, напряжение - 380/220 В.

Для данного помещения выделим и проанализируем систему «Человек-Машина-Среда». Подсистемами данной системы являются: «Человек», «Машина», «Среда». Составляющими элементами подсистемы «Человек» являются операторы ЭВМ (для моего случая это программист). Составляющими элементами подсистемы «Машина» являются ПЭВМ, принтеры и другие периферийные устройства (для моего случая это ПК, лазерный принтер и сканер). Составляющими элементами подсистемы «Среда» является производственная среда в помещении. Предмет труда- то с чем человек работает (в моем случае с разработкой программ).

Элемент “человек” рассматривается с трех сторон.

Ч1 - это человек, управляющий машиной главным образом для выполнения основной задачи системы - производства выходного продукта, а также обеспечения возможности этого производства;

Ч2- это человек (коллектив), рассматриваемый с точки зрения непосредственного влияния на окружающую среду (за счет тепло- и влаговыделения, потребление кислорода и т.д.);

Ч3 - это человек, рассматриваемый с точки зрения его функционального состояния под влиянием факторов, воздействующих на него в производственном процессе.

Элемент “машина” делим на составляющие:

М1 - выполняет основную технологическую функцию,

М2 - функции аварийной защиты,

М3 - влияние на окружающую среду и человека.

Таблица 4.1 - Воздействие в системе «Человек-Машина-Среда»

Наиме-нование связи	Действия, влияния	Опасные и вредные производственные факторы по ГОСТ 12.0.003-074
1	2	3
1.Ч2-С	Влияние человека как биологического объекта на среду	- выделение углекислого газа; - тепловыделение;
2.С-Ч1	Влияние окружающей среды на качество работы оператора (изменение работоспособности при изменении температуры, влажности, атмосферного состава, освещенности, уровня электромагнитного поля)	- повышенная или пониженная температура воздуха на рабочем месте; - повышенная или пониженная влажность воздуха рабочей зоны; - повышенная или пониженная подвижность воздуха в рабочей зоне;
3.С-Ч3	Влияние среды на состояние организма человека (изменение функциональных возможностей организма при изменении температуры, влажности, атмосферного состава, освещенности, уровня электромагнитного поля)	- повышенная или пониженная температура воздуха на рабочем месте; - повышенная или пониженная влажность воздуха рабочей зоны; - повышенная или пониженная подвижность воздуха в рабочей зоне; - недостаточная освещенность рабочей зоны; - перенапряжение анализаторов;
4.С-Ч1	Информация о состоянии среды, которая обрабатывается человеком	- повышенная или пониженная ионизация воздуха;
5.М1-Ч1 М2-Ч1 М3-Ч1	Информация о состоянии машины, которая обрабатывается человеком, информация про предмет труда и среду, получаемая от машины	- повышенный уровень шума на рабочем месте; - пониженная контрастность;
6.Ч1-М1	Влияние человека на управление техникой и ее настройкой (включение/выключение, настройка и обслуживание ПЭВМ, монитора и принтера)	- повышенная напряженность электрического поля; - повышенная напряженность магнитного поля;
7.Внешняя система управления	Управляющая информация про технологический процесс с внешней системы управления	- эмоциональные и нервные перегрузки;
8.С-М1 С-М2	Влияние среды на работу машины (изменение температуры, влажности, напряжения сети)	- повышенное значение статического электричества;
Наиме-нование связи	Действия, влияния	Опасные и вредные производственные факторы по ГОСТ 12.0.003-074
1	2	3
9.С-М3	Влияние среды на элемент машины	- повышенная температура воздуха;
10.М3-С	Влияние машины на среду	- шум от принтера, сканера; - повышенная яркость света; - повышенная пульсация светового потока;
11.Ч3-Ч1	Влияние состояния организма человека на качество его работы (усталость, ослепление, невнимательность)	- эмоциональные перегрузки; - перенапряжение анализаторов;
12.Ч3-Ч2	Влияние психо-физиологического состояния на степень интенсивности обмена веществ между организмом и средой и энерговыделения человека	- физические перегрузки; - нервно-психические перегрузки;
13.М2-М1	Аварийные управляющие влияния	- повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которого может произойти через тело человека;
14.М1-М2	Информация, необходимая для выработки аварийных управляющих влияний	- повышенный уровень ионизирующих излучений в рабочей зоне; - повышенное значение статического электричества;
15.М1-ПТ	Влияние машины на предмет труда	- повышенная напряженность электрического поля; - повышенная напряженность магнитного поля;
16.ПТ-Ч3	Влияние предмета труда на физиологическое состояние человека	- умственное перенапряжение; - перенапряжение анализаторов.
17.Человек1 -…-Человек7	Влияние психофизиологического состояния одного человека на психофизиологическое состояние другого (влияние людей друг на друга)	- эмоциональное перенапряжение.

