Экспериментальная основа роботостроения

 

Пытаться конструировать радио­электронные системы роботов, не представляя хорошо их теории и физических основ, — это значит работать с очень низким коэффициентом полезного действия. Создать какую — либо систему робота, не понимая ее су­ти, невозможно. Работа должна строиться на прочной основе теоретических знаний — только тогда кон­структор с каждой новой разработкой будет расши­рять диапазон своих знаний и переходить к новым ру­бежам творчества.

Партией и правительством перед народом Совет­ского Союза поставлена важнейшая задача — всемерное ускорение научно — технического прогресса. Это отно­сится не только ко взрослым, но и к школьникам. Перед юными техниками стоит задача: в короткие сроки освоить элементы теории радиоэлектроники, микросхемотехники и робототехники. Все это — новей­шие сложные области техники, без их знания немыс­лим современный знающий инженер, техник и зача­стую даже квалифицированный рабочий. Но если изучать их старыми методами — только по книгам, — то без определенной системы достичь чего — либо суще­ственного будет трудно. Как же быть?

Ученые утверждают, что лучшим способом освое­ния теории является эксперимент. С каких же экспери­ментов лучше всего начинать?

К примеру, в этом вам может помочь серийно вы­пускаемый промышленностью конструктор «Радиоку­бики». Если на монтаж с помощью пайки и наладку громкоговорящего приемника у ребят уходит иногда до двух — трех месяцев, то для сборки такого же при­емника из магнитных радиокубиков нужно всего три — пять минут. Три минуты вместо трех месяцев! Вот вам и пример ускорения научно — технического прогрес­са.

Пользуясь радиокубиками, вы изучите теоретиче­ские основы радиоэлектроники, ознакомитесь с раз­личными радиодеталями, их назначением и свойства­ми.

Затем можно будет последовательно переходить к следующим конструкторам, выпускаемым промыш­ленностью:

модульному для сборки сложных радиоэлек­тронных систем из простейших типовых узлов — моду­лей;

для изучения логических основ построения ЭВМ и знакомства с микросхемотехникой;

для сборки и исследования основных каналов ЭВМ.

Обо всех этих конструкторах мы еще расскажем, а пока ответим на вопрос: что же это такое — модели­рование и как оно применяется в практике современ­ного технического конструирования?

 

МОДЕЛЬ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

 

Современные научно — технические исследования и промышленное строительство ведутся с огромным размахом, и на них затрачивается много средств (вспомним хотя бы о космических исследова­ниях). Поэтому ошибки или просчеты могут привести к бесполезной грате материально — технических и люд­ских ресурсов. Этого можно избежать, если предвари­тельно изучить процессы и явления, протекающие в реальном объекте, с помощью модели. В технике моделью называют уменьшенное или упрощенное подобие интересующего нас объекта, для которого ха­рактерны процессы, сходные с процессами, происходя­щими в этом реальном объекте. Изучение свойств мо­дели дает ориентировочное представление о свойствах и возможностях объекта.

В качестве моделей иногда применяют устройства, имеющие физическую природу, отличную от природы оригинала.

Существуют аналогии между законами, выражаю­щими различные физические явления. Например, ана­логичны закон Ома для электрического тока, закон Фурье для теплового потока и закон Дарси для скорости фильтрации жидкости через пористую среду. На основе метода аналогии и создают модель. В ней из­вестные процессы, все параметры которых легко под­даются измерению, описываются той же системой уравнений, что и изучаемые процессы в оригинале.

Современные любительские конструкции роботов содержат множество сложных радиоэлектронных си­стем, предварительную отработку которых также це­лесообразно проводить на моделях. В качестве техни­ческого средства моделирования различных систем роботов можно рекомендовать радиокубики. Мы уже их упоминали, а теперь расскажем о них подробнее.

