Размещено на http://www.allbest.ru/

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 ____ 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

• Список сокращений
• Введение
• 1. Исследовательская часть
• 1.1 Обзор существующих решений
• 1.2 Методы измерения расстояния с использованием лазеров
• 1.3 Описание решения
• 2. Проектно-конструкторская часть
• 2.1 Технические характеристики разработанного лазерного сканирующего дальномера
• 2.2 Структурная схема сканирующего лазерного дальномера
• 2.3 Разработка электронных схем
• 2.3.1 Разработка фотоприёмного устройства
• 2.3.2 Разработка лазерного излучателя
• 2.3.3 Разработка генератора стартового импульса
• 2.3.4 Разработка вычислительного блока
• 2.3.5 Разработка блока питания
• 2.4 Разработка механики сканирующего лазерного дальномера
• 2.4.1 Технические характеристики двигателя
• 2.4.2 Электронная схема управления
• 2.4.3 Концевой датчик
• 2.4.4. Управление механикой сканера
• 3. Производственно-технологическая часть
• 3.1 Монтаж электронных элементов на платы
• 3.2 Изготовление корпусных деталей на 3D принтере
• 3.3 Алгоритм измерения расстояния
• 3.4 Алгоритм сканирования и построения изображения
• 3.5 Проведение экспериментов
• 3.5.1 Исследование точности на разных дистанциях
• 3.5.2 Определение перемещения на основе анализа изображения полученного при сканировании
• 4. Организационно-управленческая часть
• 4.1 Стоимость
• 4.2 Затраты на электроэнергию
• 5. Охрана труда и защита окружающей среды
• 5.2 Характеристика параметров по обеспечению безопасности труда
• 5.2.1 Характеристика нормативных параметров микроклимата рабочего помещения
• 5.2.2Характеристика параметров электробезопасности
• 5.2.3 Характеристика параметров электромагнитной безопасности
• 5.2.4 Обеспечение пожаровзрывобезопасности
• 5.2.5 Характеристика параметров акустической безопасности
• 5.2.6 Характеристика параметров освещённости рабочего места сборочного участка
• 5.2.7 Обеспечение защиты монтажника от загрязнений во премя пайки
• 5.3 Защита окружающей среды
• 5.3.1 Определение количества выделяющихся веществ
• 5.3.2 Класс опасности вредных веществ
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложения

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

1.1 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).

сканирующий лазерный мехатронный дальномер

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.

1.2 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:

· Триангуляция - геометрический метод, используемый для измерения расстояния в диапазоне от 1 мм до многих километров.

· Времяпролётный метод (или импульсный метод) - основан на измерении времени прохода лазерного импульса от измерительного прибора до некоторой цели и обратно.

· 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.

· 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].

· Интерферометрия позволяет измерять расстояния с точностью, превышающей длину волны используемого света.

1.3 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 и 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, и), называемый накопительным пространством. Координаты локального максимума в этом пространстве определяют найденные прямые линии в виде:

где p и и - 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

Изменяя иi от - 90 до 90 градусов с шагом Ди и округляя значения p_x,y (иi) до ближайшего p'i=n*Дp, где n - целое, а Дp - шаг расчета по расстоянию, получаем массив (pi',иi), содержащий набор параметров прямых, проходящих через точку A_x,y.

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

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

Перемещение между i и j измерениями вычисляются по формулам:

где p_i,1, и_i,1 и p_i,2, и_{i,2 -} параметры 1 и 2-ой прямых в измерениях под номером i, а p_j,1, и_j,1 и p_j,2, и_{j,2 -} параметры 1 и 2-ой прямых в измерениях под номером j. Дx, Дy, Дц - 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.

2. Проектно-конструкторская часть

2.1 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:

· Тип лазера: Импульсный;

· Мощность лазерного излучения: 75 Вт в импульсе;

· Угол сканирования: 90⁰;

· Высота плоскости сканирования относительно основания: 140 мм;

· Количество точек в одном скане: 5000 точек;

· Максимальное измеряемое расстояние: 31 м;

· Погрешность измерений: до ±2% от измеряемого расстояния;

· Напряжение питания: 12 В;

· Ток потребления: 0.9 А;

Рисунок 3 - Трехмерная модель сканера

2.2 Структурная схема сканирующего лазерного дальномера

Техническое задание было сформировано предприятием ОАО "Восход КРЛЗ".

Основные положения ТЗ:

· Дальномер должен работать на основе импульсного метода дальнометрирования;

· Отказ от использования дорогостоящих ПЛИС схем;

· В качестве лазерного диода использовать SPL_PL90_3 фирмы изготовителя OSRAM;

· 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

· Разработка фотоприёмного устройства;

· Разработка лазерного излучателя;

· Разработка генератора стартового импульса;

· Разработка вычислительного блока;

· Разработка блока питания;

2) Разработка механики лазерного сканирующего дальномера

2.3 Разработка электронных схем

2.3.1 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:

· Чувствительность: 0,75 А/Вт;

· 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:

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:

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

Зная значения верхней и нижней границы можно рассчитать полосу пропускания:

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

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:

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.

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

Преобразовав формулу (13), выведем r:

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

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:

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

2.3.2 Разработка лазерного излучателя

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

· Частота: 1КГц;

· Длительность импульсов: 100 ns;

· 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:

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

2.3.3 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

2.3.4 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:

· 2 канала с типовым разрешением 90 пс

· Диапазон от 3,5 нс (0 нс) до 2,4 мкс

· 4-х проводный SPI интерфейс

· До 1 миллиона измерений в секунду в режиме 1

· Напряжение I/O от 2,5 В до 3,6 В

· Напряжение питания кристалла от 2,5 В до 3,6 В

· Температурный рабочий диапазон от - 40°C до +125°C

· 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:

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.

2.3.5 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 аналогично 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.

2.4 Разработка механики сканирующего лазерного дальномера

2.4.1 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

2.4.2 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.

2.4.3 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:

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.

2.4.4. 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.

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

Каждое измерение сдвинуто относительно предыдущего на угол равный:

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:

3. Производственно-технологическая часть

3.1 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.

3.2 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:

· Основание;

· Вращающаяся платформа;

· Корпус объектива;

· Корпусные детали лазерного излучателя:

· Оправа лазерного диода;

· Корпус лазерного излучателя;

· Передняя крышка корпуса излучателя;

· Задняя крышка корпуса излучателя;

· Крепление лазерного излучателя и фотоприёмного устройства;

· Корпус концевого датчика;

· 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:

· 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 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

3.3 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.

3.4 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:

где r_i - i-ое измерение из массива расстояний, б_i - 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

И на основе полученной матрицы строится бинарное изображение.

3.5 Проведение экспериментов

3.5.1 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:

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

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

График распределения вероятности приведен на рисунке (Рисунок 43).

Рисунок 43 - Распределение вероятностей

По правилу 3н 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.

3.5.2 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:

где с - длина радиус-вектора, проведенного из начала координат до прямой, и - угол наклона радиус-вектора относительно оси абсцисс.

Накопительное пространство Хафа формируется параметрами с и и.

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