Датчики и системы, № 1, 2021

Sensors and Systems, N 1, 2021

С О Д Е Р Ж А Н И Е и А Н Н О Т А Ц И И

C O N T E N T & A B S T R A C T S

МОДЕЛИРОВАНИЕ, КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

MODELING, DESIGN AND PRODUCTION OF SENSORS, INSTRUMENTS AND SYSTEMS

Представляет Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

Bauman Moscow State Technical University present

Гладких А. А., Комахин М. О., Узеньков Д. А.

ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ ВНУТРЕННЕГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВСТРАИВАЕМЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОБРАТНОЙ РАЗРАБОТКИ … 3

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.1.1

Аннотация: Рассмотрены особенности применения динамической модификации внутреннего программного обеспечения встраиваемых устройств при решении задач обратной разработки. Кратко показаны особенности хранения внутреннего программного обеспечения различных электронных устройств. Предложено использование динамической модификации данных при решении различных задач обратной разработки электронных устройств. Основное внимание уделено архитектуре устройства динамической модификации данных запоминающего устройства с параллельным асинхронным интерфейсом. Показаны возможности по применению программируемых логических интегральных схем для динамической модификации данных запоминающих устройств и решения задач обратной разработки.

Ключевые слова: модификация данных, динамическая отладка, обратная разработка, программируемые логические интегральные схемы, встраиваемые устройства, исследование встраиваемых устройств, динамическая модификация данных, модификация внутреннего программного обеспечения встраиваемых систем, модификация данных запоминающих устройств.

Gladkikh A. A., Komakhin M. O., Uzenkov D. A.

HIERARCHICAL PYRAMIDAL SUBSAMPLING IN DEEP CONVOLUTIONAL NETWORKS TO RECOGNIZE VISUAL APPEARANCES

Abstract: The paper discusses the features of the use of dynamic modification of the internal software of embedded devices when solving reverse engineering problems. The features of storage of internal software of various electronic devices are briefly considered. The use of dynamic data modification in solving various problems of reverse engineering of electronic devices is proposed. The main attention is paid to the architecture of the device for dynamic data modification of the storage device with a parallel asynchronous interface. Possibilities of using programmable logic integrated circuits for dynamic modification of data storage devices and solving problems of reverse engineering are shown.

Keywords: data modification, dynamic data modification, dynamic debug, reverseengineering, programmable logic integrated circuit, embedded devices, embedded systems, embedded systems research, embedded devices internal software modifications, embedded devicesinternal software patch, memory modifications in non-volatile memory devices.

Ахметов Н. Р., Власов А. И., Димитров Д. А., Ду Хаолун, Жалнин В. П., Шахнов В. А., Шанин А. В., Шерстюк А. Е.

ПЕРСПЕКТИВНАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ДЛЯ СМАРТ-СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ЦИФРОВОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ … 9

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.1.2

Аннотация: Проведен анализ тенденций развития смарт-систем, обобщены варианты их использования и практической реализации в условиях цифровой трансформации. На основе карт противоречий выявлены основные проблемы развития данной технологии, систематизированы основные преимущества и недостатки классической компонентной базы вычислительных модулей. Особое внимание уделено смарт-системам с использованием мемристоров. Обобщены принципы работы и внутренняя архитектура мемристивных компонентов для реализации интеллектуальной нейросетевой обработки данных. Представлена сравнительная характеристика мемристивной архитектуры с существующими архитектурами подсистем памяти с позиции их влияния на тенденции развития рынка компонентов памяти, а также систем искусственного интеллекта. Предложено решение построения перспективного вычислительного ядра смарт-систем на основе мемристивных технологий.

Ключевые слова: мемристор, искусственный интеллект, смарт-системы, Интернет вещей, цифровая экономика, нейронная сеть, карта противоречий, кроссбар, big data.

Akhmetov N. R., Vlasov A. I., Dimitrov D. A., Du Haolong, Zhalnin V. P. Shakhnov V. A., Shanin A. V., Sherstyuk A. E.

A PROMISING ELEMENT BASE FOR SMART SYSTEMS IN A DIGITAL TRANSFORMATION OF INDUSTRY

Abstract: The article is devoted to the analysis of the impact of the digital transformation of industry on computing systems and, in particular, on memory subsystems. An analysis of trends in the development of smart systems was carried out; options for their use and practical implementation in the context of digital transformation were summarized. Based on the contradiction maps, the main problems of the development of this technology were identified, the main advantages and disadvantages of the classical component base of computing modules were systematized. Special attention is paid to smart systems using memristors. Principles of operation and internal architecture of memorisive components for implementation of intelligent neural network data processing are summarized. A comparative characteristic of memristic architecture with existing architectures of memory subsystems from the point of view of their influence on trends in the development of the memory components market, as well as artificial intelligence systems is also presented. Proposed is a solution for building a promising computing core of smart systems based on memorisive technologies.

