Учебник (Введение)

Посмотреть архив целиком


Введение

ВВЕДЕНИЕ

В.1. Робототехника, мехатроника и информационные системы

Робототехника сформировалась в 60-х годах как наука о технических устройствах, способных работать самостоятельно, принимать решения и заменять человека при выполнении сложных операций. Первый этап развития робототехники был связан, прежде всего, с созданием промышленных роботов, которые получили широкое применение в машиностроении при обслуживании металлорежущих станков, прессов, металлургических агрегатов и др. Одним словом - повсеместно для замены человека при выполнении однообразной, утомительной и зачастую небезопасной для здоровья работы. Роботы первого поколения представляли собой манипуляторы - механические руки, имеющие до шести степеней подвижности и управляемые по заранее составленной программе. Несмотря на то, что в промышленности существует обширная область для применения подобных устройств, довольно быстро выяснились и ограничения. Например, при сборке узла с помощью робота последний должен взять необходимые детали с монтажного стола или с конвейера. Поскольку робот управляется по жесткой программе, местоположение каждой детали и ее ориентация должны быть достаточно точно определены. Поэтому приходилось создавать дорогостоящую оснастку - приспособления, которые специально разрабатывались для того, чтобы правильно размещать и ориентировать детали с той точностью, с которой работает робот.

Эта особенность существенно отличает работу роботов первого поколения от работы человека, которого робот должен был заменить. Человек, используя зрение, слух, осязание легко выполняет аналогичные действия и в том случае, когда деталь или заготовка подается с произвольной ориентацией, оказывается несколько смещенной или повернутой. Для жестко запрограммированного робота это невозможно в силу того, что, используя аналогию с человеком, он слеп и бесчувственен.

Именно отсутствие органов чувств у промышленных роботов первого поколения привело к кризису в мировой робототехнике к концу 80-х годов XX века. Имеющиеся образцы промышленных роботов быстро закрыли ту нишу, в которой их применение было экономически оправданным, в то же время надежных и недорогих роботов, способных видеть, чувствовать и приспосабливаться (адаптироваться) к изменяющейся обстановке еще не было. Повсеместно упало производство промышленных роботов. Только к середине 90-х годов положение начало понемногу исправляться благодаря тому, что на рынке передовых промышленно развитых стран - Японии, США, Германии появились новые промышленные роботы, оснащенные сенсорными устройствами и способные к адаптации.

На рубеже веков робототехника стала широко внедряться в непромышленные сферы человеческой деятельности. Это спасательные работы на месте техногенных аварий и катастроф, разведка полезных ископаемых на морском дне, работы в космическом пространстве, борьба с терроризмом, обезвреживание взрывоопасных предметов и т.п. Роботы начали успешно применяться в медицине для решения задач диагностики и дистанционной хирургии. Подобные роботы вообще не могут выполнять своих функций без технического зрения, тактильного ощущения, оценки развиваемых сил и моментов. Поэтому их появление и активное применение было связано с разработкой надежных сенсорных систем.

Сейчас, наряду с робототехникой, часто употребляется термин «мехатроника». Этот термин появился примерно в 80-х годах ХХ века, в известном смысле как развитие понятия «электромеханика» [ ]. Различие этих, на первый взгляд тождественных понятий, заключается в разном уровне используемых электронных решений. Мехатроника предполагает непосредственное внедрение микроэлектронных систем в систему управления, в некотором роде синтез электроники и механики, позволяющий создавать эффективные регуляторы. В дальнейшем термин «мехатроника» был существенно обобщен, в результате чего к мехатронным системам стали относить практически любые сложные технические системы, содержащие механическую и электронную часть и управляемые компьютером. В результате роботы также оказались мехатронными системами. Однако, термин «мехатроника», конечно, шире; к этой области относятся и такие системы, которые не являются робототехническими, например, системы управления комплексами технологического оборудования, обрабатывающие центры, или системы поддержания заданной температуры в помещениях крупного здания. Функционирование рассмотренных систем связано, в том числе, и с выполнением разнообразных измерений, для чего они также оснащаются соответствующими сенсорными устройствами.

Таким образом, можно констатировать, что направление создания информационно-сенсорных систем является самостоятельным и имеющим очень широкое применение и в робототехнике и в мехатронике. Здесь надо упомянуть, что его возникновение не связано непосредственно с этими науками. Процесс управления предполагает наличие обратной связи, а ее реализация требует датчиков обратной связи, измеряющих регулируемые параметры - координаты, скорости, температуру и т.п. Правильнее говорить о том, что наука о технических измерениях в процессе своего развития вступила в новую фазу, чему способствовало применение сенсорных устройств в мехатронике и робототехнике. Эта новая фаза состоит в переходе от датчиков к сложным измерительным системам, которые в большинстве случаев предполагают довольно сложные способы обработки информации, поступающей от этих датчиков. Примером здесь может быть система технического зрения робота. Функциональное отличие такой системы состоит в том, что она позволяет получать комплексную характеристику окружающей обстановки. Таким образом, в робототехнических и мехатронных системах наряду с датчиками состояния системы, характерных для любых систем управления появляются датчики состояния внешней среды.

Мы использовали еще один ключевой термин - информация. Этот термин является одним из наиболее часто употребляемых понятий современной науки и техники. Однако до сегодняшнего дня не существует даже общепринятого определения этого понятия. В различных отраслях знания термин «информация» трактуется по-своему, и даже в технике имеется много разных формулировок. Приведем лишь наиболее известные. Итак, информация - это:

  • обозначение содержания, полученного от внешнего мира в процессе приспособления к нему (Н. Винер);

  • отрицание энтропии (Л. Бриллюэн);

  • коммуникация и связь, в процессе которой устраняется неопределенность (К. Шен­нон);

  • передача разнообразия (У. Эшби);

  • мера сложности структур (А. Моль);

  • вероятность выбора (А. Яглом);

  • совокуп­ность некоторых данных, сведений о системе, переданных ею в виде сообщения другой системе в про­цессе свя­зи (Кибернетическая энциклопедия, [ ] стр. ).

Заметим, что последнее определение является практически дословным переводом латинского термина informatio, что означает «сведения». В современной науке мысль о том, что информацию следует рассматривать как нечто самостоятельное, возникла в начале 50-х годов ХХ века вместе с кибернетикой, изучающей процессы управления и развития любых систем. Родоначальник кибернетики профессор Массачусетского технологического института (США) Н. Винер считал информацию ключевым понятием новой науки. Среди ученых, чьи идеи легли в основу новой науки, Н. Винер называл Платона, А. Ампера и Д. Максвелла, отмечая особое значение работ советских математиков Н. Бо­голюбова и А. Колмогорова. По словам Колмогорова цель кибернетики заключалась в «изучении систем любой природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования» [ ]. Информационное обеспечение подобных систем уже не могло рассматриваться отдельно от структуры и свойств последних. Система поглощает информацию из внешней среды и использует ее для выбора правильного поведения. Информационные потоки начинают циркулировать по цепям управления. Прибором, передающим информацию в контур управления, является датчик, от характеристик которого в значительной степени зависит и качество управления.