Машина (1) - Машина(7) - соединение машин в сеть, следовательно, их взаимное влияние

Возникающие связи между элементами системы приводят к появлению опасных и вредных производственных факторов. Согласно ГОСТ 12.0.003-74. ССБТ они делятся на четыре категории: физические, химические, психофизиологичесие, биологические.

Организм человека подвергается воздействию следующих опасных физических факторы:

- повышенный уровень шума, источником шума являются работа принтера, сканера, люди, работа ПЭВМ, это ухудшает условия труда, оказывает вредное воздействие на слуховой аппарат, мозг, голосовые связки, вызывает раздражение, создает неудобства речевого общения, снижает производительность труда;

- повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека, источником является электрическая сеть или электрооборудование, возможные последствия воздействия на человека: электротравмы, электроудары. В помещении необходимо выполнить зануление с повторным заземлением нейтрали;

- повышенная температура внешней среды, источниками являются люди, ПЭВМ, источники света, этот фактор вызывает обильное потовыделение, тепловыделение организма, вызывает дискомфорт для работающих, развитие утомляемости, что уменьшает производительность труда и отрицательно сказывается на трудящихся;

- недостаток естественного освещения, источником являются малые световые проемы, освещение является одним из основных факторов, которые сказываются на деятельности человека, этот недостаток ведет к ухудшению зрения, быстрому утомлению;

- освещенность рабочей зоны, может являться причиной травматизма: плохо освещенные опасные зоны, слепящие лампы и блики от них, резкие тени ухудшают или вызывают полную потерю ориентации работающих;

- повышенный уровень статического электричества, может быть причиной поражения человека электрическим током, что в свою очередь приводит к травме или даже к смерти;

- электромагнитные поля, источником является в большей степени монитор.

Факторы опасности: повышенная напряженность электрического и магнитного поля, повышенный уровень электромагнитных излучений.

Последствия: функциональные нарушения систем организма.

Психофизиологические факторы, воздействующие на человека:

- статические перегрузки, источник - длительное пребывание в одной позе;

- умственное перенапряжение, источник - обработка большого количества информации;

- перенапряжение зрительных анализаторов, источник - работа с дисплеем;

- монотонность труда, источник - выполнение однообразных движений при работе с клавиатурой, мышью, сканером и принтером;

- эмоциональные перегрузки, возникают при решении научных задач и при общении людей.

Перечисленные факторы приводят к утомлению рабочего, переутомляемости нервной системы, органов зрения, слуха, что неблагоприятно сказывается на здоровье человека, снижается работоспособность, возможен стресс.

Химических и биологических опасных факторов в вычислительном центре не наблюдается.

Оценка факторов производственной среды и трудового процесса сведена в таблице 4.2.

В результате сравнения фактических результатов измерения и нормативных значений, получили следующее: рабочее место по условиям труда относится к 1 степени опасности и вредности условий труда 3 класса. При анализе условий труда доминирующим вредным фактором является повышенный уровень шума. Это в свою очередь приводит к быстрому утомлению работника, в результате чего снижается производительность труда и качество продукта труда.

