«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ імені ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»
Радіотехнічний факультет
Кафедра радіоприймання та оброблення сигналів
«На правах рукопису»
УДК 621.391.8, 621.317.3
До захисту допущено:
« 16 » грудня 2020 р.
Магістерська дисертація
на здобуття ступеня магістра
за освітньо-професійною програмою «Радіозв’язок і оброблення сигна- лів»
за спеціальністю 172 «Телекомунікації та радіотехніка»
на тему: «3D сканер»
Виконав:
студент 2 курсу, групи РА-91мп
Шемшур Сергій Юрійович __________
Керівник:
ст. викладач. Бондаренко Геннадій Іванович
__________
Рецензент:
К.т.н., доцент каф. РТПС Шпилька Олександр Олександрович__________
Засвідчую, що у цій магістерській дисе- ртації немає запозичень з праць інших авторів без відповідних посилань.
Студент _____________
Київ – 2020 року
«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
Радіотехнічний факультет
Кафедра радіоприймання та оброблення сигналів Рівень вищої освіти – другий (магістерський)
Спеціальність – 172 «Телекомунікації та радіотехніка»
Освітньо-професійна програма «Радіозв'язок і оброблення сигналів»
ЗАТВЕРДЖУЮ
« 16 » грудня 2020 р.
ЗАВДАННЯ
на магістерську дисертацію студента Шемшура Сергія Юрійовича
1.Тема дисертації «3D сканер»
науковий керівник дисертації Бондаренко Геннадій Іванович, старший викладач затверджені наказом по університету від «5» листопада 2020 р. №3223-с 2. Термін подання студентом дисертації 11 грудня 2020 року
3. Об’єкт дослідження: малогабаритні 3D сканери, принципи побудови та уп- равління.
4. Вихідні дані: керування через Bluetooth, обертання на 360, можливість на- друкувати основні частини на 3D принтері, мати розміри платформи як у 3D сканерів доступних на ринку, живлення від 12 В постійного струму.
5. Перелік завдань, які потрібно розробити: проаналізувати ринок 3D сканерів, визначити можливість створення сканера з мінімізацією витрат на його виго- товлення, розробити конструкторську документацію та програму управління 3D сканера, розробити стартап проект впровадження розробки.
6. Орієнтовний перелік графічного (ілюстративного) матеріалу схеми електри- чні принципові, складальні креслення, креслення деталей.
__________________________________________________________________
9. Дата видачі завдання 02 вересня 2020 року Календарний план
№ з/п
Назва етапів виконання магістерської дисертації
Термін виконання етапів
магістерської дисертації Примітка
1 Початок 02.09.2020
2 Розробка вихідних даних 17.09.2020
3 Огляд ринку сканерів 01.10.2020
4 Розробка вимог до сканера 15.10.2020 5 Розробка схем електричних 02.11.2020 6 Розробка конструкції елементів сканера 16.11.2020 7 Розробка програмного забезпечення 01.12.2020 8 Оформлення матеріалів дисертації 10.12.2020 9 Передача матеріалів для аналізу на плагіат 11.12.2020
Студент ____________ ____Шемшур С. Ю.___
(підпис) (ініціали, прізвище)
Науковий керівник дисертації ____________ ____Бондаренко Г. І.___
(підпис) (ініціали, прізвище)
РЕФЕРАТ
Магістерська дисертація на тему «3D сканер» складається з 82 сторінок, містить 36 рисунків, 24 таблиці, 6 креслень. До складу пояснювальної записки входить 4 додатки: лістинг програмних кодів, перелік елементів, специфікація друкованого вузла, складальне креслення пристрою.
Метою магістерської дисертації є розробка пристрою для отримання тривимірних моделей реальних об’єктів.
При вирішенні поставленої задачі були проаналізовані технології триви- мірного сканування та конкретні сканери. Були визначені їх недоліки, та знай- дено вирішення проблеми високої ціни. Головним шляхом вирішення цього є використання методу фотограмметрії та камери смартфону в ролі отримувача візуальної інформації про об’єкт що сканується.
В процесі проектування було використано комплексну систему автома- тизованого проектування радіоелектронних засобів Altium Designer, систему автоматизованого проектування SolidWorks. Програмне забезпечення було ро- зроблено за допомогою інтегрованого середовища розробки Android Studio.
Ключові слова: 3D сканування, тривимірна модель, фотограмметрія.
ABSRACT
Master’s thesis on the topic “3D scanner” consist of 82 pages, contains 36 pictures, 24 tables, 6 drawings and 4 appendices.
The aim of the master's thesis is development of a device for obtaining three- dimensional models of real objects.
In solving this problem were analyzed three-dimensional scanning technolo- gies and specific scanners. Their disadvantages were identified, and a solution to the high price problem was found. The main way to solve this is to use photogrammetry method and a smartphone camera for images capture.
In the design process was used Altium Designer is a PCB and electronic de- sign automation software package for printed circuit boards and SolidWorks a mod- eling computer-aided design software. The Android device software was developed using the Android Studio integrated development environment.
Keywords: 3D scanning, three-dimensional model, photogrammetry.
