МГТУ им. Н.Э. Баумана (статьи)

Предложена схема контакта цилиндрических тел с упругими мягкими покрытиями, позволяющая учитывать явления, протекающие в области контакта. С помощью выражения для описания нелинейного трения цилиндрических поверхностей получена формула для температуры в области контакта.

Приводится пример классической краевой задачи электродинамики возбуждения регулярного прямоугольного волновода с идеально проводящими стенками полями точечных источников (электрического или магнитного диполей), для которого электромагнитное поле сосредоточено только внутри области ограниченной идеально проводящей границей. Однако отличное от нуля поле векторного потенциала существует везде в случае возбуждения полем магнитного диполя запредельного волновода. Результат может быть полезен при интерпретации некоторых экспериментов по воздействию на биологические объекты соленоидальных источников поля, полностью экранированных металлическими кожухами.

Рассмотрены вопросы описания кинематики многозвенных исполнительных механизмов манипуляционных роботов с разветвленной цепью. Предложен метод построения аналитических и алгоритмических моделей таких механизмов с использованием математического аппарата блочных матриц. Метод позволяет в общем виде решать прямую и (в двух частных случаях) обратную кинематические задачи для рассматриваемых механизмов. Приведен пример, иллюстрирующий применение метода блочных матриц для описания кинематики манипуляционной системы, состоящей из промышленного манипулятора Kawasaki FS20N и трехпалой кисти Schunk SDH-2.

Для осуществления причаливания — соединения различных объектов с использованием специализированных механических интерфейсов и обеспечения низкого уровня контактных нагрузок — необходимо высокоточное наведение, которое включает в контур управления космическим манипулятором человека-оператора, формирующего команды на основе информации, получаемой от телекамер. Система математического моделирования MPTE (Mission Preparation and Training Equipment) позволяет воспроизводить управление манипулятором ERA и все особенности его движения вместе с перемещаемым полезным грузом кроме контактного взаимодействия стыковочных интерфейсов. Разработан математический стенд для отработки управления манипулятором ERA на контактной фазе операций причаливания, а также для тренировки операторов.

Приведены результаты экспериментальных исследований в широком диапазоне частот поляризационных индикатрис рассеяния октаэдрной компоновки трехгранных уголковых отражателей с секторными гранями, полученные во временной области с помощью установки для измерения параметров антенн в условиях бокса ограниченных размеров и безэховости. Выполнено сравнение результатов измерений во временной и частотной областях. Оценены метрологические возможности экспериментального стенда и рассмотрены пути их улучшения.

Приведены методики и результаты экспериментальных исследований радиопоглощающих структур на плоских металлических подложках и трехсекторных гранях одного из восьми трехгранных уголковых отражателей, образующих октаэдрную компоновку. Данные получены во временной области с помощью установки для измерения параметров антенн при автоматической калибровке коэффициента отражения либо по обратной стороне подложки, либо по одному из пяти трехгранных уголковых отражателей, оставшихся с непокрытыми гранями, в процессе вращения исследуемых структур на опорно-поворотном устройстве.

Приведены результаты измерений диаграмм направленности и коэффициентов усиления зеркальной антенны с облучателем обратного излучения трехсантиметрового диапазона, полученные во временной области в условиях бокса ограниченных размеров и безэховости при оптимальной фокусировке в зону расположения датчика поля с последующим преобразованием результатов измерений в частотную область. Предложена методика настройки оптимального расположения облучателя обратного излучения для фокусировки зеркальной антенны на бесконечность.

Приведены результаты исследований эффективности компенсации действия термонаведенного двулучепреломления в изотропных твердотельных лазерных активных средах для режимов высоких тепловых нагрузок. Даны рекомендации для практически полного устранения этого негативного эффекта в работе твердотельного лазера.

