Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0059

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0059
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Название доклада
Разработка микросенсорного интеллектуального оптико-электронного модуля с матричным неохлаждаемым приемником теплового излучения на основе микросистемной техники для устройств технического зрения современных робототехнических комплексов
Докладчик
Крупнов Юрий Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка комплекса научно-технических решений по созданию оптико-электронного модуля интеллектуальных микросенсорных устройств (далее - МСУ) технического зрения на основе микросистемной техники для современных робототехнических комплексов.
Разработка предложений по серийному производству систем технического зрения для робототехнических комплексов на основе неохлаждаемых приемников теплового излучения, работающих в ИК-области.
Основной особенностью разработки является совмещение диапазонов наблюдения видимого спектра и ИК-диапазона, автоматическая фокусировка объективов при помощи лазерного дальномера и способность осуществлять слежение не только за счёт алгоритмов обработки последовательности видеокадров, но и за счёт перемещения поля зрения видеокамеры вслед за движущимся объектом слежения.
Актуальность и новизна исследования
В последние годы в связи с активным развитием МЭМС-технологий открылись новые возможности создания эффективных
матричных сенсоров, чувствительных к тепловому излучению. Совместимость этих процессов с современной кремниевой
КМОП технологией обеспечивает МЭМС-сенсорам достижение высоких характеристик преобразования теплового излучения,
прежде всего таких, как чувствительность и быстродействие. Важнейшим обстоятельством, выводящим многоэлементные
тепловые сенсоры в особую потребительскую нишу, является то, что они не требуют для своей работы дорогостоящих систем
глубокого охлаждения, чем принципиально отличаются от полупроводниковых квантовых ИК фотоприемников. Низкий
ценовой уровень при конкурентных характеристиках функционирования стимулирует ускоренный темп разработок,
подогреваемый потребностями рынка в недорогих малогабаритных инфракрасных оптико-электронных системах (ОЭС) для
современных интеллектуальных робототехнических комплексов широкого спектра практических применений. Разработка
высокочувствительных микросенсорных устройств (МСУ) с тепловыми сенсорами технического зрения обеспечит
существенное расширение функциональных характеристик роботизированных устройств на основе новой технической
возможности - пассивного обнаружения объектов с повышенным уровнем тепловыделения. Широкий спектр исполнительных
функций, которые смогут выполнять робототехнические устройства с помощью предлагаемых сенсоров, реализуется на
стандартной элементной базе с использованием соответствующего прикладного программного обеспечения (ПО).
Описание исследования

В ходе проведения ПНИ должны быть получены следующие результаты:
1 Методы определения предельных характеристик функционирования МСУ (кадровая частота, точность определения температуры тепловых объектов).
2 Технология создания оптико-электронного модуля c матричным неохлаждаемым приемником на основе микроэлектромеханической системы (далее - МЭМС). 
3   Алгоритмы по реализации интеллектуальных функций МСУ, в том числе:
1) алгоритм пространственной фильтрации для подавления геометрического шума чувствительных элементов матричного неохлаждаемого приемника теплового излучения;
2) алгоритм дистанционного обнаружения тепловых объектов в секторе обзора МСУ с определением их угловых координат; 
3) алгоритм панорамного сканирования пространства; 
4) алгоритм удержания движущегося теплового объекта в секторе обзора МСУ.
4 Экспериментальный образец МСУ
5  Проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка технологии промышленного производства интеллектуального микросенсорного устройства с матричным неохлаждаемым приемником теплового излучения на основе микросистемной техники для устройств технического зрения современных робототехнических комплексов».
6 Рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
Основные характеристики планируемых результатов:
1 Разрабатываемые в рамках ПНИ МСУ должны быть предназначены для применения в составе устройств технического зрения современных робототехнических комплексов.
2 Разрабатываемые методы предназначены для проведения исследований экспериментальных образцов МСУ.
3 Разрабатываемая технология должна быть предназначена для изготовления оптико-электронных приборов на основе матричных неохлаждаемых приемников теплового (инфракрасного) излучения.
4 Разрабатываемые алгоритмы должны быть предназначены для обработки сигналов оптико-электронного модуля, управления поворотными устройствами МСУ. Совокупность разрабатываемых алгоритмов и программного обеспечения должны обеспечивать реализацию интеллектуальных функций МСУ.