Остановимся немного подробнее на истории вопроса, перечислив основные вехи, связанные со становлением теории и практики информационных систем.

Итак, история активного использования информации для задач управления насчитывает всего 50 лет. Однако первые регуляторы и датчики появились гораздо раньше. Так, сведения о регуляторах содержались еще в материалах Александрийской библиотеки, сгоревшей в средние века. Первые промышленные датчики также по­явились давно, и одним из первых был, по-видимому, механический датчик, установ­ленный в «автоматичес­ком суппорте» (токарно-копи­ро­валь­ном станке) Нар­това 1720 г. Первый электрический датчик - электро­маг­нитное реле Шеллинга появился в 1830 г., а электромеханический (рельсо­вый индика­тор) - в 1880 г.

В дальней­шем, датчики систем автомати­ческого регулирования развивались по пути измерения одного из пара­метров объекта регулирования (угла, дав­ления, температуры и т.д.), что позволило строить следящие системы уп­равления за­данным параметром (к середине XX века). В эти годы начали появляться первые копирующие манипуляторы, а в 1954 г. американцем Д. Деволом был получен патент на первый программируемый манипулятор: «про­грам­мируемое шарнирное устройство для переноски». В конце 50-х годов им же, совместно с Д. Энгельбергером, была организована фирма «Unimation», которая в 1959 г. выпустила пер­вый промыш­лен­ный робот Uni­mate. Этот робот содержал контур обратной связи по положению - перемещение звеньев мани­пулятора измеряли датчики угла. Датчики угла и линейного перемещения и сегодня составляют основу информационного обеспечения робототехнических и мехатронных систем. В середине 60-х годов стало очевидно, что гибкость программируемых роботов может быть повышена при использовании систем очувствления, основанных на применении «датчиков среды». Первая система такого типа - тактильная, была разработана Х. Эрнстом в рамках проекта «Mechanical Hand -1». Она по­зволяла роботу укладывать кирпичные бло­­ки без помощи оператора. Наконец, в начале 70-х годов по проекту «Stanford Arm» группа Р. Пола создала мультимодальную информационную систему «глаз-ухо-рука», содержащую тактильные, лока­ционные и визуальные датчики.

Эти пионерские разработки, в целом, и обосновали эф­фективность использования ин­формационных средств в ав­томатическом и роботизирован­ном производстве.

В.2. Основные понятия и определения

Рассмотрим некоторую активную систему D, взаимодействующую с внешней средой E. Предполагается, что эта система имеет априорную информацию о среде Ia, и в процессе функционирования получает текущую ин­формацию  Ip как о внешней среде, так и о собственном состоянии (рис. В.1). Целью системы  D является принятие решений, свя­занных с преобразованием или анализом внешней среды  E. В общем случае, информация, имеющаяся в распоряжении системы D, является неполной; в этом случае говорят, что система находится в условиях неопределенности. Тогда под адаптацией будем понимать способность активной системы D достигать заданных целей в условиях неопределенности, на основе ис­поль­зова­ния текущей информации Iр о собственном состо­янии и состоянии системы E. При этом в системе D могут изменяться ее параметры Ki, структура и алгоритм функционирования.

Следовательно, адаптивная система - это система, которая может приспосабливаться к изменению внутренних и внешних условий. Простейшей адаптивной системой может считаться система с обратной связью (сле­дящая система).

В настоящее время применительно к системам управления адаптацию часто рассматривают с двух позиций. Об адаптации в «широком» смысле можно говорить в том случае, когда адаптивные (очувствленные) системы уп­рав­ления име­ют в своем составе сенсорные устройства, обес­печивающие получение ин­форма­ции Ip о состоянии среды или свой­ствах объектов. Эти данные ис­поль­зу­ют­ся для решения задач, связанных с формиро­ванием уп­рав­ления системой.

Адаптация в «узком» смысле соответствует случаю, когда адап­тив­ные (обучающиеся) системы уп­равления испо­ль­зу­ют адаптивные алгоритмы, способные из­ме­нять­ся под воздействием текущей Ip или обу­ча­ю­щей Ia ин­формации от сенсоров.

В обоих случаях, наличие сенсорной (ин­фор­­ма­ци­он­ной) системы является приз­на­ком адаптивной струк­туры.

В качестве примера активной адаптивной системы рассмотрим систему управления адаптивного робота. Функциональная схема адаптивного робота представлена на рис. В.2. Выделены блоки, входящие в состав инфор­мационной системы - это подсистема восприятия окружающей среды и подсистема связи. Первая из этих подсистем содержит датчики (называемые также измерительными преобразователями или инфор­ма­ционными устройствами), включающие не показанные на схеме первичные преобразователи (по-другому - чувстви­тель­­ные эле­менты). Сигналы с датчиков, поступают в блок обработки данных и далее применяются для анализа рабочей сцены и находящихся на ней объектов. При этом используется и некоторая априорная информация Ia о сцене в виде математической модели, которая уточняется с помощью подсистемы связи. Полученная информация используется для планирования движений на исполнительном, тактическом и стратегическом уровнях [ ]. Эти движения реализуются рабочим механизмом. Для робота это обычно манипулятор, снабженный соответствующим инструментом. Однако рассмотренная схема сохраняется и в том случае, когда речь идет о мобильном роботе, и рабочим механизмом являются средства передвижения.

Первичным преобразователем или чувствительным элементом (ЧЭ) называется про­сте­й­ший элемент информационной системы, изменяющий свое состояние под действием внешнего возмущения (фо­тодиод, тензорезистор). Примеры обозначений ЧЭ, принятых на схемах информационных устройств, приведены на рис. В.3.

Остановимся более подробно на основных терминах, связанных с информационной системой.

Датчик представляет собой устройство, которое, подвергаясь воздействию физической измеряемой величины, выдает эквивалентный сигнал (обычно электрической природы - заряд, ток, напряжение или импеданс), являющийся однозначной функцией измеряемой величины. В состав простейшего датчика (рис. В.4) входят: один или несколько первичных преобразователей, а также измерительная цепь. Большинство датчиков имеют внешний источник питания, измерительная цепь подключается к нагрузке, в качестве которой может быть использован, например, усилитель, измерительный прибор, блок сопряжения с компьютером и т.п.

В литературе также используются и другие понятия. Так, под измерительным преобразователем понимается датчик, в кото­ром входной и выходной сигналы являются аналоговыми величи­нами, а под преобразователем измеряемой величины - датчик, в котором входной и выходной сигналы имеют разную физическую природу.

