Введение (Учебник в электронном виде), страница 2
Описание файла
Файл "Введение" внутри архива находится в папке "Учебник". Документ из архива "Учебник в электронном виде", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "информационные устройства и системы" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "информационные устройства и системы" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Введение"
Текст 2 страницы из документа "Введение"
В настоящее время применительно к системам управления адаптацию часто рассматривают с двух позиций. Об адаптации в «широком» смысле можно говорить в том случае, когда адаптивные (очувствленные) системы управления имеют в своем составе сенсорные устройства, обеспечивающие получение информации Ip о состоянии среды или свойствах объектов. Эти данные используются для решения задач, связанных с формированием управ ления системой.
Адаптация в «узком» смысле соответствует случаю, когда адаптивные (обучающиеся) системы управления используют адаптивные алгоритмы, способные изменяться под воздействием текущей Ip или обучающей Ia информации от сенсоров.
В обоих случаях, наличие сенсорной (информационной) системы является признаком адаптивной структуры.
В качестве примера активной адаптивной системы рассмотрим систему управления адаптивного робота. Функциональная схема адаптивного робота представлена на рис. В.2. Выделены блоки, входящие в состав информационной системы - это подсистема восприятия окружающей среды и подсистема связи. Первая из этих подсистем содержит датчики (называемые также измерительными преобразователями или информационными устройствами), включающие не показанные на схеме первичные преобразователи (по-другому - чувствительные элементы). Сигналы с датчиков, поступают в блок обработки данных и далее применяются для анализа рабочей сцены и находящихся на ней объектов. При этом используется и некоторая априорная информация Ia о сцене в виде математической модели, которая уточняется с помощью подсистемы связи. Полученная информация используется для планирования движений на исполнительном, тактическом и стратегическом уровнях [ ]. Эти движения реализуются рабочим механизмом. Для робота это обычно манипулятор, снабженный соответствующим инструментом. Однако рассмотренная схема сохраняется и в том случае, когда речь идет о мобильном роботе, и рабочим механизмом являются средства передвижения.
Первичным преобразователем или чувствительным элементом (ЧЭ) называется простейший элемент информационной системы, изменяющий свое состояние под действием внешнего возмущения (фотодиод, тензорезистор). Примеры обозначений ЧЭ, принятых на схемах информационных устройств, приведены на рис. В.3.
Остановимся более подробно на основных терминах, связанных с информационной системой.
Датчик представляет собой устройство, которое, подвергаясь воздействию физической измеряемой величины, выдает эквивалентный сигнал (обычно электрической природы - заряд, ток, напряжение или импеданс), являющийся однозначной функцией измеряемой величины. В состав простейшего датчика (рис. В.4) входят: один или несколько первичных преобразователей, а также измерительная цепь. Большинство датчиков имеют внешний источник питания, измерительная цепь подключается к нагрузке, в качестве которой может быть использован, например, усилитель, измерительный прибор, блок сопряжения с компьютером и т.п.
В литературе также используются и другие понятия. Так, под измерительным преобразователем понимается датчик, в котором входной и выходной сигналы являются аналоговыми величинами, а под преобразователем измеряемой величины - датчик, в котором входной и выходной сигналы имеют разную физическую природу.
Классификация датчиков представляет собой весьма сложную задачу, тем более что и классификационных признаков также очень много. Для простоты выделим всего три признака: тип замещаемой сенсорной функции, радиус действия и способ преобразования. Тогда по типу замещаемой (моделируемой) сенсорной функции датчики разделяют на четыре группы: кинестетические, локационные, визуальные и тактильные.
В зависимости от радиуса действия различают контактные датчики, датчики ближнего и дальнего действия.
По способу преобразования выделяют генераторные (активные) и параметрические (пассивные) датчики.
Рассмотрим приведенную классификацию подробнее. Кинестетические датчики формируют информационный массив данных об обобщенных координатах и силах, т.е. о положении и относительных перемещениях отдельных рабочих органов и усилиях в них. К кинестетическим относятся датчики положения, скорости, измерители сил и моментов в сочленениях.
Локационные датчики предназначены для определения и измерения физических параметров среды, путем излучения и приема отраженных от объектов сигналов, созданных собственным источником излучения и имеющих форму переменного поля (активные датчики) или квазистационарного поля (пассивные датчики), и дальнейшей идентификации на их основе локационного образа. Наиболее распространены электромагнитные, в том числе - оптические, а также акустические устройства.
Визуальные датчики обеспечивают получение информации о геометрических и физических характеристиках внешней среды на основе анализа ее освещенности в оптическом диапазоне, включая ИК, СВЧ и рентгеновское излучения. Примерами являются различные телевизионные системы.
Датчики тактильного типа позволяют детерминировать контакт с объектами внешней среды с целью их контактного распознавания. Можно отметить тактильные матрицы и силомоментные датчики.
