Обучаемое оптическое устройство управления элементом перемещения

 

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано для целей принятия решения и для автоматического управления . Цель изобретения - повышение точности устройства. Устройство содержит два оптических канала, выходы которых соединены с входами элемента сравнения, выход которого является выходом устройства. В каждом оптическом канале использованы объектив с регулируемой диафрагмой, оптический затвор, блок оптической памяти в виде фотопозитива и многоэлементный фотоприемник. Положительный эффект достигается использованием оптических блоков памяти. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СО14ИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕа1УВЛИК,(51)5 Г 06 K 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСНОМЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫЗИЯМ

APH ГКНТ СССР

{21) 4620110/24 (22) 09. 11.88 (46) 07.05.91. Бюл. Р 17 (71) 33ипецкий политехнический институт

{72) В.И.Антонов и А.А.Буков (53) 621.9.06.08:53.083 {088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1352456, кл. С 05 В 19/08, 1987. (54) ОБУЧАЕМОЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

УПРАВЛЕНИЯ 33ПИЕНТОИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ (57) Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано для целей принятия

Изобретение относится к автоматическому управлению и.может быть использовано для целей принятия решений и для автоматического управления исполнительными органами.

Целью изобретения является повышение точности устройства.

Иа чертеже представлена схема обучаемого оптического устройства управления для отдельного исполнительного органа.

Устройство, реагирующее на некоторую ситуацию (зрительный образ 1), содержит два оптических канала— плюс-канал 2, содержащий последовательно оптически связанные первый объектив 3 с регулируемои диафрагмой

4, первый оптический затвор 5, первый блок 6 памяти и первый многоэлементный фотоприемиик 7, и минус-канал .Я,,.SUÄÄ 1647604 А 1 ешенйя и для автоматического управ"

1 ления. Цель изобретения — повьппение точности устройства. Устройство содержит два оптических канала, выходы которых соединены с входами элемента сравнения, выход которого является выходом устройства. В каждом оптическом канале использованы объектив с регулируемой диафрагмой, оптический затвор, блок оптической памяти в виде фотопозитива и многоэлементный фотоприемник. Положительный эффект достигается использованием оптических блоков памяти. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. содержащий последовательно оптически связанные второй объектив 9 с регулируемой диафрагмой 10, второй оптический затвор 1f второй блок 12 памяти и второй многоэлементный фотоприемник 13. Устройство содержит также элемент 14 сравнения, входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго фотоприемников 7, 13 а выход элемента сравнения является выходом 15 устройства.

Блоки 6 и 12 памяти представляют собой фотопозитивы на прозрачной подложке.

Диафрагмы 4, 10 регулируемые, а фотозатворы 5, 11 нерегулируемые, т.е. их временная выдержка постоянна. Сигнал управления F. на выходе устройства подают на конкретный исполнительный орган (элемент пе1647604 ремещения) ° Для системы из нескольких исполнительных органов, используют столько же пар оптических каналов с полным набором входящих эле5 ментов.

Устройство работает следующим образом.

В процессе обучения используют память основную и ее непроявленный дубль. Основной памятью является фотопозитив на прозрачной подложке, экспонированный и проявленный.

Дубль памяти представляет собой также позитив на прозрачной подложке, его снимают с того же основного фотопозитила путем, например, контактного экспонирования, но дубль не проявляют для того, чтобы была возможность откорректировать память 2р путем наложения на нее в процессе обучения корректирующего изображения.

После проявления дубль становится основной памятью. .Расстояние от объектива, включаю- 25 щего регулируемую диафрагму, до зрительного образа должно быть постоян ным, если обучаемое устройство управления ориентировано на решение конкретных задач, и может быть про- 3р извольным, если оно ориентировано на решение обобщенных задач.

Для объяснения принципа действия обучаемого оптического устройства управления производят дискретизацию 35 рабочего цикла по отдельным исполнительным органам объекта управления, по ситуациям цикла и по элементам зрительного образа. Для этого Выделяют из общего процесса движения 4р (из многомерного пространства движения объекта управления) одномерное движение отдельного исполнительного органа, которое однозначно определяется скалярной величиной сигнала 45 управления Е, формируемого на выходе 15 устройства. Непрерывное изменение видимой сцены на всем протяжении рабочего цикла условно разбивают на зрительные образы (ситуации) и нумеруют их. Зрительное поле (световое поле оптических каналов 2,8) .. разбивают на отдельные участки и нумеруют их. Эти участки должны соответствовать апертурам со- ответствующих фотоэлементов многоэлементных фотоприемников 7> 13.

