§ 1.6 Алгоритмы управления
Сегодня мы разберёмся, как компьютеры, роботы и даже обычные устройства управляют тем, что происходит вокруг. Узнаем, что такое алгоритм управления, зачем нужна обратная связь и как всё это работает в реальной жизни!
🔑 Ключевые слова урока
🎯 Что мы сегодня узнаем?
На этом уроке ты узнаешь, как устроено управление, что такое алгоритмы управления, почему роботам нужна «обратная связь» и как всё это работает в реальной жизни — от светофора до беспилотника!
1️⃣ Что такое управление?
Давайте представим: ты играешь в любимую игру на компьютере. Нажимаешь кнопку — персонаж прыгает. Нажимаешь ещё раз — атакует. Компьютер управляет персонажем, следуя твоим командам и заложенной в игру программе.
💡 Определение
Управление — это процесс целенаправленного воздействия на объект. Оно осуществляется для организации функционирования объекта по заданной программе.
Простыми словами: управление — это когда кто-то (человек, программа, алгоритм) говорит чему-то (машине, роботу, персонажу в игре), что делать.
🎮 Объект управления
Объект управления — то, чем управляют.
Примеры:
- Автомобиль
- Ученик
- Оркестр
- Робот-пылесос
🎯 Управляющий объект
Управляющий объект (управляющая система) — тот, кто управляет.
Примеры:
- Водитель
- Учитель
- Дирижёр
- Программа в микроконтроллере
Управляющий объект даёт команды, а объект управления их выполняет
2️⃣ Что такое алгоритм управления?
Хорошо, теперь понятно, кто кем управляет. А как именно это происходит? Вот тут на сцену выходит алгоритм управления.
💡 Определение
Алгоритм управления — это последовательность команд по управлению объектом, которая приводит к заранее поставленной цели.
Представь: ты хочешь, чтобы робот-пылесос убрал твою комнату. Алгоритм управления — это пошаговая инструкция для пылесоса: «Двигайся вперёд, поворачивай налево при встрече с препятствием, собирай мусор, возвращайся на базу, когда батарея разрядится».
🔍 Виды алгоритмов управления
Алгоритмы управления могут быть:
- Простыми — одна команда («включи свет»)
- Линейными — последовательность команд («включи чайник → подожди 5 минут → налей воду в чашку»)
- Разветвляющимися — с выбором («если на улице дождь — возьми зонт, иначе — иди так»)
- Циклическими — с повторениями («пока батарея не разрядится — продолжай убирать комнату»)
Алгоритмы управления бывают разными: линейными, разветвляющимися и циклическими
3️⃣ Обратная связь — секретное оружие управления
А теперь самое интересное! Представь: светофор на дороге просто переключает цвета по таймеру. Он не знает, сколько машин стоит в пробке. Это управление без обратной связи.
А теперь представь «умный» светофор: он видит, что машин на одной дороге много, а на другой — мало. И он меняет время зелёного сигнала, чтобы пробка рассосалась быстрее. Это уже управление с обратной связью!
💡 Определение
Обратная связь — это процесс передачи информации о состоянии объекта управления управляющему объекту.
Проще говоря: управляющий не просто даёт команды вслепую, а следит за тем, что происходит, и корректирует свои действия.
📝 Пример 1: Светофор на перекрёстке
Рассмотрим управление движением автомашин на перекрёстке с помощью светофора.
Обычный светофор переключается по таймеру — он не «видит» дорогу. Светофор не воспринимает текущую информацию о состоянии движения на перекрёстке, он не изменяет алгоритм управления от того, что с какой-то стороны скопилось очень много машин и образовалась пробка.
«Умный» светофор оснащён высокотехнологичным устройством, оснащённым датчиками, фиксирующими скорость движения на дороге и плотность транспортных потоков. Управление движением станет более рациональным за счёт учёта информации, поступающей от объекта управления. Вот это и есть обратная связь!
📊 Кибернетическая модель управления
Обратная связь позволяет управляющему объекту «видеть», что происходит с объектом управления
🧠 Наука кибернетика
В середине прошлого века выдающийся американский учёный Норберт Винер (1894–1964), изучавший различные технические и биологические системы, установил, что управление в них осуществляется по общей схеме. Винер считается основоположником науки об управлении — кибернетики.
