Вадим Мацкевич - Занимательная анатомия роботов
Моделирование радиоэлектронных робототехнических устройств на микросхемах. Самыми совершенными радиоэлектронными модулями являются интегральные микросхемы, содержащие в небольшом объёме очень большое число радиодеталей. На рис. 20 показан кристалл микросхемы рядом с муравьём. Не правда ли, впечатляющее сравнение?
Если вы хорошо усвоили все предыдущее, то сумеете работать и с микросхемами. Здесь придётся пользоваться специальным паяльником с очень тонким жалом, пинцетом и другими миниатюрными инструментами. С микросхемами надо обращаться очень аккуратно и грамотно.
Устройства, собранные на микросхемах, как правило, не требуют налаживания и конструктивно выглядят весьма простыми. Большой популярностью пользуются микросхемы серии К155, выполненные на основе транзисторно – транзисторной логики (ТТЛ). В этой серии есть многовходовые элементы И – НЕ, триггеры, счётчики, дешифраторы, запоминающие и другие устройства.
Чтобы помочь читателям освоить микросхемы и приступить к сознательному моделированию микроэлектронных робототехнических устройств, разработан и выпускается промышленностью «Конструктор для изучения микросхем и логических основ построения ЭВМ» (рис. 21). Он очень прост и может быть выполнен дома или в кружке робототехники. Этот конструктор позволяет на одной из самых распространённых микросхем К155 Л A3, состоящей из четырёх логических элементов 2И – НЕ, проделать десятки экспериментов.
Рис. 20. Кристалл микросхемы и муравей
Рис. 21 Конструктор для изучения микросхем и югических основ построения ЭВМ
Он состоит из упомянутой микросхемы и набора резисторов, конденсаторов, светодиодов, кнопок и гнёзд. Соединяя отдельные элементы конструктора проводниками, подключаемыми к гнёздам, можно собирать на микросхеме до 30 радиоэлектронных устройств.
Кибернетический конструктор. Выпускаемый промышленностью кибернетический конструктор (рис. 22) позволяе! собирать из микросхем серии К155 основные узлы ЭВМ и различные занимательные радиоэлектронные устройства. С помощью конструктора можно ознакомиться с функциями половинного сумматора ЭВМ, дешифратора, регистра, накопителя, счётчика, элементов памяти ЭВМ и т д. Он позволяет моделировать ряд устройств, различных робототехнических систем.
Рис. 22 Кибернетический конструктор для изучения основных элементов и узлов ЭВМ и моделирования различных работа – технических систем.
Принцип его построения такой же, что и у конструктора, предназначенного для изучения логических основ построения ЭВМ, но в нём предусмотрена сборка устройств, состоящих из нескольких (до четырёх) микросхем. Этот конструктор также может быть изготовлен в кружке робототехники.
4. Моделирование речи
Искусственная речь и связанные с ней проблемы
Говорящие машины уже существуют. Словарь их пока небольшой и состоит из слов, произнесённых человеком и записанных на магнитный барабан. Наиболее известный тому пример – говорящие часы, работающие на многих телефонных станциях.
Машины, использующие предварительно записанную речь, довольно дёшевы и очень удобны, если число сообщений невелико, но непригодны, если требуется обычная непрерывная речь. Одна из причин состоит в том, что с возрастанием числа хранимых слов хранилище записанных слов становится слишком большим и дорогим. Другой причиной является то, что в разговорной речи одно и то же слово может участвовать в предложениях разного типа, с различными ударениями, интонациями и несколькими вариантами произношения. Поэтому невыгодно использовать непосредственную запись речи для говорящих машин более общего типа. Выгоднее машины, в некотором смысле моделирующие работу голосовой системы человека. Машины, которые не воспроизводят ранее записанную речь, а синтезируют её, называют «синтезаторами речи».
История синтезаторов речи очень стара. Наиболее ранние были непосредственными копиями человеческого речевого аппарата и использовали воздуходувные меха, язычки и резонаторы. Управляли этими машинами, как правило, вручную, с помощью набора рычагов. Одна из таких машин была построена Вольфгангом фон Кемпелиа в конце XVIII века. Известно, что она очень хорошо имитировала речь, хотя не совсем правильно воспроизводила некоторые звуки. В 1920 году акустическая модель Р. Пэджета произносила целые фразы, например: «Алло, Лондон, вы слушаете?» или «О, Лейла, я люблю Вас!». Для этого автору приходилось руками очень искусно изменять форму резонирующей полости машины.