ЗМІСТ
ЗМІСТ ... 4
ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ ... 6
ВСТУП ... 7
1 ОГЛЯД РІШЕНЬ РЕАЛІЗАЦІЇ ... 8
1.1 Огляд існуючих технологій тривимірного сканування ... 8
1.1.1 Контактний метод ... 8
1.1.2 Безконтактний метод ... 8
1.2 Аналіз ринку готової продукції ... 13
1.2.1 Matter and Form V2... 13
1.2.2 EINSCAN-SE ... 14
1.2.3 SLS Pro S3 ... 15
1.2.4 Murobo Atlas ... 15
1.3 Огляд можливих удосконалень ... 16
1.3.1 Конструкція ... 16
1.3.2 Управління сканером ... 16
1.3.4 Інтерфейс з 3D принтерами ... 17
1.3.5 Програмне забезпечення ... 17
2 ВИЗНАЧЕННЯ НАПРЯМКУ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА РОЗРОБКИ ... 19
2.1 Структурна схема 3D сканера ... 19
2.2 Огляд схеми електричної принципової пристрою управління поворотним столиком ... 20
3 РОЗРОБКА ПОВОРОТНОГО СТОЛИКА... 21
3.1 Вибір елементної бази ... 21
3.1.1 Вибір мікроконтролера ... 21
3.1.2 Вибір двигуна та драйвера ... 24
3.1.4 Вибір індикатора ... 26
3.1.5 Вибір джерела живлення ... 26
3.1.7 Вибір перемикача ... 28
3.1.8 Вибір з’єднань ... 29
3.1.9 Вибір пасивних компонентів ... 29
3.2 Розрахунок параметрів друкованого монтажу ... 30
3.2.1 Розрахунок площі друкованої плати ... 30
3.2.2 Розрахунок ширин друкованих провідників ... 31
4 КОНСТРУКЦІЯ ПРИСТРОЮ ... 34
5 РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ... 38
5.1 Розробка програмного забезпечення для поворотного столику ... 38
5.2 Розробка програмного забезпечення смартфону на базі Android ... 41
5.3 Програмне забезпечення для реконструкції тривимірних зображень .... 42
5.3.1 Meshroom ... 43
5.3.2 Recap pro ... 46
6 РОЗРОБЛЕННЯ СТАРТАП ПРОЕКТУ ... 47
6.1 Опис ідеї проекту ... 47
6.2 Технологічний аудит ідеї проекту ... 48
6.3 Аналіз ризикових можливостей ... 49
6.4 Розроблення ринкової стратегії проекту ... 53
6.5 Розроблення маркетингової програми стартап-проекту ... 54
ВИСНОВОК ... 56
ВИСНОВКИ ... 57
ПЕРЕЛІК ДЖЕРЕЛ ПОСИЛАНЬ ... 58
ДОДАТОК А ... 61
ДОДАТОК Б ... 74
ДОДАТОК В ... 77
ДОДАТОК Г ... 80
ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ ДП – друкована плата.
ПЗ – програмне забезпечення.
BLE – Bluetooth Low Energy.
GATT - General Attribute Protocol
ВСТУП
З кожним роком технології 3D друку стають більш доступними для зви- чайних споживачів. І іноді з’являється потреба перенести деякий фізичний об’єкт у віртуальний простір для редагування та подальшого друку на 3D принтері. Якщо об’єкт простий то можна це зробити в ручну, але зі збільшен- ням складності геометрії це стає важко зробити, тому в таких ситуаціях кори- стуються 3D сканерами.
3D сканування це процес аналізу реальних об’єктів або навколишнього середовища для збирання даних про форму та зовнішній вигляд. Зібрані дані можуть бути використані для створення тривимірних моделей.
3D сканер це периферійний пристрій що дозволяє аналізувати форму об’єкту та на основі отриманих даний конструювати 3D моделі. 3D сканери поділяються на дві категорії: контактні та безконтактні.
Контактний метод оснований на безпосередньому контакті сканера з до- сліджуваним об’єктом. Безконтактний метод полягає в отриманні даних від об’єкту на відстані. Цей метод є одним способів неруйнівного контролю. Без- контактний сканери бувають двох видів:
Активні – випромінюють на об’єкт деякі направлені промені і ре- єструють віддзеркалення для аналізу. Частіше за все використо- вують лазерний промінь, рідше рентгенівські, інфрачервоні про- мені або ультразвук.
Пасивні – не випромінюють, а отримують дані з віддзеркаленого навколишнього випромінення. Більшість сканерів такого типу ви- користовують видиме світло.
1 ОГЛЯД РІШЕНЬ РЕАЛІЗАЦІЇ
1.1 Огляд існуючих технологій тривимірного сканування 1.1.1 Контактний метод
Контактні 3D сканери досліджують об'єкт через фізичний контакт, напри- клад, вимірювання координат точок через сенсори, закріплені на роботизова- них «руках» [1]. Такий тип сканерів дуже точний, але займає багато місця та повільний. Також є не нульова можливість пошкодити об’єкт що сканується.
Рисунок 1.1 – контактний 3D сканер 1.1.2 Безконтактний метод
Більшість 3D сканерів на ринку потрапляють саме під цю категорію. Ос- новною перевагою є те, що такі сканери отримують інформацію про об’єкт безконтактно. Поділяються безконтактні сканери на два види: активні та паси- вні.
Розглянемо види безконтактних активних сканерів. До таких сканерів належать: сканери на технології вимірювання часу польоту світлового про- меню, тріангуляційні сканери, сканери з структурованим світлом та модульо- ваним світлом:
а) 3D сканери на технології вимірювання часу польоту променю.
