Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0087

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0087
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Тензосенсор"
Название доклада
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
Докладчик
Никитин Владимир Степанович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью выполняемого 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.
Основной задачей проводимых исследований является создание прибора без сопрягающихся и трущихся механических деталей с ресурсом, превышающим ресурс лучших зарубежных аналогов, и, при этом, обладающего уникальной простотой.
Простота и дешевизна цифровых министиков позволит заменить ими широкий спектр устаревших коммутационных приборов. Новые приборы с применением цифровых министиков будут обладать взрывобезопасностью, травмобезопасностью, бесшумностью, способностью работать в вакууме, минимальным весом и малыми габаритами. Применение цифровых министиков позволит скачкообразно повысить функциональность электронных приборов, снизить их вес и массогабаритные характеристики.
Разрабатываемые цифровые министики на основе упругодеформируемых полимерных элементов и гибридных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов должны обеспечить:
- появление новой отечественной научно-технической продукции, соответствующей мировому уровню;
- получение значимых научных результатов, позволяющих перейти к созданию и выводу на рынок новых видов продукции в области электронной компонентной базы.

Актуальность и новизна исследования
В настоящее время происходит широкое внедрение робототехники в различные отрасли экономики. Роботизированная техника применяется в строительстве, горнодобывающей и лесозаготовительной промышленности, в сельском хозяйстве, транспорте. Роботизация военной техники является доминирующим направлением развития вооруженных сил ведущих стран мира.
Внедряемые робототехнические комплексы становятся все более сложными и многофункциональными, Пульты управления на основе традиционных коммутационных изделий – тумблеров, джойстиков, кнопок и регуляторов – имеют большие размеры, массу и фиксированную функциональность. Это затрудняет модернизацию роботов из-за необходимости изменения пультов управления и переобучения операторов. Замена традиционных коммутационных изделий на клавиатуры, тачпады и сенсорные экраны с многоуровневыми меню значительно усложняет и замедляет управление.
Способом решения данной проблемы является применение цифровых оптических министиков. 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.
Признаками научной новизны проекта являются:
- постановка новых научно-технических задач в области создания коммутационно-управляющих элементов;
- получение реальных технических результатов в 2,0-2,5 раза превышающих значения лучших мировых аналогов;
- создание инновационной продукции с высокой степенью готовности к внедрению в промышленное производство;
- получение результатов, способных к правовой охране.
Описание исследования

Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы показал актуальность разработки и внедрения цифровых министиков, которые являются принципиально новыми устройствами ввода информации и управления курсором.

Патентные исследования показали близость двух объектов к разрабатываемому экспериментальному образцу цифрового министика и доказали патентную чистоту собственных конструктивных решений.

Исследование работы цифровых министиков и разработка математической модели позволили обосновать выбор конструкции цифровых министиков.

Разработанные компьютерные 3D-моделипозволили провести дальнейшие теоретические исследования, выполнение расчетов и подготовку документации.

Проведенные теоретические исследования доказали перспективность и оптимальность схемы цифрового министика с одним излучателем и четырьмя фотоприемниками, подтвердили целесообразность создания высокочувстительных и миниатюрных министиков на основе использования гибридных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов и позволили оценить влияние погрешностей изготовления министиков на воспроизводимость амплитуды выходного сигнала, позволили определить места концентрации напряжений и возможного усталостного разрушения упругодеформируемого элемента и рассчитать сроки службы упругодеформируемых элементов цифровых министиков.

Проведенные практические исследования показали, что лучшую линейность выходного сигнала показывают цифровые министики с упругодеформируемым элементом, выполненным из термопластичного эластомера.

Для проведения дальнейших экспериментальных исследований разработаны алгоритм функционирования цифровых министиков, программное обеспечение, программная документация на экспериментальный образец цифрового министика и Программа и методики проведения экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования показали соответствие ЭО цифрового министика конструкторской документации. Технические характеристики экспериментальных образцов цифрового министика и их функционирование соответствуют требованиям, установленным в Техническом задании.

Результаты исследования

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили создание инновационного продукта – надежного высокоточного цифрового министика на основе упругодеформируемого полимерного элемента и гибридного массива VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов для ручек управления самолетами и сложными робототехническими комплексами, обладающего значительными конкурентными преимуществами. Проведенные экспериментальные исследования ЭО цифрового министика позволят на следующем этапе выполнить обобщение и оценку полученных результатов.

Основными конструктивными, технологическими и технико-эксплуатационными характеристиками разработанного экспериментального образца цифрового министика являются следующие:

1) количество управляемых координат – 2;

2) количество операционных каналов – 5;

3) материал упругодеформируемого элемента – эластичный полимер;

4) источник излучения – VCSEL-лазер;

5) приемник излучения – pin-фотодиод;

6) величина перемещения управляющей ручки по осям XY, мм – ± 5;

7) прикладываемое усилие к управляющей ручке (в направлении осей XY), Н – 0,54;

8) усилие вертикального нажатия (в направлении оси Z) - не регламентируется;

9) время жизни (количество циклов нажатий в направлении XY) – в каждом направлении более 1,0 млн. циклов;

10) протокол цифрового выходного сигнала – SPI;

11) нелинейность выходного сигнала – 3,69%;

12) габаритные характеристики, мм – 16,25х16,40х13,65;

13) вес, г – 1,53. 

Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень, показывает, что разработанный цифровой министик обладает уникальной конструкцией без сопрягающихся и трущихся механических деталей, широкой функциональностью и ресурсом, многократно превышающим ресурс лучших зарубежных аналогов. 

Практическая значимость исследования
Реализация проекта позволит создать новый тип низковольтных коммутационно-управляющих элементов на основе упругодеформируемых полимерных элементов и гибридных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов.
Цифровой министик может выполнять функции не только миниатюрного джойстика, но и тумблера, регулятора, 1, 2-х и 4-х позиционного переключателя. Цифровой министик отличает одиночные и двойные нажатия, длинные и короткие нажатия, понимает круговые нажатия в разные стороны и при необходимости может переходить из одного режима в другой в реальном времени.
Простота и дешевизна цифровых министиков позволит заменить ими широкий спектр устаревших коммутационных приборов. Новые приборы с применением цифровых министиков будут обладать взрывобезопасностью, травмобезопасностью, бесшумностью, способностью работать в вакууме, минимальным весом и малыми габаритами. Применение цифровых министиков позволит скачкообразно повысить функциональность электронных приборов, снизить их вес и массогабаритные характеристики.
Ожидаемые социально-экономические эффекты от использования цифровых министиков и систем ввода информации на их основе:
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.
Предварительные результаты исследования рынков продукции говорят о высоком потенциале цифровых министиков. По оценкам аналитиков мировой объем рынка переключателей для систем управления и ввода информации в денежном выражении составляет порядка 600 млн. долларов США в год и стабильно растет. Высокая конкурентоспособность позволит цифровым министикам на первом этапе занять до 5% рынка, что соответствует 30 млн. долларов в год, а в течение 5...7 лет цифровые министики могут занять от 10% до 15% рынка.