Контактными (сверхближними) устройствами являются тактильные и кинестетические датчики. Сенсорные устройства ближнего действия получают информацию о среде вблизи объекта работы, дальнего - во всей рабочей зоне. Датчиками этих типов являются визуальные и акустические преобразователи.
Генераторный датчик является источником непосредственно выдаваемого электрического сигнала. (К генераторным относятся термоэлектрические преобразователи, датчики, использующие явления пиро- и пьезоэлектричества, электромагнитной индукции, фотоэффект, эффект Холла и др.).
В параметрических датчиках под воздействием измеряемой величины меняются некоторые параметры выходного импеданса. Импеданс датчика обусловлен его геометрией и размером элементов, а также электромагнитными свойствами материала: удельным сопротивлением r, относительной магнитной проницаемостью m, диэлектрической постоянной e. В преобразователях этого типа сигнал формируется измерительной цепью - потенциометрической или мостовой схемой, колебательным контуром, операционным усилителем. Параметрическими преобразователями являются большинство датчиков силы, давления, перемещения и др.
Несмотря на разнообразие датчиков, используемых в робототехнических и мехатронных системах, к ним всем предъявляется требование унификации. Унифицированным преобразователем (трансмиттером) является датчик, имеющий нормированный диапазон сигнала на выходе. Согласно мировым нормам DIN/VDE2600 [ ] нормированные сигналы должны находиться в диапазонах:
-
тока 0 ... ± 5 или 0 ... ± 20 мА;
-
напряжения 0 ... ±1 или 0 ... ± 10 В,
-
внутреннее сопротивление измерительного прибора Rн должно быть не более 1 кОм в первом случае и не менее того же значения - во втором.
Другими требованиями к датчикам этих систем являются высокая надежность и помехоустойчивость в условиях электромагнитных помех, колебаний напряжения и частоты; малогабаритность, простота конструкции, «размещаемость» на захватном устройстве и других частях манипулятора при ограниченной площади и объеме; развязка выходных и входных цепей, простота юстировки и обслуживания; возможность абсолютного отсчета параметров и др.
Один, или несколько датчиков в совокупности с усиливающими и преобразующими устройствами образует информационную систему (рис. В.5). Информационная (информационно-сенсорная) система предназначена для выполнения интегральной оценки наблюдаемого процесса или явления, с целью определения его состояния и формирования соответствующего сообщения. В общем случае, она представляет собой совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных средств для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки с целью предоставления в требуемом виде. На рис. В.5 обозначено: Д1 …ДN - датчики, К - коммутатор, АЦП - аналого-цифровой преобразователь. Сигналы, поступающие с датчиков, после предварительного усиления и преобразования в цифровую форму поступают на микроЭВМ, где выполняется интегральная оценка процесса. Далее формируется сообщение на верхний уровень информационной системы, или в систему управления.
В робототехнике информационные системы используются на трех уровнях управления, которые называются также уровнями адаптации: исполнительном, тактическом и стратегическом. В табл. В.1 приведены примеры задач адаптации, решаемых на каждом из этих уровней и используемые для этого информационные средства.
Таблица В.1. Примеры использования информационных систем в роботах
Уровень адаптации | Основные задачи адаптации (примеры) | Информационные средства |
Исполнительный | обеспечение монотонности движения захвата | датчики положения, скоростей, ускорений, однокомпонентные моментные датчики (момент на валу). |
устранение взаимовлияния звеньев манипулятора | ||
стабильность динамических характеристик приводов | ||
Тактический | обеспечение необходимой силы захвата | тактильные матрицы и датчики проскальзывания, оптические, индуктивные и емкостные датчики, видеокамеры, ультразвуковые дальномеры |
самонаведение и торможение вблизи неизвестных препятствий | ||
Стратегический | нахождение рабочего коридора в недетерминированной обстановке | разнообразные дальномеры, системы технического зрения и силомоментного очувствления |
развитие необходимых усилий при работе со связанными объектами | ||
поиск и распознавание заданных объектов, и определение их взаимного положения |
В.3. Бионические аспекты информационных систем
Как мы уже отмечали выше, роботы создавались с целью заменить человека при выполнении достаточно сложных операций в тех случаях, когда он по тем или иным причинам не может принять непосредственное участие в их выполнении. С этим связан антропологический подход к терминологии в робототехнике, когда термины, принятые в биологии, биофизике и в психологии используются для обозначения соответствующих робототехнических категорий. Так, мы говорим о восприятии информации роботом, о принятии им решений, об (искусственном) интеллекте робота и т.п. Заметим, что такой подход, который можно в данном случае назвать бионическим, поскольку речь идет о биологических и биофизических аналогиях, мы выше применили при классификации датчиков. В его основе лежит принцип замещения или усиления некоторой сенсорной функции человека, который должен был бы работать в данных условиях. Бионические термины достаточно широко применяются в теории и практике информационных систем, в связи с чем необходимо дать необходимые определения.