В 2018 году был открыт Центр Национальной технологической инициативы «Сенсорика» на базе МИЭТ. Какие разработки Центра наиболее успешны и уже внедряются в практику, какие направления в развитии БПЛА наиболее актуальны и как улучшить навигацию беспилотников, рассказал Сергей Гаврилов, директор Центра НТИ «Сенсорика».
— Сергей Александрович, расскажите, какие у Центра были цели и планы на старте. Что удалось сделать?
— Мы ставили перед собой задачу трансформировать потенциал университета в технологические и научно-технические проекты в области сквозной технологии «Технологии сенсорики». За годы реализации проекта удалось разработать технологии производства ряда сенсоров и передать их индустриальным партнерам, создать цифровые сенсорные системы в интересах развития дорожных карт НТИ «Аэронет», «Хелснет», «Автонет», «Фуднет».
— Что вы считаете главным достижением за это время или главным проектом?
— Нам удалось реализовать проекты по созданию и организации серийного производства электронной компонентной базы сенсорики. С 2018 года в Центре НТИ стартовал проект по созданию технологии сенсоров на магниторезистивном эффекте. Уже в 2019 году Центром НТИ был разработан технологический процесс изготовления чувствительного элемента магниторезистивного сенсора, и участнику нашего консорциума АО «Зеленоградский нанотехнологический центр» (ЗНТЦ) был передан комплект конструкторской и технологической документации для изготовления.
Этот магниторезистивный сенсор лег в основу сенсора угла поворота, который впоследствии был внедрен в производство ЗНТЦ и в настоящее время производится в виде микросхемы преобразователя магнитного поля 1382НХ065 и предназначен для контроля угла поворота в системах управления подвижными объектами. Микросхема замещает изделия ведущих мировых брендов США и Германии в области микроэлектронных производств.
Созданный Центром НТИ чувствительный элемент магниторезистивного сенсора используется в совместном проекте ЗНТЦ и производственного объединения «Автоэлектроника» по созданию семейства датчиков преобразователей углового положения в последовательный цифровой код для систем управления транспортом и промышленными машинами. Достигнуты договоренности с предприятиями Российского автопрома «ГАЗ», «КАМАЗ» и «АВТОВАЗ» об использовании в производстве автомобилей электронных модулей систем управления с датчиками преобразователей углового положения в цифровой код. Цель — обеспечение продукции для рынка «Автонет» отечественной электронной компонентной базой.
— Чем в широком смысле помогла грантовая поддержка? Может быть, удалось реализовать больше проектов или были проведены глубокие исследования, которые раньше не представлялось возможным провести?
— Удалось ориентировать научные коллективы университета на решение практических задач технологических заказчиков. В 2018 году были сформированы научно-образовательные центры по направлениям разработки микроэлектронных технологий чувствительных элементов сенсоров и цифровых сенсорных систем, создан консорциум, в который в числе прочего вошли предприятия микроэлектроники и электроники.
Проекты формировались с учетом запросов индустриальных партнеров и в интересах развития дорожных карт НТИ. Благодаря грантовой поддержке такую работу удается проводить на системной основе, обеспечивая равномерную загрузку коллективов научно-образовательных центров как для проведения задельных НИР, так и для реализации опытно-конструкторских работ для получения конкретных результатов под задачи технологических заказчиков.
— Расскажите, как сейчас развиваются проекты. Какие цели стоят перед вами?
— Проекты развиваются при взаимодействии с индустриальными партнерами или с заказчиками на рынке. Так, на основе научно-технического задела по проекту «Разработка сенсорных средств для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с беспилотных малых и средних летательных и космических аппаратов» совместно с участником консорциума АО «Завод "ПРОТОН"» создается модульная радиолокационная платформа для летательных аппаратов, производится подготовка и освоение серийного производства.
