Джон Ловин - Создаем робота-андроида своими руками
Для изготовления простого робота-охотника было использовано шасси, имеющее два двигателя постоянного тока с редукторами (см. рис. 8.21). Когда оба двигателя включены, робот движется вперед по прямой. Если один из двигателей выключен, то другой двигатель поворачивает конструкцию направо или налево.
Рис. 8.21. Общая схема робота – светоохотника
Для нашего робота-охотника при одинаковом освещении фоторезисторов нам необходимо подавать питание на оба двигателя. Для этого между выходом каждого из ОУ и базой NPN транзистора необходимо включить инвертирующий буферный каскад (см. рис. 8.22).
Рис. 8.22. Управление двигателями постоянного тока с помощью нейронных компараторов с инверторами
Поведение
Когда на один из фоторезисторов падает меньше света, чем на другой, один из двигателей соответственно выключается, а другой двигатель поворачивает устройство в направлении источника света. Когда световые потоки сравниваются, включаются оба двигателя и робот движется прямо по направлению на источник света.
Избегание светаЕсли мы поменяем местами выходы ОУ, управляющие двигателями, то поведение изменится на противоположное. Вместо того чтобы двигаться по направлению к источнику света, робот будет избегать света и искать «убежище».
Дополнительный тип поведения (питание)
Мы можем усложнить поведение робота-охотника, добавив еще один уровень «стимул-реакция» (см. рис. 8.23). Для этой цели подойдет еще одна управляемая светом схема компаратора, которая будет обеспечивать тип поведения «питание». Напомню, что принцип работы компараторов был изложен в гл. 5. Если у вас появились вопросы по рис. 8.23, то прочитайте еще раз эту главу. Второй слой надстроен сверху над первым. Когда интенсивность светового потока достигает критической величины, опорный детектор снимает напряжение с цепей первого слоя и системы питания двигателей. Если мы разместим на конструкции солнечную батарею и диод, то напряжение, генерируемое батареей, будет немного подзаряжать батарею NiCd аккумуляторов. Эту функцию мы назовем «питание».
Рис. 8.23. Схема компаратора для поведения типа «питание»
Еще один тип поведения (отдых)
Понятно, что у нас нет желания, чтобы робот-охотник перемещался в темноте, теряя при этом драгоценную энергию. Поэтому мы добавим еще один слой поведения. Третьим слоем будет еще один пороговый детектор (см. рис. 8.24). Этот детектор отключает напряжение от цепей первого слоя, системы питания двигателя и цепей второго слоя при уровне освещенности, близком к темноте. При повышении среднего уровня освещенности система восстанавливает питание первого слоя, подает напряжение на двигатели и цепи второго слоя.
Рис. 8.24. Схема компаратора для поведения типа «отдых»
Новый тип поведения
Посмотрим на поведение робота-охотника по трехуровневой (трехслойной) схеме «стимул-реакция» и посмотрим, можно ли классифицировать это поведение как «разумное». В полной темноте робот неподвижен, сосредоточивая всю активность на слое 3. При повышении уровня освещенности слой 3 индуцирует включение питания двух нижних слоев и активирует питание двигателей. На этом этапе слой 1 перехватывает управление устройством и направляет действия робота. Робот ищет и движется по направлению к источнику света. По мере продвижения к источнику света уровень освещенности нарастает. Когда освещенность достигнет критического порогового значения, схема слоя 2 отключит питание двигателей, переведя робота в режим «питание», что позволит ему «питаться» (подзаряжать аккумуляторы) с помощью солнечной батареи.
Решите ли вы считать такое поведение разумным или нет – зависит от вашего личного предпочтения. Подобные вопросы обсуждаются «с обеих сторон баррикад». В конце концов, подобное устройство иллюстрирует тот факт, насколько сложным может оказаться поведение при использовании иерархически уровневого построения системы по типу «стимул-реакция».
ВЕАМ-робототехника
Идеология ВЕАМ-робототехники была предложена Марком Тилденом во время работы в университете Ватерлоо в Канаде. Заинтересованность в роботах стиля BEAM возникла у Марка после лекции, прочитанной Родни Бруксом в Массачусетском технологическом институте, который Марк посетил в 1989 году. Профессор Родни Брукс рассматривал подход к конструированию роботов как систему по типу «стимул-реакция», названному «предикативной архитектурой».
