Обучаемое оптическое устройство управления элементом перемещения Советский патент 1991 года по МПК G06K9/00 

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.

На 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 регулируемой диафрагмой 4, первый оптический затвор 5, первый блок 6 памяти и первый многоэлементный фотоприемник 7, и минус-канал 8,

содержащий последовательно оптически связанные второй объектив 9 с регулируемой диафрагмой 10, второй оптический затвор 11, 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, v т.е. их временная выдержка постоянна. Сигнал управления Е на выходе устройства подают на конкретный исполнительный орган (элемент

С&

о

Јь

ремещения), Лля системы из несколь- ких исполнительных.органов, используют столько же пар оптических каналов с полным набором входящих элементов.

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 фо- топозитипа путем, например, контактного экспонирования, но дубль не проявляют для того, чтобы была возможность откорректировать память путем наложения на нее в процессе обучения корректирующего изображения После проявления дубль становится основной памятью.

Расстояние от объектива, включающего регулируемую диафрагму, до зрительного образа должно быть постоян- ным, если обучаемое устройство управления ориентировано на решение конкретных задач, и может быть произвольным, если оно ориентировано на решение обобщенных задач.

Для объяснения принципа действия обучаемого оптического устройства управления производят дискретизацию рабочего цикла по отдельным исполнительным органам объекта управления по ситуациям цикла и по элементам зрительного образа. Для этого выделяют из общего процесса движения (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 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-1 ответствующих фотоэлементов многоэлементных фотоприемников 7. 13. Точно также условно необходимо 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 при соответствующем мелком дроблении зрительного образа на отдельные участки, характеризуемые световыми потоками

5 b« i , где i - номер участка; j - номер зрительного образа (ситуации), сигнал управления Ej может представ- лять собой простую линейную зависимость

m

JL 2Е с,--ь,-| (1)

J где С. - весовой коэффициент 1-го

участка; п - общее количество участков; п - число ситуаций. Точность зависимости (1) тем выше, чем мельче дробление зрительного п образа.

Обучаемое оптическое устройство управления реализует зависимость (1) в виде

0

5

5-гЬ

И

Ё j.l

W

S

+) с.ъ,

№

2:

с.- ь.« 1 J

(2)

40

,

где С, - оптическая проводимость -го участка плюс-памяти

5

0

5

(блока памяти плюс-канала 2);

оптическая проводимость соответствующего i-ro- участка минус-памяти (блока памяти минус-канала 8). Устройство готово управлять исполнительным органом в том случае, если определены оптические проводимости Cj всех участков обоих блоков 6, 12 памятей, т.е. определены изображения фотопоэитивов.

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

зитивов (памятей) формируются путем коррекций в результате многократных повторных предъявлений всех ситуаций. Коррекцию памяти в процессе обучения осуществляют по закону одногаагового алгоритма идентификации Качмажа, используемого для итерационного решения систем линейных- алгебраических уравнений.

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

На каждом шаге обучения обуча- тель (человек) определяет погрешност сигнала управления:

UK - Ej - Ej,

(3)

где Е - требуемое значение сигнала управления в данной j-й

ситуации;

Е f - фактическое значение сигнала управления,

и задает корректирующий сигнал (кДЕ общий для всех участков памяти, таким, чтобы устранить указанную погрешность:

Ш

ABJ - 2

где ftC1 - поправка оптической проводимости i-i-o участка памяти.

Если Д К; т 0, то корректируют плюс-память. ЕслиДЕ: 0, то корректируют минус-память.

Поправка оптической проводимости ДС 1-го участка памяти определяется общим корректирующим сигналом и световым потоком соответствующего

участка:

ДС; (Шр bjj .

В результате оптическая проводи- мость С i на шаге L обучения

C (t) -C;(c-1) + .b,j.