 

Результаты исследования

На 1 этапе ПНИ выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы;
проведён патентный поиск, исследованы и разработаны варианты схемотехнических решений построения оптико-
электронного модуля на основе матричного неохлаждаемого приемника теплового излучения; исследованы возможные
конструкторские решения по созданию МСУ и проведена их сравнительная оценка; исследованы основные технологические
принципы изготовления оптико-электронных модулей для устройств технического зрения современных робототехнических
комплексов; разработаны методы определения предельных характеристик функционирования МСУ  и проведены их теоретические расчеты; проведен выбор и обоснование оптической системы оптико-электронного модуля на основе микрообъектива; выполнены работы по обоснованию, выбору и закупке оборудования и аппаратуры для отработки технологии изготовления оптико-электронного
модуля c матричным неохлаждаемым приемником на основе МЭМС-технологии; проведен анализ возможностей применения
МСУ в современных роботехнических комплексах и устройствах технического зрения.
На 2 этапе ПНИ разработана ЭКД изготовления экспериментальных образцов оптико-электронного модуля; выполнен теоретический расчет оптической схемы оптико-электронного модуля и теплообменных процессов в модуле, разработана принципиальная оптическая схема; разработаны конструкторские решения для создания интеллектуального МСУ на основе оптико-электронного модуля с матричным неохлаждаемым приемником теплового излучения; проведено компьютерное моделирование конструктивных элементов оптико-электронного модуля с применением программного продукта Ansys; разработана и изготовлена оснастка для отработки технологических процессов изготовления оптико-электронного модуля c матричным неохлаждаемым приемником;  выполнены работы по обоснованию, выбору аналитического и технологического оборудования, предназначенного для отработки технологии изготовления оптико-электронного модуля. На 3 этапе ПНИ разработаны алгоритмы, реализующие: пространственную фильтрацию для подавления геометрического шума чувствительных элементов матричного неохлаждаемого приемника теплового излучения, функцию дистанционного обнаружения теплового объекта с определением его угловых координат, панорамное сканирование пространства, функцию сопровождения движущего теплового объекта в секторе обзора МСУ, выполнена их программная реализация. Разработана
эскизная конструкторская, технологическая и программная документация на изготовление экспериментальных образцов МСУ.
Разработана и изготовлена оснастка для изготовления МСУ и проведения экспериментальных исследований. На 4 этапе ПНИ изготовлены экспериментальные образцы МСУ, разработана ПМ экспериментальных исследований МСУ, проведены экспериментальные исследования МСУ. В ходе выполнения 5 этапа ПНИ выполняется  разработка проекта ТЗ на проведение ОТР, разработка технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации МСУ с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера, разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках, сравнение результатов ПНИ с современным  научно-техническим  уровнем  развития  интеллектуальных МСУ.

Практическая значимость исследования
Выработанные в ходе выполнения ПНИ технические решения по конструкции интеллектуального модуля с матричным
неохлаждаемым приемником теплового излучения должны обеспечивать возможность их практического использования в
устройства технического зрения современных робототехнических комплексов с тепловыми системами видения.
Возможными потребителями результатов проекта являются промышленные предприятия производящие высокотехнологичную
продукцию коммерческого, промышленного и специального назначений, в том числе производящие тепловизионные и
роботизированные устройства.
Научно-технические результаты, полученные в ходе выполнения ПНИ, могут быть использованы в производстве
интеллектуального модуля с матричным неохлаждаемым приемником теплового излучения.
Согласно маркетинговым исследованиям мировых консалтинговых агентств, прогнозируемый рост на рынке неохлаждаемых
тепловизионных систем составит 23% к 2018 году (Yole Development).. Области применения МСУ:
• Обеспечение охраны и безопасности критически важных объектов инфраструктуры (аэропортов, транспортных узлов, ядерных объектов, электростанций, химических производств, нефте-, газопроводов и хранилищ, границ и т.п.).
• Мониторинг тепло- и энергосетей для предотвращения выхода из строя элементов энергосетей и подстанций.
• Обеспечение промышленной безопасности (контроль и диагностика режимов работы сложных машин и механизмов, обнаружение дефектных или выработавших ресурс деталей по их перегреву, обнаружение искрения во внутренней электропроводке и т.п.).
• Ликвидация чрезвычайных ситуаций и последствий катастроф.
• Мониторинг сложнодоступных или опасных для жизни и здоровья человека объектов.
Отсутствие на отечественном рынке систем технического зрения для робототехнических комплексов неохлаждаемых
приемников теплового излучения отечественного производства позволяет говорить о высоком потенциале коммерциализации
результатов ПНИ.