|
|
Информационно-управляющая система
(ИУС) робота, или его управляющее устройство (УУ), является важнейшей
составной частью, образуя в сочетании с исполнительной системой
(манипулятором) собственно робот.
ИУС служит для 1) восприятия и преобразования информации о
состоянии внешней среды и самого робота; 2) выработки законов управления
исполнительными устройствами на основе управляющей программы, командных
сигналов с пульта управления и информации о положении и состоянии элементов
робота и окружающей среды; 3) передачи управляющих воздействий приводам и
механизмам исполнительной системы с целью организации активного
взаимодействия робота с окружающей средой.
8.1. Основы построения ИУС
Информационно-управляющая система, как отмечено выше (см.
2.2), структурно состоит из системы управления (СУ), информационно-
измерительной системы (ИИС) и системы связи (СС). Функциональные возможности
робота - его универсальность и гибкость, быстрота перепрограммирования
(обучаемость), число позиций, обслуживаемых рабочим органом, точность позиционирования,
быстродействие и ряд других качеств в значительной мере определяются его
информационно- управляющей системой.
Основой управляющего устройства робота является система
управления, обеспечивающая выработку закона управления исполнительными
устройствами робота и формирование управляющих сигналов. Поскольку система
управления является главной составной частью информационно-управляющей
системы робота, в первую очередь, определяющей его возможности, понятия
"система управления" и "устройство управления" в
литературе зачастую не разделяются, а употребляются как синонимы.
8.1.1. Общие принципы построения
Каковы же определяющие идеи, или принципы, закладываемые в
основу построения информационно-управляющих систем роботов?
В общем виде управляющее устройство робота,
функционирующего в условиях неорганизованного пространства, должно обладать
способностью вырабатывать целесообразное поведение, закрепляя его в памяти,
т.е. приспосабливаться к изменяющимся условиям функционирования в течение
определенного конечного времени. Таким образом, один из важнейших принципов,
который должен быть заложен в основу построения управляющих систем роботов
достаточно высокого уровня (второго и третьего поколений), является
способность к обучению на собственном опыте и адаптаци и (приспосабливаемое)
к изменившимся условиям. В соответствии с этим принципом в процессе решения
задач роботом должны происходить накопление опыта и адаптация управляющего
устройства к конкретным условиям функционирования.
Другой важнейший принцип управления, эффективно
используемый в любых биологических системах, выработанный и отточенный самой
природой в ходе многовековой эволюции, - это принцип многоуровневой
иерархической организации управления, когда различные задачи управления
распределяются между несколькими уровнями - высшим, средним и низшим. Если
обратиться, например, к человеку, то высшая нервная система (полушария
головного мозга) управляет деятельностью на уровне решения достаточно общих
задач и не управляет движением каждой мышцы и даже группы мышц. Когда же
человек совершает какое-либо действие, например, печатает на машинке,
надевает пальто и т.п., он не задумывается над тем, какие именно движения и в
какой последовательности следует совершить, чтобы достичь цели, они
происходят как бы автоматически без непосредственного вмешательства высших
уровней. Реализация общей задачи, сформулированной головным мозгом,
осуществляется на более низких уровнях управления, в частности, совершение
большинства рефлекторных движений регулируется различными отделами спинного
мозга. Таким образом, центральная нервная система как орган управления имеет
иерархическую структуру с несколькими уровнями. Важным свойством такой
системы является обмен информацией между уровнями.
Иерархическое управление гораздо экономнее, чем жестко
централизованное, является средством уменьшения объема обрабатываемой
информации и ускорения процесса управления, а главное - позволяет построить
реальные технические системы, которые в централизованном исполнении оказались
бы чрезвычайно сложными и едва ли смогли бы полноценно функционировать.
Иерархическая организация управления роботом - это прежде_ всего
распределение функций восприятия, обработки информации и управления между
отдельными уровнями иерархии и подсистемами робота.
Например, в управляющих устройствах роботов, построенных
на базе микропроцессорных средств вычислительной техники, задачи управления
первого - низшего уровня, традиционно решаемые методами теории
автоматического регулирования, заключаются в формировании сигналов непосредственного
воздействия на каждую из управляемых координат привода манипулятора. Второй,
или тактический, уровень генерирует управляющие сигналы для низшего уровня
управления на основе входной информации от высшего уровня и сенсорной
системы, а его выходными командами являются сигналы, ладаю'дие законы и
последовательность действий исполнительной системы манипулятора. Высший, или
стратегический, уровень управления обеспечивает формирование общей системы
действий робота на основе управляющей программы, а также логической обработки
и анализа информации об окружающей среде и состоянии самого робота. Каждый
уровень, в свою очередь, может иметь иерархическую структуру с различного
рода прямыми и обратными связями.
В качестве инструмента "общения" между уровнями,
роботом и оператором, а также решения логических задач и формирования системы
действий в терминах робота используются формализованные языки также различных
уровней.
И, наконец, еще один важный принцип, закрепленный в живой
природе, - принцип синергий, или блочности управления. Например, обучение
человека тем или иным функциям - ходьбе, бегу, прыжкам, плаванию, написанию
текста, управлению автомобилем и т.п. - сводится к формированию и закреплению
в его памяти в виде опыта соответствующих блоков, или синергий, -
взаимосвязанных действий, один из которых заложен генетически в ходе эволюции
организма, другие формируются в процессе обучения. Итак, синергии - это те
"кирпичики", из которых строится целенаправленное функционирование
биологической или технической управляемых систем.
Группирование степеней подвижности робота в
"блоки" и соответствующее уменьшение числа независимых переменных
являются эффективным методом управления такими сложными техническими
системами, как роботы.
|