Классификация датчиков представляет собой весьма сложную задачу, тем более что и классификационных признаков также очень мно­­го. Для простоты выделим всего три признака: тип замещаемой сенсорной функции, радиус действия и способ преобразования. Тогда по типу замещаемой (моделируемой) сенсорной фун­кции датчики разделяют на четыре группы: кинестетические, локационные, визуальные и тактильные.

В зависимости от радиуса действия различают контактные датчики, датчики ближнего и дальнего действия.

По способу преобразования выделяют генераторные (активные) и параметрические (пассивные) датчики.

Рассмотрим приведенную классификацию подробнее. Кинестетические датчики формируют информационный массив данных об обобщенных координатах и силах, т.е. о положении и относительных перемещениях отдельных рабочих органов и усилиях в них. К кинестетическим относятся датчики положения, скорости, измерители сил и моментов в сочленениях.

Локационные датчики предназначены для определения и измерения физических параметров среды, путем излучения и приема отраженных от объектов сигналов, созданных собственным источником излучения и име­ющих форму переменного поля (активные датчики) или квазистационарного поля (пассивные датчики), и дальнейшей идентификации на их основе локационного образа. Наиболее распространены элек­тромагнитные, в том числе - оптические, а также акустические устройства.

Визуальные датчики обеспечивают получение информации о геометрических и физических характерис­ти­ках внешней среды на основе анализа ее освещенности в оптическом диапазоне, включая ИК, СВЧ и рентгеновское излучения. Примерами являются различные телевизионные системы.

Датчики тактильного типа позволяют детерминировать контакт с объектами внешней среды с целью их контактного распознавания. Можно отметить так­тильные мат­рицы и силомоментные датчики.

Контактными (сверхближними) устройствами являются тактильные и кинестетические датчики. Сенсорные устройства ближнего действия получают информацию о среде вбли­­зи объекта рабо­ты, дальнего - во всей рабочей зоне. Датчиками этих типов являются визу­альные и акустические преобразователи.

Генераторный датчик является исто­чником непосредствен­но выдаваемого эле­ктричес­кого сигнала. (К­ гене­раторным относятся термоэлектричес­кие прео­б­разо­ва­тели, да­тчики, ис­по­льзу­ю­щие явления пи­­ро- и пьезоэлектричества, эле­ктро­ма­гни­тной индукции, фо­­то­эф­фект, эффект Холла и др.).

В параметрических датчиках под воздействием измеряемой величины меняются некоторые параметры выходного импеданса. Им­пе­данс датчика обусло­влен его гео­мет­рией и раз­мером элементов, а также электромагнитными свойствами материала: удельным сопротивлением r, относительной магнитной проницаемостью m, диэлектрической постоянной e. В преобразователях этого типа сигнал фор­мируется измерительной цепью - потенциометрической или мос­то­вой схемой, колебательным контуром, операционным усилителем. Параметрическими преобразова­те­лями являются большинство датчиков силы, давления, перемещения и др.

Несмотря на разнообразие датчиков, используемых в робототехнических и мехатронных системах, к ним всем предъявляется требование унификации. Унифицированным преобразователем (транс­миттером) является датчик, имеющий нормированный диапазон сигнала на выходе. Согласно мировым нормам DIN/VDE2600 [ ] нормированные сигналы должны находиться в диапазонах:

  • тока 0 ... ± 5 или 0 ... ± 20 мА;

  • напряжения 0 ... ±1 или 0 ... ± 10 В,

  • внутреннее сопротивление измерительного при­бора Rн должно быть не более 1 кОм в первом случае и не менее того же значения - во втором.

Другими требованиями к датчикам этих систем являются высокая надежность и помехоустойчивость в условиях электромагнитных помех, колебаний напряже­ния и частоты; малогабаритность, простота конструк­ции, «раз­ме­щаемость» на захватном устройстве и других частях манипулятора при ограниченной площади и объеме; развязка выходных и входных цепей, простота юстировки и обслуживания; возможность абсолютного отсчета параметров и др.

Один, или несколько датчиков в совокупности с усиливающими и преобразующими устройствами образует информационную систему (рис. В.5). Информационная (информационно-сенсорная) система предназначена для выполнения интегральной оценки наблюдаемого процесса или яв­ления, с целью определения его состояния и фо­р­ми­рова­ния соответствующего сообщения. В общем случае, она представ­ляет собой совокупность функционально объединенных из­­­­мери­те­ль­ных, вычислитель­ных и других вспо­­­мога­тель­ных средств для получения измерительной информа­ции, ее преобразования и обработки с целью предоставления в требуемом виде. На рис. В.5 обозначено: Д1 …ДN - датчики, К - коммутатор, АЦП - аналого-цифровой преобразователь. Сигналы, поступающие с датчиков, после предварительного усиления и преобразования в цифровую форму поступают на микроЭВМ, где выполняется интегральная оценка процесса. Далее формируется сообщение на верхний уровень информационной системы, или в систему управления.

В робототехнике информационные системы используются на трех уровнях управления, которые называются также уровнями адаптации: исполнительном, тактическом и стратегическом. В табл. В.1 приведены примеры задач адаптации, решаемых на каждом из этих уровней и используемые для этого информационные средства.

Таблица В.1. Примеры использования информа­ци­он­ных систем в роботах

Уровень адаптации

Основные задачи адаптации (примеры)

Информационные средства



Исполнительный

обеспечение монотонности движения захвата

датчики положения, скоростей, ускорений, однокомпо­нентные моме­нтные датчики (момент на валу).

устранение взаимовлияния звеньев ма­нипулятора

стабильность динамических характеристик приводов



Тактический


обеспечение необходимой силы захвата

тактильные матрицы и датчики проскальзывания, опти­ческие, индукти­вные и емко­с­тные датчики, виде­окаме­ры, ультразвуковые дально­ме­ры

самонаведение и торможение вблизи неизвестных препятствий



Стратегический

нахождение рабочего коридора в недетерминированной обстановке

разнообразные дальномеры, системы технического зрения и силомоментного очувствления

развитие необходимых усилий при работе со связанными объектами

поиск и распознавание заданных объектов, и определение их взаимного положения


В.3. Бионические аспекты информационных систем

Как мы уже отмечали выше, роботы создавались с целью заменить человека при выполнении достаточно сложных операций в тех случаях, когда он по тем или иным причинам не может принять непосредственное участие в их выполнении. С этим связан антропологический подход к терминологии в робототехнике, когда термины, принятые в биологии, биофизике и в психологии используются для обозначения соответствующих робототехнических категорий. Так, мы говорим о восприятии информации роботом, о принятии им решений, об (искусственном) интеллекте робота и т.п. Заметим, что такой подход, который можно в данном случае назвать бионическим, поскольку речь идет о биологических и биофизических аналогиях, мы выше применили при классификации датчиков. В его основе лежит принцип замещения или уси­ления некоторой сенсорной фун­кции человека, ко­торый должен был бы работать в данных условиях. Бионические термины достаточно широко применяются в теории и практике информационных систем, в связи с чем необходимо дать необходимые опре­деления.

