V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ УСТРОЙСТВА БЫТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ РЕИНЖИНИРИНГА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кислицина  А.А. 1Диденко  А.М. 1Горшкова  Ю.И. 1

---

1МАОУ СОШ 9, ЦМИТ "Тобольск-ПОЛИТЕХ"

Ечмаева Г.А. 1

---

1Тобольский педагогический институт им. Д.И. Менделеева (филиал) ТюмГУ

Работа в формате PDF

857.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

За последнее десятилетие цифровые технологии шагнули далеко вперед. Сегодня изготовления или восстановление различных деталей или материалов стало возможно не только в заводских условиях, но и дома. Вжизни современного общества ведущую роль играют 3D-технологии. Они широко используется в сфере маркетинга, дизайна, науки, медициныи промышленности.

Такая возможность появилась при развитии технологии реверсного инжиниринга. Инструментами ее реализации являются 3D-сканеры, которые позволяют получить цифровую модель объекта с высокой точностью. Они упрощают и автоматизируют ручной труд, а порой выполняют задачи, которые казались невозможными.

Существует ряд промышленно выпускаемых 3D-сканеров различного назначения, однако они дорогие, и не каждый способен их приобрести. Как показали результаты нашего исследования, бюджетный 3D-сканер можно создать и своими силами.

Предметом исследования является реверсный инжиниринг и технологии его реализации.

Целью исследования является изучение технологии реинжинирингаи разработка технических характеристик для создания 3D-сканера.

Задачи исследования:

Изучить технологию реверсного инжиниринга

Изучить суть работы 3D-сканера

Изучить сферы применения 3D-сканеров

Изучить виды 3D-сканеров

Рассмотреть варианты бюджетных 3D-сканеров

Разработать технические характеристики для проекта устройства 3D-сканирования.

Методы: изучение и систематизация информации, проектирование, компьютерное моделирование, кодирование (программирование), тестирование.

Реверсныйинжиниринг: история появления и развития технологии

Реверсный инжиниринг или обратная разработка (обратное проектирование, обратный инжиниринг, реверс-инжиниринг, реинжиниринг; англ. reverseengineering) - это процесс разработки и исследования некоторого предмета в обратном порядке, с целью понять принцип его работы. Иными словами, специалисты, имея образец той или иной продукции, анализируют его, рассматривая и изучая все его составные части и типы связей между ними, проходя все стадии создания этого предмета [4].

Реинжиниринг зародился еще в древние века, но в более упрощенном виде. Примером этого может послужить копирование оружия вражеских народов и его попутное усовершенствование. Волна технического процесса XIX века сделала более возможным применение метода обратной разработки, что позволило прогрессу двигаться невероятно быстрыми темпами. Однако, расширение этого метода, заставило ученых и изобретателей задуматься над защитой своих персональных «творений», а для тех, кто его использовал, стало необходимостью проверять законность своих действий.

Реверс-инжиниринг имеет несколько сфер применения. Одной из них является автомобиле- и машиностроение (в том числе и авиация), в которой происходит копирование различных механизмов и машин без фактической разработки. Это позволяет минимальными затратами воспроизвести удачную конструкцию, но есть случаи копирования и неудачных машин, например [5]:

Советский грузовик АМО-3 был практически полной копией американского грузовика «AutoCar-SA».

Советский лодочный мотор «Москва» был практически полной копией очень удачного американского мотора Scott AtWater (рис.1)

Примернеудачного выбора прототипа для обратной разработки — советский лодочный мотор «Вихрь», копия немецкого мотора Koening.

Первые китайские внедорожники Amiral, GreatWall и другие — нелицензионные практически точные копии внедорожникаToyotaHiluxSurf.

Другой сферой применения реинжиниринга является военная промышленность, представляющая собой обратную разработку продукта соперника с целью узнать его устройство, принцип работы и оценить возможности создания аналога. Самыми известными фактами обратной разработки во время Второй мировой войны являлись:

Немецкие канистры ля бензина — в британских и американских войсках заметили, что немцы имели очень удобные канистры. Они скопировали эти канистры, и те получили название Jerrycans (от слова «gerrys» — от «Germans»).

Миномёты — немцы в военные годы успешно скопировали советские трофейные 120 мм миномёты, которые взяли себе на вооружение под именем Granatwerfer 42.

Место быть технология обратной разработки находит и в сферах электроники, информационных процессов. Примером этого может быть ситуация, когда для работы необходима определенная программа, поддержка которой уже прекращена. В этом случае, хорошо изучив оригинал, можно попробовать воссоздать свой вариант программы, аналог той, используя реверс-инжиниринг[8].

Современные средства реализации технологии реинжиниринга

Инструментом реализации реверс-инжиниринга является 3D-сканер - устройство, с помощью которого можно создавать точные трехмерные модели реальных объектов [1].