JW л

Выражение (4) и есть алгоритм Качмажа, обеспечивающий сходимость процесса итерационного решения систмы лингйных алгебраических уравнени

типа (1). Условием решаемости системы уравнений (1) является достаточность и избыточность информации, когда каждчя снтуаш я имеет отличительный зрительный образ

Фотографическая память обучаемого оптического устройства управления представляет собой не пространственный накопитель с программой действий, а оптический преобразователь, единственный на все случаи в работе объекта управления, который содержит совокупную информацию всего процес5 са обучения. В памяти когут накапливаться знания в виде абстрактного изображения для решения не одной, а многих задачi обученное для выполнения одних .пействий устройст0 во можно дообучить для выполнения других действий, третьих и т.д., т.е. можно расширять круг решаемых задач. В процессе работы каждая отличительная ситуация в виде зрительного

5 образа, пропущенная через обученную обобщенную память (перемноженная на постоянную память), образует на выходе 15 соответствующий сигнал управления. Другая отличительная ситуация,

0 пропущенная через ту ке память, об-; разует уже другой соответствующий этой ситуации сигнал управления и так далее.

Обучаемое оптическое устройство

,- управления может быть использовано не только для повторения простейших конкретных движений, но и для решения обобпденных задач.

Сблокированная пара оптических

Q каналов 2, 8 (фиг.1) совмещает функции сбора зрительной информации и управления отдельным исполнительным органом. Для управления объектом управления с несколькими исполнитель5 ными органами должна использоваться система управления, включающая соответствующее количество аналогичных устройств управления.

Процесс обучения происходит сле0 дующим образом. В качестве примера возьмем обобщенную задачу поиска свободно ориентированного плоского предмета среди прочих. Учитывая большую трудоемкость процесса обучения,

5 обучаемую выборку формируют не из всех возможных ситуаций с различным количеством и расположением посторонних предметов, с различной ориентацией искомого предмета, с различными 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 исполни- . тельным органом, осуществляющим движение объекта управления вправо- влево. Обучаемая выборка состоит из следующих ситуаций: двигаться вправо, если какой-то предмет попал в 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 - отрицательный, 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.

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

Разбивают процесс обучения на таги и циклы.

Цикл 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 памяти абсолютно непрозрачны (таково их исходное состояние), то сигналы управления обоих каналов Е и равны нулю. Результирующий сигнал управле- ния Е также равен нулю. Добиваясь по-, лучения положительного значения сиг- чнала управления, например, равного +10 мВ, необходимо извлечь плюс-память 6 и регулировать диафрагму 4 при открытых фотозатворах до тех пор пока на выходе 15 не будет получен сигнал, равный +10 мВ.

Затем необходимо установить на место 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 проявленный фотопозитив считают ос-

5 новной 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

0 наложить на этот дубль корректирующее изображение.

После получения памяти на первом шаге обучения первого цикла необходимо установить только что полученную

5 память на место в оптический канал, повторно предъявить первую ситуацию (зрительный образ) и отрегулировать усиление элемента 14 сравнения так, чтобы на выходе 15 был требуемый

0 сигнал. В дальнейшем усиление элемен та сравнения сохраняется неизменным. Устанавливают полученную плюс-память (позитивную фотопластинку) на свое место и, не изменяя положения

5 предмета в поле зрения, регулируют усиление элемента 14 так, что на его выходе 15 сигнал +10 мВ.

Фоточувствительность всех фотопластинок, которые используются в

0 процессе обучения, должна быть одинаковой. В противном случае процесс обучения также возможен, однако длительность обучения увеличивается. Зрительный образ должен быть ха5 рактерным, т.е. рассматриваемый пред- мет должен выделяться на общем фоне. Освещенность обозреваемой сцены в , процессе обучения должна сохраняться постоянной. Всякие отклонения в ха-

п рактерности 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.

Шаг второй. Предъявляют вторую ситуацию обучаемой выборки, т.е. располагают искомый или любой дру5

гой предмет так, что он попадает в левую половину поля зрения. Устанавливают на свои места полученную на первом таге плюс-память и минус-память в виде абсолютно непрозрачной пластины, открывают полностью обе диафрагмы 4, 10 и при открытых фотозатворах 5, 11 определяют величину действительного сигнала управления Б 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 Ю до тех пор, пока на выходе 15 не будет получен сигнал, равный -10 мВ. После этого устанавливают на место минус-памяти 12 неэкспонированную позитивную фотопластинку на прозрачной подложке и, не изменяя отрегулированного положения диафрагмы 10, с помощью затвора 11 экспонируют фотопластинку.

Проявляют фотопластинку и считают этот проявленный фотопозитив основной минус-Памятью первого гдекла обучения. С него методом контактной съемки делают дубль без проявления.

