1.9. Дискретные роботы. Целевое отношение

В данной книге мы ограничимся изучением только одного вида роботов, получивших название дискретных. Дискретными называют роботы, в которых сигналы, несущие информацию, имеют дискретный, прерывистый характер. Дискретными сигналами являются точки и тире азбуки Морзе, импульсы электрического тока, с помощью которых можно кодировать, передавать и запоминать тексты, составленные из различных символов, например букв или цифр. Естественно, что и процесс преобразования дискретных сигналов в дискретные сигналы является дискретным, состоит из отдельных шагов.

Известные в настоящее время датчики информации в большей части случаев являются приборами непрерывного характера, вырабатывающими сигналы, изменяющиеся непрерывным образом. Например, при восходе солнца освещаемый им фотоэлемент будет давать плавно возрастающее напряжение.

При похолодании термометр будет показывать плавно уменьшающуюся температуру. Существуют, конечно, и датчики дискретного характера, к числу которых относится, например, счетчик Гейгера, издающий отдельные звуковые импульсы (в форме треска) при прохождении через его камеру радиоактивных излучений.

В тех случаях, когда в состав дискретного робота входят рецепторы непрерывного действия, между рецептором и каналом связи должно находиться специальное переходное устройство, осуществляющее дискретизацию вырабатываемого датчиком информации сигнала.

Как сами датчики информации, так и устройства дискретизации вырабатываемых ими сигналов ставят перед инженерами много трудных и интересных проблем. Однако практика показывает, что инженеры всегда с ними справляются и довольно успешно. Не менее сложны и вопросы проектирования и реализации эффекторов. Тем не менее и эти вопросы, хотя и не сразу, но решаются. Сигнал, поступающий от преобразователя информации, если он недостаточно мощен для приведения эффектора в действие, должен быть преобразован в сигнал, несущий ту же информацию, но обладающий большой мощностью. Этот процесс мы будем называть энергизацией сигналов. Мы должны упомянуть об энергизации, но и эта проблема не является темой данной книги. Сигналы, поступающие в канал связи после их дискретизации, мы будем считать входными, а сигналы, поступающие в устройство энергизации или в эффектор (если энергизация не нужна) - выходными. Наша область - это проблема преобразования входных сигналов в выходные, при котором обеспечивается требуемое поведение робота.

Входные и выходные сигналы мы будем рассматривать как предложение двух языков, один из которых описывает возможные состояния внешней среды, а другой - действия эффекторов. Преобразователь информации воспринимает описание внешней среды и решает две задачи:

1. используя входные сигналы и ту информацию, которая хранится в запоминающем устройстве, он вырабатывает выходные сигналы;
2. перерабатывает входные сигналы вместе с информацией, взятой из запоминающего устройства, в новую информацию, подлежащую хранению в запоминающем устройстве вместо прежней.

Конечно, вторая задача может сводиться просто к незначительному изменению той информации, которая хранилась раньше. До начала функционирования робота в запоминающем устройстве должна быть записана некоторая начальная информация, которую полушутя называют "врожденной".

Очень упрощая проблему, можно себе представить, что входная информация возникает в моменты времени 1, 2, 3, ..., t, ... и что на работу преобразователя информации совсем не тратится времени. Тогда, обозначая через X_t и Y_t совокупности сигналов в момент t и через T_t-1 информацию в запоминающем устройстве в момент появления входного сигнала X_t, работу преобразователя можно описать парой формул:

В этих формулах F₁ называется функцией выходов, а F₂ - функцией переходов.

Абстрактное устройство, которое "работает" в соответствии с приведенной парой формул, в кибернетике известно под названием (абстрактного) конечного автомата типа Мили. При этом всю совокупность сигналов X_t называют входным символом, а Y_t - выходным символом. Для того чтобы теорию конечных автоматов Мили можно было использовать для прикидочного описания работы робота, нужно задать еще две формулы, одна из которых описывала бы влияние робота на ближнюю среду, а другая - обратную связь. Эти формулы будут иметь вид

В этих формулах S означает состояние ближней внешней среды, а Z - возмущение, вносимое в ближнюю внешнюю среду отдаленной средой.

Так как робот предназначается для действий в определенных условиях, то это возмущение обычно бывает незначительным. Вторая из этих формул, если положить в ней t = 0, дает нам начальное условие

Однако написанные нами формулы еще не позволяют судить о том, ведет ли себя робот так, как нам нужно, а ведь робот создают ради того, чтобы он выполнял определенные функции. Необходимо, чтобы робот приводил ближнюю внешнюю среду в определенное состояние, что будет выражаться в сигналах, вырабатываемых его рецепторами. Значит, следует задать условие, которому должны начать удовлетворять входные сигналы с учетом информации, содержащейся в запоминающем устройстве.

В математике условия, если их нужно передать в общем виде, обозначают какой-либо буквой, вслед за которой в скобках приводят перечень величин, которые в своей совокупности должны удовлетворять данному условию. Наше целевое условие запишем так:

Теперь, в очень огрубленном виде имеем математическое описание робота в виде системы формул (1) - (4). Сущность робота передает даже такое описание.

Интересно отметить, что формулы (2), если Z_t является постоянным, представляют собой описание абстрактного устройства, которое в кибернетике известно под названием конечного автомата Мура. О конечных автоматах можно прочитать в книге [3].

Крайне редко, вернее, лишь в простейших случаях, все перечисленные функции и целевое условие могут быть выражены аналитически (средствами математического анализа). Чаще всего условия и функции задаются в виде словесных описаний. При этом используются особые, совершенно точные формальные языки. Функции удается представить в виде алгоритмов и коллективов алгоритмов, о которых будет сказано в следующих главах. Забегая вперед, отмечу, что алгоритмы, описывающие преобразователь информации, могут быть реализованы аппаратно, и тогда говорят, что преобразователь является физической моделью алгоритма. Но возможна и так называемая программная реализация алгоритма, и тогда выполняющая его часть преобразователя становится чем-то похожа на специализированную ЭВМ. Наиболее выгодна комбинация этих двух возможностей.