Таблица 4.2 - Оценка условий труда

Факторы производственной среды и трудового процесса	Значение фактора (ПДК, ПДУ)	3 класс - опасные и вредные условия, характер труда	продолжительность действия фактора, (в % за смену)
	Норма	Факт	1 ст	2 ст	3 ст
1. Шум, дБ	50	56	+	-	-	87
2. Микроклимат: -температура в теплое время	22-240С	23 0С	-	-	-	87
	23-25 0С
-скорость движения воздуха	0.1	0.1	-	-	-	87
- относительная влажность, %	40 - 60	46	-	-	-	87
3. Освещение: - естественное, %	?1,5	1,5	-	-	-	45
- искусственное, Лк	300-500	330	-	-	-	45
4. Напряженность труда - протяженность сосредоточения	25-50%	50%	-	-	-	90
5. Тяжесть труда: - мелкие стереотипные движения кистей и пальцев рук (количество за смену)	?40000	33000	-	-	-	90
6. напряженность анализаторов: - зрения (категория работ)	Точная	Точная	-	-	-	90
7. Сменность	односменная работа	односменная работа	-	-	-	90
Общее количество факторов			0	0	1

4.2 Техника безопасности

По степени опасности поражения электрическим током помещение вычислительного центра относится к классу помещений без повышенной опасности, так как исключена возможность одновременного прикосновения человека к корпусам электрооборудования и заземленным металлическим конструкциям зданий и сооружений, имеющих связь с землей. Для создания безопасных условий труда проведен ряд организационных и технических мероприятий.

Электроснабжение помещения осуществляется от трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью, ток переменный, частота 50 Гц, напряжение 380/220 В. В соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.030-81 для электроустановок переменного тока, напряжением до 1000В и глухозаземленной нейтралью применяется зануление для устранения опасности поражения людей током при пробое на корпус. Защитный эффект зануления заключается в уменьшении длительности замыкания на корпус, следовательно, в сокращении времени воздействия электрического тока на человека. Это достигается соединением металлических корпусов оборудования с нулевым защитным проводом сети. Нулевой провод подлежит повторному заземлению. Сопротивление повторного заземлителя не более 30 Ом, а сечение нулевого проводника сети такое же, как и сечения фазного провода. 1 раз в год при отключенном электропитании проводится контроль изоляции между фазой и нулем, нулевым защитным проводником и фазой, а также между фазами. Сопротивление изоляции не менее 500 кОм. Применяются устройства защитного отключения. Время отключения 0,1 - 0,2 с.

К работе допускаются лица, изучившие инструкцию по технике безопасности, а также прошедшие инструктаж по безопасности труда на рабочем месте. Согласно требованиям ДНАОП 0.04-4.12-05 проводится вводный, первичный на рабочем месте, повторный, а при необходимости - внеплановый и целевой инструктажи. Вводный инструктаж проводится при поступлении на работу. Инструктаж организует и проводит служба охраны труда, факт инструктажа фиксируется в журнале вводного инструктажа. Первичный инструктаж проводится непосредственно на рабочем месте. Инструктаж проводит руководитель лаборатории или преподаватель, ведущий занятия, факт инструктажа фиксируется в журнале первичного инструктажа. Аналогично с периодичностью 1 раз в полгода проводится повторный инструктаж. Внеплановый инструктаж проводится при изменении условий труда, введения в эксплуатацию новой техники, а также при несчастных случаях. Целевой инструктаж проводится при выполнении работ, не связанных с их основными обязанностями. Факт проведения инструктажа фиксируется в соответствующие журналы с росписью лица, проводившего инструктаж, и росписью инструктируемого. Журналы инструктажей пронумерованы, прошнурованы и скреплены печатью.

4.3 Производственная санитария

Работы в вычислительном центре производятся сидя и не требует систематического физического напряжения. Согласно ГОСТ 12.1.005-88 работа относится к категории легкой Iа (энергозатраты до 120 ккал/ч). Для создания нормальных условий труда установлены следующие нормы микроклимата, в соответствии с ДСН 3.3.6.042-99, приведенные в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Оптимальные нормы микроклимата

Время года	Температура воздуха, град. С	Относительная влажность воздуха, %	Скорость движения воздуха,м/с
Холодное	22-24	40-60	0.1
Теплое	23-25	40-60	0.1

На микроклимат влияют такие источники тепла: ЭВМ, люди, находящиеся в помещении, искусственное освещение, солнечная радиация, тепло, передаваемое через стены. Анализируя нормативные и фактические значения микроклимата, можно сказать, что температура воздуха не превышает допустимые значения.

Уровень относительной влажности 46% соответствует оптимальному; скорость движения воздуха - 0,1 м/с.

