Глава 1. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ВОСПРИЯТИЯ ИНФОРМАЦИИ О СОСТОЯНИИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ И ОБЪЕКТА
1.1. БИОТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ
ВОСПРИЯТИЯ ИНФОРМАЦИИ
Многообразный набор биологических решений, созданный природой за миллиарды лет существования жизни на земле, позволил человеку за время его сравнительно недолгой интеллектуальной деятельности использовать биологические прототипы для разработки и воплощения технических идей Технические устройства в значительной мере при близились, а по некоторым параметрам и превзошли известные природ ные аналогии Однако совершенная техносфера, окружающая нас, не исключает трудные и малоквалифицированные работы Единственным средством, избавляющим человека от монотонного труда, может стать робототехника
На путь разработки механических исполнителей — роботов — чело век встал не более трех десятилетий назад и сразу остро ощутилась необходимость транспонирования в область техники биологических идей и принципов В связи с этим, рассматривая сенсорные устройства авто матов, необходимо иметь в виду и использовать существующие природ ные аналогии, определить функциональную роль сенсора при восприятии и переработке информации
Сенсорный орган — это комплекс биологических рецепторных элемен тов восприятия информации о внешней среде и внутреннем состоянии объекта, обеспечивающий ее кодирование и преобразование с целью выделения сигнала, адекватного образу С рецепторного уровня инфор мация поступает в центральную нервную систему, где подвергается переработке, состоящей либо в возбуждении уже готовых моделей из корковых клеток — и тогда мы имеем дело с процессом узнавания, либо в образовании новых моделей, отражающих смысл и качество внешнего мира, что соответствует обучению и запоминанию Но на первой стадии происходит формирование ощущений
Ощущение — это отражение в коре головного мозга отдельных свойств предметов и явлений окружающего мира, воздействующих в данный момент через рецепторы на мозг человека Ощущения дают материал для других, более сложных психических процессов — восприятия, мышления, воображения
Восприятие издавна связывалось с, ощущением, откуда, собственно, и пошло название «органы чувств» [12] Между тем, понятия восприятия и чувства принципиально различны если первому соответствуют отведенные выше функции сенсорного органа, то вторым обеспечивается эмоциональный анализ информации, распознавание воздействующих параметров, т е высшая нервная деятельность биологического объекта Акт восприятия включает в себя обработку сенсорной информации с помощью довольно простого внутреннего кода Например, число поступающих в каждую секунду нервных импульсово, с*атии^напряжении тканей соответствует степени давления, ИСПЫТЫВ^^/^ °ДР0 ной клеткой. Частота этих импульсов меняется от Д«с™ герц до 300-500 Гц, однако амплитуда их остается постоянной (около 0,1 В). Амплитуда импульсов не зависит от уровня возбуждения, а только определяется свойствами данного волокна. При постоянном возрастании частота импульсов нервной клетки сначала резко возрастает до высокого уровня, а затем экспоненциально спадает [6]. Исходное значение частотно-временной характеристики рецепторных клеток, как и ее установившийся уровень, зависят от раздражения.
Каждый сенсорный орган получает из окружающей среды энергию, физическая природа которой может быть весьма различной. Соответственно и рецепторные элементы (клетки) приспособлены к регистрации определенных видов энергетической информации. Считается, что в компоненты клетки входят органические полупроводники, жидкие кристаллы — вещества, чрезвычайно чувствительные к изменениям температуры, магнитных и электрических полей, давления и радиации. Более того, многие клетки имеют двойную внешнюю мембрану. С электрической точки зрения такая мембрана действует как конденсатор и клетка имеет постоянный заряд. Этот заряд обусловлен различной концентрацией ионов по обе стороны мембраны. Когда клеточная мембрана деформируется, положительные ионы устремляются внутрь, инвертируя при этом электрический заряд клетки. Неизвестно, каким именно образом свет, тепло, давление, химическая или другие формы энергии вызывают такой эффект, но в результате измененный заряд порождает в связанном с ней нервном волокне «взрывной» импульс. После этого мембрана клетки вновь запирается и восстанавливается начальная разница в концентрации ионов [6].
Существует два основных типа рецепторов: контактные и дистант-ные. К контактным относятся рецепторы осязания и вкуса, регистрирующие и определяющие параметры среды только при соприкосновении с ней. К дистантным относятся рецепторы зрения, слуха и обоняния, реагирующие на отдаленные объекты.
