КОМПОНЕНТЫ И РЕШЕНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ РОБОТОВ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ часть 1 (1)

АЛЕКСАНДР БАРСУКОВ
МОСКВА

Глава I. Роботы, воспроизводящие реакции животных

(часть первая)

 

Грабитель залез в квартиру:

  • Так, видик… Берём. Телевизор новенький… Берём… Ой, какой пёсик… И такой смирный! А тут еще попугайчик имеется… Попочка, а что ты умеешь говорить?
  • Фас!!!

 

 

Откуда взялось выражение «желторотый птенец»? Есть гипотеза, что, поскольку птенцов приходится кормить в темноте, то желтый рот виднее, чем красный. Или есть разные гипотезы о том, почему собака пытается угадать, что понравится её хозяину в её поведении – особенно маленькая.

Известно, что многие предположения в отношении животных пока не нашли экспериментального подтверждения и остались на уровне гипотез. Но тем и выигрышно роботостроение, что ему не обязательно копировать живой механизм – достаточно воспользоваться той или иной гипотезой и воплотить ее, если позволяет уровень технологий.

  1. Дежавю – наследственная «болезнь» роботов

В первой части справочника мы рассматривали технологию, основанную на ключевых кадрах – своего рода зрительных шаблонах, когда-то уже увиденных электронным зрением и запомненных с целью последующей идентификации событий. Сейчас мы продолжим тему «того, что уже было» и для других органов чувств. Какие ориентиры могут служить роботам для навигации в условиях, когда, скажем, нет возможности использовать систему GPS: под землёй, под водой, в условиях электромагнитных кризисов и т. п?

1.1 Слух

 

Приходит английский лорд домой. Ему открывает дворецкий и говорит:

  • Ну что, старый хрен, опять пьянствовал и шлялся по девкам?
  • Нет, Джон, ходил покупать слуховой аппарат…

 

а) Кошка. На рис. 1.1. иллюстрация к гипотезе о том, что кошка, ориентируется на местности, запомнив её акустическую картину. И это говорит о необходимости присмотреться к восприятию звука животными. Здесь нет мелочей. Например, то, что роботы должны шевелить ушами долгое время считалось продуктом больного  воображения фантастов. Однако именно этим свойством теперь озабочены конструкторы аналогов домашних животных, стремящиеся придать им максимальное сходство с оригиналом.  Вот кошка: одна из самых уморительных черт её поведения — сначала повернуть  к источнику звука ухо, а уж потом всю остальную голову. И если киберкошки не  научатся тому же, их меньше будут покупать. Потому что, согласно восточной мудрости, «если какое-то существо выглядит как кошка и ведёт себя как кошка, то оно и есть кошка» (неважно — живая она или электронная). Особенно рекомендуем  электронному животному научиться шевелить ушами потому, что среди людей  это умение считается редким искусством. И, что главное, ситуация остаётся  в рамках закономерности, согласно которой «органы чувств» робототехнических  систем уходят корнями в военные и разведывательные дела (кошка — хищник, то  есть, «силовая структура»).

На примере кошки можно рассматривать аудиосигнал как элемент многоступенчатой операции: сначала, повинуясь акустическому воздействию,  поворачивается ухо (узконаправленный микрофон), затем голова со стационарно установленными в ней глазами (зрительные датчики), а уж потом приводится в действие исполнительный боевой механизм. Таким образом,  локализация источника звука предстаёт предварительной перед визуальным анализом этого источника функцией. Однако если иметь в виду выполнение таких интеллектуальных задач, как распознавание речи, музыки, шагов, звуков других механизмов и т. д., то для создания звукового тракта необходима техника более высокого уровня.

Образец такой техники создан изначально для охраны нефтепроводов: система  Sentri с датчиками обоняния, которые реагируют на взрывчатые вещества. Затем система была дооборудования для целей безопасности и иными датчиками, в том числе – датчиками определения местоположения источника звука, например, выстрела (рис. 1.2a). В основе работы системы – также тренировка на соответствующие шаблоны.