Согласно ДБН В.2.5-28-2006, зрительную работу оператора ПЭВМ можно охарактеризовать как работу высокой точности, наименьший размер объекта различения для которой 0,3-0,5мм: разряд зрительной работы - II. Освещенность при работе с экраном дисплея в сочетании с работой над документами 330 Лк, что соответствует нормам (300500 Лк).

Естественное освещение для любой точки характеризуется коэффициентом естественной освещенности (КЕО) [18]. Естественное освещение соответствует норме КЕО - в данном помещении оно равно 1.5%. Для искусственного освещения используют потолочные светильники типа УСП 35 с четырьмя люминисцентными лампами типа ЛБ-40.

Согласно нормам охраны труда (ГОСТ 12.2.032) планирование рабочего места в помещении удовлетворяет установленным нормам.

Расположение рабочих мест с ПЭВМ выполнено в соответствии требованиям (Рис. 4.2):

- расположение на расстоянии не меньше 1 метра от стен со световыми проемами;

- расстояние между боковыми поверхностями мониторов в данном помещении составляет 1.2 м;

- расстояние между тыльной поверхностью одного видеотерминала и экраном другого в данном помещении составляет 2.5 м;

- проход между рядами рабочих мест 1.6 м.

Согласно ДНАОП 0.00-1.31-99, требованиями к организации рабочего места для выполнения работ оператора выполнены.

В вычислительном центре для размещения ПЭВМ используются столы высотой 800 мм, ширина стола - 1200 мм, глубина стола, 600 мм.

Во избежание перенапряжения органов зрения рекомендуется соблюдать расстояние до монитора 70-80 см (для 17 дюймовых мониторов).

Рабочее место организовано в соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.032-78 и ДСанПиН 3.3.2.007-98. На рисунке 2 показано размещение рабочих мест и оборудования в вычислительном центре.

Трудовая деятельность в вычислительном центре относится к группе В (отладка программ, редактирование и др.). Выполняемые работы относятся к IV категории работ- продолжительность работ группы В превышает 4 ч. Для уменьшения умственного перенапряжения и эмоциональных перегрузок следует установить перерывы по 15 мин каждый через 2 ч после начала работ. Общая продолжительность технологических перерывов должна составлять 60 мин.

Произведя оценку уровня шума, можно сделать вывод, что фактическое значение шума превышает норму, допустимую по ГОСТ 12.1.003-83 «Шум. Общие требования безопасности», ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку та інфразвуку.

В таблице 4.4 приведены измеренные спектральные уровни звукового давления в расчетной точке.

Таблица 4.4 - Спектральные уровни звукового давления в расчетной точке

Среднегеометрическая частота, Гц	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Фактические уровни звукового давления, дБ	75	66	57	56	51	48	46	43
Допустимые уровни звукового давления, дБ	71	61	54	49	45	42	40	38

Из Таблицы 4.4 видно, что в области частот 250 - 4000 Гц фактический уровень звукового давления превышает допустимые нормы, поэтому следует провести комплекс мероприятий для уменьшения уровня шума в вычислительном центре. К этим мероприятиям можно отнести облицовку потолка и части стен звукопоглощающим материалом для шумопоглощения, при необходимости, следует применять рациональное расположение оборудования или использовать индивидуальные средства защиты.

Произведем расчет шумопоглощающей облицовки для уменьшения уровня шума в вычислительном центре.

Найдем объём помещения:

V = 12*9*4=432 м²

По таблице описания помещения выбираем индекс прямой (данном случае «в»-рабочие помещения административных зданий) и по «графику для определения постоянной помещения B₁₀₀₀» определяем постоянную помещения на частоте 1000 Гц [19]:

B₁₀₀₀ = 40 м²

Найдем частотные множители и определим постоянные помещения на стандартных частотах (прил. 62 книги Дзюндзюк Б.В. и др. «Охрана труда. Сборник задач»).

Таблица 4.5 - Частотный множитель для определения постоянной В

Объем помещения, м3	Среднегеометрические частоты октавных полос, Гц
	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
V=200-500	0.65	0.62	0.64	0.75	1	1.5	2.4	4.2

Рассчитаем постоянные помещения на стандартных частотах

Полученные данные занесем в таблицу 4.7.

Определим общую суммарную площадь ограждающих поверхностей помещения:

м².

По найденной постоянной помещения В для каждой октавной полосы вычислим средний коэффициент звукопоглощения в помещении до его акустической обработки:

(4.1)

Полученные результаты занесем в таблицу 4.7.