Под осязательной тактильной способностью понимается реакция организма на касание, давление, болезненность, тепло, холод, которая обеспечивается так называемыми механорецепторами, размещенными на поверхности тела.
Тактильные рецепторные элементы в коже человека можно разделить в зависимости от типа реализуемого ими распознавания на четыре группы:
1) рецепторы классификации объектов, обеспечивающие ощущение касания и определяющие форму и размеры объекта;
2) рецепторы определения твердости объекта, реализующие ощущения болезненности касания;
3) рецепторы определения массы, обеспечивающие переработку внутренней информации о состоянии мышц и суставов;
4) рецепторы определения температуры объекта, преобразующие ощущение тепла и холода (при постоянной температуре поток нервных импульсов, идущих от терморецепторов, остается неизменным).
Вкусовое восприятие — это определение химической природы веществ, находящихся в контакте с сенсорными клетками, называемыми хеморецепторами. Спектр вкусовых ощущений невелик (сладкий, кислый, соленый, горький), но имеет достаточно широкую гамму оттенков.
Среди дистанционных органов восприятия внешней информации наибольшее значение имеет зрение. Глаз поставляет человеку примерно 80 % всей поступающей информации. Отсюда и особенность нашего мышления на основе зрительных образов (хотя в природе существует и другой подход, например восприятие внешнего мира на основе звуков, подобно летучей мыши, или запахов, подобно собаке, или на основе осязания, которое является ведущим каналом связи у червя)
Зрение — это способность глаза воспринимать и преобразовывать информацию об окружающей среде на основе анализа отраженной от объекта световой, энергии. В любом случае глаз камерный ( у человека и млекопитающих) и фасеточный (у членистоногих) представляет собой дискретную структуру — сетчатку или омматидии, обеспечивающую детальный анализ изображения.
Восприятие зрительных образов основано на преобразовании световой энергии, поступающей в рецепторные клетки, в электрическую. На зрение человека воздействует ряд факторов: форма, контрастность, яркость, освещенность фона, резкость края, время рассматривания Чувствительность зависит от цвета, максимум ее находится в зелено-голубом свете с длиной волны 0,51 мкм.
Слух — это способность к восприятию звуковых колебаний и составлению на основе анализа сигнала адекватного образа. Как и в любом другом сенсорном органе, преобразование звуковой энергии в электрические импульсы осуществляется с помощью особых рецепторных клеток, соединенных с нервными волокнами. Рецепторы расположены в мембране внутреннего уха, которая несет небольшой электрический заряд.
При отсутствии звуковых колебаний этот заряд постоянный; при усилении давления заряд увеличивается, при ослаблении — уменьшается.
Чувствительность уха к различным участкам звукового диапазона неодинакова (наименьшая чувствительность к низким частотам). Например, звуковой тон в 100 Гц ухо воспринимает в 1000 раз хуже, чем тон 1000 Гц.
Обоняние — это восприятие находящихся в воздухе химических веществ, которые мы втягиваем в себя при дыхании. Так же как и для вкусового восприятия, при этом используются хеморецепторы, осуществляющие химический анализ смесей. Механизм действия обонятельных органов практически не исследован. Трудности аналитического представления процесса иллюстрируются тем, что в этой области нет классификационной основы, установившейся терминологии, точного описания понятий. Для классификации запахов не существует абсолютной шкалы, аналогичной спектру длин волн для цветов или спектру частот для звуков. Так же как и для других форм восприятия, при увеличении времени действия раздражителя чувствительность обонятельных органов ухудшается. Кестезия — мышечное чувство, обеспечивающее восприятие ин формации о положении органов и усилиях в них. Например, поворот глаза на 1° изменяет биоэлектрический потенциал глазных мышц до 4-10~5 В; линейность зависимости сохраняется при повороте до 30°
Аналогичные сигналы вырабатывают и другие рецепторные элементы, а указанная особенность глаз, т. е. информация о их взаимном расположении, используется для определения расстояний до объектов. Информационная основа кинестетического преобразования сигналов такая же, как и во всех других формах восприятия. Это последовательность электрохимических изменений, передаваемых по нерву со скоростью примерно 120 м/с в виде дискретных импульсов продолжительностью Ю~4 с [6]. Адекватного аналога кинестезии в технике не существует.
