Глава 1. Идея создания Бастера

Вы вступаете в необычный и чудесный мир Бастера. Говорят, что правда более невероятна, чем вымысел; это справедливо и в области науки. Бастер может показаться нам более удивительным, чем плод научной фантастики. Но настоящую книгу нельзя отнести к жанру научной фантастики, хотя в ней рассказывается, как с помощью современных достижений электроники можно самому построить самую необычную машину.

Что такое Бастер?

Бастер трудно описать в нескольких словах. Отчасти это объясняется тем, что Бастер одновременно соединяет в себе два различных качества: это машина и одновременно некий эволюционный процесс, причем машина уникальная и процесс весьма необычный.

Как машина Бастер представляет собой аппарат наивысшего уровня, который может создать современная техника. В качестве машин низшего уровня можно назвать ручные инструменты, такие, как молоток, отвертка и плоскогубцы. На втором уровне находятся более сложные, экономящие человеческий труд устройства, такие, как двигатели и самоходные повозки. Вычислительные машины представляют собой еще более высокий уровень - это машины, которые экономят не только физическую, но и умственную энергию человека.

Бастер - машина более сложная, чем каждый из этих уровней. Он сложнее ручного инструмента, управляемого человеком, двигателя или вычислительной системы. Бастер - машина, способная ставить себе цели и достигать их в пределах своих собственных логических и физических возможностей. В отличие от машин низших уровней Бастер может функционировать без вмешательства человека. Конечно, Бастер может и взаимодействовать с оператором - при условии, что у него в это время нет более неотложных дел. В принципе Бастер в его завершенном виде может в течение длительного времени вести "активную жизнь", не вступая в контакт с человеком. Множество более простых машин так же может работать без вмешательства человека; однако они не могут ставить себе собственные цели.

Бастер поэтому действительно относится к машинам более высокого уровня. Машины следующего уровня должны уже быть способны к самовоспроизведению в более совершенном виде, однако ни современная технология, ни человеческое общество еще не созрели для этого класса машин. В разных исследовательских лабораториях мира создан ряд машин класса Бастера, порой даже намного более сложных, чем он. Однако единственное различие между Бастером и самыми лучшими роботами заключается в том, что более сложный робот просто выполняет большее число операций того же класса.

Особое положение, которое Бастер занимает в мире машин, обусловлено тем, что он обладает системой рефлексов, сходных с рефлексами животных. Рефлекторная система животных служит им главным образом как механизм выживания, т. е. самосохранения; поведение животных и определяется в первую очередь стремлением к выживанию. Бастер также обладает рефлекторной системой самосохранения; например, когда его энергоблок испытывает "голод", он самостоятельно предпринимает шаги для подзарядки.

Бастер наделен также потребностью к действию. Его главная жизненная цель, помимо обеспечения "пропитания", состоит в том, чтобы находиться в состоянии движения. Он часами блуждает по дому, заглядывая во все углы или катясь по прямой. Если хозяин Бастера не примет надлежащих мер предосторожности, Бастер может попасть в беду. Но, если его механическое повреждение не будет слишком серьезным, Бастер сам найдет способ выйти из затруднения или же начнет звать на помощь.

Какую пользу может приносить Бастер? Я считаю, что такой вопрос неправомерен. Это все равно, что спрашивать, какую пользу приносит щенок. Помимо удовлетворения от преодоления технических трудностей при постройке подобной системы, "польза" от Бастера - возможность играть с ним и наблюдать за его действиями. Бастера можно обучить делать разные фокусы или, скажем, приносить газету, но то же способен делать и щенок (и это обойдется гораздо дешевле!). Чтобы захотеть построить такую машину, надо обладать определенным складом характера; экспериментатор должен быть охвачен стремлением непосредственно поработать с техникой самого высокого класса, доступной нам на сегодняшний день.

Бастер - не только машина, но и процесс. В отличие от большинства других электронных устройств Бастер "оживает" еще до того, как его система полностью завершена. На протяжении этой книги Бастер постепенно совершенствуется шаг за шагом, причем на каждом этапе его поведение обогащается все новыми и новыми деталями.

