Помощь студентам в учебе
ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД «ЧАСТОТНО РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ЭЛЕМЕНТАМИ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ»
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОПИСАНИЕ СТЕНДА «ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ - АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 12
1.1 Выбор прототипа лабораторного стенда 12
1.2 Описание реального лабораторного стенда 12
1.2.1 Назначение лабораторного стенда 12
1.2.2 Состав лабораторного стенда 12
1.2.3 Принципиальная схема стенда и описание работы
элементов 13
1.2.4 Электромашинный агрегат лабораторного стенда 16
1.2.5 Преобразователь частоты 17
1.2.6 Датчики обратных связей и регуляторы 18
1.3 Исследование характеристик системы ПЧ - АД 19
1.3.1 Исследование регулировочных характеристик 20
1.3.2 Исследование статических характеристик 21
2 АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ВИРТУАЛЬНОЙ
РЕАЛЬНОСТИ 25
2.1 Определение понятия «виртуальная реальность» 25
2.2 Системы формирования виртуальной реальности 26
2.2.1 Классификация 26
2.2.2 Вычислительные системы 27
2.2.3 Система объемной визуализации 27
2.2.4 Система формирования звуковой картины 28
2.2.5 Система позиционирования 28
2.2.6 Система имитации воздействия среды 28
2.2.7 Принцип работы аппаратных устройств VR 29
2.3 Выбор оборудования 32
3 РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ 37
3.1 Г рафическая часть 37
3.2 Программная часть 41
4 ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ НА ВИРТУАЛЬНОМ
СТЕНДЕ 43
4.1 Цель работы 43
4.2 Порядок выполнения работы 43
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 49
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 50
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОПИСАНИЕ СТЕНДА «ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ - АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 12
1.1 Выбор прототипа лабораторного стенда 12
1.2 Описание реального лабораторного стенда 12
1.2.1 Назначение лабораторного стенда 12
1.2.2 Состав лабораторного стенда 12
1.2.3 Принципиальная схема стенда и описание работы
элементов 13
1.2.4 Электромашинный агрегат лабораторного стенда 16
1.2.5 Преобразователь частоты 17
1.2.6 Датчики обратных связей и регуляторы 18
1.3 Исследование характеристик системы ПЧ - АД 19
1.3.1 Исследование регулировочных характеристик 20
1.3.2 Исследование статических характеристик 21
2 АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ВИРТУАЛЬНОЙ
РЕАЛЬНОСТИ 25
2.1 Определение понятия «виртуальная реальность» 25
2.2 Системы формирования виртуальной реальности 26
2.2.1 Классификация 26
2.2.2 Вычислительные системы 27
2.2.3 Система объемной визуализации 27
2.2.4 Система формирования звуковой картины 28
2.2.5 Система позиционирования 28
2.2.6 Система имитации воздействия среды 28
2.2.7 Принцип работы аппаратных устройств VR 29
2.3 Выбор оборудования 32
3 РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ 37
3.1 Г рафическая часть 37
3.2 Программная часть 41
4 ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ НА ВИРТУАЛЬНОМ
СТЕНДЕ 43
4.1 Цель работы 43
4.2 Порядок выполнения работы 43
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 49
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 50
Темой данного диплома является технологии виртуальной и дополненной реальности в сфере электропривода с целью обучения. Выбор темы обусловлен стремительным развитием отрасли, предприятия масштабно внедряют технологии виртуальных реальностей на своих производствах в различных целях.
Современное производство - это сложный автоматизированный процесс, способный стабильно и отлажено работать лишь в случае достаточной квалификации кадров, поскольку каждая секунда неоправданного простоя несёт большие экономические потери: продукция не выпускается, но производственные издержки остаются всё те же, не говоря уже о затратах на устранение неполадок, сервисные и репутационные потери. Таким образом, для предприятия важным аспектом функционирования является отлаженность рабочего процесса, приводящая к сведению до минимума технологических ошибок или сбоев путем качественного обучения персонала и повышения его квалификации.
Как показывает практика, при внештатной ситуации сотрудники предприятия знают порядок действий лишь в теории, в таких случаях даже самый опытный работник может растеряться, что приведет к нежелательным последствиям, описанным выше. Создавать внештатную ситуацию на предприятии лишь для обучения сотрудников совершенно нецелесообразно.