Новизна разработки заключается в модульной конструкции, совокупных характеристиках на уровне лучших мировых аналогов и уникальных алгоритмах обработки радиолокационной информации, позволяющих получать качественные РЛИ в условиях сильных траекторных нестабильностей (например, при использовании БПЛА в качестве носителя платформы). Разрабатываемая платформа обладает конкурентными пользовательскими характеристиками: 5 диапазонов частот (P, L, S, C и X); разрешающая способность от 0,3 до 2 м; высота полета носителя не менее 2000 м; масса одного набора модулей (1 частотный диапазон) не более 2,5 кг; энергопотребление одного комплекта модулей не более 100 Вт.
Радиолокационная платформа ДЗЗ имеет ряд преимуществ над оптическими средствами дистанционного зондирования: возможность круглосуточной и всепогодной работы, возможность получения дополнительной информации о подстилающей поверхности за счет проникающих свойств и поляризационных характеристик электромагнитных волн при незначительно худшей разрешающей способности. Цель — вывести конечное изделие, модульную радиолокационную платформу для летательных аппаратов, на рынок «Аэронет».
Первые образцы серийной продукции, созданной на основе результатов проекта «Система мониторинга состояния здоровья крупного рогатого скота (КРС)», поступили потенциальным потребителям. Первое внедрение и опытная эксплуатация системы контроля состояния КРС на основе носимых датчиков состоялись в 2022 году на ферме ООО «Бородулинское» в Свердловской области. В 2023 году произведена партия болюсов и поставка в СХПК «Племзавод Майский» в Вологодской области. Полученные результаты подтвердили работоспособность в течение длительного времени, и впервые в отечественной практике определено состояние половой охоты. Получены первые заказы на серийную поставку продукции. Цель — содействие развитию рынка «Фуднет» посредством повышения качества молока и мяса КРС за счет оздоровления поголовья.
Еще пример. В рамках проекта «Разработка линейки персонализированных телемедицинских приборов» создан телемедицинский неинвазивный оптический монитор концентрации глюкозы в крови пациентов с сахарным диабетом. Монитор на основе отечественных оптических компонентов обеспечивает непрерывный безболезненный сбор и визуализацию информации о динамике концентрации глюкозы в крови пациента для индивидуального подбора оптимальных параметров инсулинотерапии пациентами с сахарным диабетом 1-го типа. Система передает данные на телемедицинский сервер через смартфон, позволяя лечащему врачу удаленно анализировать эффективность терапии и корректировать ее. Проведены клинические исследования совместно с участником консорциума ФГАОУ ВО «Первый МГМУ им. И. М. Сеченова» Минздрава России. Комплект конструкторской документации передан индустриальному партнеру ООО «Эсдиар» на производство. Цель — содействие развитию дорожной карты «Хелснет» по направлению «Телемедицина».
— Как планируется развивать эти проекты в дальнейшем?
— Дальнейшее развитие завершенных проектов — это выход на рынки НТИ. Мы активизируем взаимодействие с участниками консорциума. На регулярной основе проводим встречи с потенциальными потребителями создаваемых решений и продуктов. И здесь мы рассчитываем на сотрудничество нашего Центра НТИ с PR-службой АНО «Платформа НТИ» с точки зрения расширения возможностей продвижения созданной в рамках грантовой поддержки продукции.
В процессе реализации проектов по результатам исследований выявляются возможности применения продукта разработки в новых рыночных сегментах. Так выявлена возможность применения сенсоров на терморезистивном эффекте в качестве детектора теплопроводности для хромотографов. Выяснилось, что это очень перспективное направление, которое вызывает интерес потенциальных заказчиков.
— Планируете ли вы работу над новыми проектами?
— Да, на основе научно-технического задела Центра мы планируем реализовать один из самых перспективных новых проектов в области цифровых сенсорных систем: «Сенсорная система ландшафтного ориентирования беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) без использования данных спутниковых навигационных систем».
