Моделирование речи автоматов

 

Как мы уже видели из рис. 23, спектр речи автомата — сирены значительно проще речи человека. Чтобы получить сигнал сирены, нужно сфор­мировать звуковой сигнал, частота которого периоди­чески изменялась бы по пилообразному закону.

Функциональная схема электронной сирены приве­дена на рис. 27. Прямоугольные импульсы с выхода задающего мультивибратора через диод VD1, пропу­скающий только отрицательные полуволны импуль­сов, поступают на зарядно — разрядную цепь, состоя­щую из зарядного резистора R₃ap, конденсатора С1 и резистора цепи разрядки К_разр — Зарядно — разрядная цепь превращает прямоугольный импульс мультивибратора в пилообразный импульс, фронт и спад кото­рого и будут определять характер звучания тревожных сигналов сирены. Второй мультивибратор задает сред­нюю частоту тона сирены.

 

Рис. 27. Функциональная схема электрон­ной сирены

 

Регулируя резисторы R_3ap (сопротивлением 5...20 кОм) и R_pa3p = (390... 100 кОм), добиваются нуж­ного качества звучания сирены.

Электронный музыкальный автомат. Сравнительно простой электронный музыкальный автомат может быть собран по схеме рис. 28 («Радио», 1982, 12).

Подбирают ту или иную мелодию подстроечными резисторами цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) (всего автомат выдает восемь звуков различной тональности). Частоту тактового генератора изменяют (если это необходимо) подборкой резистора R1.

Такой автомат удобно использовать в качестве квартирного звонка. Для этого его следует дополнить реле выдержки времени, усилителем мощности и се­тевым блоком питания (рис. 29).

Если кратковременно нажать на кнопку SB1, срабо­тает реле К1 и контактами К 1.1 самоблокируется. Ав­томат начнет воспроизводить мелодию. По окончании мелодии счетчик возвратится в исходное состояние и на прямом выходе триггеров DD2.1, DD2.2, DD3.1,

Рис. 28. Простейший электромузыкаль­ный инструмент

Рис 29 Музыкальный автомат

Рис 30 Автомат выдержки времени уcuлиитель мощности и сетевой блок питания

 

DD3.2 29 появится напряжение высокого уровня. Соот­ветственно на выходе элемента DD1.1 (рис. 30) будет напряжение низкого уровня и реле К1 отпустит якорь. Автомат выключится.

Усилитель мощности собран на двух транзисторах (VT2 и VT3) и нагружен динамической головкой ВА1.

Моделирование речи животных. Как вы убедитесь, схемы звуковых автоматов весьма просты. В них полу­чение нужных сигналов сводится к включению и вы­ключению (манипуляции) задающим генератором то­на. Правда, в сирене использована не манипуляция, а модуляция, но по довольно простому закону — пило­образному. Эти автоматы очень просты в налажива­нии и часто работают сразу же после сборки. Значи­тельно сложнее моделировать даже самую элементар­ную речь животных. Здесь законы модуляции гораздо многообразнее. Например, диаграмма кошачьего мяу­канья (рис. 31, а) выглядит как плавное нарастание сиг­нала до максимума с последующим плавным спадом, а лай собаки — как наложение колебаний двух генерато­ров низкой частоты f_t и более высокой Г₂ (рис. 31,6).

Моделирование речи человека. Из всех живых су­ществ, населяющих мир, только человек оказался спо­собным развить голосовой аппарат для кодирования и передачи сложнейшей информации. Ученые прово­дят сложнейшие исследования по автоматической рас­шифровке и имитации звуков речи, но пока еще ре­чевые сигналы содержат много загадок и не поддают­ся распознаванию даже с помощью тончайших анали­заторов, использующих самые мощные современные электронные вычисли­тельные машины.

Известны попытки имитации голоса чело­века с помощью элек­тронных устройств. Так, роботостроитель Бруинсма, автор книги «Практические схемы роботов» (М.: Госэнер — гоиздат, 1962), создал для автомата «Игра в крестики и нолики» электронный прибор, имитирую­щий восторженный возглас человека при выигрыше автомата и «унылое ворчание» при проигрыше. В при­боре более 10 мультивибраторов и других устройств. Однако его работа оставляет желать лучшего. Сло­вом, моделирование речи — очень трудная задача.

