ПОВЕДЕНЧЕСКИ ОРИЕНТИРОВАННЫЕ СХЕМЫ BEAM РОБОТОВ, ОБЩАЯ ТИПОЛОГИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ

THE BEHAVIORALLY ORIENTED DIAGRAMS OF BEAM ROBOTS, THE BASIC TYPES AND CLASSIFICATION

Ernesto Zholondiyevsky

graduate student, PEE HPE “Tolyatti management academy”,

Russia, Tolyatti

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются нейронные кольцевые цепи и реализация на их основе стимульно-реактивных BEAM роботов, предполагается дальнейшее использование стимульно-реактивных устройств в качестве симбиотических роботов.

ABSTRACT

In this article neural ring circuits and implementation on their basis stimulno-reactive BEAM robots are considered, further use stimulno-reactive devices as symbiotic robots is supposed.

Ключевые слова: нейронные кольцевые цепи; BEAM робот; стимульно-реактивные устройства; симбиотический робот.

Keywords: neural ring circuits; BEAM robot; stimulno-reactive devices; symbiotic robot.

В данной статье мы рассмотрим основные понятия, вводимые, общепринятые и рассматриваемые при моделировании и схемотехническом конструировании BEAM систем. Цель нашей статьи описать, и систематизировать пути развития роботизированных конструкций в BEAM робототехнике, которые радикально отличаются от всех когда-либо созданных ранее робототехнических форм, в том числе и цифровых. Разработанные и собранные многими исследователями BEAM роботы не являются роботами в традиционном понимании. Они не были созданы для выполнения, каких-либо конкретных практических и алгоритмических задач или работы, но прежде всего для исследований особого рода поведения: выживания мобильных автономных машин в заранее неизвестной и, возможно, недружелюбной окружающей среде. Подобные роботы функционируют на принципах «стимул-реакция», характерных для нейронных сетей. Стимульно-реактивные механизмы, используемые в роботах, носят ряд названий, таких как нейронные сети, поведенчески ориентированные схемы, схемы нервной организации и системы предикативной архитектуры. Что вызывает огромный исследовательский интерес с точки зрения эволюционных и стратегических процессов выживания и самоорганизации. Темой нашей работы являются микророботы, способные к выживанию – BEAM роботы, использующие «нейронные сети», на основе двух типов искусственных нейронов Nv (нервные сети) и Nu (нейронные сети) по классификации Марка Тилдена. Если определить жизнь как способность перемещаться для достижения собственных целей, то исследуемые нами машины являются живыми и способными к эволюции. Тема поведенчески ориентированных роботов является очень актуальной в настоящее время и, безусловно, окажется еще более важной в будущем, так как роботы на этой основе более дешевые, чем любой другой робот, построенный на цифровых технологиях. BEAM роботы обладают высоким быстродействием и высокой степенью «живучести». Данная платформа является наиболее удобной площадкой для исследовательских работ с переносом результатов в нано технологии. В системах подобной архитектуры робототехнические механизмы типа «стимул-реакция» могут надстраиваться один над другим. В наших исследованиях одно из направлений исследование и построение многозадачных устройств, для изучения степени «живучести». Устройства с иерархически многослойным построением механизмов «стимул-реакция» может демонстрировать поразительно «разумное» поведение.

BEAM система – робототехнический объект с внутренними и внешними процессами, в котором все функциональные блоки взаимодействуют друг с другом посредством косвенных или непосредственных связей.

BEAM подсистема – часть робототехнического объекта с косвенными или непосредственными связями. При этом любая из BEAM подсистем может быть проанализирована как BEAM система с некоторыми внешними входными или выходными связями, ее границы определяются ресурсами, выполняемой задачей и связанными подсистемами.

Состояние BEAM системы – фиксированная, суммарная в момент времени связанная с системой совокупность системотехнических и физических ресурсов (элементная база, питание, информационная составляющая, пространственное положение, тайминговые условия, поставленная задача), влияющих на конечные результаты и методы реагирования на изменяющиеся внешние условия. Это «моментальный снимок» устройства преобразующего входные данные BEAM системы во внутренние с последующим преобразованием в выходные данные.