Чтобы робот мог эффективно действовать, сенсоров у него должно быть как можно больше – хотя бы как у человека: два глаза и два уха. По многосенсорному принципу действует и система  Sentri с целью определить местонахождение звука (выстрела, но её можно обучить на идентификацию и других звуков) и нацелить на его источник средства аудио- и видеорегистрации, чтобы соответствующие службы могли точнее разобраться в обстановке. На рис. 1.2b данная система показана в сборе (видно, что в верхней части находятся два разнесённых звуковых сенсора), а на рис. 1.2c поясняется принцип её действия.

Каковы алгоритмы, лежащие в основе данной системы? Анализируя модели традиционной искусственной нервной сети и динамичной синансовой нервной сети (DSNN), можно заметить определенные преимущества последней – рис. 1.2d. В традиционной искусственной нервной сети работоспособность системы обеспечивает только единый синанс (соединяющая точка), а в динамичной — многократные синансы, увеличивающие скорость и преумножающие интеллект «мозга». Кроме того, в динамичной синансовой нервной сети звуковое распознавание работает совместно с другими сенсорами.

 

б) Птицы. Установлено, что в ясную погоду при дальних перелетах птицы ориентируются по Солнцу, Луне и звездам. В меньшей мере — по наземным ориентирам: долинам рек, снеговым линиям гор. Но нередко птицы (такие как полярные крачки, кроншнепы и кайры) совершают длительные перелеты под облаками над морем во время пониженной видимости и даже в тумане, когда нельзя использовать астрономические или наземные ориентиры.

Возникла гипотеза, что ориентации птиц при миграциях способствуют инфразвуковые колебания, исходящие от полярных сияний и областей плохой погоды (циклонов и резких фронтальных разделов воздушных  масс). Известно, что чайки, воспринимая инфразвуковые колебания от центральных участков циклонов, проявляют повышенное беспокойство. Во время войны было замечено, что попугаи и фазаны, воспринимая инфразвуковые колебания от находящихся далеко за пределами видимого горизонта самолетов, а также от отдаленной артиллерийской канонады, обнаруживали признаки тревоги.

Постоянно действующие источники инфразвуков — водопады. Они создают высокочастотные инфразвуки, которые распространяются на сравнительно небольшие расстояния. Имеются и мощные источники низкочастотных инфразвуков сезонного характера, связанные с погодой и с солнечным влиянием. Эти инфразвуковые колебания сохраняют высокую интенсивность на расстояниях в сотни и тысячи километров. К ним относятся:

  • полярные сияния («авроральные электроструи»), которые создают в районе полярной шапки планеты акустические колебания в диапазоне частот 0,01-1 Гц с амплитудой 1-10 бар;
  • инфразвуки с амплитудой 1-10 бар в диапазоне частот 0,1-0,3 Гц, возбуждаемые регулярным поднятием и опусканием поверхности морей и океанов при волнении («голос моря»);
  • мощные инфразвуковые колебания в диапазоне частот 0,01-20 Гц, возникающие при образовании и развитии циклонов.

За счет этих источников создается основное инфразвуковое поле в атмосфере. Есть ориентировочные оценки фоновой интенсивности инфразвуковых колебаний в атмосфере вдали от источников (сельская местность без индустриальных шумов) относительно  уровня   давления 2*10-4 бар. Наиболее высокочастотные инфразвуки (2-18 Гц) имеют интенсивность 60-70 дБ, интенсивность же инфразвуков с частотами порядка 0,001 Гц составляет 100-110 дБ. Затухание инфразвуковых волн, распространяющихся в атмосфере вдоль земной поверхности, незначительно: на частоте 10 Гц оно составляет лишь 2 дБ на 1000 км, для более низких частот уменьшается с частотой по квадратичному закону.

Гипотеза об ориентировании птиц с помощью инфразвуков основана на измерении частоты и интенсивности инфразвуков, излучаемых  природными источниками и сопровождающих  естественные процессы, протекающие на Земле. Возможно, что птицы способны воспринимать эти инфразвуки непосредственно с помощью своих органов чувств.