Даже в сравнительно простых имитаторах речи ав­томатов («электронные сирены» и др.) или «речи» жи­вотных (пение птиц, лай собаки и др.), содержащих сотню и более деталей, требуемое подобие сигналов схемы естественной «речи» животных или машин мож­но получать, меняя параметры трех — пяти различных деталей. Вот тут — то и приходят на помощь радиокуби­ки. Они позволяют быстро и весьма наглядно решать основные задачи радиоэлектроники — от сборки про­стейшего детекторного приемника до различных им­пульсных устройств и элементов электронных вычис­лительных машин. Для любителей — роботостроителей такие кубики очень удобны. Они есть в продаже, но их можно сделать и самостоятельно. Из кубиков соби­рают самые различные устройства — от простейшего детекторного приемника до громкоговорящего прием­ника или даже модели нейронов мозга.

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ

РАДИО­ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ИЗ РАДИОКУБИКОВ

 

Радиокубики — это небольшие пластмассовые коробки, в которые вмонтированы раз­личные радиодетали и магниты, притягивающие куби­ки один к другому и соединяющие их в единое рабо­тающее устройство (рис. 10). На каждом кубике изображено условное обозначение содержащихся в нем деталей. Имея набор таких кубиков, можно в считанные минуты собрать из них самые различные устройства. Их собирают на металлической пластине, являющейся одновременно общим проводом устрой­ства. Источником питания служат батарея «Крона», или две батареи 3336, или сетевой блок.

 

Рис. 10. Набор ра­диокубиков

 

В конструкции радиокубиков применен минимум деталей. На боковых сторонах кубиков установлены кон­тактные пластины из нейзильбера, к которым изнутри кубиков припаяны проводники или радиодетали. За контактными пластинами расположены ферритовые магниты.

Изучение электроники на кубиках начинают с про­стейших электрических устройств. На этом этапе зна­комятся с назначением различных радиодеталей, RC — цепями, транзисторами и их свойствами. Затем можно перейти к освоению мультивибратора, триггера и ло­гического элемента.

Собрав устройство по схеме на рис. 11, можно по­знакомиться с основными свойствами транзистора — главного элемента современной электроники. Управляюший электрод транзисто­ра — база. Давайте посмотрим, как слабый ток базы ib влияет на мощный коллекторный ток ik. Включим в базовую цепь высокоомный телефон ВА1, а лампу HLl — в цепь коллектора. Нажмем на кнопку SB1 и прикоснемся несколько раз к выводу базы тран­зистора выводом телефона. При этом мы замыкаем цепь базы — загорается лампа, и в телефоне слышен щелчок. Транзистор в момент касания открывается и проводит ток. Когда цепь базы оборвана (ток базы равен нулю), лампа не горит, значит, нет и тока кол­лектора — транзистор закрыт.

 

Рис. 11. Изучаем свойство транзистора

Рис. 12. Эксперимент с гальваниче­ским элементом

 

Если в цепь базы вместо телефона включить рези­стор сопротивлением 10 кОм, смонтированный в угло­вом кубике, можно наглядно проиллюстрировать ра­боту транзистора как электронного выключателя. Когда цепь базы замкнута, транзистор открыт и кол­лекторный ток зажигает лампу. При разомкнутой базовой цепи транзистор закрыт и лампа не горит. Продолжаем изучать свойства транзистора. На этот раз мы увидим, как самодельный гальванический элемент зажигает лампу (рис. 12).

Соедините с общим проводом небольшую пласти­ну из латуни, на нее положите клочок бумажной сал­фетки, смоченный уксусом. Поверх салфетки поместите небольшую пластину из алюминиевой фольги от кон­феты. Получился химический источник тока G1, в ко­тором латунь служит положительным полюсом, а фольга — отрицательным. Разумеется, напряжение и ток этого элемента настолько малы, что никакая лампа от него не загорится. Но он способен управлять транзистором — усилителем постоянного тока. Наш эле­мент обеспечит базовый ток, а транзистор коллек­торным током зажжет лампу, которая будет получать питание от источника коллекторного тока GB1.

Вот как это произойдет. Нажмите на кнопку SB1 и выводом базы транзистора дотроньтесь до фоль­ги — отрицательного полюса элемента G1 — лампа за­жжется. Таким образом, с помощью транзистора даже слабому элементу удалось зажечь лампу.