Сокращение ВЕАМ (по-русски БЭАМ) представляет собой многозначный акроним, имеющий некоторое отношение к вопросам биологии, электроники, эстетики и механики. Я сказал «некоторое отношение», поскольку данный акроним можно толковать, например, как Биотехнологию, Эволюцию, Аналоговые системы и Модульные принципы.
Соревнования ВЕАМ-роботов
Для конструкторов ВЕАМ-роботов ежегодно проводятся соревнования по Олимпийской системе, программа которых включает 14 пунктов. Традиция подобных ВЕАМ-игр началась с первых международных соревнований, проведенных в Глазго, Шотландия, в 1990 году. Основной идеей философии ВЕАМ-робототехники является эволюция роботов: развитие от простых конструкций к сложным системам. Примером является идея отказа от обычных схем построения робота, управляемого «сверху» с помощью ЦПУ в пользу поведенчески ориентированных снизу вверх систем типа «стимул-реакция», построенных по иерархически «слойному» принципу (нейронные сети, системы нервных волокон). Марк Тилден назвал подобные стимул-реактивные конструкции «нервной сетью».
Тилден разработал несколько интересных конструкций роботов (см. рис. 8.25). В них использованы нервные сети, смоделированные на транзисторах. Поскольку Марк Тилден запатентовал схемы подобных нервных сетей, то найти публикации подобных схем в открытой печати не представляется возможным. По этой причине я не могу сейчас представить вам образцы подобных схем. Тем не менее среди работ Тилдена имеется книга «Living Machines».
Рис. 8.25. BEAM-роботы
Рисунок 8.26 озаглавлен Gumby Trks. Это «существо» представляет собой тип биомеханического «ходока», рассчитанного на передвижение по поверхностям различных типов. Здесь представлен Gumby 1.0, собранный на восьми транзисторах и имеющий длину 30 см, который оставляет след на песке пустыни, передвигаясь с помощью двух стерженьков с зацепами.
Рис. 8.26. Путешественник Gumby
На рис. 8.27 представлен робот Walkman 1.0. Эта первая модель 12-транзисторных «микростержневых» передвигающихся роботов, собранная из остатков пяти одинаковых кассетный плееров типа Walkman. Робот имеет семь чувствительных датчиков, включая два «глаза», и с помощью системы из пяти моторов может преодолевать поверхности достаточно сложного рельефа.
Рис. 8.27. Walkman 1.0
Электронный утиль
Конструкторы ВЕАМ-роботов гордятся тем, что используют в своих конструкциях различные, отслужившие свой век части электронных устройств: например, солнечные батареи от калькуляторов, экономичные двигатели от плееров Walkman и других кассетных магнитофонов, прижимные ролики, выключатели, конденсаторы, редукторы, соленоиды и прочие детали. Сбор электронного «утиля» и превращение его в работающие конструкции является проектом использования электронного «вторсырья».
Соревнования по ВЕАМ-робототехнике доступны всем. Все участники соревнований имеют равные условия для старта. Семилетние конструкторы имеют те же шансы на победу, что и профессора престижных колледжей. Был случай, когда победителем оказался семилетний ребенок.
Соревнования
Следующая информация является кратким конспектом программы соревнований по ВЕАМ-роботам. Полную информацию о программе и правилах соревнования можно получить в Калифорнийском университете. Адрес будет указан в конце главы.
Солнечная повозкаСоздать робот с питанием от солнечных батарей, который вмещается в куб со стороной 150 мм. Максимальный размер солнечной батареи 12х 65 мм. (7 кв. см.). Длина дорожки 1 м, ширина 150 мм. Соревнования проводятся при ярком солнечном свете (допустима замена галогенной лампой 500 Вт).
• Класс А. Гонки на гладком листовом стекле
• Класс В. Гонки по пересеченной местности
СветоохотникиСоздать робот с питанием от солнечных батарей, способный отыскивать цель и вмещающийся в куб со стороной 175 мм. Робот помещается вместе с соперниками в закрытый «Парк Юрского периода» на 30 часов. Победителями будут считаться роботы, продемонстрировавшие лучшие способности к выживанию, исследованию местности, противоборству, скорости и использованию мощности. Оценка этих качеств производится с помощью фото– и видеосъемки.
