Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Вычислительная техника и компьютерная графика»

К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ

Заведующий кафедрой

__________Ю.В. Пономарчук

«____»_____________20___г.

УЧЕБНЫЙ СТЕНД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ ТРЕХМЕРНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

ПРОЦЕССА РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Выпускная квалификационная работа

ВКР 09.03.03.ПИ.01.00.941 – ПЗ

Студент 941 гр. Р.А. Анисимов

Консультант по основной части

преподаватель _______________________________________В.В. Суриц

Руководитель

доцент, к.ф.-м.н. Е.В. Данилова

Нормоконтроль

доцент, к.т.н. Е.В. Буняева

Хабаровск 2017

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1 Технические средства и методы разработки 5

1.1 Трехмерное моделирование 5

1.1.1 Области применения трехмерной графики 5

1.1.2 Преимущества трехмерного моделирования 6

1.1.3 Методы трехмерного моделирования 6

1.1.4 Визуализация 11

1.2 Обзор современных программ для трехмерного моделирования 12

1.3 Аппаратно вычислительная платформа Arduino 22

1.3.1 Общая информация об Arduino 22

1.3.2 Номенклатура плат Arduino 23

1.3.3 Дополнительные устройства для Arduino 27

1.3.4 Состав платы Arduino 28

1.4 Двигатель внутреннего сгорания 31

1.4.1 Устройство двигателя внутреннего сгорания 32

1.4.2 Работа двигателя внутреннего сгорания 33

1.4.3 Двигатель внутреннего сгорания G16A 35

2 Обзор и постановка задачи 36

2.1 Обзор КГБ ПОУ «Хорский агропромышленный техникум» 36

2.2 Назначение учебно-лабораторных стендов и их роль в обучении 40

2.3 Постановка задачи ВКР 41

2.3.1 Назначение стенда и его роль в учебном процессе 41

2.3.2 Технические данные стенда и условия эксплуатации 42

2.3.3 Описание работы стенда 42

3 Создание учебного стенда 43

3.1 Работа над трехмерной моделью ДВС и ее анимацией 43

3.2 Разработка датчика на платформе Arduino 46

3.3 Создание стенда ДВС 53

4 Технико-экономическое обоснование 57

4.1 Актуальность разработки 57

4.2 Определение трудоемкости выполнения научно-исследовательской опытно-конструкторской работы 57

4.3 Определение затрат на разработку 58

4.4 Вывод 62

Заключение 63

Список использованных источников и литературы 65

Приложение А Детали сборки трехмерной модели ДВС 68

Приложение Б Программное обеспечение устройства синхронизации 73

ВВЕДЕНИЕ

В данной выпускной квалификационной работе задачей ставится создание учебного стенда ДВС с устройством считывания вращения коленчатого вала, синхронизацией с трехмерной моделью ДВС, выводом информации на экран компьютера с последующей визуализацией.

В настоящее время при обучении студентов используются новейшие информационные технологии и методы обучения. Поэтому изготовление учебного стенда с использованием технологии трехмерной визуализации соответствует задаче повышения эффективности обучения студентов.

Цель работы: создание учебного стенда четырёхцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с устройством считывания вращения коленчатого вала, синхронизацией с анимацией двигателя на экране компьютера.

Задачи ВКР: изучить теоретические аспекты компьютерной графики, программные среды трехмерного моделирования и аппаратно-вычислительной платформы Arduino, создать трехмерную модель ДВС, осуществить анимацию работы двигателя, разработать устройство для синхронизации вращения вала с кадрами анимации, сконструировать стенд.

Методы исследования: анализ литературы, сравнение, обобщение.

Объект исследования: трехмерная графика и механика двигателя, аппаратно-вычислительная платформа Arduino.

Предмет исследования: графические и технологические возможности компьютерной графики, методы работы, устройство и принцип работы ДВС, возможности платформы Arduino и способы их применения.

Работа состоит из введения, трех частей, заключения, списка источников и литературы и приложений. Первая работы содержит обзор на технические средства и методы разработки. Во второй рассмотрена деятельность заказчика ВКР краевого государственного бюджетного профессионального образовательного учреждения «Хорский агропромышленный техникум», поставлены задачи работы.