Из всего множества факторов окружающей среды, воздействующих на организм, некоторые (не все!) улав­ливаются сенсорными органами. Данные факторы называются сенсорными сти­мулами. В ходе эволюции у всех организмов развились специализированные сенсорные органы, устроенные так, чтобы опти­маль­ным образом отвечать на вполне определенные стимулы. Эти органы разделяются на три группы. Экстероцепторы - это рецепторы, стимулируемые ок­ру­жающей средой. Они участвуют в реализации локационной, визуальной и тактильной сенсорной функции. Проприоцепторы определяют вариации длины мышц, натяжения сухожилий и других параметров положения и движения. Таким образом, они участвуют в формировании кинестетической и, отчасти, тактильной сенсорной функции. К группе проприоцепторов относится и вестибулярный аппарат. Ин­тероцепторы регистрируют информацию, поступающую от внутренних органов тела. К ним относятся, в частности, датчики температуры, кровяного давления, состава крови и т.п. Большая часть информации, посылаемой в цен­тральную нервную систему интеро - и проприо­цеп­то­рами не воспри­нимается сознанием.

Восприятие внешнего мира человеком осуществляется через шесть основных каналов сенсорной рецепции (каналов органов чувств), образующих распределенную информационную сеть. К ним относятся слух, зрение, осязание, терморецепция, обоняние и вкус.

В каждом из этих каналов возбуждение регистрируется системой ЧЭ (рецепторов), специфических для разных модальностей и передается по каналу связи (нервному волокну) в виде потенциалов действий. Система рецепторов каждой модальности связана с определенными отделами центральной нервной системы. На рис. В.6 показан вид каналов связи основных сенсорных модальностей.

Распознавание сенсорного образа у человека является результатом совместной работы информационной системы и мозга. Значительная часть информации обрабатывается уже на уровне рецепторов. При этом возмож­ности рецепторов по передаче информации существенно превышают возможности информационной системы по ее переработке. Другими словами, пропускная способность рецепторных ней­ронов определяет максимальную величину потока информации. Так, у человека только в зрительной системе сосредо­точено более миллиона каналов передачи информации, способных пропустить до 107 импульсов в секунду. Если каждый импульс несет хотя бы 1 бит данных, то мозг ежесекундно получал бы от зрительной системы 107 бит инфор­мации. Это намного превосходит возможности нервной системы, которые ограничены единицами или десятками бит в секунду [ ]. Таким образом, количество информации избыточно и оно должно быть сокращено в процессе передачи от рецепторов к мозгу.

Главная функция начальной стадии обработки информации на уровне рецепторов заключается в выделении определенных важных сторон и свойств поступающих извне сигналов и устранение избыточности. Важнейшей задачей здесь является выделение контраста стимула. Информация о стимуле, который все длится и длится, мозгу нужна существенно меньше. Например, в зрении основное значение имеет контурная информация. Так, в экспериментах, приведенных в [ ], показано, что образ спящей кошки идентифицируется по 38-точечному кон­тур­ному представлению.

Во всех типах рецепции действуют общие принципы интегрального описания стимулов, основанные на ана­лизе признаков действующих стимулов. Характерные признаки, соответствующие основным видам сенсорной рецепции, показаны в табл. В.2.

Таблица В.2. Признаки сенсорных функций бионической системы

Сенсорная функция

Признаки

Вкус

сладкое, соленое, кислое и горькое

Обоняние (запах)

мускусный, камфарный, цветочный, эфирный, мятный, острый и гнилостный

Слух

объ­ем, громкость, плотность и высота

Терморецепция

степени тепла

Тактильная рецепция

чувствительность и разрешающая способность

Зрение

чувствительность, разрешающая способность и спектральная характеристика


Остановимся на этом более подробно, поскольку аналогичные принципы нередко применяются и в искусственных информационных системах. Так, всю гамму вкусовых ощущений представляют в виде суперпозиции четырех основных вкусовых качеств: сладкое, соленое, кислое и горькое. В этом легко убедиться при анализе органа вкуса: кончик языка чувствителен к сладкому и соленому, боковые поверхности - к кислому, спинка языка - к горькому. Вкус любого вещества имитируется смешиванием двух или трех из основных качеств вкуса. Примерно также обстоит дело и с обонянием. Человек способен распознать запах около сотни тысяч различных веществ. Однако в отличие от вкуса, характеризующегося абстрактным представлением о, например, кислом, представления о запахах конкрет­ны и связаны с каким-либо веществом. (Так, говорят о «запахе ми­н­­даля»). В соответствии с господству­ющей в настоящее время стереохимической те­орией обоняния Р. Монкриффа - Дж. Эймура, выделя­ются семь первичных запахов: мускусный, камфарный, цвето­чный, эфирный, мятный, острый и гнилостный. Выяс­нилось, что вещества, относящиеся к одной груп­пе, имеют сходство в стереомодели. (В час­тности, для молекул веществ, обладающих камфарным запахом, характерна округлая форма и размер ~10 ан­гстрем). Предполагается, что существует от 4 до 12 типов рецепторов, отвечающих основным запахам.

Слуховая, визуальная и тактильная функции подробнее рас­смотрены ниже.

В табл. В.3 представлена сравнительная количественная характеристика сенсорных фун­кций человека.

Таблица В.3. Сравнительная характеристика сенсорных функций человека

Параметр

Сенсорная функция

Слух

Зрение

Осязание

Терморецепция

Обоняние

Вкус

Число клеток

3 104

2 10 8

1 107

3 105

7 107

3 107

Количество отходящих нервных волокон

2 104

2 106

1 106

106

105

103

Пропускная способность, бит/с

1 105

1 107

2 106

2 103

105

103

Относительная чувствительность

10-1

1

10-9

10-13

1

2 10-4


Заметим, что по пропускной способности выделяется зрение, играющее основную роль в адаптации человека к окружающей среде. Можно предположить такую же роль искусственного зрения и при адаптации робота в условиях неопределенности. В то же время, слух, особенно осязание, обладают значительно более высокой чув­ствительностью и используются для тонкой коррекции движений при взаимодействии с внешней средой.

Данные к разделу о сенсорных модальностях бионической системы заимствованы из [ ].