Точно также условно необходймо разбить на такие же отдельные участки поле блоков 6, 12 памяти. Считают, что зрительные образы обоих оптических каналов в одной и той же ситуации одинаковы. Нумерация участков зрительного поля, полей блоков памяти и фотоэлементов многоэлементных фотоприемников обоих оптических каналов должна совпадать.

При достаточно мелких апертурах фотоэлементов экранов и нри соответствующем мелком дроблении зрительного образа на отдельные участки, характеризуемые световыми потоками

Ь, где i — номер участка; j — номер зрительного образа (ситуации), сигнал управления Е может представлять собой простую линейную зависимость

ФИ к = " " с;ь;, (t)

J I 1 =4 где С . — весовой коэффициент i-го участка;

m — общее количество участков;

n - число ситуаций.

Точность зависимости (1) тем выше, чем мельче дробление зрительного образа.

Обучаемое оптическое устройство управления реализует зависимость (1) в виде (+)

К =,О, СЬ .—

j =1 (-)K с. ь" с (2) (+1 где С ° - оптическая проводимость

1 -го участка плюс-памяти (блока памяти плюс-кана() ла 2)у

С - оптическая проводимость

1 соответствующего i-го участка минус-памяти (блока памяти минус-канала 8).

Устройство готово управлять исполнительным органом в том случае, если определены оптические проводимости С1 всех участков обоих блоков

6, 12 памятей, т.е. определены изображения фотопозитивов.

Для обучения устройства используют обезличенный способ определения указанных изображений, когда обучатель ие производит анализ ситуаций и синтез памятей отдельно по каждому участку. Изображения фотопо

5 зитивов (памятей) формируются путем коррекций в результате многократных повторных предъявлений всех ситуаций. Коррекцию памяти в прсцессе обучения осуществляют по закону одношагового алгоритма идентификации Качмажа„ исйользуемого для итерационного решения систем линейных алгебраических уравнений.

Весь процесс обучения разбивают на шаги и циклы. WaroM обучения является предъявление очередной ситуации обучаемой выборки, а циклом— повторное предъявление всех ситуаций обучаемой выборки.

На каждом шаге обучения обучатель (человек) определяет погрешность сигнала управления: (54

ЬЕ = Ej — Е, "3 где Š— требуемое значение сигнала управления в данной j-й ситуации;

Š— Аактическое значение сиг1 нала управления, и задает корректирующий сигнал (кбЕ )

3 общий для всех участков памяти, таким, чтобы устранить указанную погрешность: ф Е = ЬС Ь

) t(g

=( где фС вЂ” поправка оптической про1

1 водимости х-го участка памяти.

Если $ К v О, то корректируют нлюс-памят1. Если h E C О, то корректируют минус-память.

Поправка оптической проводимости С i-ro участка памяти определяется общим корректирующим сигналом и световым потоком соответствующего участка: I

ДС, = (ИЕ ) Ь, В результате оптическая проводимость С на шаге с обучения

С (с) = С (- ) --Х-—

AE (с)

; Ь; "(4) л

Выражение (4) и есть алгоритм

Качмажа, обеспечивающий сходимость процесса итерационного решения систе- мы линейных алгебраических уравнений

?604 типа (1). условием реиемостн системы уравнений (I) является достаточность и избыточность информации, когда каждая ситуация имеет отличительный зрительн((й образ. фотографическая память обучаемого оптического устро (ства управления представляет собой не пространственный накопитель с программой действий, а оптический преобразователь, единственный на все случаи в работе объ" екта управления, ксторый содержит совокупную информацию всего процес15 са обучения В эт-й памяти огут накапливаться знания в виде абстрактного иэображения для решения не одной, а многих задач." обученное для выполнения одних,пействий устройст20 во можно дообучить для выполнения других действий, третьих и т.д., т.е. можно расширять круг решаемых задач.

