M. Bezuglyi, N. Bouraou, V. Mykytenko, G. Tymchyk, and A. Zaporozhets, Advanced System Development Technologies II, 1st ed. Cham, Switzerland: Springer, 2025. doi: 10.1007/978-3-031-82035-9.
Монографія є другою із серії Advanced System Development Technologies. Studies in Systems, Decision and Control. Як і в минулому томі розділи монографії згруповані за трьома напрямками: оптико-електронні технології, медичні технології та технологічне забезпечення.
Перший розділ присвячено деяким актуальним проблемам розвитку оптико-електронної техніки. Він охоплює питання, пов’язані з розрахунками та конструюванням оптичних систем видимого та інфрачервоного діапазону спектру, проектуванням фотографічних систем.
Запропоновано нові методи розрахунку об’єктивів для систем дистанційного зондування Землі видимого та інфрачервоного діапазонів спектру. Розглянуто оригінальні схеми трьох дзеркальних об’єктивів без екранування, з позаосьовим щілинним полем зору і виправленою дисторсією. Запропоновано спрощену методику розрахунку таких об’єктивів. Розглянуто також модифікацію тридзеркального анастигматичного об’єктиву Корша. Було отримано емпіричні формули для розрахунків конструктивних параметрів об’єктива. При цьому в довгофокусному об’єктиві скореговано п’ять аберацій третього порядку (сферичну аберацію, кому, астигматизм, кривизну поля та спотворення. Розроблено метод конструювання термостабільних ахроматичних інфрачервоних трикомпонентних оптичних систем з одночасною мінімізацією аберації.
Розроблено новий метод розрахунку середньо-квадратичних значень радіусів функції абераційного зображення точки. Для цього використовується апроксимація функції хвильової аберації оптичної системи поліномами Церніке. Показано, що формули середньо-квадратичних значень радіусів, в яких використані коефіцієнтів при поліномах конструкції Церніке-Лукоша, дозволяють оцінювати аметропію і параметри астигматизму ока. Розроблені розрахункові методи можуть бути використаними в комп’ютерних програмах аналізу оптичних систем.
Запропоновано новий комбінований спосіб реєстрації зображень з великим динамічним діапазоном яскравості. Порівняльна оцінка різних систем реєстрації зображень з великим інтервалом яскравості здійснюється на основі усередненої за полем кадру роздільної здатності, виміряної за мірою малого контрасту. Отримано формули розрахунку експонометричних параметрів фотографічних систем. Проведено теоретичні дослідження впливу комбінованого способу реєстрації зображення на градаційні та частотні характеристики результуючого зображення. Отримано математичні вирази для коефіцієнта маскування, модуляційної передавальної функції, функції розсіювання та крайової функції системи з комбінованим способом реєстрації зображення.
В другому розділі розглянуто засоби та технології визначення стану системи кровообігу людини, відтворення змінного магнітного поля різної просторової конфігурації, а також моделювання електроенцефалограм.
Досліджено методи неінвазивного визначення відносної концентрації оксигемоглобіну і карбоксигемоглобіну в артеріальній крові. Експериментально досліджена залежність фотодисоціації гемоглобіну, стимульованої лазером, від довжини хвилі зовнішнього опромінення, температури навколишньої тканини та відстані між місцями опромінення та вимірювання. Це дозволяє оцінити процеси рекомбінації. Фундаментальна відмінність між цим дослідженням і попередніми дослідженнями комплексів гемоглобіну в розчині полягає в умовах in vivo, де безперервний кровотік підтримує постійний пул мішеней фотодисоціації. Результати цього дослідження можуть бути застосовані до низькоінтенсивної лазерної терапії для планування та проведення терапевтичних процедур.