Управление БПЛА в настоящее время осуществляется двумя основными способами: автоматически по заранее заданной программе полета либо дистанционно наземным оператором. Может также использоваться сочетание этих способов. При этом в обоих случаях важнейшей задачей управления является определение собственного положения БПЛА относительно земной поверхности и выбор дальнейшей траектории движения.
Традиционно задачи ориентации и навигации решались с использованием сигналов глобальных навигационных систем: GPS, ГЛОНАСС и так далее. При этом в случае неустойчивого приема спутниковых сигналов либо намеренного вмешательства в их работу (GPS spoofing) аппарат может полностью потерять ориентацию, следовательно, не выполняет свою задачу и даже может быть потерян.
Инерциальные навигационные системы независимы от внешних воздействий. Работа инерциальной системы заключается в измерении ускорений летательного аппарата и его угловых скоростей относительно трех осей, на основе интегрирования вычисляются местоположение, скорость и курс. При этом методу свойственна постоянная накапливающаяся ошибка.
Исходя из этого, с точки зрения обеспечения защищенности навигации, предпочтительно управление оператором с внесением им постоянной корректировки по визуальному каналу. При этом теряются преимущества автоматического управления и возникает необходимость поддержания устойчивого защищенного радиоканала для передачи видеоизображения и управления. С увеличением дальности полета эта задача кратно усложняется.
Таким образом, задача создания системы для автоматической навигации без использования сигналов глобальных спутниковых навигационных систем высоко актуальна.
Предлагается для решения этой задачи использовать задел Центра НТИ «Сенсорика» по проектам «Разработка модуля технического зрения (МТЗ)» и «Разработка сенсорных средств для дистанционного зондирования Земли с беспилотных малых и средних летательных и космических аппаратов».
В рамках первого проекта было разработано устройство формирования и обработки синхронных видеопотоков, которое может содержать до шести видеокамер и мощный вычислительный блок. Опытный образец устройства прошел испытания в реальных условиях.
В рамках второго проекта разработан малогабаритный радиолокатор модульного типа с возможностью работы в различных диапазонах частот и пригодный для использования на беспилотных малых и средних летательных аппаратах. Был изготовлен негабаритный прототип сенсорной системы, проведены летные испытания на БПЛА, получены радиолокационные изображения (РЛИ) и построены голограммы земной поверхности. Мощность вычислительного блока МТЗ, по предварительной оценке, позволяет осуществлять синтез РЛИ непосредственно на борту БПЛА.
Таким образом, в результате реализации проекта мы получаем комплексную систему, принимающую и обрабатывающую изображение земной поверхности в видимом, инфракрасном и радиолокационном диапазонах. Синтезированное текущее изображение сравнивается с заранее заложенными в память картами и программой полета, что позволяет выработать управляющие воздействия. Система полностью независима от внешних воздействий и сигналов, работоспособна в условиях сильных помех, нечувствительна к GPS spoofing.
Отсутствие сигналов управления БПЛА от глобальных навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС и так далее) существенно повышает надежность перемещения по заданному маршруту и уровень безопасности с точки зрения отсутствия возможности вмешательства извне. Проект направлен на развитие дорожной карты НТИ «Аэронет».
— Как в целом изменилась за эти прошедшие пять лет индустрия сенсорики и что еще впереди?
— Произошел взрывной рост использования БПЛА в самых различных целях, поэтому сенсорные системы для БПЛА сейчас имеют прекрасные рыночные перспективы. Реальностью стали беспилотные автомобили, которые в тестовом режиме перемещаются по дорогам России.
Постановлением правительства РФ запущен пилотный проект использования информационной платформы «Персональные медицинские помощники». При этом важным требованием сегодняшнего дня является применение в сенсорных системах отечественной элементной базы.
Мировой рынок сенсоров уверенно растет со среднегодовым ростом 5–7%. В 2018 году объем мирового рынка составил 64 миллиарда долларов США. В 2023 году мировой рынок превысит 88,1 миллиарда долларов США, а к 2033 году оценка рынка составляет 153 миллиарда долларов США.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