 

Рис. 13. Радиоприемник из кубиков

 

И в заключение — простейший радиоприемник. Для сборки радиоприемника (рис. 13) понадобится колеба­тельный контур — конденсатор С2 и катушка L1. Кар­кас катушки склеивают из бумаги на отрезке круглого стержня длиной 40...45 мм и диаметром 8 мм из фер­рита 400НН или 600НН. Чтобы приемник мог при­нимать радиостанции средневолнового диапазона, на­мотайте на каркас 80 витков эмалированного провода диаметром 0,15...0,18 мм.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

РОБОТО-ТЕХНИЧЕСКИХ РАДИОЭЛЕКТ­РОННЫХ УСТРОЙСТВ ИЗ МО­ДУЛЕЙ

 

Типовые модули являются осно­вой всех промышленных радиоэлектронных разрабо­ток. В этом отношении наиболее убедителен пример конструирования современных ЭВМ. Первые лам­повые ЭВМ состояли из множества типовых модулей. Транзисторные ЭВМ или, как их называют, ЭВМ вто­рого поколения (серия «Минск» и др.) также собраны из транзисторных модулей. Для удобства конструиро­вания ЭВМ второго поколения было разработано не­сколько серий типовых радиоэлектронных модулей.

Вывод: нужно осваивать модульное конструирова­ние! Это современно, экономично и удобно.

Модульный конструктор. Радиокубики помогли нам понять назначение и свойства различных радиоде­талей и транзисторов. Из кубиков можно собирать от­дельные простые действующие устройства: мультивибраторы, ждущие мультивибраторы, триг­геры и т.п. Но это только кирпичики более сложных радиоэлектронных устройств различного назначения.

Так же как многоэтажный современный дом собирают из отдельных простых элементов, так и самые сложные электронные аппараты, и робототехнические устройства в том числе, собирают из отдельных моду­лей — мультивибраторов, триггеров и т. п. Именно из та­ких модулей создавали ЭВМ, а мы из них будем соби­рать различные занимательные конструкции. Модули помогут нам моделировать робототехнические си­стемы речи, слуха, зрения.

Промышленность выпускает модульный конструк­тор (рис. 14), состоящий из нескольких модулей. В первую очередь нам потребуются:

модуль А — логический элемент ЗИ — НЕ с откры­тым выходом;

модуль Б — маломощный логический элемент ЗИ — НЕ;

модуль В — триггер, составленный из двух элемен­тов И — НЕ;

модуль Г — ждущий мультивибратор;

модуль Е1 — мультивибратор;

модуль Е2 — управляемый мультивибратор.

Используя модульные блоки, можно собирать мо­дели различных устройств со звуковым выходным сиг­налом, которые можно будет использовать в раз­личных робототехнических устройствах.

Одно из простейших устройств такого рода — гене­ратор звуковой частоты (рис. 15). Из схемы видно, что на входы модуля D3 поданы сигналы с двух мульти­вибраторов D1 и D2. Один из них, D1, вырабатывает сигнал с частотой около 2000 Гц, второй, работающий с частотой около одного герца, периодически преры­вает звуковой сигнал.

Рис. 14. Модульный конструктор

А — выходной усилитель, Б — элемент ЗИ НЕ, В — триг­гер, Г~ждущий мультивибратор, Е1 — мультивибратор, Е2 — управляющий мультивибратор

 

 

Рис. 15 Генератор звуковой ча­стоты (наутофон)

Рис. 16 Сигнальное устройство с прерывистыми сигналами

 

Если дополнить этот генератор еще одним мульти­вибратором (рис. 16), то можно получить сигнальное устройство, звуковые импульсы которого будут пре­рывистыми. Модули этого устройства такие же, как и в предыдущем, только у мультивибратора D3 кон­денсаторы Cl, C2 имеют емкость по 2 мкФ.

Такой гудок может выполнять функции сторожево­го устройства. Для этого надо отключить модуль D2, а освободившийся вход модуля D4 через пару замк­нутых сторожевых контактов или тонкую сторожевую проволоку соединить с плюсовым выводом батареи GB1. При размыкании контактов или при обрыве про­волоки раздастся прерывистый — тревожный сигнал. По схеме рис. 17 можно собрать гудок, тон которого будет периодически меняться.