Такая программа, ориентированная на постепенную эволюцию, обладает тем преимуществом, что дает экспериментатору возможность пожинать плоды затраченных им усилий, времени и средств задолго до ее полного завершения. Построив шасси, источник питания и систему управления двигателями, вы можете добавлять любые функции в соответствии с имеющимися у вас временем, финансовыми возможностями и вашим настроением. И в любой момент у вас будет машина, в равной мере забавная и поучительная.

Краткое изложение программы Бастера

В программе создания Бастера можно выделить три основные фазы: Бастер I, Бастер II и Бастер III. Завершение каждой из этих фаз знаменует собой существенный прогресс в поведении Бастера. Для удобства мы будем именовать Бастер соответственно фазе его развития. Так, например, на протяжении первых семи глав мы будем называть его Бастер I. На второй фазе он уже будет именоваться Бастер II. Отметим, что Бастер I представляет собой работающую модель, у которой лишь отсутствуют некоторые более тонкие формы поведения, характерные для Бастера II и Бастера III.

Последующее краткое изложение программы разработки Бастера следует изучить до начала работы над ней и руководствоваться ею по ходу выполнения. Бастер - это обширная программа, и экспериментатору легко потерять основную нить разработок. Постоянное обращение к программе позволит глубже понять значение каждого этапа и не даст вашей мысли сбиться с правильного пути.

Бастер I

Бастер I представляет собой колесную машину, способную двигаться и поворачиваться по командам, подаваемым с простой панели управления. Бастер I может двигаться вперед и назад с тремя различными скоростями и делать повороты направо и налево с различным радиусом крутизны. Панель управления подсоединяется к машине посредством кабеля.

Этой фазе программы посвящены гл. 2-7. В начальных главах вы познакомитесь с материалами, необходимыми для создания четырехколесного шасси, источника питания и двигателей поступательного движения и поворота. Выполнение работы, описываемой в гл. 2, потребует значительных расходов. Упоминаемые в этой главе оборудование и детали делают ее наиболее "дорогостоящей" во всей программе. Описываемая временная панель управления уже даст вам возможность с помощью кабеля управлять движением Бастера по полу.

В гл. 3 описываются схемы, которые делают систему управления двигателями более изящной. Начиная с этого момента, Бастер управляется посредством низкоуровневых логических сигналов, а не путем непосредственного включения тумблеров, подающих питание на двигатели. Рассмотренную в предыдущей главе панель управления можно приспособить и к этому усовершенствованному варианту Бастера I.

Гл. 4 является первой из большого числа глав, посвященных разработке, изготовлению и испытанию логических схем управления. Целью главы является создание системы управления скоростью движения при прямом и обратном движении Бастера. Для управления скоростью можно использовать ту же панель, подвергнув ее лишь очередной модификации.

В гл. 5 в системе впервые появляется автоматическое действие. Схема содержит логические элементы и датчики обратной связи, необходимые для управления поворотом. Наиболее изящной частью системы управления поворотом является блок автоматического выведения колес в среднее положение при выключении команды поворота. И хотя временная панель управления выглядит уже несколько громоздкой, ее можно еще раз модифицировать в соответствии с добавленной новой функцией управления поворотом.

Гл. 6 является одной из наиболее важных для всей программы, так как она отмечает момент, когда растущее число управляющих тумблеров неожиданно заменяется четырьмя простыми переключателями. Однако более существенным является то обстоятельство, что эта схема превращает Бастер в машину, которая управляется двоичным кодом. Тому, кто незнаком с преимуществами двоичного управления, эта часть программы может поначалу не слишком понравиться, однако приложив определенные усилия, чтобы познакомиться с двоичной логикой и двоичным управлением, вы об этом потом не пожалеете.

После завершения работы, описанной в гл. 6, использовавшуюся до сих пор временную панель управления можно заменить простой двоичной панелью, которую в дальнейшем уже не придется модифицировать.

В гл. 7 подводятся итоги работы над Бастером I и рассматриваются некоторые новые варианты панелей управления. Хотя машина по-прежнему движется по командам оператора, она может произвести сенсацию среди людей, никогда не видевших что-либо напоминающее настоящий робот. Но, кроме всего прочего, с Бастером I очень интересно играть.