В.3.1. Кинестетическая рецепция

Важнейшую роль в очувствлении робота играют кинестетические сенсоры. Кинестетическая функция служит для обеспечения согласованных движений опорно-двига­тельного аппарата [ ]. Она реализуется нелокализованной системой рецепторов, поэтому достаточно сложно выделить отдельные датчики параметров. С бионических позиций - кинестетические рецепторы, содержащиеся в каждой мышце, являются информационными элементами исполнительного уровня управления (датчиками соответствующих контуров регулирования). Они регистрируют кинематическое и динамическое изменение относительного положения отдельных элементов двигательной системы. Другая часть кинестетической функции, связанная с обеспечением надлежащей ориентации в пространстве всего организма, реализуется вестибулярным аппаратом. В этом смысле, он соответствует информационной системе тактического уровня уп­равления. Его функционирование, как и работа, собственно кинестетических сенсоров, осуществляется под управлением нервной системы. Исполнитель­ным механизмом организма является скелет, двигательная активность которого формируется посредством связок и суставов (кинематических пар), а также мышц (приводов). Масса скелета, состоящего из 233 костей, составляет в среднем 11 кг. Длина самой большой кости - бедренной, соответствует ~ 0,5 м, самой маленькой - стремечка в среднем ухе - 3 мм.

Мышечная ткань представляет собой самый тяжелый и объемный орган. На скелете содержится 639 мышц, масса которых достигает ~ 45% общей массы тела. Мышцы потребляют до 60% кислорода, поступающего в организм, и в состоянии максимального напряжения способны развить усилие до 25 тонн. Каждый грамм мышц содержит около 5000 не­р­вных волокон, связывающих их с мозгом. Приводная система организма обладает достаточно высокой мощностью. Так, для мышцы руки, мощность, определяемая как произведение развиваемой ею силы на скорость укорочения, достигает 200 Вт, при скорости сокращения ~ 2,5 м/с. КПД составляет 30 ... 40%.

В физиологии считают, что кинестетическая сенсорная функция связана с рецепторами трех подсистем: мышечной и сухожильной (они контролируют характеристики перемещения, ско­рости и усилия), кожной (связанной с измерением параметров давления и проскальзывания) и вестибулярным аппаратом. Вынося кожную подсистему в раздел тактильной рецепции, будем считать, что применительно к роботу кинестетическая функция описывается в терминах позы и движения. Чувство позы определяется углами между суставами, оно позволяет, например, синхронизиро­вать дви­жения обеих рук в тестах с завязанными глазами. Чувство движения связано с восприятием направ­ления и скорости относительного перемещения суставов. Амплитудный порог этого восприятия зависит от угловой скорости. Так, для плечевого сустава, при скорости движения 0,30/с он составляет 0,2 ... 0,4 0, а для сустава пальца, скорость которого ~ 12,5 0/с достигает 1,0 ... 1,30/с. Дополнительно к ним чувство силы ощущается как степень мышечного усилия, необходимого для выполнения движения и поддержания позы. Благодаря нему, человек может, например, определить разницу веса предметов при их взвешивании обеими руками. Эта величина не превышает 3 ... 10%.

Важнейшую роль в кинестетической функции играют мышечные веретена, представляющие собой рецепторы растяжения. При активации мышцы ее длина уменьшается примерно на 1%, что и определяет динамический диапазон этих рецепторов. Их размеры варьируются в широких пределах: диаметр 15 … 100 мкм, длина 4 … 500 мм. Мышечные веретена есть практически во всех мышцах; их количество составляет от 40 (в мелких мышцах) до 500 (в трехглавой мышце плеча), а общее количество достигает ~ 20000. Другая многочисленная группа рецепторов - сухожильные органы (или рецепторы Гольджи), как следует из названия, располагаются в сухожилиях всех мышц. Они также представляют собой рецепторы растяжения. По приблизительным подсчетам их ~ 50 ... 80 на каждые 100 мышечных веретен.

Передача информации в кинестетической системе осуществляется путем частотно-импульсной модуляции: во время растяжения рецепторов частота импульсации увеличивается [ ]. При этом мышечные веретена возбуждаются, главным образом, при изменении длины мышцы, а сухожильные органы - ее напряжения. Следовательно, у каждой мышцы есть две системы обратной связи: регуляция длины с мышечными веретенами в качестве датчиков положения и регуляция напряжения, датчиками в которой служат сухожильные органы. С позиций теории управления наличие двух таких контуров позволяет отслеживать изменение нагрузки на мышцу либо изменением ее длины, либо напряжения при постоянной длине мышцы. Возможно, что так поддерживается постоянство жесткости мышцы, как отношения изменения напряжения к изменению длины.

Вестибулярный орган, отвечающий за чувство равновесия, филогенетически близок сенсорному органу слуха [ ]. Они не только находятся рядом образуя внутреннее ухо, но и произошли в ходе эволюции из одной структуры. Вестибулярный аппарат состоит из двух частей, заполненных жидкостью (эндолимфой): отолитового аппарата и полукружных каналов, а также си­стемы волосковых рецепторов - ресничек. В отолито­вом аппарате находится желеобразная структура с включениями каменистых образований, получившая название ото­литовой мем­браны. Перемещение мембраны (ее пло­т­ность составляет ~ 2,5 г/см3) в эндолимфе под действием силы тяжести воспринимается рес­­ничками. Рецепторы формируют импульсные посылки в любом положении вестибулярного органа. Поворот головы в одном направлении увеличивает частоту импульсации, поворот в другом - уменьшает. Таким образом, при любой ориентации головы возникает специфическая картина возбуждения нервных волокон. Данная система, вообще говоря, может определить положение организма в поле действия любой силы. Однако, поскольку в повседневной жизни ускорение силы тяжести намного превышает другие ускорения (например, при разгоне автомобиля), последние играют для вестибулярной системы подчиненную роль. Полукружные каналы, расположенные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и также заполненные эндолимфой, содержат желеобразную структуру - купулу, плотность которой точно равна плотности эндолимфы. Каналы действуют как замкнутые круговые трубки. Вследствие равенства плотностей купулы и эндолимфы линейные ускорения, включая гравитационные, на этот орган не влияют. При поворотах же головы (и полукружных каналов) в результате инерционности возникает разность давлений по обе стороны купулы, она отклоняется в сторону противоположную движению, возбуждая, тем самым, соответствующие реснички. При вращении головы относительно любой диагональной оси мозг выполняет векторный анализ информации, определяя истинную ось вращения. Купулярная система весьма точна (фикси­руется быстрый поворот ~ 0,0050), но инерционна (t ~ 10 ... 30 с).

В.3.2. Слуховая сенсорная функция

Для звукового восприятия характерно четыре из­мерения: объ­ем, гро­мкость, плотность и высота. Эти субъективные свойства звука определяются двумя физическими переменными сигнала: его амплитудой и частотой.

Первые исторические сведения об исследованиях в области звука относятся к Пифагору, который еще в VI веке до н.э. исследовал отношения музыкальных интервалов к длине колеблющейся струны. Именно его считают родоначальником науки о звуке - акустике. Аристотель в IV веке до н.э. обнаружил, что распространение звука сопровождается сжатием и растяжением среды, а эхо является результатом отражения. После средневекового научного застоя лишь в XVII веке Г. Галилей и М. Мерсенн установили связь высоты тона с частотой колебаний звучащих тел, и М. Мерсенн вычислил скорость распространения звука в воздухе. По его оценкам она составила 414 м/с. В XVIII веке Л. Эйлер определил пределы частот слышимых звуков. Согласно его исследованиям диапазон воспринимаемых частот составил 20 ... 4000 колебаний в секунду. Позже эти значения неоднократно уточнялись. В XIX веке В. Вебер обнаружил стоячие волны, было открыто явление интерференции. Сейчас акустика представляет собой весьма обширную область, имеющую большое прикладное значение.

