актике
современного технического конструирования?

  МОДЕЛЬ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

  Современные научно - технические исследования и промышленное строительство
ведутся с огромным размахом, и на них затрачивается много средств
(вспомним хотя бы о космических исследованиях). Поэтому ошибки или
просчеты могут привести к бесполезной грате материально - технических и
людских ресурсов. Этого можно избежать, если предварительно изучить
процессы и явления, протекающие в реальном объекте, с помощью модели. В
технике моделью называют уменьшенное или упрощенное подобие интересующего
нас объекта, для которого характерны процессы, сходные с процессами,
происходящими в этом реальном объекте. Изучение свойств модели дает
ориентировочное представление о свойствах и возможностях объекта.
  В качестве моделей иногда применяют устройства, имеющие физическую
природу, отличную от природы оригинала.
  Недаром В. И. Ленин в своей работе "Материализм и эмпириокритицизм" писал:
"Единство природы обнаруживается в "поразительной аналогичности"
дифференциальных уравнений, относящихся к разным областям явлений"
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 и создают модель. В ней
известные процессы, все параметры которых легко поддаются измерению,
описываются той же системой уравнений, что и изучаемые процессы в
оригинале.
  Современные любительские конструкции роботов содержат множество сложных
радиоэлектронных систем, предварительную отработку которых также
целесообразно проводить на моделях. В качестве технического средства
моделирования различных систем роботов можно рекомендовать радиокубики. Мы
уже их упоминали, а теперь расскажем о них подробнее.
  Даже в сравнительно простых имитаторах речи автоматов ("электронные
сирены" и др.) или "речи" животных (пение птиц, лай собаки и др.),
содержащих сотню и более деталей, требуемое подобие сигналов схемы
естественной "речи" животных или машин можно получать, меняя параметры
трех - пяти различных деталей. Вот тут - то и приходят на помощь
радиокубики. Они позволяют быстро и весьма наглядно решать основные задачи
радиоэлектроники - от сборки простейшего детекторного приемника до
различных импульсных устройств и элементов электронных вычислительных
машин. Для любителей - роботостроителей такие кубики очень удобны. Они
есть в продаже, но их можно сделать и самостоятельно. Из кубиков собирают
самые различные устройства - от простейшего детекторного приемника до
громкоговорящего приемника или даже модели нейронов мозга.

  МОДЕЛИРОВАНИЕ
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ИЗ РАДИОКУБИКОВ

  Радиокубики - это небольшие пластмассовые коробки, в которые вмонтированы
различные радиодетали и магниты, притягивающие кубики один к другому и
соединяющие их в единое работающее устройство (рис. 10). На каждом кубике
изображено условное обозначение содержащихся в нем деталей. Имея набор
таких кубиков, можно в считанные минуты собрать из них самые различные
устройства. Их собирают на металлической пластине, являющейся одновременно
общим проводом устройства. Источником питания служат батарея "Крона", или
две батареи 3336, или сетевой блок.



  Рис. 10. Набор радиокубиков


  В конструкции радиокубиков применен минимум деталей. На боковых сторонах
кубиков установлены контактные пластины из нейзильбера, к которым изнутри
кубиков припаяны проводники или радиодетали. За контактными пластинами
расположены ферритовые магниты.
  Изучение электроники на кубиках начинают с простейших электрических
устройств. На этом этапе знакомятся с назначением различных радиодеталей,
RC - цепями, транзисторами и их свойствами. Затем можно перейти к освоению
мультивибратора, триггера и логического элемента.
  Собрав устройство по схеме на рис. 11, можно познакомиться с основными
свойствами транзистора - главного элемента современной электроники.
Управляюший электрод транзистора - база. Давайте посмотрим, как слабый ток
базы IB влияет на мощный коллекторный ток IK. Включим в базовую цепь
высокоомный телефон ВА1, а лампу HLl - в цепь коллектора. Нажмем на кнопку
SB1 и прикоснемся несколько раз к выводу базы транзистора выводом
телефона. При этом мы замыкаем цепь базы - загорается лампа, и в телефоне
слышен щелчок. Транзистор в момент касания открывается и проводит ток.
Когда цепь базы оборвана (ток базы равен нулю), лампа не горит, значит,
нет и тока коллектора - транзистор закрыт.
   


  Рис. 11. Изучаем свойство транзистора


  Рис. 12. Эксперимент с гальваническим элементом

  Если в цепь базы вместо телефона включить резистор сопротивлением 10 кОм,
смонтированный в угловом кубике, можно наглядно проиллюстрировать работу
транзистора как электронного выключателя. Когда цепь базы замкнута,
транзистор открыт и коллекторный ток зажигает лампу. При разомкнутой
базовой цепи транзистор закрыт и лампа не горит. Продолжаем изучать
свойства транзистора. На этот раз мы увидим, как самодельный
гальванический элемент зажигает лампу (рис. 12).
  Соедините с общим проводом небольшую пластину из латуни, на нее положите
клочок бумажной салфетки, смоченный уксусом. Поверх салфетки поместите
небольшую пластину из алюминиевой фольги от конфеты. Получился химический
источник тока G1, в котором латунь служит положительным полюсом, а фольга
- отрицательным. Разумеется, напряжение и ток этого элемента настолько
малы, что никакая лампа от него не загорится. Но он способен управлять
транзистором - усилителем постоянного тока. Наш элемент обеспечит базовый
ток, а транзистор коллекторным током зажжет лампу, которая будет получать
питание от источника коллекторного тока GB1.
  Вот как это произойдет. Нажмите на кнопку SB1 и выводом базы транзистора
дотроньтесь до фольги - отрицательного полюса элемента G1 - лампа
зажжется. Таким образом, с помощью транзистора даже слабому элементу
удалось зажечь лампу.



  Рис. 13. Радиоприемник из кубиков


  И в заключение - простейший радиоприемник. Для сборки радиоприемника (рис.
13) понадобится колебательный контур - конденсатор С2 и катушка L1. Каркас
катушки склеивают из бумаги на отрезке круглого стержня длиной 40...45 мм
и диаметром 8 мм из феррита 400НН или 600НН. Чтобы приемник мог принимать
радиостанции средневолнового диапазона, намотайте на каркас 80 витков
эмалированного провода диаметром 0,15...0,18 мм.

  МОДЕЛИРОВАНИЕ
РОБОТО-ТЕХНИЧЕСКИХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ИЗ МОДУЛЕЙ

  Типовые модули являются основой всех промышленных радиоэлектронных
разработок. В этом отношении наиболее убедителен пример конструирования
современных ЭВМ. Первые ламповые ЭВМ состояли из множества типовых
модулей. Транзисторные ЭВМ или, как их называют, ЭВМ второго поколения
(серия "Минск" и др.) также собраны из транзисторных модулей. Для удобства
конструирования ЭВМ второго поколения было разработано несколько серий
типовых радиоэлектронных модулей.
  Вывод: нужно осваивать модульное конструирование! Это современно,
экономично и удобно.
  Модульный конструктор. Радиокубики помогли нам понять назначение и
свойства различных радиодеталей и транзисторов. Из кубиков можно собирать
отдельные простые действующие устройства: мультивибраторы, ждущие
мультивибраторы, триггеры и т.п. Но это только кирпичики более сложных
радиоэлектронных устройств различного назначения.
  Так же как многоэтажный современный дом собирают из отдельных простых
элементов, так и самые сложные электронные аппараты, и робототехнические
устройства в том числе, собирают из отдельных модулей - мультивибраторов,
триггеров и т. п. Именно из таких модулей создавали ЭВМ, а мы из них будем
собирать различные занимательные конструкции. Модули помогут нам
моделировать робототехнические системы речи, слуха, зрения.
  Промышленность выпускает модульный конструктор (рис. 14), состоящий из
нескольких модулей. В первую очередь нам потребуются:
  модуль А - логический элемент ЗИ - НЕ с открытым выходом;
модуль Б - маломощный логический элемент ЗИ - НЕ;
модуль В - триггер, составленный из двух элементов И - НЕ;
модуль Г - ждущий мультивибратор;
модуль Е1 - мультивибратор;
модуль Е2 - управляемый мультивибратор.
  Используя модульные блоки, можно собирать модели различных устройств со
звуковым выходным сигналом, которые можно будет использовать в различных
робототехнических устройствах.
  Одно из простейших устройств такого рода - генератор звуковой частоты
(рис. 15). Из схемы видно, что на входы модуля D3 поданы сигналы с двух
мультивибраторов D1 и D2. Один из них, D1, вырабатывает сигнал с частотой
около 2000 Гц, второй, работающий с частотой около одного герца,
периодически прерывает звуковой сигнал.