Начиная с 1930—1940 гг. в военно-научной литературе публикуются сведения о бронебойном действии свинцовых пуль и о предельно высокой эффективности продуктов взрыва металлического свинца. Экспериментальные результаты в то время были получены при исследовании выстрела легкой свинцовой пулей, пробивавшей броню толщиной 12,8 мм на скорости 1 700 м/с. Сохранится ли эффект бронепробития при меньшей скорости свинцовой пули (снаряда), оставалось невыясненным до настоящего времени. Показано, что эффект пробития броневой плиты средней твердости толщиной 35 мм свинцовым ударником диаметром 30 мм сохраняется и при меньшей скорости ударника, равной 667…760 м/c. Данное значение практически совпадает с критической скоростью взрывоподобного разрушения свинца, определяемой теоретически.

Рассмотрены критерии моделирования проникания тел в грунтовые среды. Показано влияние масштабного фактора на глубину проникания и испытываемые перегрузки. Приведены результаты экспериментального и численного исследования процесса высокоскоростного проникания ударников в песок. Экспериментально и с помощью численных расчетов исследовано влияние формы кавитатора в головной части ударника на характер взаимодействия с преградой.

Рассмотрены результаты экспериментальных исследований макетных снарядов с элементами заряда твердого топлива в условиях импульсного воздействия артиллерийского выстрела. Скорости снарядов варьировались в диапазоне значений числа Маха 0,5…3, использовались заряды различных топливных составов и формы. Установлено, что при определенных уровнях нагрузки некоторые оригинальные топливные составы разрушаются. Приведены рекомендации по применимости рассмотренных составов и обоснованы требования по коррекции механических свойств новых твердых топлив.

Рассмотрен принцип работы цилиндроконической баллистической установки с деформируемым поршнем, обеспечивающей высокие скорости метаемых тел. Термогазодинамические процессы описаны на основе квазиодномерных газодинамических уравнений, решаемых численно на подвижной сетке методом Годунова. Установлено, что использование данных баллистических установок позволяет увеличить дульную скорость более чем в 1,5 раза.

Проведен поиск и анализ независимых подвесок транспортных средств высокой проходимости нового поколения с колесными движителями. Выявлены наиболее перспективные решения, способные обеспечить повышение технического уровня существующих и перспективных подвесок транспортных средств с колесными движителями.

Описаны два устройства, на которые получены авторские свидетельства, позволяющие повысить точность определения прочностных характеристик композиционных материалов по результатам испытаний трубчатых образцов. Приведены результаты испытаний. Для предотвращения потери устойчивости трубчатого образца используются односторонние связи, которые накладываются или снаружи, или внутри образца. Для учета влияния односторонних связей используется расчетная схема, позволяющая описать процесс потери устойчивости такой оболочки достаточно простыми аналитическими соотношениями и наглядно представить особенности поведения сжимаемого трубчатого образца. Теоретически установлено возрастание критической нагрузки сжимаемой цилиндрической оболочки с односторонними связями. Различие в поведении цилиндрических оболочек с односторонними связями и оболочек с двухсторонними связями описаны впервые.

Проведено исследование аберрационных свойств градиентных линз с осевым линейным распределением показателя преломления с исправленной сферической аберрацией. Градиентные линзы были получены на основе однородных линз, рассчитанных на минимум сферической аберрации. Рассмотрены два варианта градиентных линз: с градиентным слоем у первой поверхности и с градиентным слоем по всей осевой толщине линзы. Изучены свойства градиентных линз с исправленной сферической аберрацией в области аберраций третьего порядка и в области реальных аберраций.

Описаны схемы построения спектрополяриметров для исследования физикохимических свойств оптически активных веществ и биоструктур. Приведены методы повышения их точности и помехоустойчивости.

Рассмотрена актуальная задача выбора траектории движения мобильным роботизированным комплексом в нечеткой среде. Предложен подход к решению этой задачи на основе теории нечетких множеств и теории полезности, что позволяет полно учесть специфику задачи (нечеткость среды), ввести в алгоритм принятия решений знания эксперта и достаточно просто ее формализовать. В подходе применен метод выбора альтернатив в нечеткой среде к решению подобных задач. Изложенный подход проиллюстрирован примером.