К настоящему моменту установлено, что слуховой аппарат млекопитающих (и человека) состоит из трех основных частей: наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо представляет собой резонатор; у человека он имеет собственную резонансную частоту 3 кГц, Среднее ухо содержит систему мелких косточек - молоточек, наковаленку и стремечко, отделенную от наружного барабанной перепонкой. Абсолютная чувствительность уха весьма велика, человек, например, способен слышать удары молекул воздуха о барабанную перепонку. Диапазон амплитуд барабанной перепонки составляет 10-9 … 2 10-5 см. Внутреннее ухо - улитка, представляет собой спирально закрученный костный канал (у человека он име­ет 2,5 витка, у других видов до 5). В улитке находится основной орган слуха - базилярная мембрана с расположенными на ней волосковыми рецепторами. Для объяснения эффекта слуха используется теория «бегущей волны» Дж. Бекеши, в соответствии с которой при восприятии звука на базилярной мембране возникает волна, движущаяся от основания улитки к ее вершине. Амплитуда бегущей волны зависит от жесткости мембраны в конкретной точке. Таким образом, базилярная мем­брана представляет собой фильтр: высокочастотные колебания про­бегают малое расстояние - лишь в области, где жесткость мем­браны высока, низкочастотные волны проходят всю мембрану, вплоть до ее вершины.

Порог слышимости (минимальный уровень звукового давления) зависит от частоты звука. Человеческое ухо наиболее чувствительно в диапазоне частот 2000 … 5000 Гц. Громкость звука (уровень звукового давления) является амплитудной характеристикой. Звуки равной громкости слышатся по-разному, в зависимости от их частоты. Для учета этого факта, в физиологии используются кривые равной слышимости, приведенные к частоте 1 кГц. Громкость звука на этой частоте получила название фона. На этой частоте 1 фон равен 1 децибелу (дБ). Средний порог слышимости составляет 4 фона, а предельное значение громкости достигает величины 130 фон. При этом значении возникает звуковая травма. В частотной области пределы слышимости человека соответствуют диапазону 20 … 16000 Гц. Частоты и громкости звука, характерные для речи, образуют речевую зону. По частоте это, в среднем, 300 … 3500 Гц. Порог различения частот весьма субъективен, и также зависит от частоты сигнала. В оптимальной области 100 Гц он составляет 0,3% или 3 Гц. Заметим, что для музыкальных звуков частоты определяются принципами построения звукоряда. Так, для темперированной октавы, состоящей из 12 ступеней, каждая частота отличается от предыдущей в , или в 1,06 раза. Это различие вдвое выше указанного порога различения частот.

Слуховая ориентация в пространстве определяется бинауральным эффектом. Он основан на том, что расстояния от каждого уха до источника звука различны, и, следовательно, различны уровни звуковых давлений в соответствующей барабанной перепонке. Слуховая система способна воспринять эту разницу уже на уровне 1 дБ. Вычисленная временная задержка составит всего 3 10-5 с, что соответствует смещению источника относительно центральной линии на 30. При определенном навыке точность ориентации можно удвоить.

В.3.3. Механизмы зрения

Визуальные анализаторные системы человека - это сложные многоуровневые образования, служащие для анализа оптических сигналов. То, что воспринимается зрением, есть результат взаимодействия сенсорных и двигательных механизмов глаза и центральной нервной системы, поскольку как произвольные, так и непроизвольные движения глаз и головы заставляют изображение смещаться каждые 200 ... 600 мс. Мозг создает целостную картину из последовательности дискретных изображений. Движения, изменяющие направления взгля­да, устанавливают глаз в такое положение, при котором изображение попадает в ту точку сетчатки, где острота зрения максимальна. Крупный объ­ект сканируется глазом за счет резких скачков - саккад, амплитудой от нескольких угловых минут до 90о, и скоростью до 500о/с. Применительно к мелким объектам характерны микросаккады, частотой 20 ... 150 Гц и амплитудой в несколько угловых минут. В то же время, при сканировании быстродвижущихся объектов (со скоростью более 80о/с) глаз отстает, и изображение «размывается», т.е. не попадает в область максимальной остроты зрения. (В этом случае, в дело вступает движение головы, что характерно, например, для зрителей на автогонках).

Зрительная система организована по явно выраженному иерархическому принципу. Ее основными уро­внями являются: фоторецепторы сетчатки глаза, зрительный нерв, область пересечения зрительных нервов (хиазма), зрительный канатик (место выхода зрительного пути из области хиазмы), а также нервные пути к зрительной коре головного мозга.

Сетчатка глаза представляет собой очень сложный орган. Ее рецепторный слой содержит два типа рецепторов: 6 106 колбочек (образующих аппарат дневного, фотопического зрения) и 120 106 палочек (относящихся к аппарату сумеречного, скотопического зрения). Количество колбочек и палочек неравномерно распределено в различных областях сетчатки; колбочек значительно больше в ее центральной части - центральной ямке и желтом пятне - зоне максимально ясного зрения. Здесь палочки отсутствуют, они распределены вокруг ямки. Желтое пятно несколько сдвинуто в сто­рону от места выхода зрительного нерва - эта зона, где рецепторов нет, называется слепым пятном. Геометрические особенности распределения цветового зрения по элементам сетчатки были впервые опубликованы в 1894 г. в работе А. Кенига. Он установил, что различение цвета зависит от углового размера объекта. Так, при угле большем 10’ объект представляется полноцветным, при угле (4,5 … 10)’ - двухцветным (ора­н­же­во-голубым), а при угле еще меньшем - ахроматическим (черно-белым).