И как же быть, если сотрудник должен иметь наивысшую подготовку для допуска на производство, но никаких практических навыков при чрезвычайных ситуациях он не имеет, и получить эти навыки в среде обучения не представляется возможным? Задавшись этим вопросом, индустрия промышленности обратила свой взор на технологии виртуальной и дополненной реальности, пришедшие к нам с поприща компьютерных игр.
Появились виртуальные тренажеры, позволяющие проходить весь цикл производства, все штатные и внештатные ситуации не в реальном мире, а в виртуальном, ошибка сотрудника в котором некритична и не несёт никаких отрицательных последствий, кроме вывода сигнала об ошибке на интерфейс. Виртуальные технологии зарекомендовали себя в среде обучения как архиважные инструменты, позволяющие значительно повышать уровень квалификации персонала, что в свою очередь позволяет повысить производительность, качество продукции, понизить производственный брак и свести к минимуму риски простоя оборудования.
Виртуальная реальность - это технология, позволяющая непосредственно взаимодействовать с искусственным миром (нарисованной моделью, будь то производственный цех, модель машины, пульт управления ядерным реактором и многое другое) посредством связи сенсорных устройств и аудиовизуальных эффектов. Это новое поколение человекомашинного интерфейса, которое эффективно используется при работе с трехмерной информацией. При этом зрительные, слуховые, осязательные и моторные ощущения пользователя заменяются их имитацией, генерируемой вычислительной машиной. Характерными признаками виртуальной реальности являются моделирование чего-либо в режиме реального времени, имитация окружающей среды с высокой степенью реализма, а также возможность воздействовать на окружающую среду и при этом получать обратную связь, трактующуюся как результат воздействия (иными словами связь «действие-результат») [1].
Все описанные взаимодействия с «искусственной» реальность происходят благодаря специальным техническим средствам виртуальной реальности. Из большого количества типов таких устройств мы выделим основные.
Шлемы и очки виртуальной реальности относятся к основным инструментам. В шлеме перед глазами пользователя расположены два
дисплея, шоры защищают от попадания внешнего света, предусмотрены стереонаушники, встроенные акселерометры и датчики положения. На дисплеях транслируются смещенные друг относительно друга стереоскопические изображения, обеспечивая реалистичное восприятие трехмерной среды. По принципу работы очки аналогичны шлемам, но более компактны.
К дополнительной гарнитуре относятся информационные перчатки и джойстики, позволяющие пользователю совершать определенные действия с оборудованием или иным функционалом, ориентироваться в пространстве виртуальной модели и совершать перемещения по ней.
Также существуют «умные шлемы и очки», которые относятся к устройствам дополненной реальности. Они широко применяются на производствах, позволяют анализировать среду вокруг пользователя, формировать карту пространства для ориентирования в ней. Большинство таких очков оснащено функциями распознавания голоса и движений, ими можно управлять, не используя рук. Данные виды взаимодействия с дополненным трехмерным пространством используются на производствах скорее для повседневной работы и облегчения производственного процесса, нежели для целей обучения, поэтому в данном дипломном проекте такие системы рассматриваться не будут. Будут показаны лишь примеры применения таких систем на предприятиях, для понимания масштабов использования систем виртуальных и дополненных реальностей.
Необходимость использования данных технологий подтвердилась широким внедрением на предприятиях. Большое количество технологических гигантов стало вводить системы виртуальных и дополненных реальностей на заводах для оптимизации производственных процессов и обучения сотрудников [2].
Первым из крупных игроков такие системы стал вводить промышленный конгломерат FORD. Уже в начале 2000-х компания использовала VR для дизайнерских целей и внутрикорпоративныхкоммуникаций. За последние 7 лет технология стала центром всего автоматизированного производства. Конструкторы и инженеры, например, передвигаются по цехам в очках дополненной реальности фирмы Oculus.
Также логистическая компания DHL успешно организовала проекты дополненной реальности на своих складах в Европе. Складские рабочие получают необходимую информацию через очки дополненной реальности, используя подсказки для перемещения по цехам и операциям погрузки. Специалисты этой компании, после внедрения технологий, провели ряд исследований, которые зафиксировали увеличение производительности рабочих процессов на 25%.