Бастер II

На протяжении первой части второй фазы программы посторонний наблюдатель не заметит больших изменений в возможностях Бастера. Гл. 8 и 9 посвящены созданию автономной системы рефлексов и "мозга" Бастера. К концу гл. 9 Бастер оказывается уже способным самостоятельно принимать решения, хотя еще не имеет возможности реализовать свои намерения.

Создание первой и наиболее важной рефлекторной системы завершается в гл. 10. Бастер II теперь наделен набором контактных датчиков и системой управления, которая задает соответствующее рефлекторное движение при столкновении с твердым объектом. Этот рефлекс отъезда от препятствия имеет более высокий приоритет, чем все прочие действия, выполняемые Бастером, включая и непосредственное управление от человека-оператора. Бастер II наделен также способностью двигаться вперед с максимальной скоростью, когда он не отъезжает от препятствия. Другими словами, на этом этапе программы Бастер превращается как бы в независимое существо.

Гл. 11 охватывает схемы, необходимые для обнаружения разрядки аккумуляторов и подачи оператору сигнала об этом. Это лишь первая часть режима "голод", полная схема которого завершается лишь на этапе Бастер III. Схема аварийного сигнала разрядки аккумуляторов (гл. 11) служит также для подачи аварийного сигнала в ситуации, когда Бастер попадает в ловушку между двумя неподвижными объектами.

Наконец, в гл. 12 мы освобождаемся от кабеля, соединяющего машину с панелью управления. Для реализации современной схемы акустической связи, которая обеспечит дистанционное управление Бастером, потребуется затратить много времени и усилий. К слову сказать, форма сигналов связи удовлетворяет требованиям, предъявляемым к системам информационной связи между телефонной сетью и бытовой радиоаппаратурой.

Этап Бастера II завершается в гл. 13, которая подытоживает различные режимы работы, имеющиеся в вашем (и Бастера) распоряжении, и предлагает некоторые заманчивые возможности использования этой системы.

Бастер III

Этап программы Бастер III начинается с рассмотрения обобщенного отслеживания. В то время как для Бастера II характерны некоторые рефлекторные реакции и автономная активность, основная задача на этапе Бастер III - придать Бастеру возможность активного поиска цели. Блок "слежение", который описывается в гл. 14, может использоваться всякий раз, когда Бастеру требуется следовать за целью или обнаружить ее.

В гл. 15 завершается реализация блока "голод", работа над которым была начата в гл. 11. Созданная в этой главе схема лишь обнаруживала разрядку аккумуляторов и свистком подавала оператору сигнал. Обладая блоком "слежение", Бастер больше не нуждается в помощи извне, если заряд его аккумуляторов кончается; он просто отыскивает свое устройство подзарядки аккумуляторов и подключается к нему.

После того как работа, описанная в гл. 15, завершена, Бастер III становится совершенно независимым созданием. Он может часами блуждать, отъезжая от твердых предметов и мчась по полу с полной скоростью, а когда аккумуляторы разряжаются до критического уровня, он немедленно отыскивает зарядное устройство. Подзарядив аккумуляторы, Бастер выбирается из "гнезда" и возобновляет свою лихорадочную активность. Вы можете взять на себя управление с помощью панелей местного и дистанционного управления, однако Бастер III всегда сохраняет свои рефлекторные реакции, которые имеют более высокий приоритет, нежели почти все команды, подаваемые оператором.

Начиная с этого момента все дальнейшие дополнения к системе Бастер III - всего лишь глазурь на пирожном. В гл. 16 предлагается блок отслеживания линии, который задает Бастеру движение вдоль любой светлой полосы на полу. Рассматриваются и другие действия слежения, благодаря которым Бастер может откликаться, если к нему обратятся.

Бастер III совместим с современными системами обработки данных почти любого вида: при оснащении соответствующим набором датчиков он в той степени, в какой это позволяют ваш талант, воображение и ресурсы, будет все более превращаться в "механическое животное".

Как пользоваться этой книгой?

Материал в книге изложен таким образом, что позволяет продвигаться вперед шаг за шагом. Закончив построение шасси и блока питания, вы можете остановиться на любом этапе, и тем не менее у вас будет работающий робот, с которым можно играть.

Система Бастера чрезвычайно сложна по сравнению с другими видами программ, обычно предлагаемых для самодеятельного творчества. Это означает, что вы можете переходить от одной стадии к другой только обладая четким пониманием того, что вы уже сделали и что собираетесь сделать.

