Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Информационные устройства робототехнических систем

Покупка
Артикул: 065828.02.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
Изложены принципы действия, характеристики и примеры построения информационных устройств робототехнических систем. Даны основы расчета кинестетических, локационных, визуальных и тактильных датчиков; показаны способы их сопряжения с системами управления роботов. Приведены алгоритмы обработки сенсорной информации. Рассмотрены варианты реализации различных сенсорных функций в бионических системах. Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который автор читает в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Роботы и робототехнические системы", а также по специальностям, связанным с разработкой информационного обеспечения технических систем. Представляет интерес для аспирантов и специалистов, занимающихся созданием и применением средств робототехники.
Воротников, С. А. Информационные устройства робототехнических систем : учебное пособие / С. А. Воротников ; под ред. С. Л. Зенкевича, А. С. Ющенко. - Москва : МГТУ им. Баумана, 2005. - 382 с. - ISBN 5-7038-2207-6. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1958400 (дата обращения: 22.05.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Ìîñêâà

Èçäàòåëüñòâî ÌÃÒÓ èìåíè Í.Ý. Áàóìàíà

2005

Ðåêîìåíäîâàíî Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèì îáúåäèíåíèåì âóçîâ

ïî óíèâåðñèòåòñêîìó ïîëèòåõíè÷åñêîìó îáðàçîâàíèþ

â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ äëÿ ñòóäåíòîâ

âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé,

îáó÷àþùèõñÿ ïî íàïðàâëåíèþ

«Ìåõàíîòðîíèêà è ðîáîòîòåõíèêà»

Èíôîðìàöèîííûå

óñòðîéñòâà

ðîáîòîòåõíè÷åñêèõ

ñèñòåì

Ñ.À. Âîðîòíèêîâ

УДК 681.5(075.8)
ББК  32.816
  В75

            Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Ю.В. Подураев (кафедра «Робототех-
ника и мехатроника» МГТУ «Станкин»); д-р техн. наук, проф.
В.Г. Запускалов

 
 Воротников С.А.
В75        Информационные устройства робототехнических систем: Учеб. пособие. —
М.:  Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. — 384 с.; ил. (Робототехника / Под
ред. С.Л. Зенкевича, А.С. Ющенко).

ISBN 5-7038-2207-6

Изложены принципы действия, характеристики и примеры построения информа-
ционных устройств робототехнических систем. Даны основы расчета кинестетических,
локационных, визуальных и тактильных датчиков; показаны способы их сопряжения с
системами управления роботов. Приведены алгоритмы обработки сенсорной инфор-
мации. Рассмотрены варианты реализации различных сенсорных функций в биони-
ческих системах.
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который автор читает
в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Ро-
боты и робототехнические системы», а также по специальностям, связанным с разра-
боткой информационного обеспечения технических систем. Представляет интерес для
аспирантов и специалистов, занимающихся созданием и применением средств робото-
техники.

      УДК 681.5(075.8)
                           ББК 32.816

       © С.А. Воротников, 2005
       © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005
ISBN 5-7038-2207-6                       © Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие..................................................................................................    9

Введение.........................................................................................................  11

В1. Робототехника, мехатроника и информационные системы ..........  11
В2. Основные понятия и определения ...................................................  14
В3. Бионические аспекты информационных систем ............................  19

B3.1. Общие сведения ...........................................................................  19
В3.2.  Кинестетическая рецепция.........................................................  22
В3.3.  Слуховая рецепция .....................................................................  24
В3.4.  Зрительная рецепция ..................................................................  26
В3.5.  Особенности тактильной рецепции ..........................................  28
В4. Понятие об информационном подходе............................................  29
Контрольные вопросы ............................................................................  32

1. Общие  сведения  о  датчиках  информационно-измерительных
    систем .........................................................................................................  33
1.1. Датчики и их характеристики ...........................................................  33
1.2. Процесс измерений. Информационная модель ...............................  41
1.3. Способы компенсации и учета погрешности...................................  46
Контрольные вопросы...............................................................................  50

2. Элементы  информационных  систем ..................................................  51

2.1. Чувствительные элементы датчиков ................................................  51