Целесообразность применения звукопоглощающих облицовок в помещении для снижения уровня шума выявим ориентировочно. Принято считать целесообразной акустическую обработку помещений в случаях, когда до ее применения средний коэффициент звукопоглощения в октавной полосе со среднегеометрической частотой 1000 Гц не превышает 0,25. В нашем случае , что не превышает коэффициент 0,25, и значит, что звукопоглощающая облицовка является целесообразной.

Звукопоглощающие облицовки разместим на потолке. Определим площади ограждения помещения, подлежащие облицовке (потолок) и неподлежащие ей (пол, стены, окна):

Вычислим эквивалентную площадь звукопоглощения поверхностями, не занятыми звукопоглощающей облицовкой:

(4.2)

Полученные результаты заносим в таблицу 4.7.

Анализ представленного в условии спектра звукового давления показывает, что конструкция звукопоглощающей облицовки должна иметь высокий коэффициент звукопоглощения в области частот 250 - 4000 Гц. Поэтому для облицовки вычислительного центра выбираем конструкцию № 16 из приложения 64. Эта конструкция относится к звукопоглощающим облицовкам без перфорированного покрытия. Согласно приложению 63 эта конструкция состоит из матов из супертонкого базальтового волокна БСТВ, оболочка из декоративной стеклоткани ТСД. Средняя плотность звукопоглощающего материала 20 кг/м². Толщина слоя звукопоглощающего материла 5 см. Воздушный зазор отсутствует. Находим реверберационный коэффициент звукопоглощения и заносим эти значения в таблицу 4.7.

Таблица 4.6 - Реверберационный коэффициент звукопоглощения

Среднегеометрическая частота октавной полосы, Гц	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Реверберационный коэффициент звукопоглощения	(0.1)	(0.2)	0.9	1	1	0.95	0.95	1

Вычислим эквивалентную площадь звукопоглощения поверхностями, занятыми звукопоглощающей облицовкой:

(4.3)

Полученные результаты заносим в таблицу 4.7.

Найдем средний коэффициент звукопоглощения в помещении после акустической обработки:

(4.4)

Полученные результаты заносим в Таблицу 4.7.

Определим постоянные помещения на стандартных частотах после акустической обработки:

 (4.5)

Полученные результаты заносим в таблицу 4.7.

Вычислим снижение уровня шума в расчетной точке:

(4.6)

Полученные результаты заносим в таблицу 4.7.

Таблица 4.7 - Результаты расчета звукопоглощающего покрытия

Рассчитываемая величина	Среднегеометрическая частота октавной полосы, Гц
	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Постоянная помещения до акустической обработки В	26	24.8	25.6	30	40	60	96	168
Средний коэффициент звукопоглощения в помещении до акустической обработки	0,0634	0,0607	0,0625	0,0725	0,0943	0,1351	0,2	0,3043
Эквивалентная площадь звукопоглощения поверхностями, не занятыми звукопоглощающей облицовкой , м2	17,4984	16,7532	17,25	20,01	26,0268	37,2876	55,2	83,9868
Реверберационный коэффициент звукопоглощения облицованных поверхностей	(0.1)	(0.2)	0.9	1	1	0.95	0.95	1
Эквивалентная площадь звукопоглощения поверхностями, занятыми звукопоглощающей облицовкой , м2	12,8	38,85	132,45	148,01	154,026	158,887	176,8	211,986
Средний коэффициент звукопоглощения в помещении после акустической обработки	0,0789	0,0999	0,3449	0,3854	0,4011	0,4138	0,4604	0,552
Постоянная помещения после акустической обработки В1	32,89	42,61	201,97	240,82	257,18	271,05	327,65	473,18
Ур-ни звукового давления в расчетной т. до акуст. обработки L, дБ	75	66	57	56	51	48	46	43
Снижение ур-ня шума за чет звукопоглощен , дБ	4,02	5,35	8,97	9,05	8.08	6.55	6.33	5.5
Уровни звукового давления в расчетной точке после акуст. обработки L1, дБ	70,98	60,65	48,03	46,95	42,92	41,45	39,67	37,5
Допустимые уровни звукового давления в расчетной точке , дБ	71	61	54	49	45	42	40	38

Рассчитаем уровень шума в расчетной точке после акустической обработки:

(4.7)

Из приложения 57 найдем допустимые уровни звукового давления и занесем их в Таблицу 4.7.