Основной сферой его применения является создание максимально точных 3D-моделей для дальнейшей доработки с использованием специализированного программного обеспечения и последующей печати с помощью трехмерных принтеров.

Обратимся к истории создания 3D-сканера. Первый сканер был создан и выпущен в 1991 году американской исследовательской компанией Cyberware (см. приложение 1) [1]. В основу производственной концепции легла особая технология сканирования, основанная на использовании лазерных лучей. Этот момент можно назвать моментом рождения этого устройства, но работы над этим изобретением продолжаются и в наше время.

В1992 году американская студия Cyberscan успешно завершила работы по объединению в общем корпусе 3D-сканера и 3D-принтера. Данная модель позволяла создавать копии человеческого тела, а также более простые объекты. С самого возникновения модели этого устройства привлекли большое внимание представителей киноиндустрии.

Таким образом, 3D-сканеры постоянно модернизируются, увеличивая функции и возможности.

Основная классификация выделяет следующие виды 3D-сканеров [4]:

Контактные 3D-сканеры – сканирование происходит при контакте с исследуемым объектом.

Бесконтактные 3D-сканеры - сканирование происходит на некотором расстоянии от исследуемого объекта.

Бесконтактные 3D сканеры делятся на активные, осуществляющие процесс сканирования под воздействием генерируемого ими же лазерного луча, и пассивные, анализирующие объект с использованием видимого света.

Выделим некоторые виды 3D-сканеров по принципу использования:

Ручные – простые в обращении модели с малым весом и габаритом (рис.2);

Портативные – облегченные установки для работы на выезде с возможностью стационарной установки (рис.3);

Настольные – профессиональные и полупрофессиональные модели для офисов, дизайнерских, конструкторских и инженерных бюро(рис.4);

Стационарные – такими моделями представлен промышленный сегмент 3D сканеров (рис.5);

Оптические – их принцип действия построен на комбинации источника света и оптических камер.

Для нашей научной работы мы выбрали лазерный 3D-сканер.

Особенности лазерного 3D-сканера[5]:

Может использоваться в помещениях с любой освещенностью;

Может сканировать части любого материала;

Большая глубина резкости;

Какая бы технология не использовалась, полученные со сканера данные обрабатываются с помощью специальных компьютерных программ. Примерами таких являются^

CrazyTalk 8 ProforWindows, цена которой 7 054 рубля,

ArtecStudio 12, стоящая 46 683 рубля.

Таким образом, покупка и использование 3D-сканеров достаточно дорогостоящее занятие, и не каждый пользователь способен их приобрести. К тому же, среди существующих 3D сканеров мало подходящих для использования в быту [8].

3D сканер можно создать и самому. Мы предлагаем использовать пассивную технологию3D-сканирования, т.е. с помощью многократного фотографирования объекта. Затем обработать эти фотографии с помощью специальной программы RecapPhotoforstudents фирмы Autodesk, функционирующей на различных операционных системах.

Полученные методом сканирования 3D-модели в дальнейшем могут быть обработаны CAD-системами и использованы для получения модели на 3D-принтере или фрезерном станке.

Проектирование бюджетного 3D-сканера бытового назначения

На сегодняшний день существует множество вещей, используемых нами в повседневной жизни, которые можно распечатать на 3D-принтере, не ища их на прилавках магазинов. Но как же воссоздать трехмерные модели бытовых объектов? Теперь такие задачи решаются в течение нескольких минут или часов благодаря технологии реинжиниринга, инструментом реализации которой является 3D-сканер. В современном мире множество моделей этого устройства представлены на промышленном рынке и доступны для приобретения любым человеком. Но покупка 3D-сканера является довольно дорогостоящим занятием, которое не каждый может себе позволить. Да и к тому же большинство существующих моделей достаточно массивны и не приспособлены для использования их в бытовых целях.

Проанализировав ситуацию, мы пришли к выводу, что в современном мире для реализации деятельности людей в сфере быта необходимо создание бюджетного устройства бытового назначения для осуществления технологии 3D-сканирования.

Целью являетсяпроектирование и создание бюджетного 3D-сканеры бытового назначения.

Технические характеристикиустройства:

Осуществление поворота на 360° градусов

Наличие штатива(держателя) для мобильного телефона

Ограничение по весу – не более 1,6 кг

Ограничение габаритов – сравнительно небольшие размеры

Простое управление с помощью одного нажатия кнопки

Универсальность – возможность пользования не зависимо от модели мобильного телефона

Техническое описание комплектующихустройства

Шаговый двигатель Nema17 STEPPER MOTOR

Компактный шаговый двигатель стандарта NEMA 17. Обладает хорошим крутящим моментом и низкой ценой для двигателей данного формата. Шаговый двигатель 42BYGHW208 можно использовать при построении 3D-принтеров и различных устройств, где не так важен высокий крутящий момент (см. Приложение 2) [7].