В процессе расоты каждая отличительная ситуация в виде зрительного

25 образа, пропущенная через обученную обобщенную память (перемноженная на постоянную память). образует на выходе 15 соответствующий сигнал управле. ния, Другая отличительная ситуация, 3р пропущенная через ту же память, об7 разует уже другой соответствующий этой ситуации сигнал управления и так далее.

Обучаемое оптическое устройство управления может быть использовано

3v не только для повторения простейших конкретных движений, но и для решения обобщенных задач.

Сблокированная пара оптических

4О каналов 2, 8 (фиг .1) совмещает функции сбора зрительной информации и управления отдельным исполнительным органом. Для управления объектом управления с несколькими исполнитель4 ными органами должна использоваться система управления, включающая соответствующее количество аналогичных устройств управления.

Процесс обучения происходит сле50 дующим образом. В качестве примера возьмем обобщенную задачу поиска свободно ориентированного плоского предмета среди прочих. Учитывая большую трудоемкость процесса обучения, обучаемую выборку формируют не из всех возможных ситуаций с различным количеством и расположением посторонних предметов, с различной ориентацией искомого предмета, с раз. 1647604

50 личными начальными траекториями поиска и т.д., а из специально подобранных обобщенных ситуаций решения, в таких ситуациях в общем случае ,могут быть: двигаться всегда в сторону любого предмета, попавшего в поле зрения обучаемого технического глаза; поворачиваться до совпадения с условно обозначенной осью искомого предмета, не двигаться, если в поле зрения находится искомый предмет.

Для решения поставленной задачи достаточно иметь три степени свободы объекта управления: движение вправо-влево, движение вперед-назад, поворот вправо-. влево. Возможны и другие решения приводов.

В качестве объекта обучения при- . мем устройство управления исполнительным органом, осуществляющим движение объекта управления вправовлево. Обучаемая выборка состоит из следующих ситуации: двигаться впра- 25 во, если какой-то 1тредмет попал B правую половину поля зрения глаза, сигнал управления в этом случае должен быть положительным (можно оговорить его конкретную величину), - двигаться влево, если какой-то предмет попал в левую половину поля зрения глаза, сигнал управления — отри-. цательный, не двигаться, если в поле зрения, находится искомый предмет, если глаз сориентирован относительно условной оси искомого предмета, если искомый предмет расположен в центре поля зрения глаза, сигнал управления равен нулю. 40

Исходное состояние блоков 6, 12 памяти - абсолютно непрозрачные чер- ные фотопозитивы.

Разбивают процесс обучения на шаги и циклы. 45

Цикл 1-й. Ha первом mare предъявляют первую ситуацию обучаемой выборки, т.е. располагают искомый или любой другой предмет так, что он попадает в правую половину поля зрения.

Так как обе фотографические памяти абсолютно непрозрачны (таково их исхоцное состояние), то сигналы управления обоих каналов Е и Е " равны нулю. Результирующий сигнал управления Е также равен нулю. Добиваясь по1 лучения положительного значения сиг. нала управления, например, равного

+10 мВ, необходимо извлечь плюс-память 6 и регулировать диафрагму 4 при открытых фотозатворах до тех rtop> пока на выходе 15 не будет получен сигнал, равный +10 MR.

Затем необходимо установить на ме" сто плюс-памяти 6 неэкспонированную позитивную фотопластинку на прозрачной подложке и, не изменяя отрегулированное положение плюс-диафрагмы, проэкспонировать фотопластинку с помощью затвора 5.После этого фотопластинку необходимо проявить. Этот ттроявленный фотопозитив считают основной плюс-памятью первого цикла обучения. С него методом контактной съемки делают дубль без проявления, т.е. экспонируют его, но не проявляют, с той целью, чтобы можно было

I наложить на этот дубль корректирующее изображение.

После получения памяти на первом шаге обучения первого цикла необходи" мо установить только что полученную память на место в оптический канал, повторно предъявить первую ситуацию (зрительный образ) и отрегулировать усиление элемента 14 сравнения так, чтобы на выходе 15 бып требуемый сигнал. В дальнейшем усиление элемен та сравнения сохраняется неизменным. устанавливают полученную плюс-память (позитивную фотопластинку) на свое место и, не изменяя положения предмета в поле зрения, регулируют усиление элемента 14 так, что íà его выходе 15 сигнал +10 мВ.

