Моделирование - экспериментальная основа роботостроения

Модель и моделирование

В науке моделью называют подобие конкретного объекта, для которого характерны процессы, сходные с процессами, происходящими в реальном объекте.

Современные научно-технические исследования и промышленное строительство ведутся с огромным размахом и большими затратами средств. Поэтому ошибки или просчеты, особенно, например, в космических исследованиях, могут привести к бесполезной трате материально-технических и людских ресурсов. Этого можно избежать, если предварительно изучить процессы и явления, протекающие в реальном объекте, с помощью модели.

При проектировании искусственных спутников Земли и космических кораблей желательно проводить аэродинамические исследования их моделей на скоростях, значительно превышающих скорость звука. При помощи моделей можно также предварительно изучить системы управления ракетами-носителями. Моделирование позволяет проверить правильность теоретических представлений, уточнить сущность тех или иных явлений, предсказать течение различных процессов.

В качестве модели можно применять устройство, имеющее и иную физическую природу, отличную от природы явлений оригинала.

В. И. Ленин в своей работе "Материализм и эмпириокритицизм" писал: "Единство природы обнаруживается в "поразительной аналогичности" дифференциальных уравнений, относящихся к разным областям явлений"^*.

^* (В. И. Ленин. Собр. соч., т. 18, с. 306.)

Существуют аналогии между законами, выражающими различные физические явления. Например, аналогичны закон Ома для электрического тока, закон Фурье для теплового потока и закон Дарси для скорости фильтрации жидкости через пористую среду. На основе метода аналогии создают модель, в которой известные процессы, удобные с точки зрения измерений искомых величин, описываются той же системой уравнений, что и изучаемые процессы в оригинале.

В настоящее время все большее значение приобретает моделирование биологических и физиологических процессов, оно осуществляется в разных направлениях. Создаются протезы различных органов человека. Большой интерес представляет имитация при помощи средств современной электроники некоторых функций человеческого мозга и нервной системы.

Моделирование является методом исследования многих проблем современной кибернетики, изучающей общие вопросы процессов управления и контроля сложных технических систем, живых организмов и их коллективов. Различные методы моделирования не исключают, а взаимно дополняют и развивают друг друга, обеспечивая возможность быстрого и всестороннего изучения процессов в новых устройствах, машинах и сооружениях, значительно снижают затраты на их создание, ускоряют их разработку и ввод в эксплуатацию.

Современные любительские конструкции роботов содержат множество сложных радиоэлектронных систем, предварительную отработку которых целесообразно проводить на моделях. В качестве технического средства моделирования различных систем роботов, позволяющего ускорить их создание и добиться оптимальных режимов работы, можно рекомендовать самодельное "Электронное домино" или так называемые радиокубики, выпускаемые промышленностью.

Дело в том, что даже в сравнительно элементарных схемах имитации "речи" автоматов (электронные сирены и др.) или "речи" животных (пения птиц, лая собаки и др.), содержащих сотню и более деталей, требуемое подобие сигналов схемы естественной "речи" животных (или автоматов) можно получить, меняя одновременно в разных местах схемы параметры трех-пяти различных деталей. Вот тут-то и приходит на помощь "Электронное домино".

"Домино" позволяет быстро и весьма наглядно освоить основные вехи развития радиоэлектроники от создания простейшего детекторного приемника до получения импульсных схем и элементов электронных вычислительных машин. Для любителей-роботостроителей такое "Домино" очень удобно, и его можно сделать самим.

На рис. 24 наглядно показано, как из кубиков "Домино" можно собрать самые различные схемы - от простейшего детекторного приемника до громкоговорящего приемника или даже модели нейронов мозга.

Для изготовления кубиков "Домино" лучше всего использовать готовые пластмассовые кубики, например от "Азбуки на кубиках", и смонтировать в каждый три-четыре магнита, притягивающие кубики друг к другу и прижимающие при этом латунные или посеребренные контактные пластинки, укрепленные на них. Такая конструкция очень удобна. Кубики притягиваются друг к другу, и схема "вырастает" за 1,5 - 2 мин. Если нет магнитов, возможен целый ряд различных вариантов изготовления "Электронного домино", о котором говорится дальше.