2.1.1. Резистивные чувствительные элементы................................  51
2.1.2. Электромагнитные чувствительные элементы.....................  56
2.1.3. Преобразователи Холла ..........................................................  59
2.1.4. Оптические чувствительные элементы .................................  62
2.1.5. Пьезоэлектрические чувствительные элементы...................  66

2.2. Измерительные схемы датчиков......................................................  71

2.2.1. Общие сведения.......................................................................  71
2.2.2. Параметрические схемы датчиков.........................................  72
2.2.3. Генераторные измерительные схемы ....................................  79
2.3. Измерительные усилители ...............................................................  81
Контрольные вопросы .............................................................................  88

Оглавление

6

3. Кинестетические  датчики ...................................................................    89
3.1. Датчики положения и перемещения...............................................    89
3.2. Резистивные датчики положения....................................................    90
3.3. Электромагнитные датчики положения.........................................    97
3.3.1. Общие сведения.....................................................................    97
3.3.2. Резольверы .............................................................................  100
3.3.3. Растровые электромагнитные датчики положения............  112
3.3.4. Редуктосины...........................................................................  115
3.3.5. Индуктосины .........................................................................  117
3.4. Фотоэлектрические датчики положения.......................................  120

3.4.1. Общие сведения.....................................................................  120
3.4.2. Растровые оптические датчики положения ........................  121
3.4.3. Импульсные оптические датчики положения ...................  126
3.4.4. Кодовые оптические датчики положения...........................  129
3.4.5. Прецизионные оптические датчики положения.................  132
Контрольные вопросы ...........................................................................  136

4. Измерение  скорости  и  динамических  факторов ..........................  137

4.1. Датчики  скорости...........................................................................  137
4.1.1. Тахогенераторы переменного тока......................................  138
4.1.2. Тахогенераторы постоянного тока ......................................  142
4.2. Датчики динамических величин....................................................  145
4.2.1. Пьезоэлектрические датчики ...............................................  146
4.2.2. Магнитоупругие датчики......................................................  153
4.2.3. Электростатические датчики................................................  157
4.2.4. Электромагнитные датчики..................................................  162
Контрольные вопросы ...........................................................................  165
5. Локационные  информационные  системы.......................................  167
5.1. Теоретические основы локации ......................................................  167
5.1.1. Общие сведения .....................................................................  167
5.1.2. Направленность излучения...................................................  170
5.1.3. Модуляция и детектирование сигналов...............................  173
5.2. Электромагнитные локационные системы ...................................  183
5.2.1. Магнитные локационные системы ......................................  183
5.2.2. Вихретоковые локационные системы .................................  186
5.2.3. Электромагнитные локационные системы
          специального назначения .....................................................  191
5.3. Акустические локационные системы............................................  195
5.3.1. Общие сведения.....................................................................  195
5.3.2. Звук и его основные характеристики ..................................  196
5.3.3. Акустические свойства среды..............................................  200

Оглавление

7

5.3.4. Направленность и модуляция в акустической локации.....  203
5.3.5. Датчики и системы акустической локации.........................  205
5.3.6. Акустические локационные системы специального
          назначения..............................................................................  216
5.3.7. Основы цифровой записи звука...........................................  218
5.4. Оптические локационные системы ...............................................  220
5.4.1. Теоретические основы оптики .............................................  220
5.4.2. Оптическая система и ее характеристики...........................  224
5.4.3. Элементы и схемы оптических локационных систем........  229
5.4.4. Лазерные оптические локационные системы.....................  236
Контрольные вопросы ...........................................................................  241
6. Системы  технического  зрения...........................................................  243
6.1. Общие сведения...............................................................................  243
6.2. Основы формирования и передачи изображения.........................  250
6.2.1. Понятие о видеосигнале .......................................................  251
6.2.2. Способы кодирования цвета.................................................  254
6.3. Датчики изображения .....................................................................  263
6.3.1. Общие сведения.....................................................................  263
6.3.2. Видиконы ...............................................................................  268
6.3.3. Телекамеры на приборах с зарядовой связью.....................  270
6.3.4. Телекамеры с фотодиодной матрицей.................................  274
6.4. Устройства ввода и хранения изображения..................................  276
6.4.1. Общие сведения.....................................................................  276
6.4.2. Способы хранения изображения..........................................  280
6.4.3. Кодирование видеосигнала ..................................................  283
6.5. Форматы хранения изображения в СТЗ........................................  285
6.5.1. Общие сведения.....................................................................  285
6.5.2. Структура графического файла............................................  288
6.5.3. Сжатие изображения.............................................................  290
6.6. Базовые алгоритмы обработки изображения................................  300
6.6.1. Общие сведения.....................................................................  300
6.6.2. Предварительная обработка изображения..........................  303
6.6.3. Сегментация...........................................................................  313
6.6.4. Кодирование изображения ...................................................  315
6.6.5. Описание изображения.........................................................  316
6.7. Распознавание изображения...........................................................  319
6.7.1. Основные методы..................................................................  319
6.7.2. Особенности получения трехмерного изображения..........  323
Контрольные вопросы ...........................................................................  326