Фоточувствительность всех фотопластинок, которые используются в процессе обучения, должна быть одина- ковой. В противном случае процесс обучения также возможен, однако дли-, тепьность обУчения увеличивается.

Зрительный образ должен быть характерным, т.е. рассматриваемый пред мет должен выделяться на общем фоне.

Освещенность обозреваемой сцены в процессе обучения должна сохраняться, постоянной. Всякие отклонения в характерности рассматриваемых предметов и освещенности сцены удлиняют процесс обучения.

После получения на первом шаге обучения основной плюс-памяти и ее непроявленного дубля переходят к второму шагу обучения.

Наг второй. Предъявляют вторую ситуацию обучаемой выборки, т.е. располагают искомый или любой дру1647604

4 0 гой предмет так, что он попадает в левую половину поля зрения. Устанавливают на свои места полученную на первом шаге плюс-память н минус-память в виде абсолютно непрозрачной пластины, открывают полностью обе диафрагмы 4, 10 и при открытых фотозатворах 5, 11 определяют величину действительного сигнала управления

Е на выходе 15. Допустим„ во второй ситуации сигнал должен быть . равным -10 мВ, а действительное его значение +5 мВ, следовательно, необходимо увеличить отрицательную составляющую Е . Для этого извлекают минус-память 12 и регулируют диафрагму 10 до тех пор, пока на выходе 15 ие будет получен сигнал, равный -10 мВ. После этого устанавливают на место минус-памяти 12 неэкспонированную позитивную фотопластинку иа прозрачной подложке и, не изменяя отрегулированного положения диафрагм 10, с помощью затвора 11 экспонируют фотопластинку.

Проявляют фотопластинку и считаап этот проявленный фотонозитив основной минус-памятью первого цикла обучения. С него методом контактной съемки делают дубль без проявления.

После получений на втором шаге первого цикла обучения основной минус-памяти и ее иепроявленного дубля переходят к третьему шагу.

Наг третий. Предъявляют третьи целевую ситуацию обучаемой выборки, т.е. Располагают искомый предмет по центру поля зрения технического глаза и ориентируют этот предмет своей условной осью относительно услов» ной оси глаза. Устанавливают на свои места полученные на первом и втором шагах обучения основные плюс-память и минус-.память, открывают полностью обе диафрагмы 4, Ю и при открытых затворах определяют величину действительного сигиапа управления F.g на выходе 15. Так как s третьей целевой ситуации сигнал управления должен равняться нулю, то при положительном действительном сигнале (F.g О) корректировке подлежит минус-память, а при отрицательном действительном сигнале (F а О) корректировке подлежит плюс-память.

Допустим, действительный сигнал отрицательный, т.е. F. О. Извлекают плюс-память и регулируют диафрагму 4 при открытом затворе 5 до тех пор„ пока на выходе 15 не получают сигнал, равный нулю. После это5 го устанавливают на место плюс-памяти непрсявленный дубль плюс-намяти, полученный на первом шаге обучения и, не изменяя отрегулированного положения диафрагмы, с помощью затвора экспонируют дубль, т.е. корректируют плюс-память.

Проявляют откорректированную плюспамять и считают этот фотопозитив основной плюс-памятью. С него дела15 ют дубль беэ пРоявлеииz.

Цикл 2-й. На четвертом шаге предъявляюr снова первую ситуацию, устанавливают основные плюс-память

6 и минус-память 12, открывают поп20 костью обе диафрагмы 4, 10 и прн открытых затворах определяют величину пействительного сигнала управления Е . Если он меньше +10 мВ, то корректируют описанным способом

25 плюс-память, а если больше, то корректируют минус-память.. Аналогично осуществляют дальнейшую корректировку.

Обучение прекращают в том случае, 30 если ао всех ситуациях обучаемой выборки на выходе возникают требуемые сигналы управления. После обучения устанавливают на свои места окончательно откорректированные плюсминус-памяти. открывают полностью диафрагмы н устанавливают постоянно закрытыми оба затвора.