Рассмотрен новый рекуррентный алгоритм вычисления коэффициентов уравнений динамики в замкнутой форме для простой кинематической цепи, разработанный на основе матричной записи уравнений Кейна. Алгоритм имеет вычислительную эффективность О(n3) и предназначен для моделирования движения космических манипуляторов с вращательными шарнирами, позволяет учитывать упругие деформации звеньев и использовать параллельные вычисления.

Наиболее сложные и ответственные задачи выполняются роботами под контролем человека. Однако в настоящее время взаимодействие робота и человека уже не является управлением в традиционном смысле. Робот обладает собственной информационно-сенсорной системой, базой знаний, может самостоятельно принимать решения. Поэтому речь идет о взаимодействии робота и оператора в процессе решения задач во внешнем мире. Такая постановка проблемы предполагает разработку специального аппарата для описания и планирования кооперативной деятельности робота и человека. Один из возможных подходов – применение аппарата нечеткой логики и лингвистических переменных, чему и посвящена настоящая статья.

Предложены принципы обоснования облика робототехнических комплексов Сухопутных войск, сформулированные на основе анализа выполняемых комплексами задач, а также требований, предъявляемых к ним в составе комплектов вооружения. Даны рекомендации по формированию руководящих документов, определены направления развития роботизированного вооружения Сухопутных войск на ближайшую и отдаленную перспективу.

Предложен метод построения нечеткого регулятора для следящего привода. Приведены результаты математического моделирования синтезированной системы.

Рассмотрены проблемы формирования моделей динамических систем пониженного порядка, а именно сохранение свойства устойчивости и получение редуцированных моделей для неустойчивых систем. Проведен сравнительный анализ методов получения моделей пониженного порядка с позиции их устойчивости. Даны рекомендации по использованию методов для решения задачи моделирования динамики управляемого и неуправляемого движения устойчивых и неустойчивых объектов.

Описаны технические решения, использованные при модернизации мехатронной системы управления радиотелескопа РТ-7.5, а также общие методы модернизации и некоторые алгоритмы управления.

Рассмотрена проблема построения объемной цветной модели внешней среды по ее дальнометрическим и цветным телевизионным изображениям, получаемым бортовыми сенсорами при движении мобильного робота. Предложены алгоритмы построения такой модели. Приведены характеристики соответствующих программно-аппаратных средств и результаты экспериментальных исследований.

Рассмотрены методы контроля точности преобразования одно- и двухотсчетных амплитудных цифровых преобразователей угла следящего типа с максимальными значениями погрешности преобразования на уровне десятков угловых секунд и единиц или долей угловых секунд.

Рассмотрена «быстрая» нелинейная математическая модель синхронного двигателя с трапецеидальной ЭДС, к которому одновременно предъявляются повышенные требования по моменту, развиваемому двигателем, плавности управления, а также требования по минимизации массы двигателя и объема его конструкции. Выявлено, что особенность разработанной математической модели заключается в выборе ее параметров на основе экспериментальных данных.

Рассмотрены вопросы создания перспективных волоконных источников с повышенной стабильностью выходной мощности и систем измерения параметров фотонно-кристаллических волокон (ФКВ). Разработан метод повышения стабильности выходной мощности за счет использования широких линий поглощения активного волокна. Представлены результаты исследований линий поглощений активных волокон, легированных ионами тулия. Проведено математическое моделирование дисперсионных характеристик ФКВ различного вида. Представлены результаты экспериментальных измерений дисперсионных характеристик на разработанном измерительном стенде и проведена верификация полученных результатов.

Предложен фемтосекундный волоконный лазер для реализации фемтосекундного делителя частоты с целью переноса стабильности частоты от оптического стандарта. Рассмотрен один из вариантов реализации такого лазера с пленками на основе одностенных углеродных нанотрубок для синхронизации мод. Предложена схема самозапускающейся генерации со стабильной синхронизацией мод и соответствующим контролем состояния поляризации.

