Система динамического управления групповым позиционированием объектов «Кинетический дождь»

Работа посвящена разработке системы управления групповым позиционированием объектов, формирующих инсталляции в двух- трехмерном пространстве. В работе представлено математическое моделирование процесса создания 3D-инсталляции “Кинетический дождь” посредством перемещения группы объектов, а также сформированы основные требования к системе управления, на основе которых предложена концепция системы управления; разработаны основные компоненты системы и подобраны интерфейсы связи для их взаимодействия.

Введение ……………………………………………………………………………………………………… 15
1 Разработка концепции системы ………………………………………………………………… 17
1.1 Интерфейсы передачи данных между узлами системы ………………………… 19
1.1.1 Обмен данными между исполнительными устройствами и сервером
управления …………………………………………………………………………………………. 19
1.1.2 Обмен данными между ПК и сервером управления ……………………. 20
1.2 Структурная схема системы ……………………………………………………………….. 20
1.3 Аналитическая модель движения “капель” ………………………………………….. 21
1.4 Вывод по главе 1 ………………………………………………………………………………… 33
2 Проектирование основных узлов системы ………………………………………………… 34
2.1 Исполнительное устройство ……………………………………………………………….. 34
2.1.1 Двигатель для перемещения “капли” …………………………………………. 34
2.1.1.1 Шаговый двигатель ………………………………………………………… 36
2.1.1.2 Режимы работы шагового двигателя ……………………………….. 40
2.1.1.3 Подключение шагового двигателя…………………………………… 41
2.1.2 Датчик конечного положения “капли” ……………………………………….. 43
2.1.2.1 Методика определения конечных положений ………………….. 43
2.1.3 Сетевой адаптер ………………………………………………………………………… 47
2.1.4 RGB-светодиод………………………………………………………………………….. 48
2.1.5 Выбор микроконтроллера ………………………………………………………….. 49
2.1.6 Структурная схема макета исполнительного устройства…………….. 50
2.1.7 Разработка печатной платы исполнительного устройства …………… 52
2.2 Сервер управления ……………………………………………………………………………… 54
2.3 Адаптер USB – RS-232 ……………………………………………………………………….. 54
2.4 Выбор микроконтроллера …………………………………………………………………… 55
2.5 Структурная схема макета сервера управления …………………………………… 56
2.6 Разработка печатной платы сервера управления ………………………………….. 58
2.7 Вывод по главе 2 ………………………………………………………………………………… 59
3 Разработка программного обеспечения устройств системы ………………………. 60
3.1 Описание логики работы исполнительного устройства ……………………….. 60
3.1.1 Управление двигателем ……………………………………………………………… 60
3.1.2 Протокол обмена данными между исполнительным устройством и
сервером управления ………………………………………………………………………….. 62
3.2 Описание логики работы сервера управления ……………………………………… 66
3.2.1 Передача и прием данных в режиме реального времени …………….. 66
3.2.2 Протокол обмена данными между сервером управления и
генератором поверхности ……………………………………………………………………. 68
3.3 Управление RGB-светодиодами ………………………………………………………….. 69
3.4 Встроенный загрузчик ………………………………………………………………………… 71
3.5 Алгоритм самодиагностики ………………………………………………………………… 74
3.5.1 Диагностика исполнительного устройства …………………………………. 74
3.5.2 Диагностика сервера управления ……………………………………………….. 75
3.6 Проверка полученных алгоритмов на макете системы…………………………. 76
3.7 Вывод по главе 3 ………………………………………………………………………………… 77
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение …… 78
4.1 Организация и планирование работ …………………………………………………….. 78
4.2 Продолжительность этапов работ ……………………………………………………….. 80
4.3 Расчет сметы затрат на выполнение проекта ……………………………………….. 82
4.3.1 Расчет затрат на материалы ……………………………………………………….. 83
4.3.2 Расчет заработной платы……………………………………………………………. 84
4.3.3 Расчет затрат на социальный налог ……………………………………………. 85
4.3.4 Расчет затрат на электроэнергию ……………………………………………….. 85
4.3.5 Расчет амортизационных расходов …………………………………………….. 86
4.3.6 Расчет прочих расходов …………………………………………………………….. 87
4.3.7 Расчет общей себестоимости разработки ……………………………………. 88
4.3.8 Расчет прибыли …………………………………………………………………………. 88
4.3.9 Расчет НДС ……………………………………………………………………………….. 88
4.3.10 Цена разработки НИР ……………………………………………………………….. 88
4.4 Оценка экономической эффективности проекта ………………………………….. 89
5 Социальная ответственность ……………………………………………………………………. 91
5.1 Аннотация ………………………………………………………………………………………….. 91
5.2 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……… 92
5.2.1 Специальные (характерные для проектируемой рабочей зоны)
правовые нормы трудового законодательства ……………………………………… 92
5.2.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя …………………………………………………………………………………….. 94
5.3 Профессиональная социальная безопасность ………………………………………. 96
5.3.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые может создать
объект исследования …………………………………………………………………………… 97
5.3.2 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть
при проведении исследования …………………………………………………………….. 97
5.3.2.1 Микроклимат………………………………………………………………….. 97
5.3.2.2 Шум ……………………………………………………………………………….. 98
5.3.2.3 Освещенность…………………………………………………………………. 99
5.3.2.4 Электромагнитные излучения ……………………………………….. 102
5.3.2.5 Электрический ток………………………………………………………… 103
5.4 Экологическая безопасность……………………………………………………………… 105
5.4.1 Анализ влияния объекта на окружающую среду ………………………. 105
5.4.2 Анализ “жизненного цикла” объекта исследования ………………….. 105
5.4.3 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды от
воздействий объекта исследования ……………………………………………………. 106
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях…………………………………………… 107
5.5.1 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследования ……………………………………………………………………………………. 107
5.5.2 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть при исследовании
объекта …………………………………………………………………………………………….. 108
5.5.3 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС …………………………………… 109
Заключение ……………………………………………………………………………………………….. 111
Список использованных источников ………………………………………………………….. 112
Приложение А (обязательное) Листинг скрипта, который демонстрирует работу
системы с одним объектом …………………………………………………………………………. 117
Приложение Б (обязательное) Листинг скрипта, который демонстрирует работу
системы с множеством объектов ………………………………………………………………… 119
Приложение В (обязательное) Листинг скрипта, формирующего полный набор
данных для системы …………………………………………………………………………………… 121
Приложение Г (обязательное) График реализации проекта …………………………. 123
Приложение Д (обязательное) System concept development …………………………. 124

В данной выпускной квалификационной работе была спроектирована
система управления групповым позиционированием объектов, формирующих
инсталляции в двух- трехмерном пространстве. В процессе проектирования был
произведен обоснованный подбор элементов основных узлов устройства, а
также интерфейсы передачи данных между этими узлами.
Также было получено аналитическое описание движения объектов сис-
темы и проведено моделирование процесса формирования инсталляции, в ходе
которого была получена двумерная инсталляция визуально схожая с заданным
уравнением движения.
Кроме того, была произведена макетная сборка системы, в состав кото-
рой входят сервер управления и одно исполнительное устройство. На базе соб-
ранного макета системы была проведена проверка приведенных в данной рабо-
те алгоритмов, формирующих логику работы основных узлов системы. По ре-
зультатам исследования разработанные алгоритмы были признаны работоспо-
собными, однако необходимо тиражирование алгоритмов для системы с боль-
шим количеством объектов и с использованием устройств, собранных на осно-
ве разработанных печатных плат.