В сканерах що вимірюють час польоту променю використовують лазер- ний промінь для дослідження об’єкта. В основі цієї технології лежить лазер- ний далекомір. Лазерний далекомір знаходить дистанцію до поверхні вимірю- ючи час, за який світловий промінь проходить цю відстань. Оскільки швид- кість світла відома величина то, якщо знайти час польоту імпульсу світла, мо- жливо знайти відстань. Точність таких сканерів залежить від точності виміру часу польоту, наприклад, для точності в 1 мм необхідно вимірювати час в 3.3 піко секунд.
Рисунок 1.2 – Принцип роботи лазерного далекоміра
Лазерний далекомір вимірює відстань лише до однієї точки у просторі, тому для сканування середовища необхідно змінювати напрямок сканування.
Це можна досягнути через поворот самого далекоміра, або через набір дзеркал.
Сучасні сканери такого типу можуть вимірювати від 10 до 100 тисяч точок в секунду.
Головною перевагою цього типу сканера є можливість роботи на дуже великі відстані, до одиниць кілометрів. Тому підходять більше для сканування великих об’єктів, будівель або ландшафту. Недоліком цього методу є висока ціна компонентів та не висока якість отриманого тривимірного зобра- ження [2].
б) 3D сканери на технології тріангуляції.
Іншим видом активних сканерів є лазерна тріангуляція. Для дослідження об’єкту використовується лазерний промінь. Але на відміну від попередньо розглянутих сканерів для отримання даних використовується камера, яка отримує дані про положення точки на об’єкті. Така техніка називається тріан- гуляцією через те що лазер, точка на об’єкті та камера формують трикутник.
Рисунок 1.3 – Принцип роботи лазерної тріангуляції
Відстань від камери до лазера відома, також відомий кут лазеру. Кут ка- мери можна знайти з положення точки на сенсорі. Ці три величини повністю визначають розмір трикутника, та дозволяють знайти позицію лазерної точки на об’єкті [3].
Параметри таких сканерів протилежні до сканерів на технології часу по- льоту променю, відстані сканування вимірюються до метрів, та можуть дати дуже високу чіткість зображення до десятків мікрометрів.
в) 3D сканери на технології структурованого світла.
Сканери з технології структурованого світла використовують проектор та камеру. Проектор проектує деякий світловий візерунок на об’єкт, а камера,
яка знаходиться на відстані від сканера, отримує викривлене зображення візе- рунка. На основі отриманих даних комп’ютерна програма будує тривимірне зображення.
Рисунок 1.4 – Принцип роботи сканерів структурованого світла з двома каме- рами
Зазвичай використовують візерунок у вигляді паралельних смужок. Ти- пова збірка такого 3D сканера скалатається з одного проектора та, як мінімум, однієї камери. Для отримання кращих результатів зазвичай використовують дві камери.
У полосах, що спостерігаються, є декілька величин з яких можна визна- чити глибину зображення. Зміщення будь-якої окремої полоси можна перет- ворити в тривимірні координати [4].
Розглянемо види безконтактних пасивних сканерів. До таких сканерів належать стереоскопічні, фотометричні та силуетні сканери:
а) Стереоскопічні, фотометричні та силуетні 3D сканери
Ці три види сканерів об’єднує те, що вони нічого не випромінюють на модель, а користуються лише пасивним навколишнім випроміненням. Основ- ною перевагою пасивних методів є те, що в більшості випадків для них треба лише звичайна цифрова камера.
Стереоскопічні системи використовують дві камери на відстані одна від одної. Аналізуючи різницю між двома сигналами можна отримати дані про
відстань до кожної точки об’єкта. Цей метод базується на принципах, що ви- користовується людиною.
Фотометричні системи використовують одну камеру, яка робить знімки об’єкта при різних позиціях освітлення.
Рисунок 1.5 – Зображення отримане методом фотометрії
Силуетний метод використовує контур створений з набору зображень, зроблених навколо об’єкту на фоні контрастного фону. Ці силуети витягу- ються, а на їх перетинах створюється апроксимоване зображення об’єкту. Цей метод не дозволяє отримати достовірне зображення об’єктів з впадинами.
б) Метод фотограмметрії
Фотограмметрія надає достовірну інформацію про тривимірне поло- ження точок об’єкту, базується на аналізу набору зображень. Тривимірні дані подаються в виді тривимірної хмари точок або тривимірної сітки [5].
Сучасне програмне забезпечення для фотограмметрії дозволяють в авто- матичному режимі аналізувати велику кількість цифрових зображень для ре- конструкції тривимірного зображення. Але в деяких випадках необхідне втру- чання людини, коли ПЗ не може правильно розставити позиції камер.
Зображення об’єкту робляться з декількох перспектив, задача ПЗ є в тому, щоб по візуальних зображеннях розставити віртуальні камери на місця, де воно було зроблено. Серед такого програмного забезпечення є Autodesk ReCap [6], 3DF Zephyr [7] та інші, платні та безкоштовні.
Рисунок 1.6 – Принци роботи фотограмметрії Висновки
Розглянувши доступні технології 3D сканування було прийнято рішення про використання методу фотограмметрії. Через його простоту, та доступність ПЗ для реалізації.
1.2 Аналіз ринку готової продукції
3D сканери бувають двох видів: ручні та стаціонарні. В даній роботі буде розроблено стаціонарний 3D сканер, тому розглянемо саме такі аналоги.