Разработан измерительный стенд для исследования температурной зависимости спектров люминесценции активных волоконных световодов. Приведены структурная схема и технические пути, обеспечивающие достижение необходимых метрологических характеристик подобных систем при исследовании температурных зависимостей спектров люминесценции.

Приведен обзор методов расчета вариообъективов. Рассмотрены методы габаритного синтеза вариообъективов с произвольным числом подвижных компонентов и аберрационного синтеза в области аберраций третьего и пятого порядков. Предложен метод расчета вариообъективов, содержащих компоненты с изменяемой оптической силой.

Разработана методика синтеза оптических систем лазерных головок технологических установок с волоконными лазерами. Синтез и разработка рабочей конструкторской документации на изготовление оптических деталей лазерной головки проведены с учетом когерентных свойств мощного лазерного излучения и всех характерных особенностей функционирования подобного оборудования.

Разработан аппаратно-программный модуль обнаружения витальности лица, встраиваемый в систему распознавания человека по его изображению. Представлены взаимосвязи модуля обнаружения витальности и системы распознавания, сформулированы требования как к аппаратной, так и к программной частям модуля. Разработан алгоритм определения признаков витальности по спектральным характеристикам отражения кожи лица человека, обеспечивающий защиту от большинства известных фальсификаций. Создан макетный образец системы, проведены экспериментальные исследования, по результатам которых дана оценка надежности обнаружения витальности.

Рассмотрена задача определения концентраций газов методом решения системы уравнений лазерного газоанализа многокомпонентных газовых смесей с перекрывающимися спектрами поглощения газов смеси и с компонентами, не имеющими ярко выраженных максимумов в спектре поглощения. Приведены результаты математического моделирования. Показано, что применение проекционного метода для решения системы уравнений лазерного газоанализа обеспечивает приемлемые погрешности определения концентраций газов для смесей газов с компонентами, не имеющими ярко выраженных максимумов в спектре поглощения.

Рассмотрена задача проектирования комплексированной системы регистрации трехмерных образов объектов на системотехническом уровне. Разработана математическая модель такой системы, предложен критерий качества и получены аналитические выражения для оценки влияния параметров отдельных компонентов системы на критерий качества ее работы. Результаты анализа, полученные для оценки матрицы ковариации погрешности определения трехмерных координат отдельной точки в приближении малых шумов, подтверждены результатами численного моделирования для системы, включающей в состав одно устройство проекции и два устройства регистрации. Предложена методика анализа погрешности регистрации трехмерных образов в пределах рабочего объема при известных параметрах устройств и алгоритмов, а также методика верификации полученных результатов с использованием статистического моделирования.

Рассмотрен вариант конструкции дифракционных оптических элементов (ДОЭ), работающих на пропускание в составе оптических систем во втором порядке дифракции. Обоснована необходимость применения фазовых ДОЭ. Показана возможность применения фазовых ДОЭ, имеющих двухуровневую структуру при прямоугольном микропрофиле рабочей поверхности. Подтверждены возможности изготовления ДОЭ и голограммных оптических элементов ( ГОЭ) с применением установки плазмохимического травления (ПХТ) Caroline 15 PE. Определены оптимальные режимы ПХТ для ДОЭ из щелочного стекла. Установлено, что максимальная глубина рельефа ДОЭ и ГОЭ соответствует максимальной селективности травления стекла относительно материала маски. При толщине хромовой маски 100 нм достигается глубина микрорельефа до 1,4 мкм, что обеспечивает повышение дифракционной эффективности ДОЭ и ГОЭ. Относительная интенсивность света во втором порядке дифракции может составлять 30 %, что позволит создавать новые изделия микрооптики.