Рис 31 Эпюры напряжений

А - мяуканье кошки, б - лай собаки

 

 

Однако мы уже отмечали, что с помощью мульти­вибраторов можно получать звуки, близкие к звуча­нию некоторых гласных букв (А, О, И). Исследования показывают, что звучания этих гласных складываются из двух частот, т.е. для моделирования нужна парал­лельная работа по меньшей мере двух мультивибрато­ров.

Маломощные усилители речи роботов на микросхе­мах. В случаях, когда не требуется большая громкость звучания того или иного устройства речи робота и до­статочно выходной мощности усилителя около 0,1 Вт, можно использовать усилители звуковой частоты, раз­работанные для миниатюрных приемников («Радио», 1985, № 10). Такие усилители могут пригодиться в ав­томатических речевых устройствах.

Принципиальная схема первого варианта усилителя показана на рис. 32, а. Для повышения входного сопротивления усилителя в цепь эмиттера транзистора VT1 включен резистор R3 (его сопротивление может быть 110...240 Ом). Рекомендуемое сопротивление го­ловки ВА1 громкоговорителя 6...8 Ом.

Второй вариант усилителя (рис. 32,6) отличается повышенной экономичностью. В первой ступени необходим транзистор с большим коэффициентом переда­чи тока, способный работать в режиме малых токов. Кроме указанного на схеме можно использовать тран­зисторы КТ342А, КТ342Б и КТ3102А — КТ3102Е. Входное сопротивление усилителя 10 кОм; ток, потреб­ляемый первой ступенью, 0,3...0,5 мА. Конденсатор С2 предотвращает самовозбуждение усилителя на высо­кой частоте. Транзистор VT2 выполняет функции развязывающего фильтра в цепи питания транзистора VT1. Это позволило обойтись без дополнительного оксидного конденсатора и резистора.

В третьем варианте усилителя (рис. 32, в) функции входного транзистора выполняет микросхема DA1 на полевых транзисторах. Достоинство такой замены — высокое входное сопротивление (оно определяется сопротивлением резистора R1 и в зависимости от требований может быть в пределах от нескольких десятков килоом до 1 МОм).

 

Рис. 32. Маломощные усилители речи ро­ботов на микросхемах

 

Все рассмотренные усилители при входном напря­жении 30...50мВ обеспечивают выходную мощность 0,1...0,12 Вт. Ток, потребляемый ими в режиме покоя, не превышает соответственно З...ЗД 2... 2,5 и 4...4,5 мА; при максимальной громкости 40 мА. Уси­лители не критичны к типу используемых деталей и обладают запасом устойчивости.

Микросхему К504УН1Б можно заменить полевыми транзисторами КП103Е, КП201Е, КП201Ж или КП201И. При использовании оксидных конденсаторов К50 — 6, резисторов МЛТ — 0,125 и переменного резистора СПЗ — Зб размеры платы этого усилителя не превы­шают 25 х 30 мм.

Выходные ступени описанных усилителей в нала­живании не нуждаются. Их чувствительность можно регулировать изменением сопротивления резисторов, подключенных к выводу 2 микросхемы, в пределах 240 Ом...2,7 кОм (при уменьшении сопротивления чув­ствительность увеличивается).

Необходимо иметь в виду, что номинальное значе­ние сопротивления резистора R3 и входное сопротив­ление усилителя по схеме на рис. 45, а зависят от со­противления резистора R1. Резистор R3 подбирают, контролируя напряжение на коллекторе транзистора VT1, которое должно находиться в пределах 1,4...1,7 В.

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛУХА

БИОНИКА И СЛУХ

 

Исключительное значение для ро­ботостроения имеет совершенствование технических приборов, воспринимающих звуковые сигналы. Звук быстро позволяет передавать командные и управляю­щие сигналы. Разработка новых систем слуха, при­годных для роботов, также основана на бионических исследованиях.

Способность человеческого мозга разбираться с помощью слухового аппарата в хаосе звуков являет­ся одним из его самых чудесных свойств. «Наивысшим и совершеннейшим человеческим приспособлением» назвал звуковую речь человека выдающийся русский физиолог И. П. Павлов. Физическая природа звуковой речи хранит в себе множество тайн. Как образуются звуки в голосовом аппарате человека, как они воспри­нимаются слухом и от чего зависит характер звука — вот проблемы, которые еще по сей день занимают интересы ученых, работающих в самых разнообразных областях науки. Чтобы машины могли безошибочно выделять какой — то один образ из множества других сходных, нужно точное знание его признаков. Но как выбрать такие признаки? Над решением этой задачи во всем мире работают физиологи, специалисты по бионике, психологии и инженеры, математики и кон­структоры. Если фотоэлемент можно назвать грубой моделью органа зрения, то микрофон напоминает ор­ганы слуха в гораздо меньшей степени.