1.2.1 Matter and Form V2
Рисунок 1.7 – 3D сканер Matter and Form V2
Настільний сканер від компанії Matter and Form розроблений на техно- логії лазерної тріангуляції. Це варіант для художників та любителів, які хочуть 3D сканер із високою роздільною здатністю за низьку ціну.
Має такі характеристики:
Розміри: 345 х 210 х 345 мм;
Максимальна область сканування: 180 х 180 х 250 мм;
Вага: 1.7 кг.;
Роздільна здатність: 0.1 мм;
Ціна: від $750.
1.2.2 EINSCAN-SE
Рисунок 1.8 – 3D сканер EINSCAN-SE
3D сканер від компанії Shining 3D. Має два режими роботи: автоматич- ний та ручний. Дозволяє отримувати не тільки форму об’єкта, а і колір повер- хні. Безпечний, бо замість лазера використовується звичайне біле світло.
Має такі характеристики:
Розміри: 570 х 210 х 210мм;
Мінімальна область сканування: 30 х 30 х 30мм;
Максимальна область сканування: 700 х 700 х 700 мм;
Вага: 2.5 кг.;
Роздільна здатність: ≤0,1 мм;
Ціна: від $1399.
1.2.3 SLS Pro S3
Рисунок 1.9 – 3D сканер SLS Pro S3
Професійний 3D сканер від компанії HP. Працює на технології структу- рованого світла. Технологія базується на проектування різних зображень – ша- блонів, за допомогою звичайного проектора, а встановлена біля нього камера фіксує отримане викривлення об’єкта, що сканується. Таким чином отриму- ється інформація про форму, глибину і деталі об’єкту, яка потім обрахову- ється, для отримання тривимірної моделі.
Має такі характеристики:
Максимальна область сканування: 60 – 500 мм;
Вага: 8.8 кг.;
Роздільна здатність: до 0.05 мм;
Ціна: від $3995.
Хоча даний сканер може давати дуже деталізовані 3D моделі, якщо ви- користовувати їх лише для 3D друку, то маленькі деталі втрачаються. Тому основним недоліком є висока ціна.
1.2.4 Murobo Atlas
Доступний настільний 3D сканер що поставляється в виді набору для збирання. Контролюється за допомогою мікрокомп’ютера Raspberry Pi.
ATLAS 3D працює, підсвічуючи об’єкт лазером, а потім використовуючи
тріангуляцію ля створення хмари точок для кожного місця, де лазер потрапляє на модель. Потім сусідні точки з’єднуються утворюючи тривимірну модель.
Рисунок 1.10 – 3D сканер Murobo Atlas Murobo Atlas має такі характеристики:
Максимальна область сканування: 150 x 250 мм;
Роздільна здатність: 0.25 мм;
Час сканування: ≥ 12 хв(залежить від вибраної чіткості);
Роздільна здатність сенсора: 5 мега пікселів;
Ціна: $239.
Недоліком цього сканера є сенсор не великої роздільної здатності що ви- користовується для отримання зображень об’єкту. Також недоліком є те що сканер поставляється без корпусу, який користувач повинен буде зробити сам на 3D принтері, або докупити окремо.
1.3 Огляд можливих удосконалень 1.3.1 Конструкція
Механічна частина 3D сканера повинна бути такою, яку легко було б на- друкувати на 3D принтері. Буде використаний схожий на аналоги поворотний стіл, що керується кроковим двигуном.
1.3.2 Управління сканером
Все керування сканером можна буде виконувати через додаток на смар- тфоні. Тобто запуск сканування, його відміна та налаштування. Під’єднання
буде реалізовано через протокол Bluetooth low energy. Він має низьке енерго- споживання, через що сканер можна буде живити за допомогою вбудованої батареї, а не тільки через мережений блок живлення.
Також на обертовому столику буде встановлено дисплей, який буде ви- водити данні для підключення смартфону по Bluetooth, а також сервісну інфо- рмацію про стан сканера.
1.3.3 Камера для сканування
В сканері буде використовуватися технологія фотограмметрії, тобто ре- конструкція тривимірної моделі за набором двовимірних зображень. Від яко- сті зображень з камери залежить якість отриманих тривимірних моделей. В якості камери буде виступати камера смартфону, які в останній час комплек- туються сенсорами з високою роздільною здатністю.
1.3.4 Інтерфейс з 3D принтерами
Необхідно буде розробити таку систему, що видавала б відсканований об’єкт у такому форматі, що дозволяв би без модифікацій відправляти модель на друк 3D принтером.
1.3.5 Програмне забезпечення
Необхідно буде розробити програмне забезпечення для мікроконтролера встановленого в поворотному столику. Також необхідно розробити додаток для смартфону на операційній системі Android. Він буде керувати платформою та робити зображення. Операційна система Android обрана через більшу дос- тупність таких смартфонів та через набагато простішу розробку додатків під неї.
Необхідно буде вибрати програмне забезпечення для реконструкції три- вимірних моделей методом фотограмметрії.
ВИСНОВКИ ДО ПЕРШОГО РОЗДІЛУ
Розглянувши 3D сканери доступні на ринку можна бачити що вони дос- тупні в доволі широкому ціновому діапазоні. Всі сканери є активними, тобто випромінюють промені на об’єкт і за відображенням реконструюють 3D мо- дель. Більшість мають обертовий столик, що дозволяє отримати модель за одне сканування без перестановки моделі. Час сканування варіюється від 12 хвилин (Murobo Atlas) до 1 години (SLS Pro S3) та залежить від вибраної роз- дільної здатності сканування, яка лежить в межах від 0.25 мм до 0.05 мм. Всі сканери поставляються зі своїм програмним забезпеченням.
