1.2. Основні поняття й визначення

     Розглянемо деяку активну систему, що взаємодіє з зовнішнім середовищем. Припустимо, що ця система має апріорну інформацію про середовище й у процесі функціонування одержує поточну інформацію як про зовнішнє середовище, так і про власний стан. Її метою є прийняття рішень, пов'язаних з перетворенням або аналізом зовнішнього середовища. Як правило, інформація, наявна в розпорядженні системи, є неповної, тобто вона функціонує в умовах невизначеності. Під адаптацією будемо розуміти здатність активної системи досягати заданих цілей в умовах невизначеності на основі використання поточної інформації про власний стан і стан середовища. При цьому можуть змінюватися параметри системи, її структура й алгоритм функціонування.

     Отже, адаптивною ми називаємо систему, що може пристосовуватися до зміни внутрішніх і зовнішніх умов. Найпростішою адаптивною системою можна вважати систему зі зворотним зв'язком (система, що стежить).

     У цей час стосовно до систем керування адаптацію часто розглядають із двох позицій. З одного боку, коли системи керування мають у своєму составі сенсорні пристрої, що забезпечують одержання інформації про стан середовища або властивості об'єктів, причому ці дані використовуються для рішення завдань, пов'язаних з формуванням керування системою. З іншого боку, коли системи керування використовують адаптивні алгоритми, здатні змінюватися під впливом поточної або навчальної інформації від сенсорів. В обох випадках наявність сенсорної (інформаційної) системи є ознакою адаптивної структури.

     Як приклад активної адаптивної системи розглянемо систему керування адаптивного робота (рис. 1.1). До складу інформаційної системи тут входять підсистема сприйняття навколишнього середовища й підсистема зв'язку. Підсистема сприйняття навколишнього середовища містить датчики (вимірювальні перетворювачі або інформаційні пристрої), що включають не показані на схемі первинні перетворювачі (чутливі елементи). Сигнали з датчиків надходять у блок обробки даних і далі в блок аналізу робочої сцени й об'єктів, що перебувають на ній. При цьому використовується апріорна інформація про робочу сцену у вигляді математичної моделі, що уточнюється за допомогою підсистеми зв'язку. Отримана інформація застосовується для планування рухів на виконавчому, тактичному й стратегічному рівнях. Ці рухи реалізуються робочим механізмом. Для робота це звичайно маніпулятор, обладнаний відповідним інструментом. Розглянута схема зберігається й у випадку мобільного робота, у якого робочий механізм включає також засобу пересування.

     Первинним перетворювачем, або чутливим елементом (ЧЕ), називається найпростіший елемент інформаційної системи, що змінює свій стан під дією зовнішнього збудження, наприклад фотодіод або тензорезистор.

     Датчик являє собою пристрій, що під впливом вимірюваної фізичної величини видає еквівалентний сигнал (звичайно електричної природи - заряд, струм, напруга або імпеданс), що є однозначною функцією вимірюваної величини. Найпростіший датчик складається з одного або декількох первинних перетворювачів і вимірювального кола. Більшість датчиків має зовнішнє джерело живлення, а як навантаження може бути використаний підсилювач, вимірювальний прилад, блок сполучення з комп'ютером і т.п.

     Класифікаційних ознак дуже багато, тому класифікація датчиків являє собою досить складне завдання. Для простоти виділимо три ознаки: тип сенсорної функції, що заміщується, радіус дії й спосіб перетворення. При цьому збережемо прийняту в біології класифікацію сенсорних функцій. Тоді по типу функції, що заміщається, датчики можна підрозділити на чотири групи: кінестетичні, локаційні, візуальні й тактильні. Залежно від радіуса дії розрізняють контактні датчики, датчики ближньої й далекої дії. Нарешті, за способом перетворення виділяють генераторні (активні) і параметричні (пасивні) датчики. Розглянемо кожну групу більш докладно.

     Кінестетичні датчики формують інформаційний масив даних про узагальнені координати й сили, тобто про положення й відносні переміщення окремих робочих органів і розвиваючих ними зусиллях. До кінестетичних відносяться датчики положення, швидкості, вимірювачі сил і моментів у зчленуваннях багатоланкового механізму.

     Локаційні датчики призначені для визначення й виміру фізичних параметрів середовища шляхом випромінювання й прийому відбитих від об'єктів сигналів. За значеннями цих параметрів формується локаційний образ середовища, що використовується для ідентифікації її об'єктів. Найпоширеніші електромагнітні, у тому числі оптичні, а також акустичні пристрої.

     Візуальні датчики забезпечують одержання інформації про геометричні й фізичні характеристики зовнішнього середовища на основі аналізу її освітленості в оптичному діапазоні, включаючи ІЧ, СВЧ і рентгенівського випромінювання. Прикладом є різні телевізійні системи.

     Тактильні датчики дозволяють визначити характер контакту з об'єктами зовнішнього середовища з метою їхнього розпізнавання. Це, наприклад, тактильні матриці й силомоментні датчики. Тактильні датчики відносяться до датчиків контактного типу.

     Контактними є також кінестатичні датчики. Сенсорні пристрої ближньої дії одержують інформацію про середовище поблизу об'єкта роботи, далекого - про всю робочу зону. Прикладами є візуальні й акустичні перетворювачі.

     Генераторні датчики є джерелом безпосередньо видаваємого електричного сигналу. Це - термоелектричні перетворювачі; пристрою, в основі функціонування яких лежать піро- і п'єзоелектричні ефекти, явище електромагнітної індукції, фотоефект, ефект Хола й ін.

     У параметричних датчиках під впливом вимірюваної величини змінюються деякі параметри вихідного імпедансу. Імпеданс датчика обумовлений його геометрією й розміром елементів, а також електромагнітними властивостями матеріалу: питомим електричним опором , відносною магнітною проникністю , відносною діелектричною проникністю . У перетворювачах цього типу сигнал формується вимірювальним колом (потенціометричною або мостовою схемою, коливальним контуром, операційним підсилювачем). Параметричними перетворювачами є більшість датчиків сили, тиску, переміщення.

     Крім того, до датчиків систем висувають наступні вимоги:

•      висока надійність і завадостійкість в умовах електромагнітних завад,      коливань напруги й частоти;
•      малогабаритність, простота конструкції, здатність поміститись в      частинах маніпулятора при обмеженій площі й обсязі;
•      розв'язка вихідних і вхідних ланцюгів, простота юстировки й      обслуговування;
•      можливість абсолютного відліку параметрів і ін.

     Один або кілька датчиків у сукупності з посилюючими й перетворюючими пристроями утворять інформаційну систему (рис. 1.2). Інформаційна (інформаційно-сенсорна) система призначена для інтегральної оцінки спостережуваного процесу або явища з метою визначення його стану й формування відповідного повідомлення. У загальному випадку вона являє собою сукупність функціонально об'єднаних вимірювальних, обчислювальних і інших допоміжних засобів для одержання вимірювальної інформації, її перетворення й обробки для надання в необхідному виді. В інформаційній системі сигнали, що надходять із датчиків, після попереднього посилення й перетворення в цифрову форму надходять на мікро-ЕОМ, де виконується інтегральна оцінка процесу. Далі формується повідомлення на верхній рівень інформаційної системи або в систему керування.

     У робототехніці інформаційні системи використовуються на трьох рівнях керування: виконавчому, тактичному й стратегічному.