Ученые — бионики, преодолевая трудности, пытаются разгадать секреты слуха человека. К таким секретам относится, например, способность выделять нужный голос среди шума и десятков других голосов. Задача сложная, но нельзя отказываться от нее только пото­му, что она трудна.

Речь состоит из слогов, слов, фраз и т.д. Элемен­тарной частью речи является звук (фонема). С физиче­ской точки зрения звуки речи различают по частоте, громкости и продолжительности. В речи нет четких границ между звуками. Одни специалисты пытаются распознавать речь по фонемам, другие считают, что для этого следует использовать форманты частоты, присущие звучанию каждой буквы, произносимой че­ловеком. Примером удачного решения задачи являет­ся фонетическая пишущая машинка, созданная учены­ми Г. Олсоном и Г. Беларом.

Устройство можно рассматривать как сложный аналог слухового аппарата, части мозга, нервной си­стемы и нервно-мышечного аппарата человека, печа­тающего под диктовку. Бионическая схема человека, печатающего под диктовку, и схема фонетической пи­шущей машинки показаны на рис. 33. Чтобы понять принцип работы устройства, проследим, как перера­батывается звуковая информация по пути ее следова­ния.

Звуковая энергия улавливается наружным ухом че­ловека, передается по слуховому проходу и воздей­ствует на барабанную перепонку среднего уха. Механи­ческое движение перепонки передается жидкости, которая заполняет улитку (внутреннее ухо), при помо­щи слуховых косточек, перемещающихся нелинейно. При этом происходит компрессия сигнала, т.е. более громкие звуки уменьшаются сильнее, чем тихие.

На рис. 33 показаны схематическое изображение «развернутой» улитки и частоты, воспринимаемые paз­личными ее участками. Здесь происходит первичный анализ информации. Окончательно ее анализирует мозг, куда сигналы поступают по слуховому нерву. На основе результатов этого анализа мозг вырабатывает команды, посылаемые мышцам руки, нажимающей на соответствующие клавиши пишущей машинки.

В машине, распознающей речь, голос оператора вос­принимает микрофон и преобразует в электрические колебания.

После усиления и компрессии речевой сигнал по­ступает на анализатор частот — блок из восьми поло­совых фильтров, охватывающих диапазон 250... 10000 Гц, и систему детекторов сравнения амплитуд. Последняя собрана так, что реле, соответ­ствующее данному каналу, включается, лишь когда уровень в этом канале больше среднего в двух сосед­них.

Речь опознается по группе фонем, составляющих слог, а не по отдельным фонемам (так как распознать многие фонемы вне контекста очень трудно). В слого­вой памяти хранятся комбинации сигналов, соответ­ствующие различным произношениям одного и того же слога или слова. Распознавание слога представляет собой определенный вид процесса сравнения с имею­щимися в слоговой памяти образцовыми матрицами звукосочетаний.

Если слог опознан, срабатывает то реле из памяти написания, которое связано с написанием данного сло­га. В памяти написания (орфографической памяти) имеются типовые комбинации сочетания букв, пред­ставляющих 40 фонем для заданных 100 слогов. Реле соединено с линиями очередности следования букв и с линиями кода букв в блоке управления печатанием, который, в свою очередь, управляет работой бук­венных приводов — происходит печатание выбранных букв.

Таким образом, слово печатается в соответствии с заранее определенным написанием, которое по необ­ходимости должно быть одинаковым для одинаково звучащих слов. Именно поэтому устройство и было названо «фонетической пишущей машинкой».

Рис 33 Схема фонетической пишущей машинки

 

Действующие, проектируемые и перспективные приборы для опознавания речи можно разделить на несколько видов. Мы дали им совершенно условные названия.

«Сезам» — устройство, в котором реализовано ска­зочное заклинание «Сезам, откройся!». Реагирует только на одно, два или три слова, но произнесенные любыми голосами. Может, если угодно, в самом деле открывать дверь в вашем подъезде.