7. Системы  тактильного  типа................................................................  327
7.1. Общие сведения................................................................................  327
7.2. Контакт и его особенности..............................................................  328
7.3. Принципы силомоментного очувствления роботов......................  330

Оглавление

8

7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов............  336
7.4.1. Конструктивные схемы датчиков ........................................  336
7.4.2. Упругие элементы и измерительные цепи
          силомоментных датчиков.....................................................  347
7.4.3. Датчики с совмещенными чувствительными
          элементами.............................................................................  351
7.5. Методы распознавания контактных ситуаций .............................  355
7.6. Организация управления роботом  с силомоментным
       очувствлением .................................................................................  361
7.7. Тактильные датчики........................................................................  363
7.7.1.  Общие сведения....................................................................  363
7.7.2. Тактильные датчики касания и контактного давления......  365
7.7.3. Тактильные датчики проскальзывания ...............................  368
Контрольные вопросы ...........................................................................  370
Заключение..................................................................................................  371
Приложение.................................................................................................  372
Список литературы ...................................................................................  378
Предметный указатель..............................................................................  380

ПРЕДИСЛОВИЕ

Подготовка студентов в рамках специальности «Роботы и робототехниче-
ские системы» проводится в МГТУ им. Н.Э. Баумана уже более 10 лет. Один
из важных разделов робототехники — информационное обеспечение робото-
технических систем — является, пожалуй, наиболее бурно развивающимся.
Появившиеся в последние годы новые принципы получения и хранения
информации, эффективные алгоритмы обработки данных в первую очередь
внедряют в высокотехнологичных областях техники, к которым относится
робототехника. В то же время существующая литература по этой тематике
весьма ограничена и быстро устаревает. Кроме того, приводимые в ней све-
дения зачастую имеют рекламный характер и не позволяют судить о действи-
тельных характеристиках датчиков и информационных систем. Настоящее
учебное пособие предназначено устранить указанные недостатки.
Рассмотреть в рамках одной книги все используемые в робототехнике
информационные устройства невозможно. В данном издании предложен
бионический подход, в соответствии с которым рассмотрены лишь те ин-
формационные устройства, которые реализуют некоторую сенсорную
функцию человека. Наиболее распространенных сенсорных функций четыре
(кинестетическая, тактильная, слуховая и визуальная). Технической реали-
зации каждой из этих функций в книге посвящена отдельная глава.
Несколько слов о структуре книги. Условно она состоит из трех частей.
В первую входят введение и первая глава, где приводятся основные прин-
ципы построения сенсорных систем человека и рассматриваются общие во-
просы построения информационных систем роботов. Приведенные в первой
части пособия аналитические зависимости позволяют рассчитать важней-
шие параметры датчика: чувствительность, частотную характеристику, бы-
стродействие и т. п., а также определить его функцию преобразования и
погрешности.
Вторая часть (гл. 2— 4) посвящена вопросам проектирования информа-
ционных устройств, их чувствительных элементов, измерительных схем и
усилителей, образующих аналоговый канал преобразования информации.
Приведены примеры построения кинестетических датчиков, составляющих
основу информационного обеспечения современных роботов и включаю-
щих датчики положения, скорости и динамических факторов.
В третьей части книги (гл. 5—7) рассмотрены информационные системы
адаптивных роботов: локационная, визуальная и тактильная. При построе-
нии этих систем использованы приведенные ранее методы проектирования.
Кроме того, поскольку информационная система представляет собой сово-
купность аппаратно-программных средств, значительное внимание уделено
рассмотрению базовых алгоритмов обработки информации.