Поэтому весьма важно время от времени обращаться к приведенному выше краткому изложению программы Бастера.

Каждый последующий шаг основывается на всей предыдущей работе, поэтому успех в реализации новой схемы зависит в значительной степени от качества всего сделанного ранее. Ни одну схему в программе нельзя считать законченной, если она не функционирует должным образом. Необдуманно переходя от одного этапа к другому, можно попасть в безнадежно запутанное положение.

Внимательно прочтите каждую главу, прежде чем начать работу над описанными в ней схемами. В некоторых главах предлагается несколько вариантов одной и той же схемы, и вам предстоит самому выбрать ту из них, которая вам больше всего подходит. Было бы очень обидно создать собственный вариант схемы лишь для того, чтобы чуть позднее обнаружить в той же главе более интересную схему.

Читая книгу с опережением, вы сможете более точно оценить то, что вы делаете. Можно, конечно, собрать схему, не понимая, как она работает, но совсем другое дело отладить ее методом проб и ошибок.

Получив общее представление о том, что предлагается в очередной главе, прочтите ее снова, обращая внимание на подробности, касающиеся технических характеристик и принципа действия системы.

Во многих отношениях Бастер - поразительная машина, но его возможности имеют свои пределы. Вы должны обладать реалистическими представлениями о том, что может и чего не может дать Бастеру новая схема.

Некоторые схемы можно собрать и полностью проверить до размещения деталей на печатной плате. Сборка схемы в виде обычного монтажа дает вам возможность разобраться со схемой и повозиться с ней. Кроме того, всегда возможно, что некоторые элементы схемы отличаются от тех, которые описываются в этой книге. Например, вам может быть удобнее использовать в приводах движения и поворота двигатели на 12, а не, как предлагается, на 6 В. В таких случаях предварительное макетирование схемы - простая предусмотрительность.

Некоторые логические схемы, однако, слишком сложны, чтобы их можно было собрать не на печатной плате. Если у вас нет возможности воспользоваться специальной панелью для разработки устройств на интегральных микросхемах, может быть легче спроектировать печатную плату непосредственно по предлагаемой схеме.

В книге приведено лишь несколько рисунков печатных плат. Вам представляется возможность выбрать свои более эффективные и искусные варианты размещения элементов, чем предложено мною.

Обратив внимание на любую схему, содержащую интегральные схемы, вы заметите на них обозначения выводов. Например, вывод 2-13 означает вывод 13 на ИС 2. В случае микросхем, содержащих 2 или более одинаковых элементов, не обязательно следовать приведенному варианту разводки выводов.

Описание каждой схемы содержит краткие замечания относительно общей последовательности настройки и испытания. Едва ли есть смысл приводить полный набор указаний по проверке, предусматривающий любую возможную неисправность в схеме, так что на вас возлагается задача устранения частных неисправностей, следя по схеме и пользуясь соответствующими таблицами истинности и логическими уравнениями.

Некоторые практические рекомендации

Эту книгу следует рассматривать в качестве руководства по программе Бастера, а не как подробнейший набор указаний. Вам самим надлежит принять многие решения по таким вопросам, как метод изготовления печатных плат, распайки, а также использования стандартного оборудования различных типов.

При разработке более сложных вопросов проектирования Бастера я руководствовался двумя критериями: 1) система должна быть максимально надежной, 2) стоимость ее должна быть по возможности низкой. В некоторых подсистемах эти требования противоречили друг другу, и я был вынужден идти на компромиссы, которые не всегда оказывались вполне удовлетворительными.

Случаи, в которых я столкнулся с противоречием между надежностью и стоимостью, четко указаны; вы можете усовершенствовать систему, насколько это позволяют ваше воображение, талант и финансовые возможности.

Ни на одной из схем не показаны конденсаторы, подключаемые между положительным полюсом источника питания и земляной шиной с целью сглаживания выбросов в цепи питания. Реальная необходимость в этих конденсаторах определяется рисунком вашей печатной платы и характером соединения ее с источником питания. Всякий раз, когда вы сталкиваетесь с проблемой ошибочного переключения, следует попытаться подключить конденсатор емкостью 10 мкФ между положительным выводом источника питания и земляной шиной на данной плате.