«Жучка» — устройство, хорошо понимающее крат­кий командный язык из двух — трех десятков слов. Обы­чно оно настроено на голос одного оператора. Как мы уже отметили, такой прибор способен управлять авто­мобилем или самолетом. Одна американская фирма успешно применила его в отделе технического контро­ля для записи параметров только что изготовленных цветных кинескопов. Другая фирма заставила «Жучку» запоминать свободные места в большом складском помещении и отправлять туда прибывающие контей­неры. Прибор незаменим при сложных научных экспе­риментах, когда надо записывать результаты, а руки исследователя заняты на пульте управления.

«Эксперт» — анализатор для выделения голоса одно­го из нескольких говорящих. Может помочь при опознании преступника, стать настройщиком музы­кальных инструментов или контролером качества зву­чания радиоприемников, телевизоров и магнитофонов.

«Собеседник» — его действия могут быть самыми разнообразными: совет по телефону, когда врач со­мневается в установлении диагноза, устный ответ про­граммисту о результатах вычислений на ЭВМ, ответ на запрос о состоянии текущего счета в банке и т.п. Другая модификация — «Электронный секретарь», со­единенный с пишущей машинкой.

«Переводчик» — название устройства не требует комментариев. Это искусственное ухо, подключенное к ЭВМ с программой автоматического перевода с одного языка на другой.

«Интегральный робот» — автомат, двигающийся впереди человека в опасных ситуациях. Подчиняется голосовым командам и докладывает пославшим его людям о том, что воспринимает. Мог бы помочь во время ремонта атомного реактора или путешествия на малоизученную планету.

Человеческое ухо существует в одном варианте. Искусственных, как видим, намечается несколько. Тем лучше! В том — то и сила техники, что она не копирует слепо природу.

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ СЛУХА

 

Прежде чем приступить к кон­струированию устройства слуха роботов, смоделируем отдельные элементы этих систем.

На рис. 34 — 37 показаны схемы усилителей звуко­вой частоты.

Начинать конструирование моделей слуховых си­стем лучше всего с простейшего акустического реле (рис. 37). Микрофон ВМ1 служит датчиком. Он пре­образует звуковой сигнал в электрические колебания, а усилитель звуковой частоты усиливает их. После выпрямления диодом VD1 импульсы постоянного тока вызывают срабатывание электромагнитного реле.

 

Рис. 34. Оконечный усилителъ звуковой частоты

Рис. 35. Двухтранзисторный усилителъ звуковой частоты

 

 

Принципиальная схема такого варианта акустиче­ского реле изображена на рис. 38. На транзисторах VT1 и VT2 собран усилитель звуковой частоты (34), а диоды VD1 и VD2 и конденсатор С4 образуют вы­прямитель. Транзистор VT3, резистор R6 и электро­магнитное реле К1 с диодом VD1, шунтирующим обмотку реле, составляют электронное реле, а лампа HL1 с резистором R7 — исполнительную цепь.

 

Рис. 36. Трехтранзисторный усилитель звуковой частоты высокого качества

 

Автомат работает так. Пока в помещении, где установлен микрофон, сравнительно тихо, в коллек­торной цепи транзистора VT3 течет небольшой ток покоя (меньше тока отпускания якоря реле К1), уста­навливаемый при налаживании автомата. В это время контакты К 1.1 реле К1 разомкнуты и, следовательно, исполнительная цепь выключена. При появлении зву­кового сигнала (громкий разговор, шум и т. п.) колеба­ния звуковой частоты от микрофонов усиливают тран­зисторы VT1 и VT2 и с нагрузочного резистора R5 сигнал поступает на выпрямитель. Отрицательные по­луволны выпрямленного напряжения заряжают кон­денсатор С4 и поступают на базу транзистора VT3. Если конденсатор зарядится до напряжения 0,25...0,3 В, то коллекторный ток транзистора увели­чится настолько, что реле К1 сработает и включит ис­полнительную цепь. Когда разговор перед микрофо­ном прекратится, конденсатор С4 почти полностью разрядится, коллекторный ток транзистора VT3 уменьшится до исходного, реле К1 отключится, а его контакты К 1.1, разомкнувшись, обесточат исполни­тельную цепь.

Рис. 37. Структурная схема акустического реле

 

Рис. 38. Принципиальная схема акустиче­ского реле

 

Какова роль резистора R1? Им регулируют уро­вень сигнала, поступающего от микрофона на вход усилителя 34, и тем самым регулируют чувствитель­ность акустического реле.