Цель BEAM системы – описательный идеализированный образ состояния BEAM системы, но предпочтительный, с точки зрения поставленных задач, состояния внешней и внутренней среды, которое позволяет решать поставленные задачи (или изменяемые в процессе деятельности BEAM системы) при совокупных системотехнических и физических ресурсах.

Задача BEAM системы – множество входных (исходных) параметрических данных, статическое описание цели BEAM системы, определяемой множеством параметрических данных, состоящее из тактических и стратегических возможностей максимально точного достижения поставленной цели BEAM системы или множества промежуточных действий BEAM системы в окружающей среде.

Спецификация BEAM системы – это описательная идентификация всех основных элементов BEAM системы и ее подсистем, всех формализуемых связей, функций и ресурсов.

Структура BEAM системы – совокупность всех формализуемых связей и функциональных взаимодействий между всеми подсистемами BEAM системы, необходимых для практического (тактического) максимально точного достижения цели BEAM системы Рисунок 5.

На Рисунках 1, 2, 3, 4 приводится базовые топологии BEAM систем.

Рисунок 1. BEAM система линейного типа

Рисунок 2. BEAM система иерархического типа

Рисунок 3. BEAM система сетевого типа

Рисунок 4. BEAM система матричного типа

Рисунок 5. Структура BEAM системы

Для топологического описания BEAM системы необходимо знать, исходную структуру, рабочий функционал в целом BEAM системы и отдельных подсистем, типы связей с окружающей средой и подсистемами, составляющие имеющихся ресурсов.

Совокупность подсистем и типов связей между взаимодействующими элементами позволяет судить о структуре BEAM системы.

Любая BEAM система имеет некоторое количество внутренних состояний, внутренний аппарат для преобразования входных данных в выходные данные (внутреннее описание), а также имеет внешние состояния (внешнее описание), соответствующих внутренним состояниям.

Внутреннее состояние BEAM системы дает информацию о реакции системы на преобразованные данные, о соответствии или несоответствии внутренней топологии системы целям, выбранным подсистемам и имеющимся ресурсам. Внешнее состояние BEAM системы дает информацию о взаимодействии с другими системами, с целями и ресурсами других систем.

Топологическое описание BEAM системы – это описание внутренней структуры системы, то есть описание некой совокупности – А подсистем и необходимого для достижения цели набора взаимосвязей – R между этими подсистемами.

Функциональное описание BEAM системы – это описание принципов взаимодействия, преобразований, алгоритмов функционирования системы, взаимодействующее поведение.

Инфологическое описание BEAM системы – это описание связей любых типов как самой BEAM системы с окружающей средой, так и подсистем.

Функционирование BEAM системы происходит в одном из выбранных режимах: рабочий или основной, эволюционный, ожидания, воспроизводства:

• рабочим режимом называется функционирование системы без смены основной цели системы;
• режим ожидания – готовность с системы к функционированию без смены основной цели самой системы;
• эволюционным режимом – называется деятельность BEAM системы со сменой цели системы и режима функционирования;
• режим воспроизводства – идеализированная цель BEAM системы по воспроизводству BEAM подсистем.

При функционировании системы явно не происходит качественного изменения инфраструктуры системы; при развитии системы ее инфраструктура качественно изменяется.

Если в BEAM системе количественные изменения характеристик подсистем и их взаимосвязей приводит к качественным изменениям, то такие BEAM системы называются эволюционирующими системами. Эволюционирующие BEAM системы имеют ряд отличительных признаков, например, могут изменять свой режим функционирования, в результате взаимодействия с окружающей средой (как детерминировано, так и, случайно). В эволюционирующих системах количественные изменения подсистем и их элементов, внутренних и внешних связей системы приводит к качественным изменениям, при этом устойчивость системы, без смены цели, зависит от изменения внутренних и внешних связей между подсистемами и их элементами системы.

Эволюционирующие системы обладают рядом признаков:

• самопроизвольное изменение состояния системы, в том числе и режима функционирования;
• реакция любого типа на влияние окружающей среды или действия других систем, приводящее к изменению среды или методов взаимодействия с ней;
• постоянная адаптация ресурсов по их переориентации «среда – система», направленная против стабилизации (режима «зависания») их взаимодействия с окружающей средой или средой деятельности.