Приведем сопоставительные данные, характеризующие различные органы восприятия. Примерное число специализированных рецепторных элементов человека приведено в табл. 1.1, общее их число достигает З'Ю8, информационные сигналы от которых по 3«106 нервных волокон поступают в мозг. Такое обилие рецепторных элементов (даже по количеству) невозможно практически реализовать в искусственной системе и приблизить ее по техническим характеристикам к природной. Это и не должно составлять цель для разработчика. Но использовать основные идеи построения и функционирования биологических сенсорных органов при проектировании технических устройств восприятия информации просто необходимо. Поэтому выделим основные принципы восприятия в биологических сенсорных системах (табл. 1.2). Не останавливаясь подробно на особенностях реализации каждого из принципов, в дальнейшем учтем их при выработке рекомендаций по проектированию технических устройств.
_ Сравнивая характеристики биологических сенсоров и существующих технических сенсорных устройств (табл. 1.3), отметим преимущество биосенсорных органов по таким параметрам, как компактность, универсальность, энергопотребление. Например, общее потребление мозгом человека энергии не превышает десятка ватт. Для того чтобы обеспечить замену сенсорного органа, необходимо несколько технических устройств. Таким образом, систематизация и анализ работы сенсорных органов различных живых организмов открывают новые возможности в построении технических систем восприятия и определяют по меньшей мере предельные границы их рабочих параметров.
1.2. ОБЩИЕ КОНЦЕПЦИИ ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СЕНСОРНЫХ УСТРОЙСТВ
Робот в конструктивном и операционно-поведенческом плане с самого начала задуман как нечто подобное человеку. С этой точки зрения и сенсорные устройства должны имитировать биологические органы чувств. Такая имитация происходит, но это не простая передача свойств, а реализация качеств, необходимых в приложении к решаемым задачам. Причем в соответствии с трактовкой В. А. Штоффа в рассматриваемом случае воспроизводится модель третьего рода — кибернетическая модель, существенной особенностью которой является то, что комплекс моделируемых явлений не сохраняет в ней своей физической природы, как в физических моделях, и может не сохранять структуры, как в аналоговых моделях, а отображаются только некоторые зависимости, формы поведения или результаты. Таким образом, сенсорное устройство явля ется моделью сенсорного органа.
Вводя в рассмотрение сравнительно новый термин — сенсорное уем ройство, необходимо определить основные функции и признаки, которые отличают его от других устройств. Формулировка терминов «устройство», «элемент», «система» и т. д. раскрывается в работе [37], в данном же работе подчеркиваются смысловые особенности этих понятий в прило жении к рассматриваемой области — сенсорике (что особенно важно, учитывая новизну вопроса). Реализация сенсорных устройств происходит на основе использования разнообразных чувствительных элементов, обеспечивающих преобразование физического параметра в электрический сигнал [38].
Последнее и
в технике и в биологии
является непременным условием сенсорного восприятия. Поэтому независимо от природы входного
воздействия
на выходе сенсорного
устройства должен быть
электрический сигнал,
переработка которого осуществляется с помощью ана лого-цифрового
преобразователя.
Сенсорным устройством называется чувствительный орган автомата, обеспечивающий восприятие и переработку в управляющие команды информации о параметрах объекта, среды и состоянии технологического комплекса. Главное отличие сенсорного устройства от измерительного, которое является его прототипом, заключается в более широком функциональном назначении сенсора: помимо сугубо измерительных функций оно осуществляет преобразование и переработку информации с целью уменьшения избыточности, решение задач распознавания. Совокупность сенсорных устройств, связанных общей функцией восприятия и пере работки локальных физических параметров, образует структуру чув ствительных органов автомата, называемую сенсорной системой. Система содержит устройства восприятия информации о состоянии автомата и о параметрах среды, т. е. устройства внешней и внутренней информа ции (табл. 1.4). Под системой в данном случае подразумевается весь комплекс сенсорных устройств автомата или робота. Структура ее может быть различной, т. е. возможно отсутствие какой-то части перечислен ных устройств, например сенсорная система может состоять только из устройств восприятия информации об объекте и не содержать устройств анализа параметров технологического комплекса. Тем не менее и при ограниченном структурном составе система может выполнять свою роль в суженном диапазоне действий.