Электромагнитное реле — РЭСЮ (РС4.524.302) или РЭС9 (РС4.524.200) с током срабатывания не более 30...40 мА. Напряжение источника питания и_пит дол­жно быть на 20...30% больше напряжения срабатыва­ния используемого электромагнитного реле. Транзи­сторы — любые маломощные низкочастотные струк­туры р — и — р (из серий МП39 — МП42) со статическим коэффициентом усиления передачи тока не менее 20. Если напряжение источника питания более 15 В, но не более 30 В, то транзистор VT3 должен быть МП40А или МП25, МП21.

Сопротивление резисторов R3 и R5, являющихся нагрузками транзисторов VT1 и VT2 усилителя, могут быть 4,7...8,2 кОм. Сопротивление резистора R7 зави­сит от параметров используемой лампы HL1.

Транзистор VT1, резисторы R2, R3 и конденсатор С2 сначала не монтируйте, чтобы испытать работу ав­томата с одноступенным усилителем, но обязательно оставьте для них место. Конденсатор С1 соедините от­рицательной обкладкой непосредственно с базой тран­зистора VT2.

Сначала, включив в коллекторную цепь транзисто­ра VT3 миллиамперметр, подборкой резистора R6 установите в этой цепи ток не более 2...4 мА. Он дол­жен быть меньше тока отпускания реле. Затем времен­но подключите параллельно резистору R6 еще один резистор сопротивлением 15...20кОм. При этом кол­лекторный ток должен резко увеличиться, а реле сра­ботать. Удалите второй резистор — коллекторный ток уменьшится до исходного, а реле отпустит якорь. Так вы проверите, работает ли электронное реле автомата.

Режим работы транзистора усилителя VT2 устано­вите подборкой резистора R4. Ток покоя коллектор­ной цепи транзистора может быть в пределах 1...1,5мА.

А теперь подключите к входному резистору R1 ми­крофон, например МД — 47 или абонентский (радио­трансляционный) динамический громкоговоритель, ко­торый будет играть роль микрофона. Движок резисто­ра установите в верхнее положение. Следя за показа­ниями миллиамперметра в коллекторной цепи транзи­стора VT3, громко произнесите перед микрофоном (или перед диффузором громкоговорителя) протяжный звук «а — а — а». Коллекторный ток транзистора должен при этом увеличиться, а реле сработать и включить исполнительную цепь.

Используя два микрофона, два усилителя и двухоб — моточное поляризованное реле, можно сделать слухо­вое устройство (рис. 39), поворачивающее голову ро­бота в сторону источника звука.

Звуковое управление можно осуществлять свист­ком, свирелью или голосом. Наиболее четко слуховые устройства работают при использовании в качестве источника сигналов электронного генератора звуковых команд. Он размещается в пульте управления робо­том. Но это не обязательно.

 

Рис. 39. Устройство слуха, поворачиваю­щее голову робота в сторону источника звука

Управление звуком. Акустическим каналом связи пользуются в основном птицы, животные и человек. Речевой и слуховой аппараты человека настолько хо­рошо приспособились к звуковым сообщениям, что лучшего желать трудно. Для решения технических за­дач акустический канал малопригоден из-за относи­тельно низкой скорости звука в воздухе и значитель­ного затухания при распространении.

В наш век космических скоростей применение аку­стического канала в технике связи — это только исто­рия. Проводная связь и радиосвязь его полностью вы­теснили. А вот использование акустических каналов для дистанционного управления подвижными моделя­ми имеет многие преимущества не только по сравне­нию с проводными линиями, но и с радио.

Конечно, управление моделью по радио очень эф­фектно, и трудно его сравнить с каким-либо другим видом телеуправления. Но здесь есть и свои трудно­сти. Например, прежде, чем делать передающую аппа­ратуру радиоуправления моделью, даже самой про­стой, нужно иметь соответствующее органов Госу­дарственной инспекции электросвязи разрешение на работу с передатчиком, выдаваемое по ходатайству областных (краевых) радиотехнических школ. Ос­новные положения действующей «Инструкции о по­рядке регистрации и эксплуатации любительских при­емопередающих радиостанций индивидуального и коллективного пользования» изложены в журнале «Радио» № 5 за 1968 год (с. 61 — 62).

