Обучаемое оптическое устройство управления элементом перемещения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕа 1 УБЛИК 5 О 06 К 9/00 ЕНИ ТОРСНОМУ ЬСТВ ского управ - повышениеройство сонала, выходыами элемена сравне выходом устро ском канале и регулируемой затвор, блок де фотопозити фотоприемник достигается и блоков памяти ьно оптически ктив 9 с О, второй торой блок элементный гу п ство содержит нения, входы кответственно к рого фотоприемэлемента сравне устройства. и представляют прозрачной емые,лируемые,постоян выходегулир ерегу ержка онкр элем т пеГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬДИЯОРИГКНТ СССР(46) 07.05.91, Бюл. Р 17 (71) 31 ипецкий 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 33 ПИЕНТОИ 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 дпя 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,ЯО 1647604 А 1 решенйя и для автоматич ления, Цель изобретения точности устройства. Ус держит два оптических к которых соединены с вход выход которого является йства. В кажцом оптичеспользованы объектив с диафрагмой, оптический оптической памяти в вива и многоэлементный Положительный эффект спользованием оптических1 з.п. ф-лы, 1 ил. содержащии последоват связанные второй объе лируемой диафрагмой 1 тический затвор 11, в памяти и второй много топриемник 13. Устрой также элемент 14 срав торого подключены соо выходам первого и вто ников 7, 13, а выход ния является выходомБлоки 6 и 12 памят собой фотопозитивы на подложке.Диафрагмы 4, 10 ре а фотозатворы 5, 11 н т,е. их временная вьщ на. Сигнал управления устройства подают на исполнительный органремещения)Для системы из нескольких исполнительныхорганов, используют столько же пар оптических каналов с полным набором входящих эле 5 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 20 путем наложения на нее в процессе обучения корректирующего изображения, После проявления дубль становится основной памятью..Расстояние от объектива, включаю щего регулируемую диафрагму, до зрительного образа должно быть постоян ным, если обучаемое устройство управления ориентировано на решениеконкретных задач, и может быть про- З 0 извольным, если оно ориентировано на решение обобщенных задач.Для объяснения принципа действия обучаемого оптического устройства управления производят дискретизацию рабочего цикла по отдельным исполнительным органам объекта управлещя, по ситуациям цикла и по элементам зрительного образа. Для этого Вццеляют из общего процесса движения 40 (из многомерного пространства движения объекта управления) одномерное движение отдельного исполнительного органа, которое однозначно определяется скалярной величиной сигнала управления Е, формируемого на выходе 15 устройства. Непрерывное изменение видимой сцены на всем протяжении рабочего цикла условно разбивают на зрительныеобразы (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 участ А). - весовой коэффицичастка где С ент х-гоуУ и - общее количество участков;и - число ситуаций.Точность зависимости (1) тем вышечем мельче дробление зрительногообраза.Обучаемое оптическое устройствоуправления реализует зависимость(блока памяти плюс-канала 2)С - оптическая проводимость1соответствующего д-го участка минус-памяти (блокапамяти минус-канала 8).Устройство готово управлять исполнительным органом в том случае, если определены оптические проводимости С 1 всех участков обоих блоков 6, 12 памятей, т.е. определены изображения фотопозитивов.Для обучения устройства используют обезличенный способ определения указанньк изображений, когда обучатель ие производит анализ ситуаций и синтез памятей отдельно по каждому участку. Изображения фотопо ки 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- номер участка; 1 - номер зрительного образа (ситуации), сигнал управления Е может представлять собой простую линейную зависи- мость5 Мб 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. Нагом 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:ЬЕ = К - Е,3 Д У где Е - требуемое значение сигналауправления в данной 1-йситуации;К - Аактическое значение сигнала управления, и задает корректирующий сигнал ЬЬЕ) общий для всех участков памяти, таким, чтобы устранить указанную погрешность;1 мЬЕ=ЬС Ьф -а=Вгде С - поправка оптической про 1водимости х-го участкапамяти.ЕслиКО, то корректируют нлюс-память, Если 5 ЕО, то корректируют минус-память.Поправка оптической проводимости С х-го участка памяти определяется общим корректирующим сигналом и световым потоком соответствующего участка:С, = (ИЕ;) Ь,В результате оптическая проводимость С на шаге с обученияС,(с) = С,(с) + - 4 -- Ь,6 Е (с);ЯЬ; "(4)лВыражение (4) и есть алгоритм Качмажа, обеспечивающий сходимость процесса итерационного решения систе- мы линейных алгебраических уравнений55 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 604 6типа (1), условием решаемости системы уравнений ( 1 ) является достаточность и избыточность инФормации, когда каждая ситуация имеетотличительный зрительный образ.