- Обзор но-поисковые устройства имеют несколько разновидностей. Локационные устройства обеспечивают обнаружение объектов с заданными свойствами за счет регистрации отраженного или испускаемого ими излучения. Устройства технического зрения можно отнести к локационным, но поскольку функции их гораздо шире, они выделены в отдельную разновидность. С их помощью решается комплекс задач по сканированию, поиску, обнаружению, распознаванию объекта и измерению его параметров. В этих устройствах используются заданные характеристики объекта, которые подразделяют на две группы: первичные (тепловое, звуковое излучение), существенно независящие от поисковых средств, и вторичные (отраженная звуковая, электромагнитная энергия), возникающие под воздействием поисковых устройств [20]. Тактильные сенсорные устройства при соприкосновении с объектом позволяют выделить простейшие характерные признаки, например характеристики детали.
По аналогии с живым организмом обзорно-поисковые устройства эквивалентны органам зрения, слуха, осязания; с большими техническими трудностями их функции могут быть реализованы в устройствах, аналогичных органам обоняния, вкуса и т. д.
Кинестетические устройства также имеют несколько разновидностей. Силомоментные преобразователи выполняют предохранительные функции по защите автомата от перегрузок на основе измерения параметров устройства и среды. Преобразователи положения и перемещения звеньев манипулятора, ориентации рабочего органа обеспечивают получение информации об абсолютном и относительном расположении рабочих органов. Преобразователи состояния комплекса отражают готовность к выполнению действий, аварийное состояние, перегрузку и т. д.
Кинестетические преобразователи должны стать эквивалентом таких чувств человека, как реакция на опасность, утомляемость, и в качестве информативного критерия могут использовать параметры скорости и ускорения движения звеньев, усилий и моментов, возникающих при выполнении технологических операций.
В общем виде эта группа устройств некоторыми исследователями называется кинестетическими — по аналогии с биологическим термином «кинестезия» (мышечное чувство).
Сравнение с биосенсорными органами (рис. 1.1) показывает, что совсем немногие свойства восприятия живого организма реализованы в технических устройствах. Между тем сенсорные устройства играют значительную роль в эволюции роботов. В свою очередь, работотехника изменяет наше представление о всей технической картине мира, технике и ее возможностях. При помощи роботов возможно решение проблемы комплексной механизации и автоматизации производства без существенной перестройки его технической основы. В связи с этим важно знать проблемы робототехники, исследовать свойства и параметры сенсорных устройств, определить качественный уровень сенсорного восприятия. «...Орел видит значительно дальше, чем человек, но человеческий глаз замечает в вещах значительно больше, чем глаз орла» [1]. Эта цитата
ф Энгельса служит иллюстрацией того, что совершенство биосенсорных органов в значительной мере характеризуется уровнем интеллектуального развития и, соответственно, совершенство технических сенсорных систем зависит от уровня алгоритмического обеспечения.
Таким образом, использование в автоматах и роботах сенсорных устройств развивает их возможности, обеспечивает качественный рост. Но не только совершенство сенсора, его высокие технические характеристики определяют успех использования очувствленных автоматов, значительную роль играет уровень применяемых алгоритмов обработки информации. В связи с этим для реализации программы сенсорного обеспечения необходимо проведение исследований по разработке и совершенствованию сенсорных устройств, а также по отработке алгоритмов их использования в автоматах.
Кроме того, одна из главных задач, решаемых при формировании структуры сенсорного устройства, заключается в установлении взаимосвязи между его свойствами и параметрами объекта, поскольку последние в значительной мере влияют на возможности сенсора. Изучая характерные особенности объектов, можно установить более качественные критерии проектирования и параметры преобразователей, определить оптимальные условия восприятия и переработки информации. Особенно важны вопросы первичного преобразования информации, связанные с выработкой сигнала, адекватного анализируемому образу. Это объясняется сложными условиями, в которых происходит выделение первичной информации, и наличием большого числа мешающих факторов.