Предисловие

10

Автор предполагает, что читатель владеет материалом курсов физики,
высшей математики, электроники, основ робототехники и управления тех-
ническими системами в объеме программ высших учебных заведений.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры «Робо-
тотехнические системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана и ее заведующему,
д-ру техн. наук, проф. А.С. Ющенко за помощь в работе над книгой; рецен-
зентам — заведующему кафедрой «Робототехника и мехатроника» МГТУ
«Станкин», д-ру техн. наук, проф. Ю.В. Подураеву и главному научному
сотруднику МНПО «Спектр», д-ру техн. наук, проф. В.Г. Запускалову за
ценные замечания, а также редактору издательства МГТУ им. Н.Э. Баумана
Е.Н. Ставицкой.

ВВЕДЕНИЕ

В1. Робототехника, мехатроника и информационные
системы

Робототехника сформировалась в 60-х годах ХХ в. как наука о технических
устройствах, способных работать самостоятельно, принимать решения и заменять 
человека при выполнении сложных операций. Первый этап развития робототехники 
был связан с созданием промышленных роботов, которые получили 
широкое применение в машиностроении при обслуживании металлорежущих 
станков, прессов, металлургических агрегатов, т. е. для замены человека 
при выполнении однообразной, утомительной и зачастую небезопасной для
здоровья работы. Роботы первого поколения представляли собой манипуляторы — 
механические руки, имеющие до шести степеней подвижности и управляемые 
по заранее составленной программе. Несмотря на то что в промышленности 
область применения подобных устройств обширна, довольно быстро
выяснились ограничения по их использованию. Например, при сборке узла с
помощью робота последний должен взять необходимые детали с монтажного 
стола или конвейера. Поскольку робот управляется по жесткой
программе, местоположение каждой детали и ее ориентация должны быть
достаточно точно определены. Поэтому приходилось создавать дорогостоя-
щую оснастку — специальные приспособления для размещения и ориентирования 
детали с точностью функционирования робота.
Эта особенность существенно отличает работу роботов первого поколения
от работы человека, которого он должен заменить. Человек благодаря зрению,
слуху и осязанию легко выполняет аналогичные действия даже в том случае,
если деталь или заготовка произвольно ориентирована, несколько смещена
или повернута. Для жестко запрограммированного робота это невозможно,
потому что он слеп и бесчувственен по сравнению с человеком.
Именно отсутствие органов чувств у промышленных роботов первого
поколения привело к кризису в мировой робототехнике к концу 80-х годов
XX в. Имеющиеся образцы промышленных роботов быстро закрыли ту нишу, 
в которой их применение было экономически оправданным. В то же
время надежных и недорогих роботов, способных видеть, чувствовать и
приспосабливаться (адаптироваться) к изменяющейся обстановке, еще не
было. Производство промышленных роботов повсеместно стало сокращаться. 
Только к середине 90-х годов ХХ в. положение начало понемногу исправляться 
благодаря тому, что на рынке передовых промышленно развитых 
стран — Японии, США, Германии — появились оснащенные сенсорными 
устройствами промышленные роботы, способные к адаптации.