Основним недоліком розглянутих сканерів є їх висока ціна. Тому осно- вною метою роботи буде розробка доступного 3D сканера, що дозволить роз- ширити аудиторію користувачів.
2 ВИЗНАЧЕННЯ НАПРЯМКУ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА РОЗРОБКИ
Після огляду аналогічних пристроїв було прийнято рішення використо- вувати схожу конструкцію, тобто майбутній пристрій буде складатися з де- якого сенсору візуальної інформації та поворотного столику на якому буде знаходиться об’єкт, що сканується.
2.1 Структурна схема 3D сканера
Розглянемо спочатку структурну схему майбутнього пристрою.
Рисунок 2.1 – Структурна схема 3D сканера МК – мікроконтролер з вбудованим Bluetooth.
КД – кроковий двигун, що обертає платформу.
Дисплей – рідкокристалічний дисплей для виводу інформації.
BLE – модуль Bluetooth low energy.
Камера – камера смартфону для отримання інформації про об’єкт.
Смартфон Поворотний столик
МК
Дисплей КД
BLE BLE
Камера
ПЗ
ПЗ – програмне забезпечення, що керує камерою та поворотним столи- ком через BLE
2.2 Огляд схеми електричної принципової пристрою управління поворо- тним столиком
Для роботи поворотного столику необхідно буде розробити пристрій уп- равління, який буде отримувати сигнали керування та повертати об’єкт, що сканується. Розглянемо його схему електричну принципову.
Рисунок 2.2 – Схема електрична принципова пристрою управління поворот- ним столиком
Можна бачити зі схеми, що головною частиною пристрою управління є мікроконтролер. Він отримує команди по бездротовому протоколу Bluetooth, обробляє їх та керує кроковим двигуном та індикатором.
Для підведення живлення використовується клемне з’єднання. Для під’єднання індикатора та крокового двигуна передбачені штекери. Для про- грамування виведені відповідні сигнали на штекер. Для переведення в режим програмування використовується кнопка.
На виході понижуючого перетворювача та біля ніжок живлення мікрос- хем встановлені фільтруючі конденсатори.
3 РОЗРОБКА ПОВОРОТНОГО СТОЛИКА
Однією із складових частин 3D сканера є поворотний столик. Від дозво- ляє сканувати весь об’єкт без необхідності його переставляти вручну.
Після огляду аналогів можна сформувати такі вимоги:
керування через Bluetooth
живлення від 12 В постійного струму
можливість надрукувати основні частини на 3D принтері
мати розміри платформи як у 3D сканерів доступних на ринку
обертання на 360
Для керування поворотним столиком необхідно буде використовувати мікроконтролер з внутрішнім, або зовнішнім модулем Bluetooth. Це дозволить керувати ним з будь – якого пристрою з Bluetooth.
3.1 Вибір елементної бази 3.1.1 Вибір мікроконтролера
Мікроконтролер є основною складовою частиною поворотного столика.
Його задачею буде отримання команд через Bluetooth, їх обробка та вико- нання, а також виведення сервісної інформації на індикатор.
Серед популярних мікроконтролерів є серії AVR від Atmel, STM від STMicroelectronics, PIC від Microchip. Але основним їх недоліком є те, що при їх використанні необхідно також буде додати модуль безпровідного інтер- фейсу Bluetooth, що підвищило складність конструкції, та збільшило її ціну.
Саме тому в ролі серця пристрою управління було обрано мікроконтро- лер ESP32 від компанії Espressif Systems.
Для розробки пристрою управління була обрана найпростіша версія цього мікроконтролера, доступна на даний час, ESP32-WROOM-32.
Рисунок 3.1 – Мікроконтролер ESP32-WROOM-32 Мікроконтролер ESP32-WROOM-32 має такі параметри [8]:
Напруга живлення: 3.0 – 3.6 В
Середній споживаний струм: 80 мА
Частота вбудованого кварцового кристалу: 40 МГц
Bluetooth: v4.2 BR/EDR і BLE
Wi-Fi: 802.11 b/g/n
12 розрядний АЦП до 18 каналів
Два 8 бітні ЦАП
4 × SPI майстер інтерфейси
2 × I2C майстер інтерфейси
3 × UART інтерфейси
Рисунок 3.2 – Блок схема ESP32
Цей мікроконтролер було обрано через вбудований Bluetooth, високу продуктивність роботи, та відносно низьку ціну відносно інших, схожих мік- роконтролерів, при тому до них додатково потрібно було встановлювати Blue- tooth модуль.
В ролі антени Bluetooth та Wi-Fi в цьому мікроконтролері використову- ється планарна антена. Це необхідно буде врахувати при проектуванні друко- ваної плати, через те, що проходження доріжок на платі біля антени можуть змінити її параметри.
Оскільки мікроконтролер поставляється в виді модуля для поверхневого монтажу, в нього вже вбудовано кварцовий резонатор, пам’ять довільного до- ступу та обв’язка.
При проектуванні друкованої плати необхідно буде передбачити з’єд- нання на платі для програматора, а також можливість подачі на 25 ніжку (IO0) мікроконтролера сигналу високого рівня для переведення його в режим про- шивки. Також для включення мікроконтролера при подачі напруги необхідно підтягнути 3 ніжку (EN) до високого рівня сигналу.