В тех случаях, когда необходимо ограничить время звучания гудка, устройство можно построить по схеме рис. 18. При нажатии на кнопку SB1 подается запу­скающий перепад напряжения на вход ждущего муль­тивибратора D1. На его входе появляется высокий ло­гический уровень напряжения, и начинает работать управляемый мультивибратор D2. Его сигнал через логический элемент D3 поступает на динамическую головку ВА1.

 

Рис. 17. Схема гудка с периодически меняющимся тоном

Рис. 18. Схема гудка с ограниченным временем звучания

 

Примером устройства, использующего одновре­менно и звуковую, и световую сигнализацию, может служить контрольное устройство для дежурного робо­та (рис. 19). Рассмотрим работу этого устройства. За­дающий мультивибратор D1 периодически переклю­чает триггер D2 в состояние, при котором на его выходе присутствует высокий уровень напряжения. Этот уровень приложен к входу логического элемента D8, нагруженного сигнальной лампой HL1. Выходной сигнал мультивибратора D6 прерывает свечение лам­пы, делая световой сигнал более заметным.

С выхода триггера D2 сигнал поступает также на элемент совпадения D3. Сигнал с выхода инвертора D4 включает управляемый генератор D5. Выходной сигнал этого генератора через элемент D7 подан на динамическую головку ВА1. Поскольку на второй вход элемента D7 подан также сигнал с мультивибра­тора, звуковой сигнал будет прерывистым.

 

Рис. 19. Схема контрольного устройства для дежурного робота

 

Моделирование радиоэлектронных робототехнических устройств на микросхемах. Самыми совершенны­ми радиоэлектронными модулями являются инте­гральные микросхемы, содержащие в небольшом объеме очень большое число радиодеталей. На рис. 20 показан кристалл микросхемы рядом с муравьем. Не правда ли, впечатляющее сравнение?

Если вы хорошо усвоили все предыдущее, то сумее­те работать и с микросхемами. Здесь придется пользо­ваться специальным паяльником с очень тонким жа­лом, пинцетом и другими миниатюрными инструмен­тами. С микросхемами надо обращаться очень акку­ратно и грамотно.

Устройства, собранные на микросхемах, как прави­ло, не требуют налаживания и конструктивно выгля­дят весьма простыми. Большой популярностью поль­зуются микросхемы серии К155, выполненные на основе транзисторно — транзисторной логики (ТТЛ). В этой серии есть многовходовые элементы И — НЕ, триггеры, счетчики, дешифраторы, запоминающие и другие устройства.

Чтобы помочь читателям освоить микросхемы и приступить к сознательному моделированию микроэлектронных робототехнических устройств, разра­ботан и выпускается промышленностью «Конструктор для изучения микросхем и логических основ построе­ния ЭВМ» (рис. 21). Он очень прост и может быть вы­полнен дома или в кружке робототехники. Этот кон­структор позволяет на одной из самых распростра­ненных микросхем К155 Л A3, состоящей из четырех логических элементов 2И — НЕ, проделать десятки экс­периментов.

Рис. 20. Кристалл микросхемы и муравей

 

Рис 21 Конструктор для изучения ми­кросхем и югических основ построения ЭВМ

 

Он состоит из упомянутой микросхемы и набора резисторов, конденсаторов, светодиодов, кнопок и гнезд. Соединяя отдельные элементы конструктора проводниками, подключаемыми к гнездам, можно со­бирать на микросхеме до 30 радиоэлектронных устройств.

Кибернетический конструктор. Выпускаемый про­мышленностью кибернетический конструктор (рис. 22) позволяе! собирать из микросхем серии К155 ос­новные узлы ЭВМ и различные занимательные ра­диоэлектронные устройства. С помощью конструктора можно ознакомиться с функциями половинного сум­матора ЭВМ, дешифратора, регистра, накопителя, счетчика, элементов памяти ЭВМ и т д. Он позволяет моделировать ряд устройств, различных робототехни­ческих систем.

