Среди шума механизмов и лязга металла в цехе раздался тревожный скрип. Один из станков вдруг остановился. Вспыхнула и замигала яркая надпись «АВАРИЯ». Завыла сирена. Из-за оплошности рабочий мог получить тяжелую травму, но его спас электронный автомат, сумевший на фоне сильного шума уловить тревожный возглас человека. Он остановил станок, включил аварийную сигнализацию. Это сделала электронная схема «слуха», своего рода слышащий робот — защитник человека.
Перцептроны очень сложные кибернетические устройства, имитирующие слуховые органы живых существ. Без них трудно представить «умные» машины будущего, «понимающие» речь человека. Интересные результаты в этом направлении начинает давать взаимный обмен знаниями и методами биологии и электроники, на основе которого возникла и бурно развивается новая область науки — бионика. Изучение слухового аппарата животных уже сейчас помогает конструировать более совершенные электронные системы распознавания зрительных и слуховых образов.
Однако наши знания об органах слуха еще слишком ограниченны, требуется упорная и настойчивая работа большой армии различных специалистов, заинтересованных в раскрытии секретов самой сложной «машины» — человека, в том числе и его органов слуха.
Начинать конструирование слуховых систем роботов лучше с самого простого автомата, включающего световое табло с предупреждающей надписью «ТИШЕ», когда в помещении становится слишком шумно. Такой прибор, кстати, можно установить в читальне или учебной аудитории.
В схеме (рис. 1) с микрофоном типа МД-44 с помощью резистора устанавливается уровень допустимого шума на входе усилителя низкой частоты (первые 2 каскада). Со вторичной обмотки трансформатора Tp1 усиленный сигнал после детектирования поступает на усилитель тока, выполненный на транзисторе Т3. Конденсатор С4 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, а С5 исключает срабатывание схемы при действии кратковременных звуковых импульсов.
В схеме автомата можно использовать любые маломощные низкочастотные транзисторы типа П13, П16, П42 и др., а в качестве выпрямителя — любой точечный диод (Д1, Д2, Д9). Электролитические конденсаторы — на рабочее напряжение 10—15 в. Резисторы могут быть любого типа.
Трансформатор Tp1 — согласующий, берется от любого транзисторного приемника.
Реле P1 — типа РКМ-1 с сопротивлением обмотки 2к или РКН-1 с сопротивлением обмотки 3— 3,5 к, срабатывающее при токе 2—3 ма. Резистор R7 подбирается таким образом, чтобы реле при отсутствии сигналов на входе схемы находилось на пороге срабатывания. В дальнейшем уровень сигнала (уровень допустимого шума), при котором должно срабатывать реле, устанавливается переменным резистором R3.
Световое табло с надписью «ТИШЕ» должно питаться от электросети или самостоятельного источника тока через промежуточное реле, например типа МКУ-48 с более мощными контактами.
Для управления роботом на расстоянии в 3—4 м может быть использована более чувствительная схема «слуха», приведенная на рисунке 2. Она работает от угольного микрофона с сопротивлением порядка 1 к. Реле — РКМ-1, РКН-1 или др. с сопротивлением обмотки 2—3 к и током срабатывания 2—3 ма. Потенциометр R4 — регулятор усиления.
Итак, робот «слышит». Но он еще не отличает один звук от другого и может спутать музыку с грохотом отбойного молотка. Выручить его могут фильтры — специальные устройства, различающие частоту сигнала. Введем их в схему, и возможности робота сразу расширятся, а при достаточном «проворстве» он сможет даже танцевать под музыку. Если в схему включить фильтры, различающие частоты звучания отдельных гласных букв (рис. 3), то мы получим уже некоторое подобие перцептрона. Устройство «слуха», различающее частоту звуков А, О, И, может быть выполнено на узкополосных активных RC-фильтрах, собранных по схеме типа двойного Т-образного моста (рис. 4). Величины емкостей конденсаторов RC-фильтра для различных частот приведены в таблице.
Модель с подобной схемой различает несложные словесные приказания: «иди», «стой» и т. д., произносимые с подчеркиванием соответствующей гласной буквы.
Такая схема распознавания сигналов подключается после 4 каскадов усиления в точке «Ф» схемы «слуха», приведенной на рисунке 2. Если же от схемы потребуется различение трех-четырех частот, то после усилительных каскадов нужно включить эмиттерный повторитель такого типа, как на рисунке 4 (транзистор Т4). А на выход каждой схемы различения частот с RC-фильтрами надо поставить свой усилитель тока с реле (по типу выходного каскада схемы, показанной на рис. 2). С такими фильтрами легко получить полосу пропускания частот порядка 100 гц, и в диапазоне частот речевых команд (от 200 до 1200 гц) можно сделать схему «слуха», четко различающую более 5 сигналов.
Системы различения частот с индуктивно-емкостными LC-фильтрами проще по схеме, чем системы с RC-фильтрами, но в диапазоне звуковых частот на тороидальные альсиферовые сердечники типа Т4-60, Т4-55, В4-32 требуется обмотка с большим количеством витков.
Частотно-избирательное устройство на LC-фильтрах с двухобмоточным поляризованным реле, на- пример типа РПБ-5 (рис. 5), подключается вместо реле и конденсатора к точкам А, Б схемы, изображенной на рисунке 2.
Если обмотки каждого поляризованного реле подключить к выходам контуров, настроенных на частоты соседних каналов, то избирательность системы «слуха» резко повысится и количество каналов управления в выбранном диапазоне частот может быть увеличено. Кроме того, такое включение обеспечивает надежную защиту от одновременного срабатывания исполнительных цепей соседних каналов.
Для частот 440, 800, 1170 и 1550 гц емкости конденсаторов LC-контуров равны соответственно 0,3; 0,07; 0,015 мкф и 5000 пф. На каждый сердечник равномерно наматывается 400 + 400 витков провода ПЭЛШО-0,25. С четырехсот витков напряжение снимается на реле. Диоды в схемах питания реле — типа ДГ-Ц24 или подобные им.
Применение фильтров значительно расширяет возможности «слуховых» устройств. На основе схемы 2 может быть создана даже цветомузыкальная система, благодаря которой глаза робота или его эмблема могут менять свой цвет «под музыку». Для этого вместо выходного каскада, собранного на транзисторе T5, через эмиттерный повторитель (рис. 6) к схеме подключаются фильтры нижних частот (150 ~ 200 гц), средних частот (200 - 1000 гц) и высоких частот (от 1000 гц и выше), зажигающие красные, желтые и синие лампочки.
С двумя микрофонами, усилителями и поляризованным реле можно сделать устройство «слуха» (рис. 7), поворачивающее голову робота в сторону источника звука.
С рассмотренными схемами звуковое управление может осуществляться свистком, свирелью или голосом. Наиболее четко схемы «слуха» работают при использовании в качестве источника сигналов электронного генератора стабильных звуковых команд. Он размещается в пульте управления роботом. Но это не обязательно. Его можно вмонтировать даже в электросаксофон, с которым удобнее вести музыкальную «беседу» с роботом.
В этой статье вы познакомились с наиболее простыми электронными системами, изготовление которых доступно юным техникам.
О более сложных, так называемых фазочувствительных схемах слуховой ориентации роботов можно узнать из книги известного голландского роботостроителя A. Бруинсма «Практические схемы роботе». (Перевод с английского.) М.—Л., Госэнергоиздат, 1962.
Тем, кто заинтересуется тонкостями анализаторов, имитирующих работу органов слуха живых существ, советуем прочесть книгу B. К. Лабутина и А. П. Молчанова «Слух и анализ сигналов» (М., изд-во «Энергия», 1967).