Keywords: memristor, artificial intelligence, smart systems, Internet of things, digital economy, neural network, contradiction map, crossbar, big data.

Хальзев С. Е., Власов А. И., Шахнов В. А.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯЗЫКА ДИАГРАММ XTUML ДЛЯ ВЫСОКОУРОВНЕВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦИФРОВОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ … 18

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.1.3

Аннотация: Проанализировано использование языка диаграмм xtUML при системном проектировании цифровой компонентной базы. Рассмотрен маршрут проектирования цифровой компонентной базы. Показано, что при проектировании цифровой компонентной базы формальное описание процесса перехода от её высокоуровневого (системного) описания к дальнейшим этапам маршрута проектирования является нетривиальной задачей для инженера. Проанализированы диаграммы языка xtUML в системном уровне проектов цифровой компонентной базы. Сформулирована методика применения визуального языка xtUML при разработке системных проектов цифровой компонентной базы. Данная методика позволила связать в рамках единого маршрута проектирования высокоабстрактное представление цифровой элементной базы с её аппаратными представлениями.

Ключевые слова: системное проектирование, цифровая компонентная база, xtUML, язык диаграмм, маршрут проектирования.

Khalzev S. E., Vlasov A. I., Shakhnov V. A.

USING THE XTUML DIAGRAM LANGUAGE FOR HIGH-LEVEL DESIGN OF A DIGITAL COMPONENT BASE

Abstract: This paper analyzes the use of the xtUML diagram language in the design at system level of integrated circuits (IC). The design flow of digital IC is considered. The diagrams of the xtUML language in the system level of digital IC projects are analyzed. The method of using the visual language xtUML in the development of system projects of digital IC is formulated. The paper analyzes the use of the xtUML diagram language in the system design of the digital component base. The design flow of a digital component base is considered. It is shown that when designing a digital component base, a formal description of the process of transition from its high-level (system-level) description to further stages of the design flow is a non-trivial task for a developer. The diagrams of the xtUML language in the system level of the projects of the digital component base are analyzed. The method of using the visual language xtUML in the development of system projects of the digital component base is formulated. This technique made it possible to link, within a single design flow, a highly abstract representation of a digital element base with its hardware views.

Keywords: system design, VLSI, xtUML, diagram language, design flow.

Затекин Д. В., Юдин А. В.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ: ОТЛАДКА СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ МОБИЛЬНОГО РОБОТА НА ВИЗУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ … 25

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.1.4

Аннотация: Рассмотрена модель позиционирования мобильного робота с использованием ультразвуковых стационарных маяков как часть комплексной системы навигации. Представлены результаты и схема предварительных натурных испытаний макета аппаратных элементов системы позиционирования, определившие характеристики модели. Дано детальное описание алгоритмов моделирования в среде MATLAB. Результаты работы будут полезны для улучшения системы навигации автономных мобильных роботов на стадии ее разработки, калибровки и использования.

Ключевые слова: робототехника, мобильный робот, моделирование, навигация, позиционирование, применение ультразвука, сеть датчиков, проектирование технических систем, инженерное образование.

Zatekin D. V., Yudin A. V.

ENGINEERING OF TECHNICAL SYSTEMS: DEBUGGING OF MOBILE ROBOT NAVIGATION SYSTEM ON VISUAL MODEL

Abstract: The paper considers a model for positioning a mobile robot using ultrasonic stationary beacons as part of an integrated navigation system. The results and design of the preliminary field tests of the the positioning system’s hardware elements, which determined the characteristics of the model, are presented. A detailed description of modeling algorithms in the MATLAB environment is given. The results of the work will be useful for improving the navigation system of autonomous mobile robots, at the stage of its development, calibration and use.

Keywords: robotics, mobile robot, modeling, navigation, positioning, ultrasound application, sensor network, design of technical systems, engineering education.

Ечеистов В. В., Зверев А. В., Рыжков В. В., Рыжиков И. А., Макарчук В. В., Шахнов В. А., Родионов И. А.

ПРЕЦИЗИОННАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ МИКРОФЛЮИДНОЙ ЛАБОРАТОРИИ НА ЧИПЕ … 34

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.1.5

Аннотация: Проблема управления потоками малых объемов жидкостей является лимитирующим фактором для эксплуатации микрофлюидной лаборатории-на-чипе в биомедицинских устройствах нового поколения. В статье описано современное состояние разработок в области микрофлюидных технологий. Приведена классификация физических эффектов, лежащих в основе систем управления потоком микрофлюидных лабораторий-на-чипе. Разработана система поддержания давления с точностью не хуже ±1 мбар, являющаяся одним из основных блоков систем управления микрофлюидными лабораториями-на-чипе. Экспериментально подтверждено двукратное улучшение точности поддержания давления разработанной системы в сравнении с коммерческими аналогами ведущих мировых производителей.

Ключевые слова: микрофлюидика, лаборатория-на-чипе, микрофлюидный чип, система поддержания давления.

Echeistov V. V., Zverev A. V., Ryzhkov V. V., Ryzhikov I. A., Makarchuk V. V., Shaknov V. A., Rodionov I. A.

AUTOMATED PRESSURE MAINTENANCE SYSTEM FOR MICROFLUIDIC LAB-ON-CHIP

Abstract: The problem of controlling the flows of small volumes of liquids is a limiting factor for the operation of the microfluidic laboratory-on-a-chip in biomedical devices of the new generation. The article describes the current state of development in the field of microfluidic technologies. A classification of the physical effects underlying the flow control systems of microfluidic laboratories-on-a-chip is presented. A pressure maintenance system with an accuracy of no worse than ±1 mbar has been developed, which is one of the main blocks of control systems for microfluidic laboratories-on-a-chip. A two-fold improvement in the accuracy of maintaining the pressure of the developed system in comparison with commercial analogues of leading world manufacturers has been experimentally confirmed.

Keywords: microfluidics, laboratory-on-a-chip, microfluidic chip, pressure maintenance system.

Самман А., Шахнов В. А.

ПОСТИНСУЛЬТНАЯ РЕАБИЛИТАЦИЯ ФУНКЦИИ РУКИ НА ОСНОВЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ЭЛЕКТРОМИОГРАФИИ (БОС-ЭМГ) … 42

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.1.6

Аннотация: Рассмотрена постинсультная реабилитация функции руки на основе биологической обратной связи электромиографии. Показана эффективность метода биологической обратной связи в процессе реабилитации после инсульта. Приведена общая структурная схема системы биологической обратной связи электромиографии, а также алгоритм ее работы. Представлены результаты внедрения предлагаемой системы биологической обратной связи электромиографии. Подчеркиваются преимущества разработанной системы в сравнении с другими системами, доступными в настоящее время, а также выявлены недостатки этого метода и предложены пути его решения.

Ключевые слова: реабилитация, биологическая обратная связь, восстановление функций верхних конечностей, электромиографии, биоуправление.

Samman A., Shakhnov V. A.

REHABILITATION OF HAND FUNCTION AFTER STROKE BASED ON ELECTROMYOGRAPHY BIOFEEDBACK (EMG-BF)

Abstract: The article is devoted to post-stroke rehabilitation of hand function based on Electromyography biofeedback. The effectiveness of biological feedback methods in the process of rehabilitation after a stroke is indicated. The general structural diagram of the biofeedback electromyography system is described. An algorithm for the operation of the biofeedback electromyography system is being developed. The results of the implementation of the proposed biofeedback electromyography system are presented. At the end of the article, the advantages of the developed system in comparison with other systems currently available are emphasized, as well as the disadvantages of this method are identified and ways to solve it are proposed.

Keywords: rehabilitation, biofeedback, functional recovery of upper limb, electromyography, biocontrol.

Поздравляем юбиляра!

Congratulation on anniversary!

ВАДИМ АНАТОЛЬЕВИЧ ШАХНОВ – 80 … 47

VADIM A. SHAKHNOV – 80

Информационные и управляющие системы

Information and Control Systems

Еремин Е. Л., Никифорова Л. В., Шеленок Е. А.

СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОГО НЕЛИНЕЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛЕННЫМ НЕАФФИННЫМ ОБЪЕКТОМ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ ПО СОСТОЯНИЮ И ЗАПАЗДЫВАНИЕМ НЕЙТРАЛЬНОГО ТИПА … 50

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.1.7

Аннотация: Рассмотрено решение задачи синтеза нелинейного регулятора для динамического объекта, относящегося к классу неаффинных стационарных объектов с неопределенными параметрами и структурой, содержащих запаздывание по состоянию и запаздывание нейтрального типа и работающих в условиях постоянного действия внешних возмущений. В качестве методов решения используются: критерий гиперустойчивости В. М. Попова, условия L-диссипативности, неявная эталонная модель, а также быстродействующие фильтр-корректоры.