Анализируя полученные значения, можно сказать, что уровни звукового давления после акустической обработки меньше нормированных значений, то есть мы добились уменьшения шума до допустимых уровней.

4.4 Пожарная профилактика

Причинами, которые могут вызвать пожар в рассматриваемом помещении, есть: неисправность электропроводки или оборудования; короткое замыкание электрической сети; перегрев аппаратуры.

По взрывопожарной и пожарной опасности производство в данном помещении в соответствии со СНиП 2.09.02-85, ОНТП - 24-86 относится к категории В.

По пожарной опасности помещение вычислительного центра относится к классу П-IIа по ПУЭ-85, т.к. в помещении находятся твердые горючие вещества без пыли. В помещении ВЦ имеются вещества и материалы, которые могут гореть (бумага, пластмасса, паркетный пол). Данное помещение по степени огнестойкости, согласно ДБН В.1.1-7-2002, относится к I степени огнестойкости (ж/б). Причинами возгорания в данном помещении могут являться: искрения в коммутационной аппаратуре, возможности замыкания в электрических цепях, нарушение правил пожарной безопасности.

Пожарная безопасность, в соответствии с ГОСТ 12.1.004-91, обеспечивается системами предотвращения пожара, системой противопожарной защиты, организационно-техническими мероприятиями.

Технические мероприятия:

- аварийное отключение и переключение аппаратуры;

Учитывая специфику загорания ЭВМ (большое количество дыма), наличие систем кондиционирования воздуха, высокую стоимость оборудования, в помещениях с ЭВМ следует устанавливать дымовые пожарные извещатели (например: дымовой пожарный извещатель ИПК-8). Для данного помещения их необходимо 6 штук (2 на 20 м²), согласно ДНАОП 0.00-1.31-99.

Согласно ГОСТ 12.1.004-91. ССБТ в помещении необходимо разместить:

- 6 ручных углекислотных огнетушителя ОУ-2 (2 штуки на 20 м² площади, но не менее двух в помещении);

- дымовые пожарные извещатели 8 штук (2 штуки на 20 м² площади, но не менее двух в помещении);

- телефон, установленный в легкодоступном месте.

Помещение вычислительного центра имеет один рабочий выход шириной 1 м, что удовлетворяет требованиям для вынужденной эвакуации людей, т.к. расстояние от наиболее удаленного места до выхода из помещения не превышает 25м, поэтому применение этого выхода является допустимым для эвакуации при пожаре. Дополнительного эвакуационного выхода не требуется. Схема эвакуации должна быть размещена на стене у выхода из помещения. На эвакуационных путях организовано как естественное, так и искусственное аварийное освещение СНиП 2.09.02-85. На Рис. 4.2 приведена схема организации рабочих мест и оборудования, а так же схема эвакуации.

Организационные мероприятия:

- проведение инструктажей по пожарной безопасности;

- назначен ответственный за пожарную безопасность;

- надзор за средствами пожаротушения.

Режимные мероприятия:

- запрещено применение самодельных электрических приборов;

- запрещен открытый огонь (использование зажигалок в помещении);

- курение в строго установленных местах (на улице), запрещено в лабораториях где проводится ремонт, обслуживание и эксплуатация ПЭВМ.



Рисунок 4.1 - План размещения рабочих мест и эвакуации из помещения

4.5 Охрана окружающей среды

Разработка данного программного продукта не участвует в производственных процессах, которые влияют на окружающую среду. И поэтому вопросы защиты окружающей среды в дипломном проекте не рассматриваются.

4.6 Гражданская оборона

На предприятии есть служба Гражданской обороны, которая занимается всеми вопросами связанными с режимом защиты рабочих и служащих, обеспечением медицинскими средствами, способами индивидуальной защиты и т.д.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Целью данной дипломной работы является разработка программного обеспечения сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create, а именно: разработка программы, которая в режиме реального времени будет осуществлять получение информации о состоянии датчиков робота Create. Данное программное обеспечение можно использовать в научно-исследовательских и обучающих целях, которые предполагают решение задач связанных с изучением датчиков мобильных роботов.