 

в) Технические аналоги. Этот ультразвуковой дальномер описывается по книге «Устройства управления роботами: схемотехника и программирование», автор Майк Предко (см. далее рис. 2.8). В качестве бесконтактного метода обнаружения объектов в роботе автор предлагает использовать ультразвук. Примерно таким же образом летучие мыши ориентируются в пространстве: они излучают вперед направленный пучок звуковых колебаний и ловят отраженный сигнал. Звуковые волны распространяются в воздухе с определенной скоростью, поэтому по задержке прихода отраженного сигнала можно с достаточной степенью точности судить, на каком расстоянии находится тот предмет, который отразил звук. Два бесконтактных способа обнаружения объектов (инфракрасный и ультразвуковой) хорошо дополняют друг друга: предметы, которые не отражают инфракрасные лучи, например пластмассовые детали черного цвета, могут обнаруживаться ультразвуковым детектором, поскольку отражают звуковые волны, и наоборот, материалы, прозрачные для ультразвуковых колебаний (вроде тонкой ткани), могут быть замечены с помощью инфракрасного детектора.

Ультразвуковые дальномеры (гидролокаторы или сонары), используемые на морских кораблях и подводных лодках, работают несколько иначе, чем описанный здесь дальномер. Излучатель гидролокатора не имеет узкой диаграммы направленности — он излучает ультразвуковой сигнал во всех направлениях, а для определения направления до ближайшего объекта используется узконаправленный микрофон. При этом расстояние до объекта вычисляется не по задержке прихода отраженного сигнала, а с помощью триангуляции по нескольким подряд сделанным изменениям при различных координатах движущегося корабля. Дело в том, что скорость звука в воде зависит от ее температуры, плотности, количества находящейся в ней соли и многих других факторов, поэтому не может служить основой для точных измерений.

Для ультразвукового обнаружителя объектов удобно использовать готовый промышленный прибор, например дальномер фотоаппарата Polaroid 6500. Он обеспечивает довольно небольшой обзор, игнорируя все, что находится вне угла ±5°. Этот недостаток можно компенсировать, поместив дальномер на управляемом приводе, который мог бы периодически изменять его ориентацию, сканируя пространство необходимой ширины.

Значительно более серьезная проблема состоит в том, что дальномер потребляет много энергии, в результате чего снижается срок службы батарей автономного робота. Например, дальномер Polaroid 6500 во время генерации ультразвукового сигнала потребляет ток около 1 А. Разумеется, сигнал можно генерировать с перерывами, запасая во время паузы необходимую энергию в конденсаторах, хотя это только частично решает проблему.

Ультразвуковой дальномер посылает узконаправленный звуковой импульс и измеряет, с какой задержкой придет отраженный сигнал. В воздухе скорость звука составляет примерно 331,4 м/с; значит, дистанцию длиной в один дюйм (2,54 см) туда и обратно звук преодолеет за 153,3 с. Если, например, объект находится на расстоянии одного сантиметра от ультразвукового детектора, то отраженный сигнал будет обнаружен спустя 60,4 мкс после того, как сработает излучатель. Большинство промышленных дальномеров (в том числе и Polaroid 6500) игнорируют отраженный сигнал, пришедший с задержкой, меньшей 2,76 мс, то есть исходящий от предметов, расположенных на расстоянии менее 18 дюймов (46 см).

Дальномер Polaroid 6500 состоит из двух частей: небольшой печатной платы и круглого черного блока, в котором расположен излучатель. Плата соединена с детектором с помощью провода длиной около 15 дюймов (38 см). На плате расположен 9-контактный разъем, с помощью которого она может сопрягаться с различными устройствами. Назначение контактов этого разъема объясняется в табл. 1.1.

 

Таблица 1.1

Вывод

Имя

Вход/выход

Комментарий
1 Gnd
2 BLNK Вход Когда BLNK = 1,  любой отраженный сигнал игнорируется
3
4 INIT Вход Когда INIT = 1, изучается инфракрасный импульс
5
6 OSC Выход Импульсы частотой 49,4 кГц
7 ЕСНО Выход Принятый отраженный сигнал (выход с открытым коллектором; необходимо использовать «подтягивающий» резистор сопротивлением 4,7 к0м)
8 BINH Вход Когда BINH = 1 {blank inhibit), перестаёт игнорироваться сигнал, отраженный от «близких» объектов
9 Vcc

                       

Обычно, конструируя свои устройства, автор выпаивает этот разъем, и использует многожильный провод для подключения платы дальномера к основной схеме.