Компания «Г азпромнефть» создает суррогаты технологических цепочек на основе математического моделирования и виртуальной реальности. Посредством алгоритмов и программирования создается нефтяная установка с характеристиками и функционалом идентичными реальной физической установки. На такой системе обучающиеся для работы на предприятиях «Газпрома» отрабатывают порядок действий и реакции при внештатных ситуациях.
Исходя из информации открытых источников, наибольшее применение технология получила в образовательной сфере. Существует ощутимый дефицит квалифицированного рабочего персонала всех уровней. Прогресс движется вперёд семимильными шагами и специалисты просто не успевают угнаться за всеми технологическими новшествами, внедряемыми на предприятия. Из чего следует, что персонал фактически не может предоставить качественное взаимодействие с техникой и её корректное обслуживание. Необходимо ускорять процесс подготовки специалистов, операторов, технологов и всех кадров, от навыков которых будет зависеть стабильная работа производства.
На заводе «СИБУР» Томской области также всерьез заинтересовались технологией и её эффективностью. Был спроектирован тренажер VR, прохождение которого позволяло получить навыки при плановом и
остановочном ремонте компрессоров. Такой вид ремонта один из самых трудоемких и одновременно сложных, требующий высокого уровня квалификации, оперативности и концентрации. Эффект от программы был очевиден: среднее время ремонта и замены компонентов понизилось с 8,5 часов до 7,5, и как уже было рассказано выше, уменьшение простоя производственного станка на 1 час даёт ощутимую экономическую отдачу.
Информации о применении технологий VR в сфере электропривода в университетах недостаточно, чтобы приводить примеры. Но, следует отметить, что многие учебные заведения по всему миру тестируют и внедряют технологии виртуальной реальности в химических, медицинских, гуманитарных, экономических, социологических и многих других сферах.
В ВУЗах Соединенных Штатов Америки применяют технологии виртуальн6ой и дополненной реальности для обучения студентов юридического факультета. Моделируются тренажеры мест преступлений и тренажеры для обучения ораторскому искусству, позволяющие практиковать свои навыки в выступлениях перед присяжными [4].
В Северо-Западном университете города Сиань, расположенном в провинции Шеньси, Китай студенты могут посещать места археологических раскопок, не выходя из своей комнаты. Благодаря инвестициям со стороны фонда, университет смог создать особую учебную лабораторию, которая использует технологию виртуальной реальности для того, чтобы воссоздать в цифровом пространстве места археологических раскопок [6].
В области медицины VR получил огромное распространение, так как от успешности проведенной операции зависит непосредственно жизнь человека. Например, Стенфордский университет не только стал внедрять в своё обучение технологии VR, но и создал новую кафедру, специализирующуюся на разработке программного обеспечения для технологий виртуальных и дополненных реальностей [3].
Подводя итоги всего вышесказанного, можно смело утверждать, что технологии виртуальных и дополненных реальностей развиваются с высокой скоростью, и человечество возлагает на них большие надежды. В рейтинге ожиданий новейших технологий VR находиться на втором месте, первое место занимает искусственный интеллект, третье занимает блокчейн.
Поэтому меня привлекла данная тема для диплома, это интересно и инновационно для нашего ВУЗа, и, возможно, моя дипломная работа будет одним из первых шагов к внедрению столь важных систем обучения, неоднократно доказавших свою полезность на практике.
Современное производство - это сложный автоматизированный процесс, способный стабильно и отлажено работать лишь в случае достаточной квалификации кадров, поскольку каждая секунда неоправданного простоя несёт большие экономические потери: продукция не выпускается, но производственные издержки остаются всё те же, не говоря уже о затратах на устранение неполадок, сервисные и репутационные потери. Таким образом, для предприятия важным аспектом функционирования является отлаженность рабочего процесса, приводящая к сведению до минимума технологических ошибок или сбоев путем качественного обучения персонала и повышения его квалификации.
Как показывает практика, при внештатной ситуации сотрудники предприятия знают порядок действий лишь в теории, в таких случаях даже самый опытный работник может растеряться, что приведет к нежелательным последствиям, описанным выше. Создавать внештатную ситуацию на предприятии лишь для обучения сотрудников совершенно нецелесообразно.
И как же быть, если сотрудник должен иметь наивысшую подготовку для допуска на производство, но никаких практических навыков при чрезвычайных ситуациях он не имеет, и получить эти навыки в среде обучения не представляется возможным? Задавшись этим вопросом, индустрия промышленности обратила свой взор на технологии виртуальной и дополненной реальности, пришедшие к нам с поприща компьютерных игр.