 

Рис 22 Кибернетический конструктор для изучения основных элементов и узлов ЭВМ и моделирования различных работа — технических систем.

 

 

Принцип его построения такой же, что и у кон­структора, предназначенного для изучения логических основ построения ЭВМ, но в нем предусмотрена сбор­ка устройств, состоящих из нескольких (до четырех) микросхем. Этот конструктор также может быть изго­товлен в кружке робототехники.

 

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЧИ

ИСКУССТВЕННАЯ РЕЧЬ И СВЯ­ЗАННЫЕ С НЕЙ ПРОБЛЕМЫ

 

Говорящие машины уже суще­ствуют. Словарь их пока небольшой и состоит из слов, произнесенных человеком и записанных на маг­нитный барабан. Наиболее известный тому пример — говорящие часы, работающие на многих телефонных станциях.

Машины, использующие предварительно записан­ную речь, довольно дешевы и очень удобны, если чис­ло сообщений невелико, но непригодны, если требует­ся обычная непрерывная речь. Одна из причин состоит в том, что с возрастанием числа хранимых слов хранилище записанных слов становится слишком боль­шим и дорогим. Другой причиной является то, что в разговорной речи одно и то же слово может уча­ствовать в предложениях разного типа, с различными ударениями, интонациями и несколькими вариантами произношения. Поэтому невыгодно использовать не­посредственную запись речи для говорящих машин более общего типа. Выгоднее машины, в некотором смысле моделирующие работу голосовой системы че­ловека. Машины, которые не воспроизводят ранее за­писанную речь, а синтезируют ее, называют «синтеза­торами речи».

История синтезаторов речи очень стара. Наиболее ранние были непосредственными копиями человече­ского речевого аппарата и использовали воздухо­дувные меха, язычки и резонаторы. Управляли этими машинами, как правило, вручную, с помощью набора рычагов. Одна из таких машин была построена Во­льфгангом фон Кемпелиа в конце XVIII века. Извест­но, что она очень хорошо имитировала речь, хотя не совсем правильно воспроизводила некоторые звуки. В 1920 году акустическая модель Р. Пэджета произно­сила целые фразы, например: «Алло, Лондон, вы слу­шаете?» или «О, Лейла, я люблю Вас!». Для этого ав­тору приходилось руками очень искусно изменять форму резонирующей полости машины.

При дальнейшем моделировании оказалось (как ча­сто бывает при моделировании функций человеческого организма), что воспроизведение человеческой речи ис­ключительно сложно. Развитие говорящих машин ста­ло действительно возможным только с появлением со­временной электронной техники, которая позволяет достигнуть необходимого уровня сложности.

Убедиться в сложности речевых сигналов позво­ляют спектрографы или анализаторы спектра. Про­стейшим прибором для частотного анализа является резонансный частотомер, содержащий ряд упругих стальных пластин с различной частотой собственных колебаний. При подаче на электромагнит этого прибо­ра сигналов речи поле электромагнита возбуждает только ту пластину, собственная частота которой со­впадает с частотой исследуемого сигнала.

На рис. 23 показан получающийся таким способом частотно — временной спектр звука сирены с постепенно повышающейся частотой, а на рис. 24 — спектр звука отдельного слова, произнесенного человеком. Как вид­но из рисунков, звуковые колебания, образующие речь (в отличие от речи автомата — сирены), содержат много составляющих, которые в сумме создают сложную звуковую картину. К сожалению, эти картины очень отличаются не только у различных дикторов, но даже у одного и того же человека в разное время.

 

Рис. 23. Спектр звука сирены Рис. 24. Спектр слова, произне­сенного человеком

 

Взгляните на шесть контурных диаграмм англий­ского слова «You» (рис. 25) — и вы убедитесь в этом.

Рис. 25. Контурные диаграммы англий­ского слова "You"

 

Диаграммы получены от пяти различных людей, толь­ко нижние две диаграммы — от одного человека (на диаграммах контурные линии отображают различную интенсивность звучания).