7.5. Математическое обеспечение робота

Термин "математическое обеспечение" возник в области применения ЭВМ. Под математическим обеспечением ЭВМ понимают систему программ, удовлетворяющих следующим условиям.

1. Каждая программа в отдельности удовлетворяет системе правил, называемых системными соглашениями. Эти правила отражают связи, существующие в математическом обеспечении между образующими его программами.
2. Каждая программа в отдельности и вся их совокупность в целом документированы в соответствии с принятыми для системы математического обеспечения правилами документации настолько точными и детальными, что из них можно почерпнуть всю информацию, которая может потребоваться при эксплуатации машины, вместе с математическим обеспечением.
3. Все программы включены в библиотеку программ, структура которой задана для данной системы математического обеспечения.
4. Каждая программа выполнима на ЭВМ (или их системе), для которой создана система математического обеспечения, либо непосредственно, либо благодаря наличию других программ.

Эти четыре требования задают синтаксис системы математического обеспечения (МО) ЭВМ, его форму. Так, в литературе существуют требования, при выполнении которых литературное произведение признается стихотворением. Но одной формы мало для того, чтобы стихотворение кому-нибудь было нужно. Необходимо, чтобы оно обладало еще определенным содержанием. Так и МО должно обладать определенным содержанием: выполнять важные для пользователей ЭВМ функции. К числу таких функций относятся автоматизация программирования, облегчение работы оператора и ряд других.

Важнейшей функцией МО является создание необходимого режима работы ЭВМ. Необходимый режим зависит от того, для каких задач или для каких целей используется ЭВМ. Если ЭВМ предназначается для решения задач вычислительного характера, но весьма разнообразных, может быть целесообразен так называемый пакетный режим, известный в двух разновидностях: пакетный однопрограммный и пакетный многопрограммный. При пакетных режимах автоматизированы работы по переходу от одной задачи по ее окончании к другой. Если для решения задачи необходимо одновременное наличие в оперативной памяти большого объема информации, то приходится довольствоваться однопрограммной разновидностью. При многопрограммной разновидности в оперативной памяти находится сразу несколько программ, что позволяет наиболее рационально использовать оборудование машины, заставляя параллельно работать ее процессоры (например, если первой задаче понадобился ввод информации, то пока ее программа ждет, программный процессор переключается на программу второй задачи).

Если ЭВМ используется как многопультовая система коллективного пользования, то целесообразен режим разделения времени, при котором все пользователи как бы организованы в круговую очередь и ресурсы ЭВМ предоставляются им на короткие промежутки времени в порядке этой очереди, причем у каждого пользователя возникает чувство непрерывности его обслуживания машиной.

Для управляющей ЭВМ необходим так называемый режим реального времени, при котором отклик машины на ввод исходных данных происходит через такое время, что результат может быть использован как управляющий сигнал для управляемого ею объекта.

В применении к роботам понятие МО следует несколько конкретизировать. Прежде всего заметим, что робот является кибернетической системой, действующей под непосредственным влиянием внешней среды и оказывающей непосредственные воздействия на нее. Преобразователь информации робота является управляющей машиной и его режим должен быть режимом реального времени. Функции преобразователя нам уже ясны. Преобразователь информации реализуется как модель коллектива алгоритмов, причем некоторые алгоритмы в нем осуществлены аппаратно, а некоторые программно. При этом алгоритмы выполнения программ реализованы аппаратно.

Математическим обеспечением робота называется совокупность всех его программ.

Если робот реализован как совокупность технического оборудования (датчиков информации и эффекторов) и управляющей ЭВМ (которая может относиться к числу так называемых универсальных или к числу управляющих, но общего назначения), то все вышесказанное о МО ЭВМ остается в силе. Если же робот реализован как самостоятельная конструкция, без применения серийных ЭВМ, то требование 3 о включении всех программ в системную библиотеку программ перестает быть обязательным (хотя библиотечная структура МО и не исключается).

Вполне возможен случай, в котором одна ЭВМ является преобразователем информации нескольких роботов, без тою чтобы объединять их в один робот или коллектив роботов (см. гл. 8). При этом режим работы ЭВМ может представлять собой комбинацию режима коллективного пользователя с режимами реального времени каждого робота. Такое применение ЭВМ возможно при сравнительно простых программах преобразования информации у каждого из роботов или при достаточно больших допустимых временах отклика. Читатель, наверное, догадывается, что применение одной ЭВМ в качестве преобразователя информации сразу нескольких роботов - это прием, применяемый для промышленных роботов. В принципе возможна связь рецепторов и эффекторов роботов с ЭВМ по радио, например в роботах, забрасываемых на другие планеты.

Математическое обеспечение - важнейший атрибут сколько-нибудь сложного дискретного робота. Аппаратная реализация всех алгоритмов коллектива связана с большими техническими трудностями и материальными затратами. Интересно отметить, что при производстве серии роботов материальные затраты на техническую реализацию повторяются с каждым образцом, а при программной реализации - не зависят от числа образцов. Если стоимость разработки проекта Р, затраты на изготовление одного образца X, а затраты на разработку математического обеспечения у, то стоимость С одного образца с достаточной точностью передает формула С = X + Р/n + Y/n, где n - число образцов. При этом робот, имеющий математическое обеспечение, в определенной степени допускает модернизацию без внесения в аппаратуру каких-либо изменений (путем изменения программ).