Рассмотрен метод управления двумя акустооптическими дефлекторами (АОД), обеспечивающий быстродействующую развертку лазерного пучка в пространстве при подаче на первый дефлектор сигнала постоянной частоты, а на второй — линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала. Проведен анализ влияния параметров ЛЧМ-сигнала на мгновенную угловую диаграмму дифрагированного пучка. Предложен и исследован метод диагональной развертки пучка с использованием двух генераторов ЛЧМ-сигнала, позволяющий формировать лазерные растры с заданной угловой диаграммой направленности при работе с двухкоординатным АОД. Показано, что при использовании АОД на основе парателлурита с неаксиальной геометрией акустооптического взаимодействия и апертурой 9 мм, можно управлять мгновенной угловой диаграммой лазерного пучка в пределах от 40 до 3°. Даны рекомендации по выбору параметров управляющих сигналов, обеспечивающих реализацию предложенного метода.

Выполнен анализ методов и алгоритмов обработки изображений в системах технического зрения промышленных роботов. В первой части работы на основе численного эксперимента по распознаванию образов деталей на основе анализа контуров их изображений показано, что предложенный комбинированный алгоритм сегментации обеспечивает более высокую эффективность, чем алгоритм Канни. Вторая часть работы посвящена методам измерения размеров и перемещений объектов, а также алгоритмам оценки размеров и перемещений. Выявлены достоинства и недостатки оптимального алгоритма и алгоритма «Центр масс» и проведены экспериментальные исследования. Полученные результаты могут быть применены для решения задач, возникающих при разработке систем технического зрения промышленных роботов, таких как сортировка, а также определение ориентации объектов в рабочей зоне при механической обработке и оперативном контроле размеров обрабатываемых деталей.

Предложен алгоритм работы и функциональная схема системы наведения запускаемого объекта на перемещающуюся мишень на базе цифрового вычислителя и оптико-электронных приборов. Алгоритм учитывает действие на запускаемый объект силы сопротивления воздушной среды. На основе предложенного алгоритма разработана программа цифрового вычислителя, позволяющая осуществить наведение объекта на перемещающуюся мишень. Приведены блок-схема разработанной программы и оценка погрешности системы наведения.

Для оптико-электронных систем сокрытия информации проведен теоретический анализ процесса формирования пространственно-частотного спектра символа, встроенного скрытым образом в изображение окружающих объектов. Исследовано влияние различных аберраций третьего порядка на частотный спектр. Показано, что аберрации вносят искажения в виде сдвига спектра и изменения его масштаба. Исследованы восстановленное изображение символа в виде ограниченной гармонической решетки и зависимость его качества от искажений частотного спектра. Обоснованы рекомендации к синтезу фурье-преобразующих объективов.

Предложена новая оптическая система лазерного интерферометра для бесконтактного контроля формы крупногабаритных выпуклых сферических поверхностей без снятия с планшайбы станка. Рабочий волновой фронт формируется объективом, состоящим из стационарного сферического зеркала диаметром 1 400 мм и шести сменных зеркал Манжена, диаметры которых лежат в диапазоне значений 20…150 мм. Волновая аберрация объектива при автоколлимационном ходе лучей не превышает 0,04 длины волны He–Ne-лазера. Эталонный волновой фронт образуется при отражении светового пучка от вогнутой сферической поверхности зеркала Манжена.

Приведен метод записи синтезированных на компьютере голограмм Фурье. Показаны преимущества метода. Проведен анализ характеристик дополнительного фазового фильтра, необходимого для сглаживания спектра фурье-голограмм. Проанализировано влияние фильтра и геометрических параметров пространственно-временного модулятора света на характеристики пространственно-частотного спектра.

Описан принцип работы акустооптического спектрометра изображений и методика определения с его помощью распределения толщины тонких пленочных покрытий.

Приведено описание лазерного флуоресцентного метода контроля состояния растений. Показано, что при длине волны возбуждения 532 нм воздействие на растение стрессовых факторов, вызванных наличием загрязнителей в почве и механическим повреждением растений, существенно искажает спектр флуоресценции, что может быть положено в основу лазерного метода контроля состояния растений. Идентифицирующим фактором при наличии загрязнителей в почве является отношение интенсивностей флуоресценции на двух длинах волн 685 и 740 нм, а при механических повреждениях — нормированная интенсивность флуоресценции на длине волны 685 нм.