Однако же и без радио может получиться неплохо. Заиграл на дудочке (да — да, на самой обыкновенной ду­дочке для малышей) — тронулась модель. Заиграл еще раз — повернула вправо, в третий раз — влево...

Радиус действия аппаратуры при работе от дудоч­ки достигает 10... 15 м. Описываемая система управле­ния звуком была применена в модели «Кобра, тан­цующая под музыку». Кобра, повинуясь звукам дудоч­ки, то поднимается вверх, то опускается или раскачи­вается. Схема электронного блока кобры показана на рис. 40. Эту систему можно использовать и для упра­вления моделями автомобилей и кораблей. Ее радиус действия может быть легко увеличен, если дудочку за­менить генератором звуковой частоты, к выходу кото­рого подключить малогабаритную динамическую го­ловку. Такой источник звука будет излучать весьма громкие сигналы, что может значительно увеличить радиус действия аппаратуры. Кроме того, генератор звуковых частот излучает более стабильные по частоте колебания, чем дудочка, что повышает надежность ра­боты аппаратуры в целом.

Число команд управления без существенных изме­нений схемы может быть увеличено до 6 — 9. Для этого потребуется лишь увеличить число фильтров звуковых частот в приемной части системы.

Такое устройство можно взять за основу системы звукового управления роботом или его ЭВМ. Система звукового управления роботом должна включать в се­бя небольшой переносный электронный генератор зву­ковых команд и установленное в модели робота при­емное устройство.

На рис. 41 показана схема генератора звуковых команд.

Генератор звуковых команд состоит из трех муль­тивибраторов, генерирующих частоты 280, 560 и 1100 Гц, двухтактного усилителя сигналов мультиви­браторов и динамической головки. Выходы мультиви­браторов подключают к усилителю сигналов через контакты трех кнопок. На рис. 42 представлена схема приемного устройства звуковых команд. Оно состоит из входного микрофонного усилителя и трех избира­тельных электронных реле, настроенных на соответ­ствующие частоты мультивибраторов генератора.

 

Рис 40 Схема «Кобры танцующей под музыку»

 

Вот фактически и весь канал телеуправления — от генераторов звуковых команд до выходных реле приемного устройства. К ним подключают дешифра­тор — электромагнитный шаговый искатель. Посмо­трим, как он используется для операции сложения. Допустим, на командную кнопку SB1 (см. рис. 41) нажали три раза — движок искателя переместился на три шага. Если вслед за этим набрать цифру 7, то дви­жок переместится на десятый контакт, если 8 — то на одиннадцатый, и т. д. Подавая через контакты шагово­го искателя напряжение, включающее светящиеся цифры от 1 до 10 или 20, мы «научим» модель робота, например, решать простейшие задачи на сложение.

Рис 41 Генератор звуковых команд

 

Задачу на вычитание робот может решить, только если шаговый искатель имеет обратный ход. На часто­те 280 Гц набирают уменьшаемое число, а на частоте 560 Гц — вычитаемое. Движок искателя укажет раз­ность. Приводя в действие третий мультивибратор, ис­катель переводят в исходное положение.

Если выходные контакты искателя связать с испол­нительными механизмами робота, то с помощью зву­кового генератора можно управлять не только его «математическими способностями», но и всем меха­низмом. При необходимости схему можно упростить, оставив в генераторе только один мультивибратор из трех, а частоты получить коммутацией конденсаторов и резисторов. В зависимости от расстояния между передатчиком и приемником мощность динамической головки может быть выбрана в пределах 0,1...0,5 Вт.

Настраивать резонансные контуры приемника на выбранные значения частоты командных мультивиб­раторов лучше всего с помощью звукового генератора и осциллографа. Но в крайнем случае можно обойтись миллиамперметром на ток полного отклонения стрел­ки 30...50мА, включенным в цепь выходного реле канала. Настройку ведут по максимуму показаний при­бора, когда на вход приемника подают сигналы с мультивибраторов.

Слуховое устройство «Кобра, танцующая под му­зыку» по схеме аналогично приемному устройству ро­бота (см. рис. 42).

Рис. 42. Приемник звуковых команд

 

Чудеса активных RC — фильтров. Электрические фильтры являются одними из основных элементов различных радиоэлектронных систем. Это обусловле­но тем, что во многих областях науки и техники (ра­диотехника, акустика, различные отрасли машино­строения, медицина, системы телеметрии и телеуправ­ления) необходимы выделение, подавление, фильтра­ция сигналов.