Ключевые слова: неаффинный по управлению объект с неизвестным запаздыванием по состоянию, структурно-параметрическая неопределенность, фильтр-корректор, неявная эталонная модель, критерий гиперустойчивости, комбинированный нелинейный регулятор, L-диссипативность.

Eremin E. L., Nikiforova L. V., Shelenok E. A.

COMBINED NONLINEAR CONTROL SYSTEM FOR STRUCTRURALLY AND PARAMETRICALLY UNDEFINED NON-AFFINE PLANT WITH STATE DELAY AND NEUTRAL TYPE DELAY … 3

Abstract: We consider the solution to the problem of synthesis of nonlinear controller for dynamic plant belonging to the class of non-affine stationary plants with uncertain parameters and structure, containing a state delay and a neutral delay and operating under conditions of constant external disturbances. As a solution methods are used: the hyperstability criterion, L-dissipativity conditions, implicit reference model, and fast-acting filter-correctors.

Keywords: non-affine control plant with unknown state delay, structural and parametric uncertainty, filter-corrector, implicit reference model, hyperstability criterion, combined nonlinear controller, L-dissipativity.

Логическое управление пневматическими системами

Logic control of pneumatic systems

Балабанов А. В., Касимов А. М., Фатеев В. Я.

РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА СЕМИКАСКАДНОГО МИКРОСТРУЙНОГО ГЕНЕРАТОРА … 59

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.1.8

Аннотация: Разработаны принципиальная схема и конструкция семикаскадного микроструйного генератора для исследования предельных характеристик быстродействия струйных газо- и гидродинамических элементов логического управления. Изготовлен экспериментальный образец генератора.

Ключевые слова: микрогидродинамика, многомерная сетевая модель, микроструйный генератор, элемент логического управления, предельное быстродействие.

Balabanov A. V., Kasimov A. M., Fateev V. Ya.

DEVELOPMENT AND MANUFACTURING OF EXPERIMENTAL MODEL OF SEVEN-STAGE MICROFLUIDIC GENERATOR

Abstract: The schematic diagram and the design of the seven-stage microfluidic generator are developed to investigate the maximum performance of fluidic gas/hydrodynamic logical control elements. The experimental model of the generator is created.

Keywords: microfluidics, multidimensional network model, microfluidic generator, logical control element, maximum performance.

Цифровые технологии в дискретном производстве

Digitalization in discrete manufacturing

Аристова Н. И., Чадеев В. М.

МЕТОД БЫСТРОГО ОЦЕНИВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ ИЗДЕЛИЯ С УЧЕТОМ ВЕРОЯТНОСТЕЙ КАЧЕСТВЕННОЙ РАБОТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СРЕДСТВ ПРОИЗВОДСТВА … 65

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2021.1.9

Аннотация: Рассмотрены преимущества, которые смогут получить промышленные предприятия благодаря применению современных цифровых и информационных технологий. Показано, что применение информационных технологий на этапе технологической подготовки производства позволяет повысить эффективность работы и конкурентоспособность предприятия в целом. Рассмотрены разработанные формализованное описание и математическая модель дискретного производства, учитывающие вероятностей качественной работы средств автоматизации, а также алгоритмы поиска оптимальных матриц автоматизации по заданным критериям эффективности. Применение данного математического аппарата проиллюстрировано на примере изготовления датчика расхода на этапе оценивания технологичности конструкции изделия.

Ключевые слова: дискретные производства, цифровизация, технологическая подготовка производства, оценивания технологичности конструкции изделия, матрица автоматизации, вероятности качественного изготовления изделия, промышленные автоматы.

Aristova N. I., Chadeev V. M.

A METHOD FOR RAPID ASSESSMENT OF THE MANUFACTURABILITY OF A PRODUCT DESIGN, TAKING INTO ACCOUNT THE PROBABILITIES OF HIGH-QUALITY OPERATION OF AUTOMATED MEANS OF PRODUCTION

Abstract: The advantages that discrete industrial enterprises can receive due to the use of modern digital and information technologies are considered. It is shown that the use of information technologies at the stage of technological preparation of production can increase the efficiency and competitiveness of the enterprise as a whole. The developed formalized description and mathematical model of discrete production, taking into account the probabilities of high-quality operation of automation tools, as well as algorithms for finding optimal automation matrices according to specified efficiency criteria are considered. The application of this mathematical apparatus is illustrated by the example of the manufacture of a flow sensor at the stage of evaluating the manufacturability of the product design.

Keywords: discrete production, digitalization, technological preparation of production, evaluating the manufacturability of a product design, an automation matrix, the likelihood of a high-quality product, industrial machines.