Введение

12

 На рубеже XX––XXI веков робототехника стала широко внедряться в
непромышленные сферы человеческой деятельности. Это — спасательные
работы на месте техногенных аварий и катастроф, разведка полезных ископаемых 
на морском дне, работы в космическом пространстве, борьба с терроризмом, 
обезвреживание взрывоопасных предметов и т. п. Роботы начали
успешно применяться в медицине для решения задач диагностики и дистанционной 
хирургии. Подобные роботы не могут выполнять своих функций
без технического зрения, тактильного ощущения, оценки развиваемых сил и
моментов. Поэтому их появление и активное применение было связано с
разработкой надежных сенсорных систем.
Наряду с робототехникой сейчас часто употребляют термин «мехатроника». 
Появился он примерно в 80-х годах ХХ в. в известном смысле как
развитие понятия «электромеханика». Различие этих, на первый взгляд
тождественных, понятий заключается в разном уровне используемых элек-
тронных решений. Мехатроника предполагает непосредственное внедрение
микроэлектронных систем в систему управления, в некотором роде синтез
электроники и механики, позволяющий создавать эффективные регуляторы.
В дальнейшем термин «мехатроника» был существенно обобщен, в резуль-
тате чего к мехатронным системам стали относить практически любые
сложные технические системы, содержащие механическую и электронную
части и управляемые компьютером. В результате роботы также оказались
мехатронными системами. Однако термин «мехатроника», конечно, шире. К
этой области относятся также системы, которые не являются робототехни-
ческими, например: системы управления комплексами технологического
оборудования, обрабатывающие центры, системы поддержания заданной
температуры в помещении. Функционирование таких систем связано с вы-
полнением разнообразных измерений, для чего их также оснащают соответ-
ствующими сенсорными устройствами.
Можно констатировать, что создание информационно-сенсорных систем
является самостоятельным, имеющим очень широкое применение и в робо-
тотехнике, и в мехатронике направлением. Однако его возникновение не
связано непосредственно с этими науками. Любой процесс управления
предполагает наличие обратной связи, а ее реализация требует датчиков об-
ратной связи, измеряющих регулируемые 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 отдель-
ных датчиков к сложным измерительным системам, которые в большинстве
случаев предполагают довольно сложные способы обработки информации,
поступающей от этих датчиков. Примером может служить система техниче-
ского зрения робота. Функциональная особенность такой системы состоит в
том, что она позволяет получать комплексную характеристику окружающей
обстановки. Таким образом, в робототехнических и мехатронных системах
наряду с датчиками состояния системы, характерными для любых систем
управления, появляются датчики состояния внешнего мира.

В1. Робототехника, мехатроника и информационные системы

13

Информация 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, полученного от внешнего
мира в процессе приспособления к нему (Н. Винер), отрицание энтропии
(Л. Бриллюэн), коммуникация и связь, в процессе которой устраняется не-
определенность (К. Шеннон), передача разнообразия (У. Эшби), мера слож-
ности структур (А. Моль), вероятность выбора (А. Яглом), совокупность
некоторых данных, сведений о системе, переданных ею в виде сообщения
другой системе в процессе связи (Энциклопедия кибернетики). Заметим, что
последнее определение является практически дословным переводом латин-
ского термина informatio (сведения).
В современной науке мысль о том, что информацию следует рассматри-
вать как нечто самостоятельное, возникла в начале 50-х годов ХХ в. вместе
с кибернетикой, изучающей процессы управления и развития любых систем.
Родоначальник кибернетики — профессор Массачусетского технологиче-
ского 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 ее для управления и регулирования. Информационное обес-
печение подобных систем уже нельзя было рассматривать отдельно от их
структуры и свойств. Система поглощает информацию из внешней среды и
использует ее для выбора правильного поведения. Информационные потоки
начинают циркулировать по цепям управления. Прибором, передающим
информацию в контур управления, является датчик, от характеристик кото-
рого в значительной степени зависит качество управления.
Остановимся немного подробнее на истории вопроса, перечислив основ-
ные вехи, связанные со становлением теории и практики информационных
систем. История активного использования информации для задач управления 
насчитывает не 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 пути измерения одного из параметров объекта регулирования (угла,
давления, температуры и т. д.), что позволило создать следящие системы
управления заданным параметром. В середине XX в. появились копирую-

Введение

14

щие манипуляторы, а в 1954 г. американцем Д. Деволом был получен патент
на «программируемое шарнирное устройство для переноски» — первый
программируемый манипулятор. В конце 50-х годов им же совместно с
Д. Энгельбергером была организована фирма Unimation, которая в 1959 г.
выпустила первый промышленный робот Unimate. 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 «Mechanical
Hand-1». Она позволяла роботу укладывать кирпичные блоки без помощи
оператора. Наконец, в начале 70-х годов по проекту «Stanford Arm» группа
Р. Пола создала мультимодальную информационную систему «глаз––ухо––
рука», содержащую тактильные, локационные 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 эта система имеет априорную информацию 
aI  о
среде и в процессе функционирования получает текущую информацию pI  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 системы, является непол-
ной, 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 пара-
метры системы, ее структура и алгоритм функционирования.
Следовательно, адаптивной мы называем систему, которая может приспо-
сабливаться к изменению внутренних и внешних условий. Простейшей адап-
тивной системой можно считать систему с обратной связью (следящую сис-
тему).
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 
pI о состоянии среды или свойствах объектов, при-