Если эволюционирующая система изменяется за счет имеющихся внутренних материальных, энергетических, информационных, или организационных ресурсов самой системы, то такие системы называются самоэволюционирующими. Это форма развития системы – самая оптимальная (идеальная) для поставленной цели.

Под гибкостью BEAM системы понимается как способность к структурной адаптации (приспосабливаемости) BEAM системы в результате воздействия среды деятельности.

Траектория BEAM системы определяется организационной структурой и типом, наличием адаптивных подсистем, средой деятельности. Для простейших BEAM систем, не свободных в выборе функционирования, траектория остается неизменной, ее можно изменить, лишь изменив структуру самой системы ее тип, взаимодействие подсистем, среду деятельности. Под траекторией BEAM системы понимается последовательность функциональных состояний системы, которые рассматриваются как некоторые фиксируемые статические состояния во множестве функциональных состояний системы на неком фиксируемом во времени отрезке, так называемое фазовое пространство.

Сложной BEAM системой называется та система, в которой, не хватает информационных ресурсов для максимально четко сформулированного описания состояний, законов функционирования и управления BEAM системой.

Иногда сложной системой считают такую систему, для которой по морфологическому, функциональному и инфологическому видам нельзя описать ее траекторию и функциональную сущность. Для этого иногда дополнительно применяют конфигуратор – интегральное описание, то есть строят интегральную модель поведения.

В сложных BEAM системах и промежуточный и конечный результат функционирования не может быть запрограммирован заранее, даже с допустимой вероятностной оценкой адекватности. Сложность таких систем обусловлена их сложным взаимодействием со средой существования. Существует внешняя и внутренняя сложность BEAM системы. Внутренняя сложность определяется множеством внутренних состояний. Внешняя сложность определяется сложностью взаимодействия со средой существования.

BEAM система называется связанной, если любые подсистемы обмениваются ресурсами. От типа и вида ресурсов зависит тип и вид связи, ее устойчивость и ресурсоемкость.

Приоритетная задача управления BEAM системой – это фильтрация «полезной» информации от «шумов» (информационных помех вредных для BEAM системы) и выделение приоритетной информации, которая позволяет функционировать системе в целом. Управление в BEAM системе есть не что иное, как внутренняя функция системы, осуществляемая независимо от типа подсистем какими она выполняться. Управление BEAM системой – выполнение внешних функций системы, обеспечивающих необходимые условия функционирования системы Рисунок 6.

Рисунок 6. Общая схема управления BEAM системой

Управление BEAM системой должно обеспечиваться необходимыми обеспечивающими ресурсами – материальными, энергетическими, информационными. При этом тип и свойства и степень активизации этих ресурсов влияет как косвенно, так и опосредованно, в том числе и на систему, в которой информация используется. Сама используемая информация по типу и свойствам, зависима от системы, в которой она используется.

Таким образом, множественность входных сигналов и их параметрических значений в BEAM системе, определяет количество различных состояний BEAM системы, количество выходных сигналов, и тем организационно сложнее сама BEAM система, тем сложнее задача поиска инвариантов управления.

Следование всем научным принципам позволяет на ранних стадиях тестирования и разработки BEAM систем определить, что будет представлять собой, создаваемая система, среда в которой она будет функционировать и взаимодействовать, обнаружить ошибки и недоработки, что, в свою очередь, облегчит доработку на последующих этапах функционального цикла системы и понизит стоимость разработки.

Список литературы:

1. Кацман М.М. Электрические машины и электропривод автоматических устройств: учеб. для техникумов / М.М. Кацман. – М.: Высшая школа, 1987. – 335 с.
2. Кенио Т. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: научное издание / Т. Кенио; Пер. с англ. А.Ю. Черкашина. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 184 с.
3. Brooks R.A. A robust layered control system for a mobile robot. – [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://beam-robot.ru (Дата обращения: 18.12.15).
4. Brooks R.A. Intelligence without Reason. – [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://beam-robot.ru (Дата обращения: 10.12.15).
5. Tilden M.W. Living Machines. – [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://beam-robot.ru (Дата обращения: 17.01.16).
6. Tilden M.W. The Design of “Living” Biomech Machines: How low can one go? [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://beam-robot.ru (Дата обращения: 21.01.16).