Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование цифровых министиков на основе упругодеформируемых полимерных элементов и гибридных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов для ручек управления самолетами и сложными роботехническими комплексами

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
цифровой министик, упругая деформация, система управления, фотодиод, полупроводниковый лазер, микроконтроллер

Цель проекта:
Применяемые в настоящее время министики на датчиках Холла, вихретокового, резистивного и магниторезистивного типа имеют ограниченный ресурс и сложную механическую часть. Общепризнано, что наилучшие результаты по технологичности и надежности дают оптические джойстики, так как в них отсутствует механический износ взаимодействующих или чувствительных элементов. Создать миниатюрный, и в то же время простой оптический министик долгое время не удавалось. Реализуемый проект направлен на создание министика без сопрягающихся и трущихся механических деталей с ресурсом, превышающим ресурс лучших зарубежных аналогов, и, при этом, обладающего уникальной простотой. Целью проекта является исследование и разработка комплекса научно-технических решений направленных на создание цифровых министиков на основе упругодеформируемых полимерных элементов и гибридных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов для ручек управления самолетами и сложными робототехническими комплексами.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения ПНИЭР планируется получить следующие научно-технические результаты:
- результаты теоретических исследований высокоточных цифровых министиков;
- результаты патентных исследований;
- технические и технологические решения по созданию высокоточных цифровых министиков;
- связанная с объектами исследований, вновь создаваемая техническая и методическая документация;
- рекомендации по реализации вновь созданных технических и технологических решений в реальных секторах экономики;
- проект технического задания на проведение дальнейшей ОКР «Создание цифровых лазерно-оптических министиков для военной и гражданской техники, а также средств управления роботами и комплексами различного назначения».
На основе полученных научно-технических результатов будет возможно создание целого спектра цифровых оптических министиков для сложных и ответственных применений, превосходящих лучшие мировые аналоги.
Разработанный ЭО цифрового министика должен соответствовать следующим конструктивным и техническим характеристикам:
1) количество управляемых координат – 2;
2) количество операционных каналов - не менее 3, не более 8;
3) материал упругодеформируемого элемента - эластичный полимер (полиуретан, силикон или резина);
4) источник излучения - полупроводниковый лазер с характеристиками:
а) тип лазера - VCSEL;
б) рабочий диапазон волн, нм – 850 (±15%);
в) пороговый ток, мА – 0,7 … 1,5;
г) выходная мощность, мВт – 1 … 3.
5) приемник излучения – pin-фотодиод с характеристиками:
а) отклик pin-фотодиода, А/Вт, не менее – 0,4;
б) спектр отклика pin-фотодиода, нм – 750 … 1500;
в) напряжение обратного смещения pin-фотодиода, В – 5.
6) величина перемещения управляющей ручки по осям XY, мм - ± 5,00 (±10%);
7) прикладываемое усилие к управляющей ручке (в направлении осей XY), Н - от 0,35Н (±0,10Н) до 0,55Н (±0,15Н);
8) усилие вертикального нажатия (в направлении оси Z) - не регламентируется;
9) время жизни (количество циклов нажатий в направлении XY) - в каждом направлении не менее 1,0 миллиона циклов;
10) протокол цифрового выходного сигнала - SPI;
11) нелинейность выходного сигнала - не более 10%;
12) габаритные характеристики, мм, не более - 20х20х20;
13) вес, г, не более - 2,5.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Специалистам НПП "Тензосенсор" удалось создать уникальный прибор без сопрягающихся и трущихся механических деталей (заявка на изобретение от 19.03.2013 г. №2013112435 «Оптический джойстик») с потенциальным ресурсом на уровне 2,0-2,5 миллиона нажатий, что превышает ресурс лучших зарубежных аналогов в 2-3 раза. При этом оптический джойстик обладает уникальной простотой, содержит встроенный микроконтроллер и может использоваться как многофункциональный перепрограммируемый переключатель, который тоже запатентован НПП «Тензосенсор» под термином «полиморфный переключатель» (патент РФ № 2455678). Простота и дешевизна оптических джойстиков позволит заменить ими широкий спектр устаревших коммутационных приборов - тумблеры, многопозиционные переключатели, движковые и вращающиеся регуляторы, концевые выключатели и т.п. Новые приборы будут обладать взрывобезопасностью, травмобезопасностью (мягкие, эластичные), бесшумностью, способностью работать в вакууме, минимальным весом и малыми габаритами. По существу, это новый класс низковольтных управляющих и коммутирующих устройств, превосходящих лучшие зарубежные аналоги. Их применение позволит скачкообразно повысить функциональность электронных приборов, снизить их вес и массогабаритные характеристики. Применение оптических миниджойстиков в ответственных применениях применения в авионике и средствах управления сложными роботехническими комплексами предъявляют к приборам высокие требования по точности, линейности и другим показателям. В связи с этим высокую актуальность приобретают поисковые исследования, посвященные поиску путей повышения точности миниджойстиков и улучшению их эксплуатационных параметров - повышение линейности, снижение гистерезиса, повышение эксплуатационного ресурса.