Человек относится к числу так называемых «фрон­тальных» млекопитающих, у которых зрительные поля (области, воспринимаемые каж­дой сетчаткой отдельно) пе­рекрываются. Это позволяет человеку выполнять точные манипуляции руками под контролем зрения, а также обеспечить точность и глубину видения (стереоскопическое или бинокулярное зрение). Бинокулярное зрение характеризует возможность совмещения образа объекта, возникающего в одной сетчатке, с образом объекта, возникающего в другой. Зона перекрытия зрительных полей обоих глаз соста­вляет 120о, в то время как зона монокулярного видения составляет 30о для каждого глаза (име­нно такой угол зрения имеет глаз, относительно его це­н­­тральной точки). Визуальная информация передается в головной мозг по зрительному нерву, состоящему из 1 106 аксонов. Зрительные волокна, идущие от носовых половин сетчаток пересекаются в хиазме и переходят на противоположную часть зрительной коры, волокна же височных областей не пересекаются. Следовательно, участки сетчатки, расположенные к носу от средней линии (нозальные отделы), участвуют в механизмах бинокулярного зрения, а участки, расположенные в височных отделах (тем­поральные отделы) - монокулярного

Одно время считалось, что механизмы стереоскопии обу­сло­влены исключительно параллаксом, т.е. разностью углов зре­ния левого и правого глаза. Однако, хотя действительно расстояние одним глазом оценивается менее точ­но, чем двумя, утрата этой способности не так существенна, как в случае пространственного слуха. В настоящее время полагают, что восприятие глубины пространства за­висит также от ряда дополнительных факторов, в том числе зрительного опыта. Изображение объекта проецируется на сетчатку справа от центральной ямки в левом глазу и слева от нее в правом. Это позволяет при бинокулярном зрении создать неперекрещивающиеся двойные изображения. Их наложение осу­ществляется в так называемом циклопическом глазе, во­ображаемом органе, в который проецируются сетчатки правого и левого глаза (рис. В.7). Установлено, что изображение не будет двоиться, если объект находится в области гороптера.- кри­волинейной поверхности, на которой лежат узловые точки обоих глаз и точка фиксации. Бинокулярное зрение у людей не является врожденным и формируется в результате опыта в возрасте 8 … 27 недель

В.3.4. Особенности тактильной рецепции

Биологическая значимость тактильной сенсорной функции, пожалуй, наиболее высока. Действительно, отсутствие специальных видов чувствительности - зрения, слуха, обоняния и т.д. не приводит к гибели организма. Отсутствие же кожной рецепции несовместимо с жизнью. Существо, лишенное возможности воспринимать тактильную информацию, не могло бы уберечься от опасных внешних воздействий, о которых сигнализируют болевые ощущения, сохранять стабильность ориентации и движения в пространстве, поддерживаемые мышечным тонусом и т.д. Тактильная рецепция и в филогенетическом смысле является самой древней. Она объединяет несколько видов чувствительности, которые можно разделить на две категории: чувствительность, связанная с кожными рецепторами и виды чувствительности, связанные с рецепторами, находящимися в мышцах, суставах и сухожи­лиях.

Кожа является предохранительной оболочкой организма. Ее общая площадь достигает, в среднем 2,5 м2. В коже, мышцах, суставах и сухожилиях находится огромное количество рецепторов. Вну­три кожи, например, можно выделить, по крайней мере, 4 са­мостоятельных вида рецепции: температурная (тепловая и холодовая), тактильная, болевая и вибрационная (иногда ее характеризуют е как зависимую от трех других). Этим четырем видам кожной чувствительности соответствуют различные рецепторные аппараты. К числу основных относятся [ ]: колбочки Краузе, раздражение которых дает ощу­­щение холода, цилиндрические рецепторы Руффини, формирующие тепловые ощущения, корзинчатые сплетения и тельца Меснера, ответственные за возник­но­вение ощущений прикосновения и давления и, наконец, так называемые свободные нервные окончания, связанные, по-видимому, с болевыми функциями. Кроме кожных рецепторов существуют рассмотренные ранее рецепторы мышц, суставов и сухожилий, связанные с проприоцептивной (кинестетической) чувствительностью. Они вырабатывают сигналы в тот момент, когда происходит изменение силовых факторов в опор­но-двигательном аппарате, являясь, таким образом, носителями информации о расположении и движении мышечно-суставного комплекса. Существует и ряд других ре­цепторов, назначение которых пока неизвестно.

В целом, кожа и опорно-мышечный аппарат представляют собой огромный распределенный рецептор, который вынесен наружу для первичной обработки контактных воздействий. Кожа неоднородна по количеству и характеру представленных в ней рецепторов. В ней есть места очень чувствитель­ные к прикосновению, температурным и болевым воздействиям, есть менее чувствительные. Например, у человека наиболее чувствительны - ладонь руки, язык; наименее - средняя зона спины. Различное количество рецепторов отражает неодинаковую значимость соответствующих участков тела. Рецепторы кожи в физиологии принято делить на три группы - медленно адаптирующиеся (МА), быстро адаптирующиеся (БА) и тельца Пачини (ТП). МА-рецепторы формируют непрерывный поток импульсов при постоянном механическом стимуле (например, действии веса на стопу). БА-рецепторы регистрируют механические стимулы, изменяющиеся во времени, причем величина реакции пропорциональные скорости деформации кожи. ТП представляют собой очень быстро адаптирующиеся рецепторы. В этом смысле, уместны следующие бионические аналогии. МА-рецепторы можно рассматривать как ЧЭ датчиков силы (давления) или деформации кожи. БА-рецепторы, время адаптации которых составляет 50 ... 500 мс подобны датчикам скоро­сти, а ТП-рецепторы являются ЧЭ датчиков ускорения или вибрации кожи. В тактильных системах их функцию выполняют датчики проскальзывания.

Для проведения раздражений от рецепторов кожи и опорно-двигательного аппарата, в организме существует три типа волокон, получивших название А, В и С. Эти каналы связи передают различную информацию и отличаются диаметром и степенью миелинизации, и, тем самым, скоростью проведения нервного импульса. Волокна типа А име­ют наиболь­ший диаметр ~ 8 ... 12 мкм и сильно миелинизированы, что позволяет передавать возбуждение со скоростью ~ 120 м/с. А-волокна являются каналами передачи сигналов тактильной и кинестетической природы, идущих от мышц, сухожилий и суставов. Волокна типа В, снабженные тонкой миелиновой оболочкой имеют меньший диаметр ~ 4 ... 8 мкм, проводят раздражение со скоростью 15 ... 40 м/с и связаны, в основном, с температурной и болевой рецепцией. Наконец, волокна типа С вообще не имеют миелиновой оболочки, обладают диаметром менее 4 мкм и скоростью передачи возбуждения ~ 0,5 ... 15 м/с. Они связаны с болевыми и, частично, температурными ощущениями. В тактильной рецепции, наряду с определенной специализацией наблюдается также перекрытие рецепторных каналов, отвечающих за различные функции. Так, болевая и температур­ная чув­ствительность преимущественно связана с самыми тонкими волокнами, а тактильные ощущения проводятся по наиболее крупным волокнам А и В.

Мы рассмотрели вкратце важнейшие бионические механизмы основных сенсорных функций, тех функций, которые являются основой информационной (сенсорной) системы робота. Подведем некоторые итоги. Заметим, что во многих случаях одна и та же поведенческая задача может решаться путем объединения нескольких сенсорных модальностей. Хорошим примером такого взаимодействия является движение. При ходьбе человек использует зрение, тактильную, кинестетическую, а также слуховую сенсорную функцию. Однако, обычно информация, постав­ляемая этими системами, оказывается избыточной. Например, чтобы пройти по улице до­статочно использовать всего три информационных канала. Замещение одной сенсорной функции другой получило название сенсорной компенсации. В частности, тактильная рецепция слепого частично замещает зрение. Принцип замещения широко используется в робототехнике.