Появились виртуальные тренажеры, позволяющие проходить весь цикл производства, все штатные и внештатные ситуации не в реальном мире, а в виртуальном, ошибка сотрудника в котором некритична и не несёт никаких отрицательных последствий, кроме вывода сигнала об ошибке на интерфейс. Виртуальные технологии зарекомендовали себя в среде обучения как архиважные инструменты, позволяющие значительно повышать уровень квалификации персонала, что в свою очередь позволяет повысить производительность, качество продукции, понизить производственный брак и свести к минимуму риски простоя оборудования.
Виртуальная реальность - это технология, позволяющая непосредственно взаимодействовать с искусственным миром (нарисованной моделью, будь то производственный цех, модель машины, пульт управления ядерным реактором и многое другое) посредством связи сенсорных устройств и аудиовизуальных эффектов. Это новое поколение человекомашинного интерфейса, которое эффективно используется при работе с трехмерной информацией. При этом зрительные, слуховые, осязательные и моторные ощущения пользователя заменяются их имитацией, генерируемой вычислительной машиной. Характерными признаками виртуальной реальности являются моделирование чего-либо в режиме реального времени, имитация окружающей среды с высокой степенью реализма, а также возможность воздействовать на окружающую среду и при этом получать обратную связь, трактующуюся как результат воздействия (иными словами связь «действие-результат») [1].
Все описанные взаимодействия с «искусственной» реальность происходят благодаря специальным техническим средствам виртуальной реальности. Из большого количества типов таких устройств мы выделим основные.
Шлемы и очки виртуальной реальности относятся к основным инструментам. В шлеме перед глазами пользователя расположены два
дисплея, шоры защищают от попадания внешнего света, предусмотрены стереонаушники, встроенные акселерометры и датчики положения. На дисплеях транслируются смещенные друг относительно друга стереоскопические изображения, обеспечивая реалистичное восприятие трехмерной среды. По принципу работы очки аналогичны шлемам, но более компактны.
К дополнительной гарнитуре относятся информационные перчатки и джойстики, позволяющие пользователю совершать определенные действия с оборудованием или иным функционалом, ориентироваться в пространстве виртуальной модели и совершать перемещения по ней.
Также существуют «умные шлемы и очки», которые относятся к устройствам дополненной реальности. Они широко применяются на производствах, позволяют анализировать среду вокруг пользователя, формировать карту пространства для ориентирования в ней. Большинство таких очков оснащено функциями распознавания голоса и движений, ими можно управлять, не используя рук. Данные виды взаимодействия с дополненным трехмерным пространством используются на производствах скорее для повседневной работы и облегчения производственного процесса, нежели для целей обучения, поэтому в данном дипломном проекте такие системы рассматриваться не будут. Будут показаны лишь примеры применения таких систем на предприятиях, для понимания масштабов использования систем виртуальных и дополненных реальностей.
Необходимость использования данных технологий подтвердилась широким внедрением на предприятиях. Большое количество технологических гигантов стало вводить системы виртуальных и дополненных реальностей на заводах для оптимизации производственных процессов и обучения сотрудников [2].
Первым из крупных игроков такие системы стал вводить промышленный конгломерат FORD. Уже в начале 2000-х компания использовала VR для дизайнерских целей и внутрикорпоративныхкоммуникаций. За последние 7 лет технология стала центром всего автоматизированного производства. Конструкторы и инженеры, например, передвигаются по цехам в очках дополненной реальности фирмы Oculus.
Также логистическая компания DHL успешно организовала проекты дополненной реальности на своих складах в Европе. Складские рабочие получают необходимую информацию через очки дополненной реальности, используя подсказки для перемещения по цехам и операциям погрузки. Специалисты этой компании, после внедрения технологий, провели ряд исследований, которые зафиксировали увеличение производительности рабочих процессов на 25%.
Компания «Г азпромнефть» создает суррогаты технологических цепочек на основе математического моделирования и виртуальной реальности. Посредством алгоритмов и программирования создается нефтяная установка с характеристиками и функционалом идентичными реальной физической установки. На такой системе обучающиеся для работы на предприятиях «Газпрома» отрабатывают порядок действий и реакции при внештатных ситуациях.