Також великою перевагою цього мікроконтролера є можливість програ- мувати його різними мовами програмування C/C++ або Python [9]. Саме через можливість розробки програмного забезпечення мовою Python зменшується час від ідеї до готового пристрою.
Рисунок 3.3 –Розташування виводів ESP32-WROOM-32 3.1.2 Вибір двигуна та драйвера
В ролі двигуна що виконує поворот обертової платформи було обрано кроковий двигун 28BYJ-48 [10].
Рисунок 3.4 –Кроковий двигун 28BYJ-48
Кроковий двигун був обраний через можливість точно керувати кутом повороту, а наявний редуктор дозволяє отримати більший крутячий момент та дозволить сканувати предмети більшої ваги.
Параметри крокового двигуна такі:
Кількість кроків на повний поворот: 32
Співвідношення понижуючого редуктора: 1/16
Напруга живлення: 12 В
Крутний момент: 34.3 Н/м
Піковий струм однієї обмотки: 320 мА
Оскільки обраний мікроконтролер з одного виводу може дати лише 12мА [11] необхідно використовувати драйвер який керуватиме кроковим двигуном.
3.1.3 В ролі драйвера було обрано мікросхему ULN2003, а саме її моди- фікацію ULN2003D в корпусі SOIC для поверхневого монтажу.
Мікросхема ULN2003D це збірка з семи транзисторів Дарлінгтона, роз- рахованих на відносно високу напругу та струм.
Рисунок 3.5 – Спрощена діаграма мікросхеми ULN2003 Параметри мікросхеми ULN2003 є такими [12]:
Кількість драйверів в мікросхемі: 7
Максимальна вихідна напруга: 50 В
Максимальний вихідний струм: 500 мА (на один канал)
Сумісність з вхідними рівнями: ТТЛ та КМОП
3.1.4 Вибір індикатора
Для індикації роботи, та виводу сервісної інформації було обрано дисп- лей. Ідеальним для такої задачі буде дисплей на органічних світлодіодах з драйвером SSD1306.
Рисунок 3.6 – OLED дисплей SSD1306 Параметри дисплею такі [13]:
Роздільна здатність: 128 х 64 точок
Діагональ екрану: 2.4 см
Напруга живлення: 3.3 – 6 В
Інтерфейс керування: I2C 3.1.5 Вибір джерела живлення
Оскільки кроковий двигун живиться від 12 В постійного струму, для жи- влення 3D сканера було обрано мережевий блок живлення 12В 3А, 5.5x2.1мм [14].
Рисунок 3.7 – Мережевий блок живлення
Для підключення блоку живлення до 3D сканера необхідно вилку жив- лення. Було обрано DC-022B під розетку 5.5/2.5мм.
Рисунок 3.8 – Мережевий блок живлення
3.1.6 Оскільки мікроконтролер живиться від 3.0 В до 3.6 В, а індикатор живиться від 3.3 В до 6 В постійного струму було зроблено висновки про не- обхідність використання понижуючого перетворювача.
Спочатку розрахуємо струм яким живиться мікроконтролер та індика- тор.
Максимальный споживаний струм мікроконтролера ESP32-WROOM-32 при передачі по протоколу BLE: 𝐼мк = 80 мА
Максимальний споживаний струм індикатора SSD1306 [15]: 𝐼інд = 20 мА
Сумарне споживання: 𝐼 = 𝐼мк + 𝐼інд = 100 мА
Для живлення низьковольтної частини 3D сканера було обрано dc – dc перетворювач AM1S-1203SH30Z від компанії AIMTEC.
Рисунок 3.9 – Понижуючий перетворювач AM1S-1203SH30Z
Він має такі параметри [16]:
Вхідна напруга: 10.8 – 13.2 В
Вихідна напруга: 3.3 В
Максимальний струм на виході: 303 мА
Вхідний струм (під навантаженням/без навантаження) 107/15 мА
Ефективність: 80%
3.1.7 Вибір перемикача
Для вмикання та вимикання пристрою на передній панелі було встанов- лено перемикач KCD-1-104.
Рисунок 3.10 – Перемикач KCD-1-104 Характеристики перемикача KCD-1-104 є такими:
Номінальна напруга: 250В
Номінальний струм: 6А
Опір контактів: не більше 35 мОм
Фіксація: є
Робочий ресурс: 10000 циклів
3.1.8 Вибір з’єднань
Для приєднання крокового двигуна та індикатора було обрано викорис- товувати роз’ємні з’єднання типу XH [17], оскільки кроковий двигун постав- ляється з таким з’єднанням.
Для під’єднання крокового двигуна було обрано вилку B5B-XH-A, яка має 5 контактів, а для індикатора обрано вилку B4B-XH-A, що має 4 контакти.
Рисунок 3.11 – Вилка B5B-XH-A
Для під’єднання до мікроконтролера, його програмування та відлаго- дження було виведено апаратний UART0 на окреме з’єднання типу PH на 3 контакти.
3.1.9 Вибір пасивних компонентів
Для автоматизації виробництва було обрано пасивні компоненти повер- хневого монтажу.
В ролі блокуючих конденсаторів було обрано один танталовий конден- сатор TAJD107M010RNJ для згладжування струму на виході понижуючого пе- ретворювача, всі інші конденсатори це керамічні CC1206KRX7R9BB104.
Підтягуючий резистор для подання високого рівня на вхід мікроконтро- лера було обрано RCS1206100KFKEA.
3.2 Розрахунок параметрів друкованого монтажу
При проектуванні 3D сканера постала задача розробити друковану плату для пристрою управління поворотним столиком. Розробка друкованої плати буде проходити в системі автоматизованого проектування Altium Designer.
Спочатку необхідно розрахувати параметри друкованого монтажу.
Матеріалом основи друкованої плати було обрано FR-4 35/35 1.5. Це композитний матеріал, що складається з шарів склопластику фольгованого з двох сторін міддю.
Методом виготовлення було обрано комбінований негативний метод.
Він полягає у використання фольгованого діелектрика, з якого хімічним мето- дом знімається шар фольги в місці, де немає доріжок. Після цього свердляться та металізуються отвори. Наноситься захисний шар паяльної маски на всю площу плати крім контактних площадок. Після чого контактні площадки пок- риваються захисним шаром олова.
Було обрано 3-й клас точності. 3-й клас точності ДП для мікросхем з планарними і штирьовими виводами з середнім насиченням поверхні плати елементами.
3.2.1 Розрахунок площі друкованої плати
Для розрахунку площі друкованої плати необхідно врахувати розміри всіх елементів плати.
Таблиця 3.1 Розміри і площа елементів
Елемент Довжина,
мм
Ширина, мм
Кількість, шт
Площа, мм2
Коеф.
Мікроконтролер ESP32
25.5 18 1 1377 3
Понижуючий перетво- рювач
AM1S-1203SH30Z
11.7 6 1 210 3
Таблиця 3.1 (Продовження) Транзисторна збірка
ULN2003D
9,9 3,9 1 107 3
Клемник DG301 10 7,6 1 114 1,5
Вилка B5B-XH-A 14,9 5,75 1 129 1,5
Вилка B4B-XH-A 12,4 5,75 1 106 1,5
Конденсатор TAJD107M010RNJ
7,3 4,3 1 47 1,5
Кнопка IT-1187-160GM-G
6.4 5.2 1 50 1,5
Конденсатор CC1206KRX7R9BB104
3,2 1,6 3 23 1,5
Резистор
RCS1206100KFKEA
3,2 1,6 1 7,6 1,5
Отвори кріплення 3 3 4 28 1
Сумарна площа всіх компонентів виходить 2200 мм2. Візьмемо плату ро- змірами 60 на 50 мм, площа якої 3000 мм2 що більше розрахованого, але доці- льніше взяти більшу.
3.2.2 Розрахунок ширин друкованих провідників Розрахуємо ширину сигнальних провідників.
Мінімальна товщина провідників розраховується за формулою:
𝑡 = 𝑡 + |Δ𝑡н.о| (3.1)
Де 𝑡 - мінімальне значення номінальної ширини провідника;
Δ𝑡н.о – допуск на ширину провідника;
𝑡 = 0.25;
Δ𝑡н.о = 0,05
𝑡 = 0,25 + |0,05| = 0,3 мм
Визначимо ширину силових доріжок до крокового двигуна. Розрахуємо ширину провідника на друкованій платі виходячи з струму що в ньому проті- кає.
𝑡 = ∙ (3.2)
Де 𝐼 -максимальний струм в провіднику;
ℎ –товщина шару металізації;
𝑗 – допустима щільність струму в провіднику
𝐼 в колі крокового двигуна при максимальному навантаженні рівний близько 300 мА. Товщина металізації ℎ для матеріалу FR-4 35/35 1,5 рівна 35 мікрометрів.
𝑗 = 20 А/мм2
Товщина силових доріжок:
𝑡 = 0,3
35 ∙ 10 ∙ 20 = 0,43 мм Отримані після розрахунків ширини доріжок:
Силові: 0,5 мм Сигнальні: 0.3 мм
3.2.3 Проектування друкованої плати
Проектування друкованої плати для пристрою управління було вико- нано в системі автоматизованого проектування Altium Designer.
Рисунок 3.12 – Спроектована ДП
Також за допомогою цього програмного забезпечення було спроекто- вано схему електричну принципову, креслення друкованої плати та друкова- ного вузла.
Рисунок 3.13 – Тривимірна модель спроектованої ДП
4 КОНСТРУКЦІЯ ПРИСТРОЮ
Для пришвидшення розробки мінімально робочої моделі було зроблено висновок про необхідність використання сервісів по продажу тривимірних мо- делей в мережі Інтернет. На платформі CGTrader [18] було зроблено покупку ліцензії на використання та модифікацію схожого по функціоналу пристрою, обертового столику для фотографування.
Рисунок 4.1 – Куплений пристрій
Після покупки було зроблено рішення про модифікацію тривимірної мо- делі під конкретну задачу. Головні зміни це кріплення під розміщення друко- ваної плати та змінені органи управленні.
Було прийнято рішення що поворотний столик та смартфон будуть не закрапленими один відносно іншого, що дає користувачу більшу свободу в ви- борі позиції сканування. Також з широким розповсюдженням 3D принтерів було зроблено рішення друкувати основні деталі корпусу на принтері. Вико- ристання адитивного методу виробництва дало доступ до технік де доступних для традиційних технологій.
Рисунок 4.2 – Тривимірна модель модифікованого поворотного столику На рисунку 4.2 можна бачити тривимірну модель модифікованого обер- тового столику. На передній панелі індикатор для виводу службової інформа- ції про статус 3D сканера, перемикач та штекер живлення.