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

Маг третий. Предъявляют третью целевую ситуацию обучаемой выборки т.е. располагают искомый предмет по цейтру поля зрения технического глаза и ориентируют этот предмет своей условной осью относительно условной оси гйаза. Устанавливают на свои места полученные на первом и втором шагах обучения основные плюс-память и минус-гпамять, открывают полностью обе диафрагмы 4, Ш и при открытых затворах определяют величину действительного сигнала управления ЙЈ на выходе 15. Так как в третьей целевой ситуации сигнал управления должен равняться нулю, то при положительном действительном сигнале (Е.Ј О) корректировке подлежит минус-память а при отрицательном действительном сигнале (Е Ј 0) корректировке подлежит плюс-память.

Допустим, действительный сигнал отрицательный, т.е. Е f Ј О. Извлекают плюс-память и регулирукиг диафрагму 4 при открытом затворе 5 до тех пор, пока на выходе 15 не получают сигнал, равный нулю. После это- , го устанавливают на место плюс-памяти непроявленный дубль плюс-памяти, полученный на первом шаге обучения и, не изменяя отрегулированного положения диафрагмы, с помощью зат0 вора экспонируют дубль, т.е. корректируют плюс-память.

Проявляют откорректированную плюс- память и считают этот фотопозитив основной плюс-памятью. С него дела5 ют дубль без проявления,

Цикл 2-й. На четвертом шаге предъявляют снова первую ситуацию, устанавливают основные плюс-память б и минус-память 12, открывают пол0 ностыо обе диафрагмы 4, 10 и при

открытых затворах определяют величину действительного сигнала управления Е/. Если он меньше +10 мВ, то корректируют описанным способом

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

Обучение прекращают в том случае,

0 если во всех ситуациях обучаемой выборки на выходе возникают требуемые сигналы управления. После обучения устанавливают на свои места окончательно откорректированные плюс 5 минус-памяти, открывают полностью диафрагмы и устанавливают постоянно закрытыми оба затвора.

Точность получения заданного сигнала управления задается обучателем.

0 После .завершения процесса обучения устройства объект управления с обучаемым оптическим устройством управления готов к работе.

Рассмотрим работу объекта. В лю5 бой ситуации устройство управления обозревает свой зрительный образ и вырабатывает соответствующий сигнал управления для исполнительного органа. В результате исполнительный

g орган совершает необходимое в данной ситуации движение, решая поставленную перед ним задачу.

Формирование сигнала управления на выходе устройства осуществляется

е следующим образом. Изображение рас- сматриваемого зрительного образа,форп мируемого объективами 3, 9, пропускается через окончательно откорректированные памяти 6, 12, представляющие собой фотопозитивы памяти на прозрачной подложке, и проецируется на многоэлементные фотоприемники 7, 13. Электрический потенциал каждого фотоэлемента Лотоприемников определяется потоком света, падающего на этот элемент. Б свою очередь величина этого потока света определяется соответствующим потоком света обозреваемого образа и оптической проводимостью соответствующего участка памяти. Суммарный потенциал фотоэлементов экрана определяет сигнал управления соответствующего оптического канала Е и к . На выходе элемент сравнения формируется 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 непрерывно изменяется сигнал управления. 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 случаях, когда произошли самопроизвольные нарушения в законах движения исполнительных органов или когда возникла новая уточняющая ситуация в обучаемой выборке, или когда необходимо изменить закон движения объек- та 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

0

5

0

5

0

5

5

0

один объект, а для остальных достаточно изготовить лишь 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 оптических блоков памяти. Стандартно проявленные и закрепленные фотопозитивы сохраняют изображение без изменений в течение длительного времени, обеспечивая тем самым высокую точность и надежность устройства.

Формула изобретения

1.Обучаемое оптическое устройство управления элементом перемещения, содержащее первый блок памяти, первый многоэлементный фотоприемник и элемент сравнения, выход которого является выходом устройства, о т - личающееся 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 много- элементный фотоприемник, 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 фотоприемник последовательно оптически связаны, а выходы первого и второго многоэлементных фотоприемников подключены соответственно к первому и второму входам элемента сравнения

2.Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый блок памяти выполнен в виде фотопозитива.

9 Ю

15

11 П О

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.