В третьей части описан процесс создания учебного стенда поэтапно: разработка трехмерной модели двигателя внутреннего сгорания, создание анимации, разработка устройства синхронизации вращения валы и анимации, а также создание самого стенда. В четвертой части, проведено технико-экономическое обоснование работы, приведены таблицы со списком комплектующих и расходных материалов, произведен расчет заработной платы разработчика и руководителя работы. В заключении содержатся выводы по данной выпускной квалификационной работе.

Работа имеет два приложения – А и Б, в которых продемонстрированы детали, используемые в трехмерной модели двигателя, код программы для скетча прошивки платы Arduino, и код программы для передачи положения коленчатого вала в анимацию.

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ РАЗРАБОТКИ

1.1 Трехмерное моделирование

3D графика – это создание объемной модели при помощи специальных компьютерных программ. На основе чертежей, рисунков, подробных описаний или любой другой графический или текстовой информации, 3D дизайнер создает объемное изображение. В специальной программе модель можно посмотреть со всех сторон (сверху, снизу, сбоку), встроить на любую плоскость и в любое окружение.

Трехмерная графика может быть любой сложности. Возможно создать простую трехмерную модель, с низкой детализацией и упрощенной формы, или же это может быть более сложная модель, в которой присутствует проработка самых мелких деталей, фактуры, использованы профессиональные приемы (тени, отражения, преломление света и так далее).

1.1.1 Области применения трехмерной графики

Трехмерное моделирование (3d графика) сегодня применяется в очень многих сферах. От инженерного проектирования изделий и строительства, до киноиндустрии и рекламы.

3D модели очень популярны в создании сайтов. Для создания особенного эффекта некоторые создатели сайтов добавляют в дизайн не просто графические элементы, а трехмерные модели, иногда даже и анимированные. Программы и технологии трехмерного моделирования широко применяются и в производстве, например, корпусной мебели, в строительстве, для создания фотореалистичного дизайн-проекта будущего помещения. Многие конструкторы уже давно перешли от использования линейки и карандаша к современным трехмерным компьютерным программам. Постепенно новые технологии осваивают и другие компании, прежде всего, производственные и торговые [20].

Конечно, в основном трехмерные модели используются в демонстрационных целях. Они незаменимы для презентаций, выставок, а также используются в работе с клиентами, когда необходимо наглядно показать, каким будет итоговый результат.

1.1.2 Преимущества трехмерного моделирования

Преимуществ у трехмерного моделирования перед другими способами визуализации довольно много. Трехмерное моделирование дает очень точную модель, максимально приближенную к реальности. Современные программы помогают достичь высокой детализации. При этом значительно увеличивается наглядность проекта. Выразить трехмерный объект в двухмерной плоскости не просто, тогда как 3D визуализация дает возможность тщательно проработать и что самое главное, просмотреть все детали. Это более естественный способ визуализации.

В трехмерную модель очень легко вносить практически любые изменения. Возможно изменять проект, убирать одни детали и добавлять новые. Фантазия разработчика практически не ограничена.

Из трехмерной модели легко можно выделить чертеж каких-либо компонентов или конструкции целиком. Несмотря на то, что создание трехмерных модели довольно трудозатратный процесс, работать с ними в дальнейшем гораздо проще и удобнее чем с традиционными чертежами. В результате значительно сокращаются временные затраты на проектирование, снижаются издержки.

Специальные программы дают возможность интеграции с любым другим профессиональным программным обеспечением, например, с приложениями для инженерных расчетов, программами для станков или бухгалтерскими программами. Внедрение подобных решений на производстве дает существенную экономию ресурсов, значительно расширяет возможности предприятия, упрощает работу и повышает ее качество [5].

1.1.3 Методы трехмерного моделирования

Полигональное моделирование (polygonal modeling) (рисунок 1.1) – это самая первая разновидность трехмерного моделирования. Если три или более точек координат заданы в качестве вершин и соединены ребрами, то они формируют многоугольник (полигон), который может иметь цвет и текстуру.

Полигон с тремя вершинами называется триангулированным полигоном, с четырьмя вершинами – квадриангулированным полигоном. Если посмотреть на модели, созданные с помощью полигонов, то можно заметить, что большинство из них созданы именно полигонами с четырьмя и тремя вершинами [2]. Соединение группы таких полигонов позволяет смоделировать практически любой объект.

Недостаток полигонального моделирования состоит в том, что все объекты должны состоять из крошечных плоских поверхностей, а полигоны должны иметь очень малый размер, иначе края объекта будут иметь ограненный вид. Это означает, что если для объекта на сцене предполагается увеличение, его необходимо моделировать с большим количеством полигонов (плотностью) даже, несмотря на то, что большинство из них будут лишними при удалении от объекта.