Уникальные свойства лазерного излучения, и в первую очередь малая угловая расходимость, обеспечивают возможность использования лазеров для навигационных систем посадки самолетов. Даже относительно маломощный лазер позволяет создавать маяки, дальность действия которых превышает дальнодействие традиционных навигационных огней с лампами накаливания мощностью несколько киловатт. Особенно ярко преимущество лазерных маяков проявляется в условиях плохой видимости из-за специфики распространения лазерного излучения в атмосфере. На основе использования уравнения переноса излучения в атмосфере разработана методика расчета дальности видимости курсовых и глиссадных маяков лазерной системы посадки самолетов «Глиссада», а также определение видимой длины пространственных ориентиров, создаваемых этими маяками за счет рассеяния лазерного излучения в атмосфере. Понятие «видимость пучков» определялось из условия превышения порогового цветового контраста, уровень которого зависит от яркости фона. При расчете дальности видимости лазерных маяков и пространственных ориентиров для малых оптических толщин хорошим приближением решения уравнения переноса яркости является приближение однократного рассеяния. На основе данного приближения проведен цикл расчетов для атмосферной дымки с метеорологической дальностью видимости Sм в диапазоне от 1 до 5 км. Для туманов средней плотности при Sм в диапазоне 0,3…1,0 км расчет проводился с учетом многократного рассеяния.

Рассмотрены экспериментальные исследования точностных характеристик триангуляционного метода при измерении топографии поверхности технологических изделий сложной формы, в частности лопаток газотурбинных двигателей. Проанализированы выбор и влияние конструктивных характеристик системы, углов падения и отражения лазерного излучения, формы и среднеквадратического отклонения параметра шероховатости поверхности. Исследовано влияние ориентации канавок микроструктуры профиля эталонного образца на экспериментальную системную погрешность измерения на длине волны лазерного излучения 0,633 мкм. Предложен метод цифровой обработки зарегистрированного изображения профиля поверхности, позволяющий минимизировать погрешности измерения координат энергетического центра тяжести лазерного пятна подсвета и выделять четкие контуры детали на фоне спекл-шумов и шумов электронного тракта. Приведены результаты экспериментальных исследований разработанного лабораторного стенда, а также точностные границы его применения в задачах технологического контроля.

Рассмотрены основные причины снижения точности измерения расстояния лазерным фазовым дальномером. Определены границы допустимых флуктуаций важнейших параметров — фазы и частоты, при которых погрешность измерения не превышает 1 мм.

Рассмотрен метод селекции световозвращающих объектов от диффузных с помощью адаптивной пороговой обработки разностного кадра. На основе приведенного метода представлен алгоритм фильтрации диффузных объектов на бинарных изображениях.

Описаны схемы построения быстродействующих поляриметров для исследования кинетики биохимических реакций, приведены методы повышения их точности и помехоустойчивости, снижающие влияние амплитудных флуктуаций источника излучения и рассеяния среды.

Предложена методика для оперативного определения элементов внешнего ориентирования оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования Земли, устанавливаемой на космических аппаратах, по измерениям навигационных приборов. Методика позволяет осуществлять восстановление изображения, координатную привязку и трансформирование снимков.

Рассмотрены свойства унитарных поляритонов квазичастиц электромагнитных волн, распространяющихся в материальных средах и удовлетворяющих условию n = ±1. Определены параметры унитарных поляритонов в различных кристаллах: NaCl, ZnSe, рубине, а также в глобулярном фотонном кристалле на основе искусственного опала. Установлено существование бозе-эйнштейновского конденсата унитарных поляритонов при комнатной температуре. Предложен процесс конверсии двух унитарных поляритонов в скалярный бозон.