Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В дальнейшем термин «мсхатроника» был существенно обобщен, в результате чего к мехатронным системам стали относить практически любые сложные технические системы, содержащие механическую и электронную части и управляемыс компьютером. В результагс роботы также оказались мехатронными системами. Однако тсрмин «мехатроника», конечно, шире. К этой области относятся также системы, которые не являются робототехническими, например: системы управления комплексами технологического оборудования, обрабатывающие центры, системы поддержания заданной температуры в помещении. Функционирование таких систем связано с выполнением разнообразных измерений, для чего их также оснащают соответствующими сенсорными устройствами. Можно констатировать, что создание.
информационно-сенсорных систем является самостоятельным, имеющим очень широкое применение и в робототехпике, и в мехатронике направлением. Однако его возникновенис не связано непосредственно с этими науками. Любой процесс управления предполагает наличие обратной связи, а ее реализация требует датчиков обратной связи, измеряющих рсгулируемые параметры (координаты, скорость, температуру и т. п.), В настоящее время наука о технических измерениях вступила в новую фазу, связанную с применением сенсорных устройств в мехатронике и робототехнике. Эта новая фаза состоит в переходе от отдельных датчиков к сложным измерительным системам, которые в большинстве случаев предполагают довольно сложные способы обработки информации, поступающей от этих датчиков. Примером может служить система технического зрения робота.
Функциональная особенность такой системы состоит в том, что она позволяет получать комплексную характеристику окружающей обстановки. Таким образом, в робототехпических и мехатронных системах наряду с датчиками состояния системы, характерными для любых систем управления, появляются датчики состояния внешнего мира. В/.
Раоотптехиика„мехатроника и информациопные системы Ииформация является одним из наиболее часто употребляемых понятий современной науки и техники. Однако до сегодняшнего дня не существует даже общепринятого определения этого понятия. В различных отраслях знания термин «информация» трактуют по-своему, причем даже в технике имеется много разных его формулировок.
Согласно наиболее известным из них, информация — это обозначение содержания, получсшюго от внешнего мира в процессе приспособления к нему (Н. Винер), отрицание энтропии (31, 1>риллюэн), коммуникация и связь, в процессе которой устраняется неопределенность (К. Шеннон), передача разнообразия (У, Эшби), мера сложности структур (А. Моль), вероятность выбора (А.
Яглом), совокупность некоторых данных, сведений о системе, переданных ею в виде сообщения другой системс в процессе связи (Энциклопедия кибернетики). Заметим, что последнее определение является практически дословным переводом латинского термина ш~оппийо (сведения). В современной науке мысль о том, что информацию следует рассматривать как нс го самостоятельное, возникла в начале 50-х годов ХХ в. вместе с кибернегикой, изучаюгцсй процессы управления и развития любых систем. Родоначальник кибернетики — профессор Массачусетского технологического института (США) Н. Винер считал информацию ключевым понятием новой науки.
Среди ученых, чьи идеи легли в основу новой науки, он называл Платона, А. Ампера и Д. Максвелла, отмечая особое значение работ советских математиков Н Боголюбова и А. Колмогорова. По мнению А. Колмогорова, цель кибернетики заключалась в изучении систем любой природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать се для управления и регулирования.
Информационное обеспечение подобных систем уже нельзя было рассматривать отдельно от их структуры и свойств. Система поглощает информацию из внешней среды и использует се для выбора правильного поведения. Информационные потоки начинают циркулировать по цепям управления. Прибором, передающим информацию в контур управления, является датчик, от характеристик которого в значительной степени зависит качество управления. Остановимся нсмного подробнее на истории вопроса, перечислив основные вехи, связанные со становлением теории и практики информационных систем. История активного использования информации для задач управления насчитывает нс более 50 лет.
Однако первые регуляторы и датчики появились гораздо раньше. Так, сведения о регуляторах содержались еще в материалах Александрийской библиотеки, сгоревшей в средние века. Первые промышленные датчики также появились давно. По-видимому, одним из первых был механический датчик„установленный в 1720 г. в «автоматическом суппорте» (токарно-копировальном станке) Нартова. Первый электрический датчик (электромагнитное реле Шеллинга) появился в 1830 г., а электромеханический (рельсовый индикатор) — в 1880 г.
В дальнейшем датчики систем автоматического регулирования развивались по пуги измерения одного из параметров объекта регулирования (угла, давления, температуры и т. д.), что позволило создать следящие системы управления заданным параметром. В середине ХХ в. появились копирую- Введеиие щие манипуляторы, а в 1954 г. американцем Д. Деволом был получен патент на «программируемое шарнирное устройство для переноски» вЂ” первый программируемый манипулятор. В конце 50-х годов им же совместно с Д. Энгельбергером была организована фирма !!пппа~юп, которая в !959 г.