Рисунок 1.1 – Полигональное моделирование

Благодаря росту мощности процессоров и графических адаптеров, в графических программах наблюдается переход с полигонов на сплайны.

Сплайновое моделирование (рисунок 1.2) – это вид 3D моделирования, при котором модель создается при помощи сплайнов (Сплайн – от англ. spline – гибкое лекало, в 3D – это трехмерная кривая). Линии сплайнов задаются трехмерным набором контрольных точек в пространстве, которые и определяют гладкость кривой. Все сплайны сводятся к сплайновому каркасу, на основе которого уже будет создаваться огибающая трехмерная геометрическая поверхность.

Рисунок 1.2 – Сплайновое моделирование

Кроме того, в сплайновом моделировании используются сплайновые примитивы (параметрические объекты, используемые для моделирования объекта). Базовыми сплайновыми примитивами являются: линия (Line), дуга (Arc), спираль (Helix), окружность (Circle), кольцо (Donut), эллипс (Ellipse), прямоугольник (Rectangle), многоугольник (NGon), многоугольник в виде звезды (Star), сечение (Section), сплайновый текст (Text).

В различных программах, позволяющих работать со сплайнами, есть и другие более сложные сплайновые объекты. Преимущество сплайновых объектов в том, что они обладают гибкими настройками и всегда можно изменить их формы [25].

Частным случаем сплайнового моделирования, который уже стал отдельным видом 3D моделирования, является NURBS моделирование.

NURBS моделирование или технология Non-Uniform Rational B-Spline (рисунок 1.3) – это технология неоднородных рациональных В-сплайнов, создание плавных форм и моделей, у которых нет острых краев, как у полигональных моделей. Именно из-за этой отличительной черты технологию NURBS применяют для построения органических моделей и объектов (растений, животных, людей).

Рисунок 1.1 – NURBS моделирование

NURBS-кривые, используемые в данном моделировании, бывают двух видов: Р (Point) кривые и CV (Control Vertex) кривые. Point кривые управляются вершинами, находящимися непосредственно на самой линии или объекте, а Control Vertex кривые управляются точками, лежащими за пределами линии или объекта.

Основными понятиями в трехмерном моделировании являются:

1. вершина (Vertex, или Vertices) – это абстрактная геометрическая точка с координатами X, Y и Z. Вершиной она называется потому, что является крайней точкой либо замкнутого полигона (плоского многоугольника), либо объёмной фигуры;

2. грань (Edge) – отрезок прямой, соединяющий две вершины. В трёхмерной графике это не самостоятельное нечто, а лишь ограничитель для полигонов;

3. полигон (Polygon) – основная функциональная составляющая: плоская многоугольная фигура (обычно трёхмерные редакторы и другие приложения предпочитают оперировать только треугольниками и четырёхугольниками), из множества которых состоит поверхности трёхмерной фигуры. Любую даже самую сложную фигуру или поверхность можно представить в виде множества простых фигур: такая идеальная фигура, как шар (точнее, сфера), в компьютерной графике в любом случае представляется в виде множества треугольников и четырёхугольников. Чем их будет больше, тем выше степень приближения, то есть, тем более гладкой, сферической будет поверхность;

4. текстура – изображение, покрывающее поверхность трёхмерной фигуры, используется для придания трёхмерной фигуре материальной достоверности;

5. нормаль и карта нормалей – нормалью называется вектор, перпендикулярный поверхности в каждой данной её точке. Карта нормалей – это определённого рода текстура, цветовая информация которой (то есть, цвет каждого пикселя) считывается как информация о расположении нормали каждой точке того или иного объекта; с помощью карты нормали можно сформировать подобие более сложной поверхности, чем есть на самом деле.

Благодаря картам нормалей низко полигональным моделям можно придать вид высоко полигональных. Ранее эта технология не слишком активно применялась по той причине, что карты нормали были крайне сложны в изготовлении – до появления таких пакетов, как MudBoxи ZBrush (и Blender3D), в которых поддерживается технология "скульптурного" моделирования.

В 2004 году idSoftware выпустили трехмерную видеоигру Doom III, где Normal Mapping использовалась повсеместно, и с тех пор эта технология стала незаменимой и упростила дизайн моделей

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов ВКР