Лазерный сканер для измерения объема вещества в резервуаре

Работа посвящена созданию недорогостоящего лазерного 3д-сканера, способного измерять объем сыпучих веществ в резервуарах с жидкостью. В процессе исследования обозревается перечень существующих видов приборов для 3д-сканирования, проводится анализ аналогов, разрабатывается 3д-модель, управляющая плата и программное обеспечение,проводятся тестовые испытания для определения работоспособности.

Введение …………………………………………………………………………………………………….. 16
1. Изучение технологии 3д-сканирования ………………………………………………….. 17
1.1. Описание 3д-сканера ……………………………………………………………………….. 17
1.2. Функциональные возможности ………………………………………………………… 17
1.3. Технология ………………………………………………………………………………………. 18
1.4. Контактные 3д-сканеры……………………………………………………………………. 18
1.5. Бесконтактные 3д-сканеры ………………………………………………………………. 20
1.5.1. Пассивные 3д-сканеры ……………………………………………………………….. 21
1.5.2. Активные 3д-сканеры…………………………………………………………………. 22
1.5.2.1. Времяпролётные сканеры ……………………………………………………… 22
1.5.2.2. Триангуляционные сканеры ………………………………………………….. 23
1.5.2.3. 3д-сканеры на основе коноскопической голографии ……………… 24
1.5.2.4. Ручные лазерные сканеры …………………………………………………….. 25
1.6. Применение 3д-сканеров………………………………………………………………….. 26
1.6.1. Применение 3д-сканеров в производстве ……………………………………. 26
1.6.2. Индустрия развлечений………………………………………………………………. 28
1.6.3. Обратная разработка (реверс-инжиниринг) …………………………………. 29
1.6.4. Применение в медицине CAD/CAM ……………………………………………. 29
1.6.5. Культурное наследие ………………………………………………………………….. 29
1.7. Итоги изучения технологии ……………………………………………………………….. 30
2. Научно-исследовательская работа по созданию лазерного 3д-сканера ……. 31
2.1. Обзор аналогов ………………………………………………………………………………….. 31
2.2. Выбор электронных компонентов ………………………………………………………. 40
2.2.1. Отладочная плата …………………………………………………………………………. 40
2.2.2. Микроконтроллер STM32F103C8T6 ……………………………………………… 41
2.2.3. Шаговый двигатель NEMA 17 17HS4401 ………………………………………. 42
2.2.4. L293DNE, Драйвер четырехканальный 1А с ограничительными
диодами ………………………………………………………………………………………………… 43
2.2.5. Лазерный модуль s-3 …………………………………………………………………….. 44
2.2.6. Веб-камера Genius i-Slim 2000AF ………………………………………………….. 44
2.2.7. Серводвигатель mg90s ………………………………………………………………….. 45
2.2.8. Итоги выбора компонентов …………………………………………………………… 46
3. Опытно-конструкторская работа по созданию лазерного 3д-сканера………. 47
3.1. Проектирование ………………………………………………………………………………. 47
3.2. Прототипирование …………………………………………………………………………… 50
3.3. Управление электронной частью сканера …………………………………………. 54
3.3.1. Программирование управляющей части ……………………………………… 54
3.3.2. Функции …………………………………………………………………………………….. 56
3.3.3. Основная программа …………………………………………………………………….. 58
3.4. Проектирование платы …………………………………………………………………….. 60
3.5. Система технического зрения в 3д-сканере …………………………………………. 63
3.5.1. Геометрические расчеты. ……………………………………………………………. 65
3.5.2. Настройка положения лазера………………………………………………………. 67
3.5.3. Основной алгоритм…………………………………………………………………….. 68
3.5.4. Калибровка ………………………………………………………………………………… 69
3.5.5. Написание программной части. ………………………………………………….. 73
3.5.5.1. Нахождение лазерной линии …………………………………………………. 74
3.5.5.2. Калибровка координаты Y ……………………………………………………. 75
3.5.5.3. Общий алгоритм …………………………………………………………………… 75
4. Социальная ответственность ………………………………………………………………….. 78
4.1. Производственная безопасность ………………………………………………………. 79
4.1.1. Микроклимат……………………………………………………………………………… 79
4.1.2. Естественная освещенность………………………………………………………… 80
4.1.3. Уровень шума…………………………………………………………………………….. 82
4.1.4. Уровень электромагнитных излучений ……………………………………….. 82
4.1.5. Выделение вредных веществ ………………………………………………………. 84
4.1.6. Электробезопасность ………………………………………………………………….. 85
4.2. Охрана окружающей среды ……………………………………………………………… 86
4.3. Защита в чрезвычайных ситуациях …………………………………………………… 88
4.4. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …… 90
4.4.1. Эргономические требования к рабочему месту …………………………… 90
4.4.2. Особенности законодательного регулирования проектных решений
5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение … 93
5.1. Организация и планирование работ ………………………………………………….. 93
5.2. Продолжительность этапов работ …………………………………………………….. 95
5.3. Расчет сметы затрат на выполнение проекта …………………………………….. 99
5.3.1. Расчет затрат на материалы и покупные изделия…………………………. 99
5.3.2. Расчет заработной платы ………………………………………………………….. 101
5.3.3. Расчет затрат на электроэнергию ………………………………………………. 102
5.3.4. Расчет затрат на социальный налог …………………………………………… 103
5.3.5. Расчет амортизационных расходов ……………………………………………. 103
5.3.6. Расчет прочих (накладных) расходов ………………………………………… 105
5.3.7. Расчет общей себестоимости разработки …………………………………… 105
5.3.8. Расчет прибыли, НДС и цены разработки НИР………………………….. 106
5.4. Оценка экономической эффективности проекта ……………………………… 106
Заключение ……………………………………………………………………………………………….. 109
Список использованной литературы ………………………………………………………….. 110
Приложение А …………………………………………………………………………………………… 114
Приложение Б …………………………………………………………………………………………… 126
Приложение В …………………………………………………………………………………………… 127

В ходе проделанной работы был создан недорогостоящий лазерный 3д-
сканер, способный измерять объем сыпучих веществ в резервуарах с жидкостью
и выводить результаты сканирования в виде облака точек по средствам
MATLAB. Для достижения цели в работе были решены следующие задачи:
1. Проведен обзор существующих видов приборов для 3д-сканирования и
их применения.
2. Проведен анализ аналогов.
3. Был выбран перечень компонентов и их аналогов для разработки с
учетом технического задания.
4. Разработана 3д-модель
5. Разработана управляющая плата
6. Разработано программное обеспечение.
7. Выполнена сборка устройства.
8. Проведены тестовые испытания для определения работоспособности.
Проведенные лабораторные испытания устройства показали полную
работоспособность технического решения. В ходе испытаний с помощью
разработанной программы устройство выполнила весь алгоритм.
Лазерное сканирование – перспективный метод контроля качества объекта
в условиях промышленного производства. Полученные результаты показывают,
что устройство может использоваться на любом предприятии, на котором
возможно смешивание сыпучих веществ и жидкостей, при этом увеличится
контроль качества за сравнительно невысокие деньги.