Во время работы дальномера на линиях BLNK и BINH поддерживается сигнал низкого уровня. При этом на линии INIT вырабатываются прямоугольные импульсы. Во время высокого уровня напряжения сигнала INIT излучатель дальномера вырабатывает ультразвуковой сигнал. Отраженный сигнал, принятый приёмником, формируется на линии ЕСНО. На рис. 1.3 показаны осциллограммы обоих сигналов. На рисунке этого не видно, но после приёма отраженного сигнала на линии INIT устанавливается низкий уровень напряжения.

В документации рекомендовано включать между шинами питания конденсатор емкостью 1000 мкФ для снижения скачков напряжения во время работы излучателя.                                                           |

Следует помнить, что для работы ультразвукового излучателя в схеме вырабатывается достаточно большое напряжение, и если держать модуль излучателя в руках, то можно получить серьезный удар током. Ни в коем случае не допускайте того, чтобы сразу обе ваши руки контактировали с излучателем или соединительными проводами. По собственному опыту автор может утверждать, что даже касание одной рукой не проходит безболезненно.

Максимальное расстояние, на котором дальномер Polaroid 6500 может обнаруживать предметы, равно 35 футам (примерно 10,7 м). Соответствующая задержка прихода отраженного сигнала составляет около 64,4 мс. Это значит, что если отраженный сигнал не обнаружен спустя 65 мс, то можно считать, что в зоне действия ультразвукового детектора нет посторонних объектов.

Для измерения задержки прихода отраженного сигнала ультразвукового дальномера использован принцип программного измерения длительности импульсов, подаваемых на вход RBO/INT микроконтроллера. Время, прошедшее с момента срабатывания ультразвукового излучателя до регистрации сигнала приёмником, будет пересчитываться микроконтроллером в футы и дюймы и выводиться на экран жидкокристаллического дисплея. Принципиальная схема рассматриваемого устройства показана на рис. 1.4, список использованных элементов приведен в табл. 1.2.

 

Таблица 1.2

Обозначение Элемент Примечание
U1 PIC16F627 или PIC16F84 Микроконтроллер
U2 74LS174 (К555ТМ9) Сдвиговый регистр
CR1 1N914 (КД521) Кремниевый диод
R1 10 кОм, 0,25 Вт Для «подтягивания» напряжения на выходе _MCLR до напряжения положительной шины питания
R2 1 кОм, 0,25 Вт,
R3 10 кОм, подстроечный Для регулировки контрастности
R4, R5 4,7 Ом, 0,25 Вт
C1, C2 0,1 мкФ Для фильтрации напряжения питания микросхем
C3 1000 мкФ, 16 В Оксидный (электролитический) конденсатор
ЖКИ Жидкокристаллический дисплей (14 выводов), совместимый с Hitachi 44780
XTAL1 Керамический резонатор на 4 МГц, со встроенными конденсаторами Для генератора тактовых импульсов микроконтроллера
Polaroid 6500 Ультразвуковой дальномер

 

Примечание. В скобках указаны отечественные аналоги, добавленные при переводе.

Так как линии INIT и ECHO дальномера имеют выход с открытым коллектором, то приходится использовать «подтягивающие» резисторы R4 и R5 сопротивлением 4,7 кОм. Для фильтрации бросков напряжения на шинах питания, которые возникают из-за большого тока потребления ультразвукового излучателя и могут негативно повлиять на работу всех остальных элементов схемы, используется конденсатор С3 ёмкостью 1000 мкФ. Источник питания — +5 В.