выпустила первый промышленный робот !3п!та!е. Этот робот содержал контур обратной связи по положению, в котором перемещения звеньев манипулятора измеряли установленные в них датчики. Датчики углового и линейного перемещения и сегодня составляют основу информационного обеспечения робототехнических и мехатронных систем. В середине 60-х годов стало очевидно, что гибкость программируемых роботов может быть повышена при использовании систем очувствления, основанных на применении датчиков среды. Первая система такого типа— тактильная — была разработана Х.
Эрнстом в рамках проекта «МесЬап!са! Напд-!». Она позволяла роботу укладывать кирпичные блоки без помощи оператора. Наконец, в начале 70-х годов по проекту «ЯапГогд Апп» группа Р. Пола создала мультимодальную информационную систему «глаз — ухо— рука», содержащую тактильные, локационныс и визуальные датчики. Эти разработки заложили основы для использования информационных средств в автоматическом и роботизированном производствах.
В2. Основные понятия и определения Рассмотрим некоторую активную систему, взаимодействующую с внешней средой. Предположим, что зта система имеет априорную информацию 1 о среде и в процессе функционирования получает 'гекущую информацию У„как о внешней среде, так и о собственном состоянии. Ее целью является принятие решений, связанных с.преобразованием или анализом внешней среды.
Как правило, информация. имеющаяся в распоряжении сисгсмы, является неполной, т. е. она функционирует в условиях неопределенности. Под адаптацией будем понимать способность активной системы достигать заданных целей в условиях неопределенности на основе использования текущей информации о собственном состоянии и состоянии среды. При этом могут изменяться параметры системы, се структура и алгоритм функционирования. Следовательно, адаптивной мы называем систему, которая может приспосабливаться к изменению внутренних и внешних условий.
Простейшей адаптивной системой можно считать систему с обрапюй связью (следящую систему). В настоящее время применительно к системам управления адаптацию часто рассматривают с двух позиций. С одной стороны, когда системы управления имеют в своем составе сенсорные устройства, обеспечивающие получение информации У о состоянии среды или свойствах объектов, причем эти данные используются для решения задач, связанных с формированием управления систсмой. С другой стороны, когда системы управления 82. Основ<ые понятия и определения Подсистема восприятия среды Блок анализа объектов и сцен Блок обработки данных Подсистема связи Подсистема планирования Модель среды Среда Блок управления исполнительным уровнем Блок управления страгегическим н тактическим уровнями Рабочий механизм Эффекгорная подсистема Рис.
В1. Структурная схема адаптивного робота Остановимся более подробно на основных терминах, связанных с информационной системой. используют адаптивныс алгоритмы, способные изменяться под воздействием текущей 1 или обучающей 1, 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 (рис. В1). В состав информационной системы здесь входят подсистема восприятия окружающей среды и подсистема связи. Подсистема восприятия окружающей среды содержит датчики (измерительные преобразователи или информационные устройства), включающие не показанные на схеме первичные преобразователи (чувствительные элементы). Сигналы с датчиков поступают в блок обработки данных и далее в блок анализа рабочей сцены и находящихся на ней объектов.
При этом используется априорная информация 1 о рабочей сцене в виде математической модели, которая уточняется с помощью подсистемы связи. Полученная информация применяется для планирования движений па исполнительном, тактическом и стратегическом уровнях. Эти движения реализуются рабочим механизмом.
Для робота это обычно: манипулятор, снабженный соответствующим инструментом.. Рассмотренная схема сохраняется и в случае мобильного робота, у которого рабочий механизм включает также срсдства передвижения. Введение Первична и преобразователе.и, или чувствительным элемантди (ЧЭ), называется простейший элемент информационной системы, изменяющий свое состояние под действием внешнего возмущения, например фотодиод или тензорезистор. Датчик представляет собой устройство, которое под воздействием измеряемой физической величины выдает эквивалентный сигнал (обычно электрической природы — заряд, ток, напряжение или импеданс), являющийся однозначной функцией измеряемой величины.
Простейший датчик состоит из одного или нескольких первичных прсобразоватслей и измерительной цепи. Большинство датчиков имеет внешний источник питания, а в качестве нагрузки может быть использован усилитель, измерительный прибор, блок сопряжения с компьютером и т. п, Классификационных признаков очень много, поэтому классификация датчиков представляет собой весьма сложную задачу. Для простоты выделим три признака: тип замещаемой сенсорной функции, радиус действия и способ преобразования. При этом сохраним принятую в биологии классификацию сенсорных функций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