Для решения этих задач в ходе заявляемых исследований будет создан высокоточный цифровой министик на основе упругодеформируемых полимерных элементов и гибридных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов для ручек управления самолетами и сложными роботехническими комплексами.
С этой целью будут исследованы следующие пути повышения точности цифровых министиков:
- использование стабилизированных VCSEL-лазеров в качестве источников излучения;
- увеличение количества принимающих pin-фотодиодов и оптимизация их расположения;
- подбор материала и формы упругодеформируемого элемента.
Признаками научной новизны выполняемого проекта являются:
- постановка новых научно-технических задач в области создания коммутационно-управляющих элементов с функциональностью и ресурсом, значительно превосходящим существующие аналоги;
- получение реальных технических результатов в 2,0-2,5 раза превышающих значения параметров лучших мировых аналогов по надежности;
- создание работоспособных образцов инновационной продукции с высокой степенью готовности к внедрению в промышленное производство;
- возможность получения результатов, способных к правовой охране.
Выполнение проекта позволит создать инновационный продукт - надежный высокоточный цифровой министик, который обладая значительными конкурентными преимуществами, даст отечественным разработчикам надежную компонентную базу для создания новейших ручек управления самолетами и сложными роботехническими комплексами.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Научный результат может быть использован для создания линейки инновационных продуктов - надежных высокоточных цифровых министиков, а также перепрограммируемых переключателей на их основе. Обладая значительными конкурентными преимуществами, эти продукты позволят отечественной электронной промышленности создать современную компонентную базу для создания новейших ручек управления самолетами и сложными роботехническими комплексами, скоростных систем управления в авионике, транспортными средствами, вооружением, а также компьютерных манипуляторов различного типа, пультов управления смарт-ТВ, бытовой техникой и т.п., обеспечивая создание электронной компонентной базы в области низковольтных коммутационных элементов.
На основе разрабатываемых инновационных продуктов будет возможно создание целого спектра изделий для сложных и ответственных применений, например, для применения в ручках управления самолетами, ручках управления газом, ручках управления и наведения оружия, ручках управления сложными роботехническими комплексами, пультах управления роботами, высокоточными промышленными манипуляторами, подъемно-транспортным оборудованием и т.п.
Области применения высокоточных цифровых министиков следующие:
- в новейших ручках управления самолетами и сложными роботехническими комплексами;
- в роботизированных системах управления летательными аппаратами и автомобильной техникой для создания скоростных эргономичных систем управления;
- в системах трехмерных манипуляций в медицине, проектировании и т.д.
Ожидаемые социально-экономические эффекты от использования цифровых министиков и систем ввода информации на их основе следующие:
а) повышение производительности труда;
б) снижение материало- и энергоёмкости производства;
в) уменьшение отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду;
г) усиление конкурентных позиций отечественной науки и бизнеса.

Текущие результаты проекта:
Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР.
Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
Обоснован выбор конструкции цифровых министиков (ЦМ).
Разработаны компьютерные 3D-модели ЦМ.
Проведены исследования влияния числа приемников и передатчиков излучения на линейность и воспроизводимость выходного сигнала ЦМ.
Проведены исследования влияния взаимного расположения приемников и передатчиков излучения на линейность и воспроизводимость выходного сигнала ЦМ.
Проведены исследования влияния типа материала упругодеформируемого элемента на линейность и воспроизводимость выходного сигнала ЦМ.
Проведены исследования влияния типа материала упругодеформируемого элемента на время жизни (количество циклов нажатий) ЦМ.
Разработана конструкция ЭО ЦМ.
Разработана эскизная КД на ЭО ЦМ.
Разработан алгоритм функционирования ЦМ.
Разработано программное обеспечение ЭО ЦМ на основе разработанных алгоритмов.
В настоящее время разрабатывается:
- Программная документация на ЭО цифрового министика.
- Программа и методики проведения экспериментальных исследований.