Как сделать кубики с магнитами, показано на рис. 25. Сам кубик представляет собой половину пластмассового кубика размером 3,5X3,5 мм. К каждому магниту перед его установкой следует припаять кусочек проволоки для крепления радиодеталей, в боковых сторонах кубика прорезать отверстия, магниты приклеить эпоксидной смолой или другим клеем (БФ-8, К-88 и т. д.) так, чтобы они выступали из отверстий на 0,2 мм.

Рис. 24. От простейшего детекторного приемника (а) до громкоговорящею приемника (б, в) или даже модели нейронов мозга (г)

Рис. 25. Кубики с магнитами: 1 - место разреза кубика; 2 - отверстия для магнитов; 3 - провод для подпайки деталей; 4 - контактная пластинка (низ припаять); 5 - магниты

Число магнитов в кубике (от двух до четырех) определяется числом контактов. Больше всего магнитов (четыре) в кубике с транзисторами и кубике, соединяющем четыре детали схемы. В кубике с заземлением один магнит устанавливают снизу - он соединяет схему с железной пластиной, на которой собирается вся схема. Таким образом, железная пластинка является "массой" схемы и к ней примыкают все контакты, которые заземляют, а также " + " источника питания.

Из рисунка понятна конструкция кубиков, способ крепления в них деталей и контактных пластинок. К внешней стороне магнита (к одному краю) обязательно надо припаять контактные пластинки из латуни или посеребренной латуни, иначе между магнитами не всегда будут надежные контакты и по схеме придется постукивать, прижимать кубики друг к другу и т. д. Все магниты в каждом кубике надо расположить так, чтобы полюс "Север" одного магнита находился рядом с полюсом "Юг" другого. Все магниты во всех кубиках надо расположить "по часовой стрелке" или все "против часовой стрелки". Тогда ни один кубик не будет отталкиваться от другого, и все будут только притягиваться друг к другу.

Если у вас нет магнитов, то "Электронное домино" можно сделать иначе. В основании каждого кубика (в середине) нужно установить штырь, который будет удерживать кубик на пластине-основании и одновременно являться, когда это нужно, контактом для заземления. В этом случае половинки пластмассовых кубиков придется располагать на пластине-основании открытой стороной кверху, а после окончательного монтажа деталей, контактных пластинок и проверки кубика в действии нужно будет заклеить кубик сверху крышечкой и нанести на нее обозначение детали.

26. Кубики без магнитов: 1 - латунные контактные пластинки; 2 - место пайки; 3 - отверстие для крепления контактной пластинки; 4 - контактная пластинка; 5 - транзистор; 6 - лепесток для крепления 'земляных' выводов; 7 - направляющий и контактный стержень в основании кубика; 8 - пластина с отверстиями

Кубики в этом случае будут фиксироваться на пластине-основании своими направляющими штырями, входящими в отверстия пластинки (рис. 26). Проще всего для этого использовать болтики диаметром 3 мм. Контакты между деталями обеспечивают латунные пластинки; в кубиках без магнитов много места и контактные пластинки можно выполнить и укрепить самым различным способом.

При тщательном изготовлении контактных пластинок, точной разметке отверстий на железных пластинках и точном размещении направляющих штырей на кубиках конструктор без магнитов будет работать еще надежнее, чем с магнитами.

Очень хорошая и дешевая конструкция получается, если на кубиках "Домино" установить кнопки для одежды диаметром 8-10 мм

После того как вы изготовите достаточное количество кубиков, можно приступить к моделированию из них различных радиоэлектронных схем. Его проще начинать с моделирования радиоприемных устройств, так как в эфире всегда имеются сигналы радиостанций, по громкости и качеству воспроизведения которых можно судить о влиянии различных параметров схем на их работу (степень усиления сигналов, искажения сигналов и т. п.). Освоив на радиоприемных схемах принципы построения различных усилительных схем, схем детектирования, регулировки усиления, можно перейти к следующей ступени - изучению различных импульсных, логических и других схем, составляющих основу современных кибернетических устройств. Эти схемы сложны, но становятся вполне доступными благодаря "Электронному домино".

Начнем моделирование с простейшего детекторного приемника, а закончим громкоговорящей схемой на пяти-шести транзисторах.