При дальнейшем моделировании оказалось (как часто бывает при моделировании функций человеческого организма), что воспроизведение человеческой речи исключительно сложно. Развитие говорящих машин стало действительно возможным только с появлением современной электронной техники, которая позволяет достигнуть необходимого уровня сложности.
Убедиться в сложности речевых сигналов позволяют спектрографы или анализаторы спектра. Простейшим прибором для частотного анализа является резонансный частотомер, содержащий ряд упругих стальных пластин с различной частотой собственных колебаний. При подаче на электромагнит этого прибора сигналов речи поле электромагнита возбуждает только ту пластину, собственная частота которой совпадает с частотой исследуемого сигнала.
На рис. 23 показан получающийся таким способом частотно – временной спектр звука сирены с постепенно повышающейся частотой, а на рис. 24 – спектр звука отдельного слова, произнесённого человеком. Как видно из рисунков, звуковые колебания, образующие речь (в отличие от речи автомата – сирены), содержат много составляющих, которые в сумме создают сложную звуковую картину. К сожалению, эти картины очень отличаются не только у различных дикторов, но даже у одного и того же человека в разное время.
Рис. 23. Спектр звука сирены Рис. 24. Спектр слова, произнесённого человеком
Взгляните на шесть контурных диаграмм английского слова «You» (рис. 25) – и вы убедитесь в этом.
Рис. 25. Контурные диаграммы английского слова «You»
Диаграммы получены от пяти различных людей, только нижние две диаграммы – от одного человека (на диаграммах контурные линии отображают различную интенсивность звучания).
Простейшие устройства речи роботов
Каждому ясно, что проще всего сделать говорящую модель, если в неё установить магнитофон. В отдельных случаях это решение подходит. Но в таком варианте больше механики, чем электроники, а сейчас электронные синтезаторы речи и вокодеры более современны и интересны.
Однако и магнитофонная речь вполне применима в некоторых речевых системах роботов, например в конструкции робота – секретаря, отвечающего на телефонные звонки: «Хозяина дома нет» или «Сообщите, что ему передать» и т.д.
В пионерском лагере им. Вити Коробкова (Крымская обл.) ребята вмонтировали магнитофон в модель фанерного львёнка (рис. 26). Если потянете львёнка за хвост – вспыхивает малиновым светом ротик, загораются зелёные глазки, он поднимает лапы и громко заявляет: «Хочу к маме в Африку или в пионерский лагерь „Иссары“!».
Рис. 26 Модель говорящего львёнка
Не скажешь, что электромеханическая система львёнка проста. Над ней пришлось потрудиться. Пришлось смонтировать магнитофон «Нота» с кольцевой лентой, на которую записали речь львёнка. Чтобы фраза каждый раз начиналась сначала, а не с произвольного места записи, ребята сделали фотоэлектронное устройство. Потребовалось установить систему конечных выключателей для коммутации ламп подсветки рта и глаз, магнитофона, усилителя. Чтобы звук был громче, применили четыре двухваттные динамические головки.
Но вот оказывается, что забавную систему речи иссаровского львёнка можно применить с пользой для сельского хозяйства в кибернетическом чучеле.
Кибернетическое чучело
Вам никогда не приходилось в пору созревания вишни бывать на Украине или в Молдавии? В это время тем, кто имеет сад, приходится выдерживать настоящие сражения. Кто же этот враг, который без объявления войны нападает на наши сады? Трудно даже поверить, – это птицы, и в основном те, кого мы весной встречаем скворечниками, – наши черногрудые скворцы!
В конце лета бесчисленные стаи птиц – скворцы, дрозды, воробьи – наносят громадный ущерб нашим садам. Численность скворцов в стаях доходит иногда до нескольких тысяч. Такой ораве достаточно нескольких минут, чтобы сад был опустошён. Ни одной ягодки обычно не остаётся…