1.3. ОСОБЕННОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ СЕНСОРНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
Основной задачей сенсора является преобразование информации о технологическом объекте в управляющий сигнал. В биосенсорных системах внешний раздражитель, действующий на рецепторную клетку, вызывает появление в ней электрического тока — рецепторного потенциала, который распространяется по нервному волокну и порождает мощный нервный импульс. Происходит преобразование информационного сигнала в электрический. Независимо от того, какой физический принцип заложен в основу действия сенсорного органа, распознаваемыми параметрами могут быть только амплитуда и частота сигнала
С рецепторного уровня в центральную нервную систему поступает лишь незначительная часть информации. Например, глаз передает мозгу лишь сотую долю информации, которую получает. Однако вероятность того, что передаваемая в мозг информация носит случайный характер, ничтожно мала и равна 2~1()0 [53]. В этом и состоит идея иерархической обработки информации, предварительного выделения и анализа наиболее существенных признаков объектов на нижнем уровне. Например, фоторецепторами глаза выделяются наиболее существенные для животного зрительные образы: направление и скорость, размеры и цвет и т. д.
Следующий функциональный этап работы системы заключается в выделении характерных признаков и распознавании объекта. Учитывая потенциальные возможности организации систем распознавания, ело дует отметить, что одна из главных проблем исследования физиологи ческого механизма зрения, слуха и осязания заключается в том, чтобы выяснить, как анализируется огромное количество информации, которое в виде нервных импульсов поступает в мозг от рецепторов. Резуль таты измерений идут в одном импульсном коде, но как определить, гд*. было раздражение и каким оно было. Точный механизм анализа раздражений в нервной системе нам неизвестен [53].
Функциональная особенность сенсорного устройства заключается в том, что оно должно обладать возможностью непрерывно классифи цировать мало отличающиеся друг от друга состояния среды, объекта или самого устройства, решать задачи контроля, измерения, распознавания параметров. Успех использования сенсора в значительной мерс зависит от конкретизации выполняемых функций. Рассмотрим сущность этих функций.
Большинство операций при использовании сенсорных устройств носят контрольный характер: например, имеется или отсутствует объект в зоне действия устройства, в каком положении находится объект (правильном или неправильном), интересующий нас это объект или нет, находится исполнительный орган в точке пространства, заданной программой, или нет и т. п. (табл. 1.5). Таким образом, при контроле определяются качественные характеристики объекта, его признаки, в отношении которых можно высказать суждение типа «да» — «нет».
В отличие от перечисленных, операции, связанные с измерением параметров объекта и автомата, характеризуются более сложными технологическими действиями и более сложной аппаратурной реализацией В соответствии с ГОСТ 16263—70 под измерением понимается «...нахо ждение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств». При измерении определяются количественные свойства объекта, его параметры.
Рассмотрим более подробно сущность операций измерения и контроля, математическая интерпретация которых предложена в работе [45] При измерении истинное значение интересующего нас параметра /, сравнивается в компараторе с величиной /, которая известна и воспроизводится с помощью многозначной меры Д/ = /— /,.
Формально постановку задачи измерения можно изложить следующим образом: имеется скалярная физическая величина /„ значение которой неизвестно, а также величина того же рода /, которая может принимать произвольные, но известные (контролируемые) значения внутри диапазона I. Необходимо, сравнивая значения /, с /, варьируя значение /, выбрать на основе использования некоторой функции этих величин р значение
/*=//=^р(/, /)=0,
которое является неотрицательной функцией аргумента |Д/|. Если функция р(|Д/|) дифференцируема, то условие минимума запишется в виде
<*(р) (|Д/|)Д*/|, = /1 =
0 Л/*=аг^ттр(|/ — /,|). (1 1)
Данные уравнения указывают на необходимость достижения в процессе измерения минимума функции р(|Д/|). Поиск
минимума, как последовательности
сменяющих друг друга состояний, начинается с некоторого произвольного значения 1\ и
соответствующей ему функции р(|/
— /||). Используя эту функцию, приближенно оценивают следующее значение /2 и наблюдают р(|/
—/2!)
и т. д. Подобная процедура записывается в виде рекуррентного соотношения
/, + ,:=/, _т/51еп[ф(|/-/,|)Л/7], (1.2)
где 7<('==1'/г)—некоторая последовательность положительных чисел, убывающая с ростом /. Знак производной указывает направление дви-
(книга в РНБ в Санкт-Петербурге и др. национальных библиотеках)