В.2. Основные понятия и определения

Рассмотрим некоторую активную системуD, взаимодействующую с внешней средой E. Предполагается, что эта система имеет априорную информацию о среде I_a, и в процессе функционирования получает текущую ин­формацию  I_p как о внешней среде, так и о собственном состоянии (рис. В.1). Целью системы  D является принятие решений, свя­занных с преобразованием или анализом внешней среды  E. В общем случае, информация, имеющаяся в распоряжении системы D, является неполной; в этом случае говорят, что система находится в условиях неопределенности. Тогда под адаптацией будем понимать способность активной системы D достигать заданных целей в условиях неопределенности, на основе ис­поль­зова­ния текущей информации I_р о собственном состо­янии и состоянии системы E. При этом в системе D могут изменяться ее параметры K_i, структура и алгоритм функционирования.

Следовательно, адаптивная система - это система, которая может приспосабливаться к изменению внутренних и внешних условий. Простейшей адаптивной системой может считаться система с обратной связью (сле­дящая система).

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 I_p о состоянии среды или свой­ствах объектов. Эти данные ис­поль­зу­ют­ся для решения задач, связанных с формиро­ванием уп­рав­ления системой.

Адаптация в «узком» смысле соответствует случаю, когда адап­тив­ные (обучающиеся) системы уп­равления испо­ль­зу­ют адаптивные алгоритмы, способные из­ме­нять­ся под воздействием текущей I_p или обу­ча­ю­щей I_a 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 I_a 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 R_н 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 …Д_N - 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