Фотографическая память обучаемого оптического устройства управленияпредставляет собой не пространственный накопитель с программой действий,а оптический преобразователь, единственный на все случаи в работе объ"екта управления, ксторый содержитсовокупную информацию всего процесэто памяти могутнакапливаться знания в виде абстрактного иэображения для решения неодной, а многих задач." обученное длявыполнения одних,пействий устройст во можно дообучить для выполнениядругих 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 обученнуюобобщенную память (перемноженная напостоянную память). образует на выходе 15 соответствующий сигнал управления, Лругая отличительная ситуация, 30 пропущенная через ту же память, об 7разует уже другой соответствующийэтой ситуации сигнал управления итак далее.Обучаемое оптическое устройство ., управления может быть использовано 3не только для повторения простейшихконкретных движений, но и для решения обобщенных задач.Сблокированная пара оптических 40 каналов 2, 8 (Фиг.1) совмещает Функции сбора зрительной инФормации иуправления отдельным исполнительныморганом, Для управления объектом управления с несколькими исполнитель ными органами должна использоватьсясистема управления, включающая соответствующее количество аналогичныхустройств управления.Процесс обучения происходит сле 50 дующим образом. В качестве примераличными начальными траекториямипоиска ит,д., а из специально подобранных обобщенных ситуаций решения,в таких ситуациях в общем случае,могут быть; двигаться всегда в сторону любого предмета, попавшего вполе зрения обучаемого техническогоглаза; поворачиваться до совпаденияс условно обозначенной осью искомого предмета, не двигаться, если вполе зрения находится искомый предмет.Для решения поставленной задачидостаточно иметь три степени свободы объекта управления: движениевправо-влево, движение вперед-назад,поворот вправо-. влево. Возможны идругие решения приводов.В качестве объекта обучения примем устройство управления исполнительным органом, осуществляющимдвижение объекта управления вправовлево. Обучаемая выборка состоит изследующих ситуации: двигаться вправо, если какой-то предмет попал вправую 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 полезрения, находится искомый предмет,если глаз сориентирован относительно условной оси искомого предмета,если искомый предмет расположен вцентре поля зрения глаза, сигнал управления равен нулю. 40Исходное состояние блоков 6, 12памяти - абсолютно непрозрачные чер-ные Фотопозитивы.Разбивают процесс обучения на шаги и циклы. 45Цикл 1-й. На первом шаге 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 памятиабсолютно непрозрачны (таково их исхоцное состояние), то сигналы управления обоих каналов Е и Е "У равнынулю. Результирующий сигнал управления Е также равен нулю. Добиваясь по" 1лучения положительного значения сиг нала управления, например, равного+10 мВ, необходимо извлечь плюс-память 6 и регулировать диаФрагму 4при открытых Фотозатворах до тех порпока на выходе 15 не будет полученсигнал, равный +10 мВ,Затем необходимо установить на ме"сто плюс-памяти 6 неэкспонированнуюпозитивную Фотопластинку на прозрачной подложке и, не изменяя отрегулированное положение плюс-диаФрагмы,проэкспонировать Фотопластинку спомощью затвора 5.После этого Фотопластинку необходимо проявить. Этотпроявленный Фотопозитив считают основной плюс-памятью первого циклаобучения. С него методом контактнойсъемки делают дубль без проявления,т,е, экспонируют его, но не проявляют, с той целью, чтобы можно было1наложить на этотдубль корректирующееизображение,После получения памяти на первомшаге обучения первого цикла необходи"мо установить только что полученнуюпамять на место в оптический канал,повторно предъявить первую ситуацию(зрительный образ) и отрегулироватьусиление элемента 14 сравнения так,чтобы на выходе 15 бып требуемыйсигнал. В дальнейшем усиление элемента сравнения сохраняется неизменным.устанавливают полученную плюс-память (позитивную Фотопластинку) насвое место и, не изменяя положенияпредмета в поле зрения, регулируютусиление элемента 14 так, что на еговыходе 15 сигнал +10 мВ,Фоточувствительность всех Фотопластинок, которые используются впроцессе обучения, должна быть одина-ковой. В противном случае процессобучения также возможен, однако дли-;тепьность обучения увеличивается,Зрительный образ должен быть характерным, т.е, рассматриваемый предмет должен выделяться на общем Фоне.Освещенность обозреваемой сцены впроцессе обучения должна сохраняться,постоянной. Всякие отклонения в характерности рассматриваемых предметов и освещенности сцены удлиняютпроцесс обучения.После получения на первом шагеобучения основной плюс-памяти и еенепроявленного дубля переходят к второму шагу обучения.Наг второй. Предъявляют вторуюситуацию обучаемой выборки, т.е.