 

СПРАВКА. Сравним возможности одной из самых современных моделей ультразвуковых дальномеров – Distanser, имеющей рабочую дальность до 13 м и точность ± 1% с лазерными дальномерами примерно такого же форм-фактора. Диапазон измерений лазерных дальномеров  Leica Disto Special, Leica Disto Classic 5A, Leica Disto Lite 5, Leica Disto Plus, Stabila LE 100-Set лежит в пределах 0,2-200 м, при этом погрешность измерений, в зависимости от модели составляет ± 1,5-3,0 мм. Время измерения – от 0,5 до 4 с. Вес – от 315 до 350 г. Для всех перечисленных моделей диаметр лазерного пятна, мм (на, соответственно, расстоянии, м) – 6 (10), 30 (50), 60 (100). Модель «Plus» имеет опцию Bluetooth; модель LE 100-Set производит измерения точек высоты путём непосредственного вычисления трёх измерительных значений. В зависимости от модели, дальномерами определяются размеры объектов без непосредственного доступа к ним.

1.2. Обоняние

 

Сейчас многие девушки носят с собой баллончики со слезоточивым газом. На тот случай, когда захочется поплакать, а не получается.

 

Любое живое существо «окутано» облаком запаха, которое как бы увеличивает истинные размеры животного, тем самым позволяя обнаружить его на расстоянии. Запах иногда несколько дней остается там, где находился его источник.

Сообщалось, что создан «электронный нос», способный опознавать запах человеческого тела: установленный на вертолете такой «нос», как утверждается, позволяет на значительном расстоянии обнаруживать скопления людей. Кроме того, сообщалось, что в Иллинойском технологическом институте разработан «электронный нос», способный обезопасить пассажиров от возможных взрывов бомб, подкладываемых террористами в самолеты. Прибор обнаруживает запахи взрывчатки, даже если концентрация ее паров не превышает одного атома на миллиард. Для обнаружения бомбы достаточно четырех минут, то есть времени, пока самолет рулит с герметически закрытыми дверьми и люками от аэропорта к старту.

 

Бледный свет ночного неба проникал через большое квадратное окно и блики играли то тут, то там на медных, бронзовых и стальных частях механического зверя. Свет отражался в кусочках рубинового стекла, слабо переливался и мерцал на тончайших, как капилляры, чувствительных нейлоновых волосках в ноздрях этого странного чудовища, чуть заметно вздрагивающего на своих восьми паучьих, подбитых резиной лапах.

Пожарники настраивали тикающий механизм обонятельной системы пса на определённый запах… Жертва, не успев пробежать и нескольких метров, оказывалась в мягких лапах пса, и четырёхдюймовая стальная игла, высунувшись, словно жало, из его морды, вспрыскивала жертве изрядную дозу морфия или прокаина…

  • Его обонятельную систему можно настроить на любую комбинацию – столько-то аминокислот, столько-то фосфора, столько-то жиров и щелочей… Химический состав крови каждого из нас и процентное соотношение зарегистрированы в общей картотеке. Что стоит кому-нибудь взять и настроить «память» Механического Пса на тот или другой состав – не полностью, а частично, ну хотя бы на аминокислоты? Этого достаточно, чтобы он сделал то, что он сделал сейчас, — он отреагировал на меня… Он раздражен, но не разъярён окончательно. Кто-то настроил его «память» ровно настолько, чтобы он рычал, когда я прикасаюсь к нему.

Рэй Брэдбери, «451˚ по Фаренгейту»

 

Каждому человеку свойствен свой собственный запах. Этот индивидуальный запах, очевидно, предопределен генетически и схож в этом смысле с дактилоскопическими узорами. «Обонятельный комплекс для обнаружения преступников» представляет собой анализатор запахов, который, если его включить в комнате, где, скажем, было совершено убийство, безошибочно определяет, кто находился там в течение последних суток, помимо жертвы преступления. Это устройство — активная часть обонятельного комплекса. Другая его часть — «картотека запахов преступников» наподобие картотеки отпечатков пальцев. То есть, речь идёт снова о концепции «шаблонизации».

Усилия в области создания «электронного носа» сосредоточены на трех направлениях:

  • создание технических схем, подражающих природе;
  • создание «полуживых» систем (пример такой системы — муха, к нервным узлам которой подведены электроды, соединенные с усилителем и анализатором; почуяв ядовитый газ, муха генерирует характерные импульсы, которые улавливаются анализатором; иногда вместо мухи-датчика применяются тараканы; подобные приборы на основе насекомых можно использовать во входных устройствах компьютеров и газовых хроматографах;
  • прямое использование животных ля выполнения функций газоанализаторов и запахолокаторов в различных областях производства и научных исследований.