До сих пор мы говорили о системах LC — фильтров, в которых резонансные свойства определяются значе­ниями индуктивности L и емкости С. Но LC — фильтры, особенно в диапазоне звуковых частот, очень громозд­ки, и в современных конструкциях их заменяют ак­тивными RC — фильтрами.

Активные RC — филътры пригодны для использова­ния в самых различных устройствах. Например, они хо­рошо работают на весьма низкой (около 1 Гц) частоте среза и имеют добротность выше 100. Активные фильтры можно успешно применять в устройствах, ко­торые сочетают функции модуляции, выпрямления и фильтрации, и в других, где нельзя использовать ка­тушки индуктивности. Слуховые системы с активными RC — фильтрами используют для обнаружения шума на очень большом расстоянии. Их широко применяют при исследовании биотоков мозга и снятии энцефало­грамм. С их помощью решают задачи распознавания речевых сигналов в моделях органов слуха и т.п.

Однако теоретические достоинства активных RC — фильтров — это одно, а использование их на практике — другое. Изготовление надежных активных RC — филь­тров оказалось делом гораздо более сложным, чем на первых порах представлялось разработчикам.

Прежде всего для таких фильтров необходим на­бор деталей с малым разбросом параметров (особенно конденсаторов и резисторов). Важно также исключить временной дрейф транзисторов и пассивных элемен­тов, входящих в устройство.

Активный RC — фильтр, схема которого изображена на рис. 43, можно успешно использовать при кон­струировании светодинамических установок (СДУ). Как показала практика, этот фильтр в отличие от мно­гих, рекомендуемых для фильтрации частоты в СДУ, является весьма практичным. В нем сравнительно не­много транзисторов и деталей; он обеспечивает хорошую фильтрацию даже при значительном разбросе па­раметров деталей (см. таблицу).

 

Рис. 43. Схема активного RC — филыпра

Таблица

Параметры деталей схемы RC — фильтра

(рис. 43)

Полоса про­пускания, Гц	Емкость С1	конденсаторов С2	, МКФ СЗ	С4	Сопроти кОм R3	вление резисторов, R6
50...100	0,2	0,1		0,051		5,6
100...200	0,11	0,05	0,5	0,03	8,2	8,2
200... 400	0,051	0,015	0,2	0,015	9,1	8,2
400... 800	0,03	0,01	0,1	0,0068	8,2	8,2
800...1600	0,0115	0,0068	0,05	0,0033	5,6	6,8
1600... 3200	0,0084	0,001	0,025	0,0015	6,8	7,5

 

Тайна пляшущих человечков. Мы познакомили чи­тателя с различными электронными устройствами, с помощью которых моделируют системы слуха. С этим багажом можно уверенно двигаться вперед — использовать модели в создании роботов, принцип ра­боты которых основан на сложных процессах управле­ния. Можно создать увлекательные модели, понимаю­щие различные сигналы и даже умеющие танцевать под музыку. Представьте себе куклу и даже робота, отплясывающих веселый танец под музыку. Такие чу­десные модели еще не созданы, но они вполне осуще­ствимы.

Музыкальные звуки отличаются громкостью, рит­мом, тембром и рядом других параметров. Для раз­личных сочетаний этих признаков можно найти общие танцевальные движения, составить матричные та­блицы и установить с их помощью закономерные свя­зи звучаний музыки и движений в танце. Затем с по­мощью электронных устройств и RC — фильтров создать анализаторы, различающие не только тембр звучания, но и отдельные музыкальные ноты, и с по­мощью логических устройств научиться управлять движениями модели.

 

Рис. 44. Запись работы каменщика:

а - пример записи некоторых движений, б - мотография записи работы каменщика

 

Возможно, что вам и матрицу составлять не при­дется — это уже сделано в Советском Союзе энтузиа­стом, мурманским врачом А. П. Волышевым, который уже давно разработал систему для записи движений человека — мотографию. Элементы мотографической системы состоят из пяти ведущих знаков, трех пар ли­неек и нескольких десятков дополнительных знаков, не превышающих числа нотных знаков в музыке. Пример записи некоторых движений показан на рис. 44, а.