располагают искомый или любой дру 1647604 4 0гой предмет так, что он попадает в левую половину поля зрения. Устанавливают на свои места полученную ня первом шаге плюс-пямять н минус-память в ниде абсолютно непрозрачной пластины, открывают полностью обе диаАрагмы 4, 10 и при открытых фото- затворах 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 . Дня этого извлекают минус-память 12 и регулируют диаАрагму 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 дютоплястинку иа прозрачной подложке и, не изменяя отрегулированного положения диаАрягж 10, с помощью затвора 11 экспонируют Аотопластинку.Проявляют фотопластинку и считают этот проявленный Аотонозитив 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 трегьему шагу.Ляг 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 Е на выходе 15. Так как в третьей целевой ситуации сигнал управления дол. жен равняться нулю, то при положительном действительном сигнале (ЕО) корректировке подлежит минус-память, а при отрицательном действительном сигнале (ЕО) корректировке подлежит плюс-память.Допустим, действительный сигнал отрицательный, т.е. ЕО. Извлекают плюс-память и регулируют диаАрягму 4 при открытом затворе 5 дотех пор пока ня выходе 15 не получают сигнал, равный пулю, После этого устанавливают на место плюс-памяти непрсявленный дубль плюс-намяти, полученный на первом ваге обучения и, не изменяя отрегулированногоположения диафрагмы, с помощью эат вора экспонируют дубль, г.е, корректируют плюс-память.Проявляют откорректиронанную плюспамять и считают этот Аотопозитивосновной плюс-памятью. С него дела ют дубль без проявления.Цикл 2-й. На четвертом шагепредъявляют снова первую ситуацию,устанавливают основные плюс-память6 и минус-память 12, открывают поп костью обе диафрагмы 4, 10 и прноткрытых затворах определяют величину действительного сигнала управления Е. Если он меньше +10 мВ, токорректируют описанным способом 25 плюс-память, я если больше, то корректируют минус"память Аналогичноосуществляют дальнейшую корректировку.Обучение прекращают в том случае, 30 ест во всех ситуациях обучаемойвыборки на выходе возникают требуемые сигналы управления. После обучения устанавливают ня свои места окончательно откорректированные плюсминус-памяти, открывают полностьюдиафрагмы и устанавливают постояннозакрытыми 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 лю бой ситуации устройство управленияобозревает свой зрительный образи нырабатывает соответствующий сигнал управления для исполнительногооргана. В результате исполнительныйорган совершает необходимое в даннойситуации движение, решая поставленную перед ним задачу.Формирование сигнала управленияна выходе устройства осуществляетсяследующим образом, Изображение рассматриваемого зрительного образа,формируемого 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 попавшего в поле зрения предмета и повороту относительно него. Все выпускаемые объекты оснащены соответствующей памятью. Дообучение по распознаванию искомых предметов осуществляется индивидуально с каждым объектом управления,Высокая точность устройства управления обусловлена .применением оп" тицеских 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 диаЬрагмой, первый и второй оптические затворы, второй блок памяти и второй многоэлементный Ьотоприемник, первый объектив, первый оптический затвор, первый блок памяти и первый многоэлементный Аотоприемник последовательно оптически связаны, второй объектив, второй оптический затвор, второй блок памяти и второй многоканальный Ьотоприемник последовательно оптически связаны, а выходы первого и второго многоэлементных фотоприемников подключены соответственно к первому и второму входам элемента сравнения.2, Устройство по п.1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что каждый блок памяти выполнен в виде Ьотопозитива. 11 1 б 4 7604фющие собой Аотопозитивы памяти на прозрачной подложке, и проецируется на многоэлементные Ьотоприемники 7, 13, Электрический потенциал каждого Аотоэлемента Аотоприемников опреде 5 ляется потоком света, падающего на этот элемент. В свою очередь величина этого потока света определяется соответствующим потоком света обозре. 1 О ваемого образа и оптической проводимостью соответствующего участка памяти. Суммарный потенциал фотоэлементов экрана определяет сигнал управления соответствующего оптического канала К и Г. На выходе элемента сравнения Аормируется окончательный в данной ситуации сигнал управления Е, значение которого определяется выра" жением (2).20В другой ситуации, будет другой сигнал управления, в третьей - третий и т.д. Реально ситуации могут видеоизменяться непрерывно, и также непрерывно изменяется сигнал управ 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 ЬотограАическую 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,Заказ 1402 Ъ 5 рак 396ВВВПИ Государственного коинтета по изо113035, Москва, 3-35, Ра ноеГагарина, 101 кий комбинат ффПатеитфег, Уаг роизводствени оставитель С.Бабкехред д.(щипаны Подлисбретенивм и открнтняи при ГЕНТ маскав щбеэ де М 5