Для розширення діагностичних можливостей оцінки рівня отруєння чадним газом розроблено метод і створено пристрій неінвазивного вимірювання насичення артеріальної крові киснем і концентрації карбоксигемоглобіну в крові людини. Запропонований метод усуває необхідність калібрування системи фотоплетизмографії, оптимізуючи оцінку нещодавно розроблених пульсоксиметрів. Ця методика використовує дві довжини хвилі випромінювання при 660 нм і 940 нм, використовуючи парний лінійний регресійний аналіз для обчислення співвідношення коефіцієнтів модуляції. Було розроблено математичну модель для розрахунку значень карбоксигемоглобіну в артеріальній крові людини за допомогою трихвильової фотоплетизмографії для неінвазивних вимірювань. Деталізовано конструкцію системи багатохвильової фотоплетизмографії з розробленим трихвильовим датчиком та супутнє програмне забезпечення для неінвазивного вимірювання сатурації артеріальної крові киснем і карбоксигемоглобіну. Дослідження демонструють високу кореляцію та точність вимірювання насичення артеріальної крові киснем із застосуванням запропонованого методу порівняно з комерційним пульсоксиметром. Також запропоновані засоби дозволяють класифікувати людей на курців і некурців на основі рівня чадного газу в крові.
Викладено результати вивчення принципів побудови автоматизованого комплексу відтворення змінного магнітного поля (ACRAMF). Автоматизований комплекс для відтворення змінного магнітного поля включає функціональний генератор (ФГ), процесор, програмований цифровий багатофункціональний генератор, підсилювач і стабілізатор струму, систему зразкових вимірювачів магнітної індукції, вимірювальні датчики. Наведено результати досліджень інструментальних похибок автоматизованого комплексу, шляхів їх зменшення, методів і засобів підвищення ефективності комплексу для відтворення змінного магнітного поля. Отримано числові значення границь областей стійкості ACRAMF на площині фізичних параметрів, таких як відношення кроку дискретизації до постійної часу вихідного контуру та добуток коефіцієнта підсилення на коефіцієнт зворотного зв’язку. Особливу увагу приділено конструктивним особливостям побудови автоматизованого комплексу відтворення змінного магнітного поля, підвищенню його ефективності та оцінці точності відтворення параметрів магнітного поля.
Створено математичну основу для представлення сигналу електроенцефалограми (ЕЕГ) з використанням теорії лінійних випадкових процесів та умовних лінійних випадкових процесів. Математична модель сигналу ЕЕГ була обґрунтована з використанням біофізичної природи генерації ЕЕГ як суми великої кількості випадкових постсинаптичних потенціалів, що виникають у моменти часу Пуассона. Проаналізовано властивості багатофакторної характеристичної функції, очікування та коваріаційної функції моделі, оцінки автокореляційних функцій та щільності спектра потужності ЕЕГ-сигналу різних станів мозку. Новий набір діагностичних ознак було виділено як набір зразків ядра моделі сигналу ЕЕГ у вигляді дискретного часового лінійного випадкового процесу. Проведено порівняльний аналіз методів машинного навчання бінарної класифікації, зосереджуючись на коефіцієнтах авторегресії та нововилучених ознаках.
Третій розділ присвячено розробці нових та вдосконаленню існуючих технологій діагностики, моніторингу та захисту складних динамічних та просторових інфраструктурних об’єктів, розробці малих безпілотних рухомих об’єктів, а також питанням вдосконалення технологічної підготовки виробництва в приладобудуванні.
Для розробки нової методології віброакустичного моніторингу і діагностики початкових пошкоджень елементів обертових систем, наприклад авіаційних газотурбінних двигунів, на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації запропоновано та обгрунтовано використання класифікаторів на основі нейронних мереж для розпізнавання технічного стану елементів. Проведено порівняльний аналіз результатів розпізнавання різними типами нейронних мереж стану лопатки робочого колеса при відсутності та наявності початкової тріщини за двовимірними векторами діагностичних ознак, отриманими за методом вільних коливань. Розпізнавання стану лопатки на стаціонарному та нестаціонарних режимах за двовимірними векторами ознак та на стаціонарному режимі за тривимірними матрицями оцінок модуля біспектру виконано з використанням ймовірнісної нейронної мережі. Для розпізнавання на основі оцінок модуля біспектру також використано нейронну мережу на основі адаптивної резонансної теорії. Проаналізовано ефективність розпізнавання за значенням ймовірності правильної класифікації, встановлено інтервали значень параметрів використаних нейронних мереж для забезпечення безпомилкового розпізнавання.