Плата Arduino UNO

Arduino Uno контроллер построен на ATmega328. Платформа имеет 14 цифровых вход/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC/DC или батареи. ArduinoUno — отличный вариант платы для создания своих первых умных устройств (см. Приложение 3) [2].

БатареяSmartbuy Super heavy duty6f22 9V

Батарея Smartbuy Superheavyduty 6f22 9V имеет качественный корпус, трубуемое для нашего проекта начальное напряжение и низкую цену (см. Приложение 4) [6].

Эскплуатация созданного 3D-сканера

Алгоритм работы с системы:

Установка модели для съемки на середину платформы

Установка аппарата съемки – мобильного телефона на штатив

Включение устройства – через пару секунд платформа начинает двигаться с остановками каждые 12°-9° градусов, в момент которых мобильный телефон делает снимок.

Остановка системы после прохождения платформой 360°градусов.

Выключение устройства.

Удаление модели для съемки с платформы

Удаление съемочного аппарата – мобильного телефона со штатива

В итоге работы системы мы получаем 30-40 снимков, которые в дальнейшем подлежат обработке в программе AutodeskReCap360 for students [3]. Результатом монтажа фотографий является готовая для печати 3D-модель объекта, сканируемого ранее на поворотном столе для 3D-фотосъемки.

Заключение

Таким образом, покупка и использование 3D-сканеров достаточно дорогостоящее занятие, и не каждый пользователь способен их приобрести.

Как показали результаты нашего исследования 3D-сканер можно создать и самому. Мы предлагаем использоватьпассивную технологию3D сканирования, т.е. с помощью многократногофотографирования объекта. Затем обработать эти фотографии с помощью специальной программы Recap Photo for students фирмы Autodesk, функционирующей на различных операционных системах.

Полученные методом сканирования 3D-модели в дальнейшем могут быть обработаны cad-системами и использованы для получения модели на 3D принтере или фрезерном станке.

В ходе исследования мы провели сканирование объектов на основе пассивной технологии двумя способами (Первый способ – положение объекта остается неизменным, перемещения осуществляются лишь аппаратом съемки. Второй – фотоаппарат находится без движения, а предмет сканирования вращается). Более удобным и с наилучшим результатом оказался последний способ - он позволил получить максимально точную и качественную 3D-модель предмета. В итоге, мы сделали вывод, что для автоматизирования процесса 3D-сканирования на основе пассивной технологии, необходим поворотный стол для 3D-фотосъемки.

В результате работы нами было создано устрйоство бытового назначения для реализации технологии реинжиниринга, также изученной нами в ходе работы.

Список литературы

3D-сканер // Википедия - Свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/3D-сканер (дата обращения 20.11.2017)

Arduino Uno. Общие сведения об Ардуино. URL: http://amperka.ru/product/arduino-uno (дата обращения 25.01.2018)

Autodesk - каталог систем автоматизированного проектирования, геоинформационных систем и трехмерного моделирования. Основные сведения о программах Autodesk. URL: https://www.autodesk.ru/ (дата обращения 15.02.2018)

Make-3D.ru. Что такое сканер и как он работает? URL: https://make-3d.ru/articles/chto-takoe-3d-skaner-i-kak-on-rabotaet/ (дата обращения 5.11.2017)

Википедия - Свободная энциклопедия. Обратная разработка. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Обратная_разработка (дата обращения 25.11.2017)

Характеристика Батарейки Smartbuy. / Nix66.ru. URL: http://www.nix66.ru/catalog/batareya-pitaniya-Smartbuy-SBBZ-9V01B-9V-solevyy-tipa-krona_297169-078088.html (дата обращения 15.02.2018)

Характеристика двигателя Nema17. / Fastnvr.ru. URL: http://fastnvr.ru/NEMA17-42BYGH47-401A (дата обращения 5.02.2018)

Что такое 3D-сканер? / WD-X.ru. URL: https://wd-x.ru/chto-takoe-3d-skaner-sfery-primeneniya-i-prichiny-populyarnosti/ (дата обращения 5.12.2017)

Юричев Д., Введение в Reverse Engineering для начинающих // Lurkmore.to -энциклопедия современной культуры, фольклора и субкультур, а также всего остального. Реверсный инжиниринг. URL: http://lurkmore.to/Reverse_Engineering (дата обращения 15.11.2017)

Приложение 1.

Первый сканер, выпущенный в 1991 году

американской исследовательской компанией Cyberware.

Приложение 2.

Шаговый двигатель Nema17 STEPPER MOTOR

Характеристики

Приложение 3.

Плата Arduino UNO

Характеристики

Приложение 4.

Батарея Smartbuy Super heavy duty 6f22 9V