Точность получения заданного сигнала управления задается обучателем.

40 После, завершения процесса обуче.ния устройства объект управления с обучаемым оптическим устройством управления готов к работе.

Рассмотрим работу объекта. В лю45 бой ситуации Устройство управления обозревает свой зрительный образ и вырабатывает соответствующий сигнал управления для исполнительного органа. В результате исполнительный орган совершает необходимое в данной ситуации движение, решая поставленную перед ним задачу.

Формирование сигнала управления на выходе устройства осуществляется следующим образом. Изображение рассматриваемого зрительного образа,фор мируемого объективами 3, 9, пропускается через окончательно откорректированные памяти 6, 12, представляодин объект, а для остальных достаточйо изготовить линь копии памятей.

Возможен также вариант частичного обучения, когда объект, например,обучен только движению в сторону попавmего в поле зрения предмета и повороту относительно него. Rce выпускаемые объекты оснащены соответствующей памятью. Дообучение по распознаванию искомых предметов осуществляется индивидуально с каждым объектом управления.

Высокая точность устройства управления обусловлена .применением оп" тических блоков памяти. Стандартно проявленные и закрепленные фотопозитивы сохраняют изображение без изменений в течение длительного времени, обеспечивая тем самым высокую точность и надежность устройства.

Формула и з о б р е т е н и я

1. Обучаемое оптическое устройство управления элементом перемещения, содержащее первый блок памяти, первый многоэлементный Аотоприемник и элемент сравнения, выход которого является выходом устройства, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, в него введены первый и второй объективы с регулируемой диафрагмой, первый и второй оптические затворы, второй блок памяти и второй многог, элементный Аотоприемник, первый объектив, первый оптический затвор, первый блок памяти и первый многоэлементный фотоприемник последовательно оптически связаны, второй объектив, второй оптический затвор, второй блок памяти и второй многоканальный Аотоприемник последовательно оптически связаны, а выходы первого и второго многоэлементных Аотоприемников подключены соответственно к первому и второму входам элемента сравнения.

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю m е е с я тем, что каждый блок памяти выполнен в виде фотопозитива.

11 164 7604 ющие собой фотопозитивы памяти на прозрачной подложке, и проецируется на многоэлементные фотоприемники 7, 13, Электрический потенциал каждого фотоэлемента Аотоприемников опреде5 ляется потоком света, падающего на этот элемент. В свою очередь величина этого потока света определяется соответствующим потоком света обозре- 10 ваемого образа и оптической проводимостью соответствующего участка памяти. Суммарный потенциал фотоэлементов экрана определяет сигнал управления соответствующего оптического канала Н и Г . На выходе элемента сравнения Аормируется окончательный в данной ситуации сигнал управления Е, значение которого определяется выражением (2).

В другой ситуации, будет другой сигнал управления, в третьей - третий и т.д. Реально ситуации могут видеоизменяться непрерывно, и также

1 непрерывно изменяется сигнал управ- 25 ления. Таким образом, общее количество реальных ситуаций может значительно превосходить количество ситуаций выборки. В этом заключается природная адаптивность обучаемого устройства управления указанного типа.

Обучение можно возобновить {дополнительно откорректировать память предлагаемым способом), если в этом появилась необходимость, т.е. в слу" чаях, когда произошли самопроизвольные нарушения в законах движения исполнительных органов или когда возникла новая уточняющая ситуация в обучаемой выборке, или когда необходимо изменить закон движения объекта управления в связи с изменением решаемой задачи.

Отличительной особенностью обучаемого оптического устройства управления является то, что оно имеет фотографическую память в виде фотопозитивов. Такие позитивы легко тиражируются. Следовательно, если целый ряд объектов управления ориентирован на решение одной и той же задачи, то достаточно обучить только

1647604

Составитель С.Бабкин

Редактор Н. Гунько Техред д.(щирнщ Еорректор С..g p .Заказ 1402 Таран 396 . Подписное

ВНИИНИ Государственного коинтета по изобретенинм и открнтини при ГЕНТ СССР

113035, Москва, %-35, Раувскан «аб», д. 4/5

Производственно-кэдательский комбинат "Патент." ° г, Уигщищ, ун. Гагарина, 101