На прикладі об’єктів інфраструктури Української антарктичної станції «Академік Вернадський» запропоновано розробки або вдосконалення засобів пасивного захисту будівель та інженерних споруд від негативного впливу вітрових та снігових кліматичних навантажень. Розроблено моделі об’єктів інфраструктури станції та елементів їх пасивного захисту, проведено імітаційне моделювання впливу вітрового та снігового навантаження на об’єкти інфраструктури. Встановлено залежності ефективності пасивного захисту розробленими засобами захисту від їх геометричних характеристик (основи, форми поперечного перерізу, кута нахилу), місця установки засобу та характеристик кліматичного навантаження. Розроблено рекомендації щодо практичного застосування засобів пасивного захисту конструкцій, які перебувають під впливом високих кліматичних навантажень.
Вдосконалення акустичного методу діагностики напружено-деформованого стану фасонних профілів металевих конструкцій здійснюється шляхом використання дзеркально-тіньового методу прозвучування ділянок фасонних профілів і з розташуванням перетворювачів вздовж їх осі. Розроблено методику визначення акустопружніх коефіцієнтів зв’язку для матеріалу фасонних профілів на основі різницевого методу, з використанням ділянок полиці та нейтральної лінії. Запропоновано схему побудови системи діагностики напружено-деформованого стану фасонних профілів металевих конструкцій, проведено аналіз та обґрунтування вибору технічних засобів для її реалізації. Розроблено програмне забезпечення для обробки та аналізу результатів діагностики напружено-деформованого стану фасонних профілів металевих конструкцій. Запропоновано комплексну методику діагностики напружено-деформованого стану фасонних профілів, яку апробовано на елементах фасонних профілів металевих конструкцій промислових споруд.
Представлено результати розробки та дослідження малих безпілотних рухомих об’єктів, зокрема гексаподів – шестиногих крокуючих об’єктів. Розглянуто питання конструкції, надано загальні рекомендації щодо вибору матеріалів для виготовлення, запропоновано систему забезпечення енергоживлення гексапода. Сформовано алгоритми ходи для прямолінійного руху та поворотів об’єкта, а також розроблено рекомендації та наведено блок-схеми алгоритму адаптивного керування ходою. Продемонстровано можливість виконання вертикального підйому за допомогою сил сухого тертя без принципової зміни конструкції. Запропоновано алгоритм відновлення ходи після несподіваного переривання, який передбачає запис ітерацій в енергонезалежну пам’ять і використання їх як початкових значень для продовження руху з певної ітерації алгоритму ходи. Інформація від датчиків може бути записана в енергонезалежну пам’ять, яку потім можна використовувати для побудови карти місцевості або для подальшої обробки для формування траєкторії руху пішохідних малих безпілотних транспортних засобів.
Викладено передумови вирішення проблеми підвищення ефективності механоскладального виробництва на основі створення нового методу і системи технологічної підготовки дрібносерійного виробництва в приладобудуванні, що враховує домінуючий вплив складальних процесів. на час і вартість виготовлення приладів. Запропоновано нову структуру та послідовність технологічного підготовлення виробництва приладів з формалізованим взаємозв’язком між механообробним та складальним виробництвом. Розроблено нову модель складального виробу в приладобудуванні, що враховує трудомісткість та специфіку складальних, регулювальних, та контрольно-вимірювальних робіт та методи автоматизованого проектування технологічних процесів складання приладів. Також запропоновано функціональну модель формування структури виробу за трудомісткістю виготовлення складальних одиниць, що дозволяє формувати обґрунтований план виготовлення деталей, та математичну модель послідовності складання, що дозволяє побудувати послідовність складання з урахуванням організаційно-технічних чинників.