В качестве иллюстрации использования мотогра — фии приводим пример записи работы каменщика (рис. 44, б). Следует отметить, что в записи работы ка­менщика учтено расположение кирпича слева от ка­менщика, а строительного раствора — справа. Камен­щик держит мастерок в правой руке. На рисунке приведена запись переноса каменщиком раствора и кирпича к месту кладки.

Если вас заинтересует проблема автоматических танцев под музыку, то вначале придется выполнить мотографическую запись выбранного танца, затем установить логические связи музыки и движений, по­сле чего приступить к составлению логических схем танцев под музыку. Создание механической системы с электромагнитами или другими приводными устрой­ствами будет самой легкой частью задачи.

 

ВАС СЛУШАЕТ РОБОТ

 

Представьте, что вы звоните по телефону приятелю и вслед за первым гудком в труб­ке слышите легкий щелчок и его голос: «Меня нет до­ма. Вернусь к восьми. Что вы мне хотите сказать?». Не пытайтесь уличить приятеля во лжи. Он не разыгры­вает вас. И хотя слышен его голос, приятеля действи­тельно нет дома. Вам ответил телефонный «секре­тарь». Когда его хозяин вернется домой, магнитофон расскажет ему о вашем звонке и о том, что вы передали.

Как построен робот — автоответчик, поясняет рис. 45. Звук вызова (звонок) телефонного аппарата воспринимает микрофон ВМ1, преобразует в электри­ческий сигнал, который приводит в действие сначала акустическое реле, а затем реле времени. Реле К2, Сра­батывая, замыкает контакты К2.1 и подает питание на магнитофон, усилитель блока ответа и электромагнит ЭМ, приводящий в действие механизм подъема теле­фонной трубки.

Блок ответа состоит из магнитной головки BS1 (во­спроизводящей), установленной на магнитофоне, и транзисторного усилителя. Громкоговоритель ВА1 воспроизводит информационную запись, предвари­тельно выполненную на одной из дорожек магнит­ной ленты. Индукционный датчик ИД с телефонного аппарата снимает сигнал сообщения и записывает его на другую дорожку магнитной ленты. По истечении времени выдержки реле К2 размыкает контакты и ав­тоответчик переходит в исходное состояние.

 

Рис 45 Схема робота-автоответчика

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗРЕНИЯ

 

Специалисты в области бионики ведут работы по моделированию некоторых функций человеческого глаза. Создана электронная модель сет­чатки, воспроизводящая работу фоторецепторов в цен­тральной ямке и на периферии, предложено устрой­ство, аналогичное механизму управления движением глазного яблока. Уже есть попытки построить элек­тронную модель цветового восприятия. Первые «видя­щие» роботы — это различные опознающие устройства, применяемые в медицине и криминалистике.

Принципиально то, что робот может «видеть» го­раздо лучше человека. Ведь человеческому глазу до­ступна лишь оптическая часть спектра электромаг­нитных волн. А электронное устройство свободно от биологических ограничений. Его можно, например, сделать чувствительным к инфракрасным и ультра­фиолетовым лучам. К электронному глазу можно под­ключить радар. Он способен видеть в темноте и при сверхярком свете, работать в комплексе с телескопом или микроскопом, фиксировать сверхбыстрые и сверх­медленные процессы.

Современные фотореле реагируют на невидимые глазом участки спектра (инфракрасное и ультрафиоле­товое излучение), способны регистрировать изменения параметров света, происходящие с частотой до мил­лиона колебаний в секунду (предельная частота, во­спринимаемая человеческим глазом, 20 Гц).

Как уже говорилось, электронными элементами зрения в технике являются фотоэлементы — устройства, которые при освещении меняют свои электрические характеристики (одни из них под действием света на­чинают пропускать электрический ток, другие сами становятся источниками тока). Основное различие ме­жду человеческим глазом и фотоэлементом состоит в том, что глаз в сочетании с мозгом создает деталь­ное изображение увиденного, фотоэлемент же всего лишь различным образом реагирует на факт наличия света.

На рис. 46 показана увеличенная структура сетчат­ки глаза, состоящей из палочек и колбочек. Любая чувствительная к свету клетка сетчатки соединена не­посредственно со зрительным нервом, а также с други­ми клетками, которые, в свою очередь, соединены ме­жду собой. Таким образом, световой сигнал уже на этом этапе «продумывается». Сам глаз человека вы­полняет часть функций осмысливания, свойственных головному мозгу.