чем эти данные используются для решения задач, связанных с формирова-
нием управления системой. С другой стороны, когда системы управления

В2. Основные понятия и определения

15

используют адаптивные алгоритмы, способные изменяться под воздействи-
ем текущей pI  или обучающей aI  информации от сенсоров. В обоих случа-

ях наличие сенсорной (информационной) системы является признаком
адаптивной структуры.
В качестве примера активной адаптивной системы рассмотрим систему
управления адаптивного робота (рис. В1). В состав информационной систе-
мы здесь входят подсистема восприятия окружающей среды и подсистема
связи. Подсистема восприятия окружающей среды содержит датчики (изме-
рительные преобразователи или информационные устройства), включаю-
щие 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 aI о рабочей сцене в виде математиче-
ской модели, которая уточняется с помощью подсистемы связи. Полученная
информация применяется для планирования движений на исполнительном,
тактическом и стратегическом уровнях. Эти движения реализуются рабочим
механизмом. Для робота это обычно манипулятор, снабженный соответст-
вующим инструментом. Рассмотренная схема сохраняется и в случае мо-
бильного робота, у которого рабочий механизм включает также средства
передвижения.

Рис. В1. Структурная схема адаптивного робота

Остановимся более подробно на основных терминах, связанных с ин-
формационной системой.

Введение

16

Первичным преобразователем, или чувствительным элементом (ЧЭ),
называется простейший элемент информационной системы, изменяющий
свое состояние под действием внешнего возмущения, например фотодиод
или тензорезистор.
Датчик представляет собой устройство, которое под воздействием изме-
ряемой физической величины выдает эквивалентный сигнал (обычно элек-
трической природы — заряд, ток, напряжение или импеданс), являющийся
однозначной функцией измеряемой величины. Простейший датчик состоит
из одного или нескольких первичных преобразователей 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 выде-
лим три признака: тип замещаемой сенсорной функции, радиус действия и
способ преобразования. При этом сохраним принятую в биологии класси-
фикацию сенсорных функций. Тогда по типу замещаемой функции датчики
можно подразделить на четыре группы: кинестетические, локационные, ви-
зуальные и тактильные. В зависимости от радиуса действия различают кон-
тактные датчики, датчики ближнего и дальнего действия. Наконец, по спо-
собу преобразования выделяют генераторные (активные) и параметрические
(пассивные) датчики. Рассмотрим каждую группу более подробно.
Кинестетические датчики формируют информационный массив данных
об обобщенных координатах и силах, т. е. о положении и относительных
перемещениях отдельных рабочих органов и развиваемых ими усилиях. К
кинестетическим относятся датчики положения, скорости, измерители сил и
моментов в сочленениях многозвенного механизма.
Локационные датчики предназначены для определения и измерения фи-
зических параметров среды путем излучения и приема отраженных от объ-
ектов сигналов. По значениям этих параметров формируется локационный
образ среды, который используется для идентификации ее объектов. Наибо-
лее распространены электромагнитные, в том числе оптические, а также
акустические устройства.
Визуальные датчики обеспечивают получение информации о геометри-
ческих и физических характеристиках внешней среды на основе анализа ее
освещенности в оптическом диапазоне, включая ИК, СВЧ и рентгеновское
излучения. Примером являются различные телевизионные системы.
Тактильные датчики позволяют определить характер контакта с объек-
тами внешней среды в целях их распознавания. Это, например, тактильные
матрицы и силомоментные датчики. Тактильные датчики относятся к дат-
чикам контактного типа.
Контактными являются также кинестетические датчики. Сенсорные уст-
ройства ближнего действия получают информацию о среде вблизи объекта
работы, дальнего — во всей рабочей зоне. Примерами являются визуальные
и акустические преобразователи.

Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину