ми,
т.е. существуют только две возможности. Электронные лампы и тразисторы
имеют больше возможностей. Они способны выдать и десять различных выходных
сигналов. В двоичной же системе от них требуется только два, что
обеспечивает большую надежность и экономичность. Поэтому машина считает в
двоичной системе, хотя числа длиннее на входе и на выходе устройства,
кроме того, их следует преобразовывать из двоичной системы в десятичную.
Но вычислительные ячейки машины становятся проще.

  ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭВМ

  Логические операции счета в двоичной системе могут выполнять
электромагнитные реле. Первые вычислительные машины состояли из большого
числа электромагнитных реле, которые своими контактами или размыкали
электрическую цепь, что соответствовало 0 (нулю), или замыкали, что
соответствовало 1 (единице).
  Но реле громоздки и ненадежны, поэтому вычислительная техника перешла к
использованию электронных ячеек с двумя устойчивыми состояниями -
триггеров. Простейший триггер собирают из двух взаимно управляемых ламп
или транзисторов. Если открыта одна лампа (или транзистор) триггера, то
вторая закрыта. Каждый очередной управляющий импульс, поступающий на вход
триггера, переключает его в другое состояние. При переключении на выходе
триггера возникает ответный импульс, который может служить для
переключения другого триггера. Из триггеров и переходных диодов можно
составлять пересчетные устройства.
  Рассмотрим цепь из четырех последовательно включенных триггеров (см. схему
на рис. 69). На рис. 69 показаны состояния транзисторов этой цепи (красный
кружок - открыт, темный - закрыт). Устройство отсчитывает каждые десять
входных импульсов и на каждый десятый выдает выходной импульс. Этот
импульс может быть использован как счетный импульс для последующей счетной
декады.

  Puc. 69. Схема пересчетной ячейки

  Рис. 70. Триггер

  Прежде чем приступить к моделированию счетных каналов ЭВМ, подробно
рассмотрим работу триггера и попытаемся собрать элементарную счетную
ячейку. Как видно из рис. 70, триггер состоит из двух усилительных
ступеней с непосредственной взаимной связью. Благодаря наличию
отрицательной обратной связи он имеет два устойчивых состояния.
  Для переключения триггера из одного состояния в другое необходимо внешнее
воздействие, приводящее к открыванию закрытого транзистора. Это свойство
триггера менять скачком напряжение на выходе от нуля до некоторого
значения и наоборот позволяет наиболее просто создавать электронное
устройство, выполняющее арифметические операции.
  Скачки напряжения триггеров используют в ЭВМ для отображения чисел.
Наличие напряжения обозначают цифрой 1, отсутствие - 0. Свое название этот
своего рода бесконтактный переключатель получил от английского слова
trigger, что означает "спусковой крючок". Наиболее распространен в
практике транзисторный триггер с независимым смещением, с раздельными
выходами и одним общим (счетным) входом.
  Прежде чем познакомиться с пересчетными декадами, состоящими из
последовательных цепей триггеров, рассмотрим работу триггеров различных
типов.
  Триггер с раздельными входами (рис. 71) - это две усилительные ступени с
жесткой обратной связью через резисторы R2 и R5. Она обеспечивает триггеру
два устойчивых состояния: когда один из его транзисторов открыт, а другой
закрыт, и наоборот. Из одного устойчивого состояния в другое триггер
переключается поочередной подачей управляющих импульсов положительной
полярности на его входы. Для наглядного контроля за состоянием
транзисторов в цепь коллекторов транзисторов включены лампы накаливания
(HL1 и HL2) на напряжение 2,5 В и ток 0,075 А.
  Рис. 71. Триггер с раздельными входами

  Стоит кратковременно нажать на кнопку SB2, как триггер перейдет в другое
устойчивое состояние, так как при этом на базу транзистора VT2 от элемента
G1 (элемент 332) поступит положительный импульс. Триггер сохраняет свое
устойчивое состояние сколь угодно долго. Благодаря отрицательным обратным
связям через резисторы R2 и R5 процесс перехода триггера в новое
устойчивое состояние происходит лавинообразно в течение нескольких
микросекунд. Напряжение на электродах транзисторов, соответствующее
другому устойчивому состоянию триггера, показано в скобках. Рассмотрим
работу триггера.
  Триггер со счетным входом. Схема этого триггера (рис. 72) выделена красной
линией. Он похож на уже знакомый триггер с раздельными входами, но
содержит несколько дополнительных элементов: конденсаторы СЗ и С4,
резисторы R2 и R8, диоды VD1 и VD2 и, кроме того, имеет один общий вход.
Конденсаторы СЗ, С4 и диоды VD1, VD2 образуют цепи, через которые на базу
транзисторов VT1 и VT2 подводят входные управляющие импульсы.
  Из одного устойчивого состояния в другое триггер переключается
положительными импульсами напряжения, подаваемыми на вход. При
отрицательных входных импульсах изменения состояния триггера не происходит.
  Подавать на вход триггера одиночные импульсы кнопкой нельзя, так как в
момент соприкосновения контактов кнопки во входной цепи возникает не один,
а серия импульсов продолжительностью в несколько микросекунд (это явление
называют "дребезгом контактов"). Здесь роль формирователя одиночных
импульсов играет вспомогательный триггер с раздельными входами на
транзисторах VT3 и VT4, управляемый кнопкой SB1.
  В коллекторную цепь транзисторов VT1 и VT2 целесообразно включить
индикаторные лампы HL1 и HL2, по свечению которых удобно судить о
состоянии транзисторов.
  Как работает триггер со счетным входом? При включении питания (батарея
GB1) один из его транзисторов, как и в триггере с раздельными входами,
открывается, другой - закрывается. Будем считать исходным состоянием
триггера такое, при котором транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт
(должна гореть лампа HL2). Если состояние триггера иное, то нажмите на
короткое время на кнопку SB1.
  Рис 72 Триггер со счетным входом

  При этом лампа HL2 должна загореться, a HL2 - погаснуть. Устойчивое
состояние, когда транзистор VT1 закрыт, VT2 открыт, поддерживается цепями
отрицательной обратной связи точно так же, как в триггере с раздельными
входами. Напряжение на базе закрытого транзистора VT1 положительно, а на
его коллекторе - отрицательно, поэтому диод VD1 закрыт и база этого
транзистора отключена от входа триггера (путь сигналу через конденсатор СЗ
блокирован).


   
Рис 73 Структура обучающегося робота - мanunулятора

  В то же время наличие отрицательного напряжения на базе открытого
транзистора VT2 (около - 0,4 В) и на его коллекторе (- 0,2 В) приводит к
открыванию диода VD2, тем самым вход триггера к базе транзистора VT2
подключается через конденсатор С4. Переключают триггер в другое состояние
подачей на его вход положительного импульса. Для этого надо лишь
кратковременно нажать на кнопку SB1. При каждом нажатии на кнопку SB1 на
вход триггера со счетным входом поступает одиночный импульс положительной
полярности.
  Таким образом, триггер переключается положительными импульсами.
Положительный и отрицательный перепады напряжения, снимаемые с Выхода 1 и
Выхода 2, могут быть использованы для управления другими электронными
устройствами. Положительный импульс на Выходе 1 появляется при поступлении
на вход триггера каждого нечетного импульса, а на Выходе 2 - четного
импульса; триггер, следовательно, делит частоту поступающих на его вход
импульсов на два. То есть коэффициент счета триггера К = 2. Мы уже
говорили о том, что основным элементом ЭВМ, участвующим во всех
вычислительных операциях, является триггер. На основе триггеров можно
создать множество занимательных конструкций, например действующие модели
светофоров, увлекательные кибернетические игры. В промышленности
триггерные счетчики широко применяют в электронной измерительной
аппаратуре с цифровой индикацией результатов измерений. Такие счетчики
можно использовать и в роботе, например, для подсчета проходящих мимо него
деталей или людей.
  Объединение механической системы робота - манипулятора с ЭВМ (рис. 73)
позволяет создавать обучаемых роботов.

  ОБУЧЕНИЕ РОБОТА

  Робот действует по программе. Вначале изучают траекторию движения руки
робота, затем "обучают" его самого и составляют программу самостоятельной
работы. Кратко рассмотрим этапы обучения.
  Перемещения, которые должна совершить рука робота, фиксируют при
выполнении рабочей операции. Всю траекторию перемещения руки делят на
отдельные движения. После этого приступают к "обучению" робота. С пульта
оператор управляет роботом, и его рука совершает путь, соответствующий
одному движению.
  Движения, совершаемые рукой, фиксируют кодовые датчики (см. рис. 73) и
сигналы в цифровом виде поступают на блок записи программы. Этот блок
записывает программу на магнитный барабан памяти движения руки по пяти
осям (три поступательных движения и два вращательных) в цифровом виде на
пяти дорожках. После того как записано одно движение, приступают к записи
другого. Заметьте, что робот запоминает с первого раза и удерживает в
памяти до 180 команд и на столько времени, сколько это необходимо человеку.
  Когда рука робота под руководством оператора проделала всю операцию и
обучилась, т. е. в блоке памяти зафиксированы ее движения, робот может
многократно, уже без оператора, повторять движения рукой.
  В последние годы электронной промышленностью созданы чудесные микроЭВМ и
микропроцессоры. Благодаря низкой стоимости микропроцессора его стало
возможным включить в большинство обычных машин и аппаратов. Любую машину
микропроцессор может наделить способностью принимать решения, хранить в
памяти программу работы и инструкции на различные ситуации, автоматически
регулировать свою работу в зависимости от складывающихся условий.
  В чем принципиальные преимущества использования в массовых объектах
управления микропроцессоров и микроЭВМ?
  Главное - малые габариты и потребляемая мощность, низкая стоимость
микропроцессорных вычислительных систем, особенно так называемых
однокристальных, у которых на одной кремниевой пластине объединены
микропроцессор и запоминающие устройства. Уже одно это позволяет применять
вычислительную технику в тех областях, где ранее вычислительные и
управляющие машины были недоступны из - за "барьера стоимости" и сложности
организации промышленного выпуска необходимого их количества. Благодаря
малым размерам микропроцессорную систему можно легко разместить на станке,
в кабине трактора, в корпусе робота - манипулятора, в магнитофоне, в
телефонном аппарате.

  10. НА ПУТИ К СОЗДАНИЮ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА
МЫСЛЯЩИЙ РОБОТ

  Для того чтобы поведение робота было целенаправленным, его "мозг" должен
принять на себя функции системы центрального управления: командовать
руками, ногами и другими системами, а также контактировать с окружающей
средой, следить за ее изменениями. Робот объединяет в себе систему
восприятия информации из среды, систему искусственного интеллекта и
систему выполнения своих механических действий. Поэтому таких мыслящих
роботов и назвали интеллектуальными.
  Интеллектуальный робот - это цельная искусственная система, способная
соответственно вести себя при решении определенной задачи. Робот
воспринимает информацию о внешнем мире, анализирует обстановку, принимает
решение и сам его реализует. Чтобы осуществить эту сложную деятельность,
робот, как и человек, должен планировать свое поведение. Это значит, что
все поведение предварительно он должен разделить на отдельные поступки.
Совершая поступки, робот непрерывно их контролирует и сравнивает с
заданием. Если же поступок робота не соответствует заданию, он анализирует
причины случившегося, принимает решение локального характера. На всем
маршруте движения робот должен подчинять свое поведение достижению
конечной цели.

  ВНУТРЕННИЙ МИР РОБОТА

  Чтобы выполнить план своих действий, роботу нужно прежде всего иметь
представление о внешнем мире. Если бы окружающая среда была статичной,
было бы легко принимать решения и выполнять план своих действий. Однако
она беспрерывно изменяется. В ней нельзя все запрограммировать, как и
нельзя все предвидеть. Поэтому робот должен всегда получать информацию о
состоянии внешнего мира. А для этого нужно построить внутреннюю модель
реального мира. Эта модель представляет собой совокупность сведений о
реальном мире, в котором функционирует робот.
  Одни интеллектуальные роботы обладают большими способностями, другие -
меньшими, но все они воспринимают внешний мир, строя свой, внутренний, и
самостоятельно управляют своими действиями. Всех их объединяет одно
преимущество перед остальными роботами - это способность самостоятельно
"осмысливать" окружающую обстановку и соответственно с заданием
действовать.

  ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ -
ВАЖНЕЙШИЙ ЭТАП ПРОЦЕССА РАЗУМНЫХ ДЕЙСТВИИ

  Итак, начало положено! Электронные вычислительные машины могут
воспроизводить некоторые функции нервной системы человека. Один из
создателей теории автоматического управления - Уильям Эшби по этому поводу
сказал: "Мы знаем, что мозг и вычислительные машины представляют собой
просто различные варианты в принципе одинаковых машин". Просто, да не
совсем! Еще очень многое из того, на что способен мозг человека, не под
силу воспроизвести самым совершенным ЭВМ. Примером может служить
распознавание различных предметов, шрифтов, речи, т. е. то, что сейчас
именуют распознаванием образов.
  В разумных действиях этот процесс является только ступенью общего процесса
принятия разумного решения, который является важнейшим завершающим этапом
деятельности мозга.
  Для того чтобы создать машину, способную принимать решения, недостаточно
довести ее до фазы распознавания образов и анализа ситуации, а придется
еще наделить ее способностью окончательного выбора и принятия решения.
  В последнее время на смену первым малоэффективным программам опознания
пришли новые, более эффективные; наступил этап макетирования новых
опознающих устройств - перцептронов (от слова "перцепция" - восприятие). В
результате разработки технических моделей биологических анализаторов было
создано несколько экспериментальных образцов перцептронов, предназначенных
для автоматического восприятия и опознания зрительных образов. В принципе
возможно создание перцептронов, моделирующих органы слуха, обоняния,
осязания и других чувств.
  Зрительный перцептрон более всего напоминает сетчатку глаза. В перцептроне
имеется несколько слоев "клеток", перерабатывающих сигналы; как и в
сетчатке, эти слои соединены между собой сложными множественными связями;
первичные сигналы перерабатываются таким образом, что на выходе
перцептрона требуется значительно меньше элементов, чем на его входе. И на
входе сетчатки глаза человека имеется 137 миллионов светочувствительных
клеток, а на выходе - всего лишь миллион нервных клеток.
  Идеи создания перцептронов - элементов искусственного интеллекта - в наши
дни привлекают внимание не только ученых. В определенной степени эта идея
доступна молодым энтузиастам технического творчества и роботостроения.
  Роботы должны стать разумными! Для них нужно создать системы распознавания
образов и принятия решений. Мы познакомимся с некоторыми конструкциями
перцептронов, которые могут изготовить и затем усовершенствовать
энтузиасты технического творчества и роботостроения. Создать классическую
структуру перцептрона в любительских конструкциях нелегко. Особенно сложно
выполнить его систему обучения.

  ПЕРЦЕПТРОН

  Почтовый перцептрон. "Почтовое учреждение в Эдинбурге, господину Виллару
Лау, ювелиру, в собственные руки, недалеко от Парламента, вниз по
ярмарочной лестнице, против Акциза" - вот как выглядел адрес во второй
половине XVIII столетия. Чтобы доставить письмо по назначению, почтальону
приходилось выполнять функции адресного стола. Впрочем, писем тогда писали
не так уж много.
  В наше время на каждом почтовом конверте указан точный адрес: область,
город, улица, номер дома, квартиры, фамилия адресата. Нетрудно
представить, какого большого числа квалифицированных сортировщиков требует
столь огромный объем корреспонденции (пусть и точно адресованной).
  Процесс сортировки писем значительно упрощается с введением цифровой
шестизначной индексации. Согласитесь, что прочитать шестизначное число,
написанное стандартными цифрами, намного легче, чем сам адрес. В
соответствии с цифровой системой индексации вся территория Советского
Союза условно разбита на отдельные участки. Каждый такой условный участок
обозначен первыми тремя цифрами шестизначного индекса. Четвертая цифра
индекса обозначает одну из десяти зон, входящих в участок; пятая - один из
десяти секторов зоны; шестая - одно из десяти адресных предприятий связи,
относящихся к данному сектору. Для написания цифр применяют специальную
сетку, состоящую из девяти элементов (рис. 74).

  Рис. 74. Сетка из девяти элементов

  Сетку заполняют цифрами, после чего адрес, закодированный шестизначным
числом, может прочесть автомат - сортировщик писем.
  Как это происходит? По сути, автомату вовсе не обязательно, чтобы
начертания цифр имели привычный для нас вид. Главное, чтобы две любые
цифры различались хотя бы одним элементом.
  Оказывается, что минимальное число элементов, с помощью которых можно
составить 10 различных комбинаций - кодов цифр, - равно 4. Если мы выберем
элементы 2, 3, 7 и 4 по рис. 74, то коды цифр будут иметь вид, показанный
на рис. 75. Значит, опознавать цифры можно с помощью всего четырех
фотоэлементов. Электронное опознающее устройство и является перцептроном.
  Принципиальная схема автомата, читающего цифры, показана на рис. 76.
Фоторезисторы BR1 - BR4 установлены в считывающей ячейке (рис. 77). В
элементе 2 изображения цифры (см. нумерацию рис. 75) расположен
фоторезистор BR1, в элементе 3 - BR2, 4 - BR3, 7 - BR4. Последовательно с
каждым фоторезистором включена обмотка соответствующего электромагнитного
реле К1 - К4. При освещении фоторезистора его сопротивление уменьшается,
ток, протекающий через него, увеличивается, в результате чего реле
срабатывает. Контакты реле К1 - К4 включены по схеме дешифратора.
  Наложим, к примеру, на ячейку цифру 3 индекса, вырезанную из жести или
плотного картона. Тогда фоторезисторы BR1 и BR4 будут закрыты, a BR2 и BR3
- освещены внешним светом. Реле К2 и КЗ срабатывают, и включается лампа
HL6, подсвечивающая цифру 3. Аналогично автомат опознает и другие девять
цифр.

  Рис. 75. Вид цифр
Рис. 76. Принципиальная схема читающего автомата

  Рис. 77. Считывающая ячейка

  Рис. 78. Внешний вид перцептрона
В устройстве применены следующие реле: К1 и К2 - РЭС9 (паспорт РС4,
524.201), КЗ - РЭС22 (паспорт РФ4.500.131), К4 - РС13 (паспорт
РС4.523.07). Фоторезисторы - ФСК-1. Трансформатор Т1 набирают из пластин
Ш20, пакет толщиной 40 мм. Обмотка I содержит 14000 витков провода ПЭЛ
0,31; II - 450 витков провода ПЭЛ 0,15; III - 45 витков провода ПЭЛ 0,8.
Диоды Д226Б можно заменить на Д7Е, Д7Ж, Д226В.
  Внешний вид прибора представлен на рис. 78. На лицевой панели корпуса
расположена ячейка с фоторезисторами и индикаторное устройство - цифры 1 -
9, О, подсвечиваемые лампами HL1 - HL10.
  Описанная модель опознает цифры одного разряда почтового индекса. Увеличив
число подобных устройств до шести, мы сможем добиться опознавания всех
цифр индекса.
  Перцептрон на микросхемах. В 1985 году в журнале "Радио" была опубликована
схема микроэлектронного перцептрона, который разработан под руководством
Л. Д. Пономарева и распознает пять цифр (рис. 79).
  Глаз перцептрона состоит из четырех блоков А1 - А4 с фотодиодами BD2 -
BD4. На стыке элементов 1 и 2 сетки (см. рис. 74) размещен фотодиод ячейки
А1, под ним на стыке элементов 1, 7 и 6 в левом нижнем углу находятся
ячейки A3, в правом нижнем - ячейки А4. Над фотодиодами в корпус автомата
вмонтированы осветители (на схеме не показаны).
  Пока глазу ничего не показывают, все его фотодиоды освещены и транзистор в
каждой ячейке открыт.