Исходя из информации открытых источников, наибольшее применение технология получила в образовательной сфере. Существует ощутимый дефицит квалифицированного рабочего персонала всех уровней. Прогресс движется вперёд семимильными шагами и специалисты просто не успевают угнаться за всеми технологическими новшествами, внедряемыми на предприятия. Из чего следует, что персонал фактически не может предоставить качественное взаимодействие с техникой и её корректное обслуживание. Необходимо ускорять процесс подготовки специалистов, операторов, технологов и всех кадров, от навыков которых будет зависеть стабильная работа производства.
На заводе «СИБУР» Томской области также всерьез заинтересовались технологией и её эффективностью. Был спроектирован тренажер VR, прохождение которого позволяло получить навыки при плановом и
остановочном ремонте компрессоров. Такой вид ремонта один из самых трудоемких и одновременно сложных, требующий высокого уровня квалификации, оперативности и концентрации. Эффект от программы был очевиден: среднее время ремонта и замены компонентов понизилось с 8,5 часов до 7,5, и как уже было рассказано выше, уменьшение простоя производственного станка на 1 час даёт ощутимую экономическую отдачу.
Информации о применении технологий VR в сфере электропривода в университетах недостаточно, чтобы приводить примеры. Но, следует отметить, что многие учебные заведения по всему миру тестируют и внедряют технологии виртуальной реальности в химических, медицинских, гуманитарных, экономических, социологических и многих других сферах.
В ВУЗах Соединенных Штатов Америки применяют технологии виртуальн6ой и дополненной реальности для обучения студентов юридического факультета. Моделируются тренажеры мест преступлений и тренажеры для обучения ораторскому искусству, позволяющие практиковать свои навыки в выступлениях перед присяжными [4].
В Северо-Западном университете города Сиань, расположенном в провинции Шеньси, Китай студенты могут посещать места археологических раскопок, не выходя из своей комнаты. Благодаря инвестициям со стороны фонда, университет смог создать особую учебную лабораторию, которая использует технологию виртуальной реальности для того, чтобы воссоздать в цифровом пространстве места археологических раскопок [6].
В области медицины VR получил огромное распространение, так как от успешности проведенной операции зависит непосредственно жизнь человека. Например, Стенфордский университет не только стал внедрять в своё обучение технологии VR, но и создал новую кафедру, специализирующуюся на разработке программного обеспечения для технологий виртуальных и дополненных реальностей [3].
Подводя итоги всего вышесказанного, можно смело утверждать, что технологии виртуальных и дополненных реальностей развиваются с высокой скоростью, и человечество возлагает на них большие надежды. В рейтинге ожиданий новейших технологий VR находиться на втором месте, первое место занимает искусственный интеллект, третье занимает блокчейн.
Поэтому меня привлекла данная тема для диплома, это интересно и инновационно для нашего ВУЗа, и, возможно, моя дипломная работа будет одним из первых шагов к внедрению столь важных систем обучения, неоднократно доказавших свою полезность на практике.
В данном дипломном проекте представлено проектирование и разработка тренажера виртуальной реальности.
В качестве базы для тренажера был выбран стенд для исследования асинхронного электропривода с преобразователем частоты фирмы ABB. Были рассмотрены характеристики стенда, принцип его работы, назначения элементов и их каталожные характеристики.
Были рассмотрены аппаратные средства виртуальной реальности, существующие в настоящее время, для реализации целей дипломного проекта в качестве гарнитуры VR были выбраны шлем и контроллеры фирмы HTC модели Vive Pro.
Графическая составляющая процесса была выполнена в программах Adobe Photoshop CC (создание растровых изображений) и Sketch Up Pro (создание векторной 3D графики).
Программная часть была реализована в программе Unity.
В качестве базы для тренажера был выбран стенд для исследования асинхронного электропривода с преобразователем частоты фирмы ABB. Были рассмотрены характеристики стенда, принцип его работы, назначения элементов и их каталожные характеристики.
Были рассмотрены аппаратные средства виртуальной реальности, существующие в настоящее время, для реализации целей дипломного проекта в качестве гарнитуры VR были выбраны шлем и контроллеры фирмы HTC модели Vive Pro.
Графическая составляющая процесса была выполнена в программах Adobe Photoshop CC (создание растровых изображений) и Sketch Up Pro (создание векторной 3D графики).
Программная часть была реализована в программе Unity.