Из всего многообразия животного мира человек до недавнего времени использовал нюх всего 3-4 видов животных. Самый известный пример – собаки. В частности, собаки-миноискатели. Обыскиваемая собакой полоса становится шире в 10-15 раз полосы, проверяемой человеком-сапёром, скорость поиска увеличивается более чем в 20 раз.

Попугаи могут в определенных условиях работать газоанализаторами. Эти птицы ощущают присутствие даже ничтожных количеств синильной кислоты. Они показали себя настолько совершенными детекторами этого яда, что одна венгерская фармацевтическая фабрика закупила 10 какаду.

Разработан метод раскрытия преступлений — криминалистическая одорология. Авторы метода определили его как «исследование запахов применительно к целям идентификации личности». Метод позволяет вывести на след служебную собаку даже тогда, когда с момента преступления прошло продолжительное время. Достигается это консервацией запахов в обычной полиэтиленовой фляжке с помощью медицинского шприца.

Восточноевропейские овчарки, лайки и фокстерьеры после соответствующей дрессировки могли отыскивать железный и медный колчедан. Собаки нашли несколько перспективных месторождений ртути, неизвестных геологам, хотя те за несколько лет до того проводили в этих местах поиск. Собаки чуют не только сернистые и мышьяковистые руды, галоидные соединения и минералы циркония и теллура, но и другие минералы, которые не обладают, как полагали ранее, никаким запахом. Эффективным оказался опыт с металлическим бериллием: понюхав его, собака из множества минералов выбрала изумруд, аквамарин, воробьевит, фенакит, бертрандит, то есть все то и только то, что содержит бериллий.

Опытами установлено, что обонянию собак доступны, помимо уже упоминавшихся, минералы, содержащие литий, бериллий, бор, углерод, натрий, магний, алюминий, кальций, титан, хром, марганец, кобальт, никель, медь, цинк, стронций, ниобий, молибден, серебро, олово, сурьму, цезий, барий, тантал, вольфрам, золото, висмут. Собака после небольшой тренировки последовательно различает в минерале 6 разных элементов.

Как собака может в одном минерале различать несколько запахов и чуять одновременно их общий, объединяющий запах?  Возможно, запах каждого минерала собачий нос воспринимает как целый букет, в котором отчетливо чувствуется каждый его компонент – подобно тому, как слух дирижера, выделяет в оркестре каждый инструмент, а в каждом аккорде все звучащие в нем звуки.

Из насекомых рекорд по дальности «запаховой» ориентации, по-видимому, принадлежит «дымным жукам». Когда в Калифорнии загорелось около 120 тыс. т. нефти, на пожар слетелись полчища этих насекомых, хотя ближайшее место, где росли хвойные деревья и откуда могли прилететь эти жуки, было расположено не менее чем в 80 км от места пожара.

Определяя обонятельные способности бабочек-сатурний, с ними проделали такой опыт. Самцов отделили от самок. Потом их рассадили в маленькие клетки, развезли в разные стороны и выпустили на волю. Не прошло и тридцати минут, как первый меченый самец вернулся к клетке с самками, проделав пятикилометровый путь. А один самец прилетел, преодолев расстояние в 11 км. Расчеты показали, что на таком отдалении от самки в 1 м³ воздуха могла находиться всего одна молекула вырабатываемого ею пахучего вещества — эпагона.

На выставке «Наука. Научные приборы-2002» был представлен анализатор типа «искусственный нос», назначение которого – экспресс-анализ состава сложных воздушных сред. Принцип действия основан на использовании сенсорной головки, содержащей набор высокостабильных слабоселективных сенсоров (измерительных электродов). Указанная головка своими чувствительными элементами помещается в ёмкость с анализируемым продуктом. Сигналы сенсоров подвергаются компьютерной обработке с использованием методов искусственного интеллекта на основе предварительного обучения анализатора по образцам продукции, подлежащей идентификации.

Добавить комментарий