Матеріалом корпусу було обрано термопластик PLA. Такий матеріал було обрано через відносну простоту друку та фізичні властивості [19].
Таблиця 4.1 Параметри термопластику PLA
Величина Значення
Температура плавлення 173 – 178 С Твердість (по Роквеллу) R70 – R90
Міцність на згин 55,3 МПа
Міцність на розрив 57,8 МПа
Густина 1,25 г/см3
Мінімальна товщина стінок 1 мм
Точність друку ± 0,1 %
Розмір найменших деталей 0,3 мм
Усадка при виготовленні деталей менше 0,8%
Розглянемо внутрішню будову модифікованого поворотного столику.
Рисунок 4.3 – Внутрішня будова поворотного столику
Всі органи керування, крім перемикача живлення винесено в додаток для операційної системи Android. Принцип роботи якого буде розглянути в наступному розділі.
Головною частиною поворотного столика є ДП, що була розроблена в попередньому розділі. 12 В живлення з мережевого блоку через штекер та пе- ремикач приходить на плату. Живлення потрапляє на драйвер крокового дви- гуна та через понижуючий перетворювач на мікроконтролер. Який в свою чергу керує індикатором та кроковим двигуном.
Кроковий двигун, обертає шестерню, яка в свою чергу обертає колесо на якому встановлена платформа з об’єктом що сканується. Використання 3D друку дозволяє вироблять деталі недоступні для інших технологій виробниц- тва.
Рисунок 4.3 – Внутрішня будова друкованого підшипника
На рисунку 4.3 зображено приклад деталі яку неможливо точно відтво- рити без використання адитивного виробництва. Вона представляє собою зов- нішнє кільце з пазом, по якому ковзає внутрішнє кільце. Проміжок між ними складає 0,5 мм. Друкуються вони однією деталлю. А оскільки можна регулю- вати внутрішнє заповнення деталей можна зробити їх легшими, що зменшує витрату пластику не сильно впливаючи на міцність.
5 РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ
Після розробки ДП та корпусу постала необхідність розробки ПЗ для ке- рування 3D сканером та реконструкцією тривимірного зображення.
5.1 Розробка програмного забезпечення для поворотного столику
Для мікроконтролерів серії ESP ПЗ розробляється в спеціалізованому програмному середовищі esp-idf [20]. Але для пришвидшення проектування було використано середовище MicroPython для ESP32 [21].
MicroPython це швидка та ефективна реалізація мови програмування Python 3. Вона включає в себе невеликий набір бібліотек та оптимізована під роботу в обмежених середовищах, як на мікроконтролерах.
Головною перевагою цієї реалізаціє є те що немає необхідності компі- лювати програмний код, він може бути звантажений на мікроконтролер на- пряму, навіть через безпровідний інтерфейс. Це дозволяє сильно пришвид- шити розробку, на прискорити вихід пристрою на ринок.
Програмний код напряму виконується на мікроконтролері, тому є деяка втрата продуктивності. Але через те, що мікроконтролер ESP32-WROOM-32 має відносно велику продуктивність, то на невеликих програмах, не критичних до швидкості виконання, це не є проблемою. Саме тому для програмування мікроконтролера було обрано мову Python 3
На рисунку 5.1 зображено спрощену схему алгоритму роботи програми поворотного столика.
При появі живлення мікроконтролер автоматично починає налашту- вання виходів. Виконує ініціалізацію індикатора, драйвера крокового двигуна та BLE. Після ініціалізації мікроконтролер починає анонс своїх параметрів, для того щоб зовнішні пристрої його побачили та могли встановити з’єд- нання [22].
Рисунок 5.1 – Алгоритм роботи поворотного столика
Протокол BLE вимагає щоб периферійний пристрій обов’язково пови- нен реалізовувати профіль GATT.
У профіля GATT може бути декілька сервісів, що дозволяє в одному при- строї поєднувати декілька різних за типом приладів. Сервіс - це набір характе- ристик для конкретного призначення. Це необхідно для уніфікації роботи з рі- зними приладами одного виду. Наприклад, носимі пульсометри, всередині вони можуть бути побудовані по різному, але це не важливо, бо вони реалізу- ються єдиний сервіс, що описує, як повинні поводити себе пристрої BLE
У кожного сервісу та характеристики є свій унікальний 128-бітний іден- тифікатор. Поворотний столик реалізує сервіс Nordic UART [23]. Цей сервіс емулює протокол UART і дозволяє обмінюватися довільними даними.
В сервісу Nordic UART наявні дві характеристики:
RX Characteristic (UUID: 6E400002-B5A3-F393-E0A9- E50E24DCCA9E)
TX Characteristic (UUID: 6E400003-B5A3-F393-E0A9- E50E24DCCA9E)
RX характеристика використовується для передачі даних до мікроконт- ролера, а TX відповідно для отримання даних від мікроконтролера. Також про- токол дозволяє підписуватися на зміни характеристик і він повідомить, коли якась із них змінилася, тому немає необхідності постійно перевіряти, чи є нові дані.
Після того як мікроконтролер отримає запит на підключення він його приймає та починає очікувати команди. Команда представляє з себе текстовий рядок виду «Tx-n», де x – напрямок повороту (R – по часовій стрілці, L – проти), n – кількість градусів, на які необхідно повернути платформу.
Після отримання рядку команди програма розділяє його на дві частини.
На напрямок повороту та величину. Потім обчислюється необхідна кількість кроків і виконується поворот платформи.
