Основи побудови інформаційно управляючої системи

Інформаційно-управляюча система (ІУС) робота, або його керуючий пристрій (УУ), є найважливішою складовою частиною, утворюючи в поєднанні з виконавчою системою (маніпулятором) власне робот.
ІУС служить для 1) сприйняття і перетворення інформації про стан зовнішнього середовища і самого робота; 2) вироблення законів керування виконавчими пристроями на основі керуючої програми, командних сигналів з пульта управління і інформації про положення та стан елементів робота і навколишнього середовища; 3) передачі керуючих впливів приводів і механізмів виконавчої системи з метою організації активної взаємодії робота з навколишнім середовищем.

Інформаційно-управляюча система, як зазначено вище структурно складається з системи управління (СУ), інформаційно - вимірювальної системи (ІВС) і системи зв'язку (СС). Функціональні можливості робота - його універсальність і гнучкість, швидкість програмування (навчання), число позицій, що обслуговуються робочим органом, точність позиціонування, швидкодія і ряд інших якостей значною мірою визначаються його інформаційно - керуючої системою.

Основою керуючого пристрою робота є система управління, що забезпечує вироблення закону керування виконавчими пристроями робота і формування керуючих сигналів. Оскільки система управління є головною складовою частиною інформаційно-керуючої системи робота, в першу чергу, визначає його можливості, поняття "система управління" і "пристрій управління" в літературі часто не розділяються, а вживаються як синоніми.
Які ж визначальні ідеї, або принципи, які закладаються в основу побудови інформаційно-керуючих систем роботів?
У загальному вигляді керуючий пристрій робота, що функціонує в умовах неорганізованого простору, має володіти здатністю виробляти доцільна поведінка, закріплюючи його в пам'яті, тобто пристосовуватися до мінливих умов функціонування протягом певного кінцевого часу. Таким чином, один з найважливіших принципів, який повинен бути закладений в основу побудови керуючих систем роботів досить високого рівня (другого та третього поколінь), є здатність до навчання на власному досвіді і адаптаци і (приспосабливаемое) до нових умов.

У відповідності з цим принципом у процесі вирішення завдань роботом, повинні відбуватися накопичення досвіду і адаптація керуючого пристрою до конкретних умов функціонування.Інший найважливіший принцип управління, ефективно використовується в будь-яких біологічних системах, вироблений і відточений самою природою в ході багатовікової еволюції, - це принцип багаторівневої ієрархічної організації управління, коли різні завдання управління розподіляються між декількома рівнями - вищих, середніх та нижчих. Якщо звернутися, наприклад, до людини, то вища нервова система (півкулі головного мозку) керує діяльністю на рівні рішення досить загальних завдань і не керує рухом кожної м'язи і навіть групи м'язів.

Коли ж людина робить будь-яку дію, наприклад, друкує на машинці, вдягає пальто тощо, він не замислюється над тим, які саме рухи і в якій послідовності слід зробити, щоб досягти мети, вони відбуваються як би автоматично, без безпосереднього втручання вищих рівнів. Реалізація загальної задачі, сформульованої головним мозком, здійснюється на більш низьких рівнях управління, зокрема, вчинення більшості рефлекторних рухів регулюється різними відділами спинного мозку. Таким чином, центральна нервова система як орган управління має ієрархічну структуру з кількома рівнями.

Важливою властивістю такої системи є обмін інформацією між рівнями.
Ієрархічне управління набагато економніше, ніж жорстко централізоване, є засобом зменшення обсягу оброблюваної інформації і прискорення процесу управління, а головне - дозволяє побудувати реальні технічні системи, які в централізованому виконанні виявилися надзвичайно складними і навряд чи змогли б повноцінно функціонувати. Ієрархічна організація керування роботом - це прежде_ всього розподіл функцій сприйняття, обробки інформації і управління між окремими рівнями ієрархії і підсистемами робота.

Наприклад, в керуючих пристроях роботів, побудованих на базі мікропроцесорних засобів обчислювальної техніки, задачі управління першого - нижчого рівня, традиційно вирішуються методами теорії автоматичного регулювання, полягають у формуванні сигналів безпосереднього впливу на кожну з керованих координат приводу маніпулятора. Другий, або тактичний, рівень генерує керуючі сигнали для нижчого рівня управління на основі вхідної інформації від вищого рівня і сенсорної системи, а його вихідними командами є сигнали, ладаю'дие закони і послідовність дій виконавчої системи маніпулятора. Вищий, або стратегічний рівень управління забезпечує формування загальної системи дій робота на основі керуючої програми, а також логічної обробки і аналізу інформації про довкілля і стан самого робота. Кожен рівень, в свою чергу, може мати ієрархічну структуру з різного роду прямими і зворотними зв'язками.
В якості інструменту "спілкування" між рівнями, роботом і оператором, а також рішення логічних завдань і формування системи дій в термінах робота використовуються формалізовані мови різних рівнів.
І, нарешті, ще один важливий принцип, закріплений в живій природі, - принцип синергії, або блочності управління. Наприклад, навчання людини тим або іншим функціям - ходьби, бігу, стрибків, плавання, написання тексту, керування автомобілем і т. п. - зводиться до формування і закріплення в його пам'яті у вигляді досвіду відповідних блоків, або синергій, - взаємопов'язаних дій, один з яких закладений генетично в ході еволюції організму, інші формуються в процесі навчання. Отже, синергії - це ті "цеглинки", з яких будується цілеспрямоване функціонування біологічної чи технічної керованих систем.
Групування ступенів рухливості робота у "блоки" і відповідне зменшення числа незалежних змінних є ефективним методом управління такими складними технічними системами, як роботи.