В.4 Понятие об информационном подходе

Информационные связи в измерительной системе проявляются на всех ее уровнях. Действительно, в зависимости от масштаба анализируемых явлений каждая информационная структура может рассматриваться соответственно в терминах информационного устройства, информационной системы и информационной сети. Так, молекула в масштабе вещества является «элементарным кирпичиком», в масштабе собственных размеров - некой системой, в масштабе атома - сложной сетью взаимодействий. Данный подход позволяет информационную структуру различного уровня и различной природы рассматривать с единых - системных позиций и использовать принципы системного проектирования. Представление информационных устройств в виде некоторых технических систем (описываемых как совокупность взаимосвязанных аппаратно-програм­мных средств, име­­­­­­ющих общую функциональную схему и пред­­­назначенных на выполнение единой технической задачи) позволяет при­менять экстремаль­ные методы синтеза (например, метод целевых функций).

В качестве примера рассмотрим информационную систему (рис. В8) в которой происходит последовательное преобразование информации. Для простоты ограничимся двумя преобразователями R и Q. При анализе этой модели воспользуемся известным подходом К. Шеннона и Д. фон Неймана, определяющим информацию I как меру случайного выбора. Согласно этому подходу, в альтернативной ситуации любое событие оценивается не содержанием, а вероятностью или «редко­стью» его наступления. В результате при осуществлении выбора информации оказывается тем больше, чем мень­ше ожидается совершившееся событие. Тогда, при числе возможных вариантов событий n количество информации I, получаемой в ходе реализации выбора пропорционально ln n:

I = ln n или .

где P - вероятность события. Из этой формулы следует, что если сообщение очевидно (или событие точно произойдет), то P = 1 и I = 0. Интересно, что это выражение оказалось с точностью до константы тождественным знамени­тому соотношению Л. Больцмана для энтропии термодинамической системы Ş, под которой понимается величина равная логарифму числа состояний n, которые может принимать сис­тема: Ş = k ln n. Кон­станту k позднее ввел М. Планк, назвав ее именем Больцмана, k = 1,38 10-23 Дж/0С. В интерпретации Больцмана, энтропия равна нулю в случае полностью упорядоченной струк­туры. Заметим, что информация и энтропия имеют разные знаки: рост информации приводит к уменьшению энтропии системы.

Если сообщения (или события) неравновероятны, то формула К. Шеннона принимает вид:

.

Здесь Pi - вероятность того, что система находится в  i-ом состоянии (i = 1, 2 ... N). Основание логарифма определяет единицу измерения величины I.

Таким образом, информация является вероятностной (ста­тистиче­ской) характеристикой процесса, а ее количественной мерой служит величина устраненной неопределенности в результате совершения сис­темой некоторых действий в этом процессе (напри­мер, при получении сообщения). Тогда, под полной информацией будем понимать то ее количество, которое приобретается одной системой (назовем ее приемником) при абсолютном выяснении состояния другой системы (назовем ее источ­ником). Этот процесс может интерпретироваться как дешифрация полученного сообщения. Полная информация численно равна энтропии второй сис­темы. Полезная информация - это количество информации, содержащееся в отдельном сообщении и уменьшающее неопределен­ность сведений о системе-источ­нике. В этом смысле, отрица­тель­ное значение полезной инфор­мации есть дез­инфор­мация.

Количественная оценка эффективности передачи информации от одной системы к другой представляет собой трудную задачу. Более простое решение основано на применении негэнтропийного прин­ципа Л. Бриллюэна, согласно которому носителем информации в измерительной системе является энергия [ ]. Получение данных о каком-либо событии или процессе связано с затратой энергии. Для иллюстрации этого подхода вернемся к обобщенной информационной системе, представленной на рис. В.8 и состоящей из двух преобразователей R и Q. Каждый из преобразователей описывается функциональным оператором Ф(R) и Ф(Q) соответственно, переводящими их из одного сос­­тояния в другое. Для однозначной системы операторы могут быть заменены функциями преобразования F (R). Применительно к данному примеру имеем: F (x, ri, t, T0) и F (y, qi, t, T0) - функции преобразования информационных элементов R и Q; t и T0 - влияющие факторы (время и температура), x, y, z - сигналы. При этом, каждый из преобразователей системы, удовлетворяя единой целевой функции, может оптимизироваться по собственному частному критерию качества, учитывающему назначение и структуру отдельного преобразователя.

Процесс измерения, выполненный некоторым устройством, представляет собой соответствующее пре­обра­зование информации, содержащейся в сигналах x, y, z. Это преобразование сопровождается оп­ределенной поте­рей информации DI, которая, например, для устройства R равна:

DIR = Iвых R – Iвх R

Потеря информации в устройстве соответствует его «энтропийному вкладу» в процесс измерения. Л. Бриллюэн предложил оценивать эффективность преобразования информации с помощью информационного КПД hI. По Бриллюэну количество информации на выходе устройства Iвых R, зависит от характеристик последнего, а также внешних влияющих факторов (на­водок, помех и т.д.). Следовательно, потеря информации в преобразователе R характеризуется его собственной погрешностью e0, и дополнительной «флюк­туа­ционной погрешностью» в из­мерение eф, которую вносят влияющие факторы.

Информационный КПД hI = 1/ke, где параметр ke, называемый коэффициентом потери точ­­ности, показывает насколько собственный вклад в потерю точности, превышает дополнительный:

ke = eо/eф = ÖWå/W0,

где W0 и Wå - полезная (использованная) и полная (по­требляемая) энергия, соответственно.

С другой стороны, информационный КПД однозначно определяется величиной потерь информации DI:

lg hI2 = -2 DI

Поскольку энергетический КПД устройства hW = W0/Wå , то справедливо

hW = 1/ke2 = hI2

и, следовательно

hW = 1/102DI.

Данное выражение указывает на связь информационных и энергетических процессов в измерительном устройстве. Рассмотренный подход, описывающий систему с точки зрения информационно-энергетических процессов, получил название информационного. В последние годы жизни этот подход развивал и Шеннон, введя в обиход основополагающую формулу, связывающую информационную пропускную способность C с полосой частот f, используемых при передаче информации:

где Pс и Pш - мощности сигнала переносящего информацию и шумов, соответственно.

Вопросы для самостоятельной подготовки

  1. Являются ли датчиком электронные часы?

  2. Как изменяется энтропия воды при фазовых превращениях?

  3. Почему единицей информации выбран бит?

  4. Чему равно информационное сообщение при выпадении сообщения «6» на игральной кости?

  5. Зависит ли выходной сигнал датчика от его импеданса?



35