  Рис. 14. Модульный конструктор
А - выходной усилитель, Б - элемент ЗИ НЕ, В - триггер, Г~ждущий
мультивибратор, Е1 - мультивибратор, Е2 - управляющий мультивибратор




  Рис. 15 Генератор звуковой частоты (наутофон)

  Рис. 16 Сигнальное устройство с прерывистыми сигналами


  Если дополнить этот генератор еще одним мультивибратором (рис. 16), то
можно получить сигнальное устройство, звуковые импульсы которого будут
прерывистыми. Модули этого устройства такие же, как и в предыдущем, только
у мультивибратора D3 конденсаторы Cl, C2 имеют емкость по 2 мкФ.
  Такой гудок может выполнять функции сторожевого устройства. Для этого надо
отключить модуль D2, а освободившийся вход модуля D4 через пару замкнутых
сторожевых контактов или тонкую сторожевую проволоку соединить с плюсовым
выводом батареи GB1. При размыкании контактов или при обрыве проволоки
раздастся прерывистый - тревожный сигнал. По схеме рис. 17 можно собрать
гудок, тон которого будет периодически меняться.
  В тех случаях, когда необходимо ограничить время звучания гудка,
устройство можно построить по схеме рис. 18. При нажатии на кнопку SB1
подается запускающий перепад напряжения на вход ждущего мультивибратора
D1. На его входе появляется высокий логический уровень напряжения, и
начинает работать управляемый мультивибратор D2. Его сигнал через
логический элемент D3 поступает на динамическую головку ВА1.



  Рис. 17. Схема гудка с периодически меняющимся тоном




  Рис. 18. Схема гудка с ограниченным временем звучания


  Примером устройства, использующего одновременно и звуковую, и световую
сигнализацию, может служить контрольное устройство для дежурного робота
(рис. 19). Рассмотрим работу этого устройства. Задающий мультивибратор D1
периодически переключает триггер D2 в состояние, при котором на его выходе
присутствует высокий уровень напряжения. Этот уровень приложен к входу
логического элемента D8, нагруженного сигнальной лампой HL1. Выходной
сигнал мультивибратора D6 прерывает свечение лампы, делая световой сигнал
более заметным.
  С выхода триггера D2 сигнал поступает также на элемент совпадения D3.
Сигнал с выхода инвертора D4 включает управляемый генератор D5. Выходной
сигнал этого генератора через элемент D7 подан на динамическую головку
ВА1. Поскольку на второй вход элемента D7 подан также сигнал с
мультивибратора, звуковой сигнал будет прерывистым.


  Рис. 19. Схема контрольного устройства для дежурного робота

  Моделирование радиоэлектронных робототехнических устройств на микросхемах.
Самыми совершенными радиоэлектронными модулями являются интегральные
микросхемы, содержащие в небольшом объеме очень большое число
радиодеталей. На рис. 20 показан кристалл микросхемы рядом с муравьем. Не
правда ли, впечатляющее сравнение?
  Если вы хорошо усвоили все предыдущее, то сумеете работать и с
микросхемами. Здесь придется 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,
счетчики, 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 распространенных микросхем К155 Л A3, состоящей из четырех
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 гнезд. Соединяя отдельные элементы конструктора
проводниками, подключаемыми к гнездам, 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, счетчика, 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 нем предусмотрена
сборка устройств, состоящих из нескольких (до четырех) 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, произнесенных человеком и записанных на магнитный барабан. Наиболее
известный тому пример - говорящие часы, работающие на многих телефонных
станциях.
  Машины, использующие предварительно записанную речь, довольно дешевы 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 ее, 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, произнесенного 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, произнесенного
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 нее
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 львенка (рис. 26). Если потянете львенка за
хвост - вспыхивает малиновым светом ротик, загораются зеленые глазки, он
поднимает лапы и громко заявляет: "Хочу к маме в Африку или в пионерский
лагерь "Иссары"!".



  Рис. 26 Модель говорящего львенка


  Не скажешь, что электромеханическая система львенка проста. Над ней
пришлось потрудиться. Пришлось смонтировать магнитофон "Нота" с кольцевой
лентой, на которую записали речь львенка. 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 львенка 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 опустошен. Ни одной ягодки обычно не остается...
  Как защититься от птиц?
  Технические достижения XX века почти не коснулись конструкции огородного
чучела. Рваная рубашка на перекладине да ведро или тыква на жерди - так
выглядит современный защитник наших огородов