4️⃣ Роботы и робототехника
Сейчас в мире работают миллионы роботов! Они не просто выполняют одну и ту же операцию. Современные роботы анализируют информацию от датчиков и принимают решения.
💡 Определение
Робот — автоматическое устройство, выполняющее определённые механические операции в соответствии с заложенной в него программой.
🔧 Из чего состоит робот?
Робот — это сложная система, которая включает:
⚙️ Механическая часть
Множество деталей, определённым образом скреплённых между собой — «тело» робота (детали, моторы, колёса, манипуляторы).
🔋 Система питания
Моторы, преобразующие электрическую энергию в механическую.
🧠 Система управления
Состоит из микроконтроллера — однокристального компьютера, программного обеспечения и множества датчиков.
Робот состоит из механики, системы питания и «мозга» — системы управления
👁️ Как робот получает информацию?
Информацию о внешнем мире робот получает от датчиков касания, расстояния, света, звука и др.
🔢 Цифровые датчики
Измеряют соответствующие физические величины, преобразуют результаты измерений в двоичный код и передают полученный цифровой сигнал микроконтроллеру на обработку.
📊 Аналоговые датчики
Выдают информацию об измеряемой физической величине в виде электрических сигналов, которые преобразуются в двоичный код специальным блоком микроконтроллера.
Сигналы, поступающие от датчиков, — это входные данные для управляющей программы, заложенной в микроконтроллер. В зависимости от поступающих сигналов микропроцессор в соответствии с программой управляет устройствами вывода — звука, лампочками, моторами и т. д., выполняя в итоге достаточно сложные операции, которые ещё десятилетие тому назад были под силу только человеку.
Датчики — это «органы чувств» робота, которые помогают ему «видеть» и «слышать» мир
5️⃣ Три поколения роботов
Роботы не сразу стали такими умными. Они прошли три этапа развития:
Роботы развивались от простых исполнителей до умных помощников, способных учиться
🌟 Роботы сегодня
Сегодня в мире используются миллионы роботов. Они не только выполняют однообразные рутинные операции, которые не нравятся человеку, но и решают задачи, которые нам не под силу. Роботы управляют самолётами и поездами, помогают в строительстве космической станции, в сборке автомобилей и производстве микрочипов, охраняют здания, используются военными для разведки и разминирования, помогают спасателям искать людей под завалами. Нет такой области, в которой человек не попытался бы создать себе автоматического помощника.
6️⃣ Робототехника — наука о роботах
💡 Определение
Робототехника — наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем, опирающаяся на информатику, а также на такие дисциплины, как:
⚙️ Механика
Движение материальных тел и взаимодействие между ними.
🎛️ Телемеханика
Контроль и управление объектами на расстоянии.
💻 Электроника
Методы создания электронных приборов и устройств для приёма, передачи, обработки и хранения информации.
📡 Радиотехника
Методы генерации, усиления, преобразования, излучения и приёма радиосигналов, проектирование и изготовление радиоаппаратуры.
🌍 Где применяются роботы сегодня?
Роботы повсюду! Вот лишь несколько примеров:
🏭 Промышленные роботы
Автоматически управляемые, перепрограммируемые, многоцелевые манипуляторы, широко применяемые на производстве для выполнения ряда основных и вспомогательных технологических операций (сборка автомобилей, упаковка товаров).
🏥 Медицинские роботы
Используемые в том числе для проведения хирургических операций и приготовления лекарственных препаратов.
🏠 Бытовые роботы
Являющиеся основой «умного дома» — роботизированной системы всего жизнеобеспечения, а также андроиды — социальные роботы, предназначенные для помощи людям и общения с ними на определённые темы.
🚨 Спасательные роботы
Обеспечивающие безопасность при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций (разбор завалов, поиск людей).
🔬 Исследовательские роботы
Используемые для сбора данных в экстремальных условиях (исследование океанов, космоса, вулканов).
⚔️ Боевые роботы
В том числе беспилотные летательные аппараты (дроны).
🎓 Роботы в образовании
Конструкторы для обучения программированию и робототехнике (LEGO Mindstorms, Arduino и другие).
Роботы работают в самых разных сферах: от дома до космоса
💻 Как начать изучать робототехнику?
Если у тебя пока нет настоящего робота — не беда! Можно начать с виртуальной среды программирования роботов TRIK Studio (https://gotourl.ru/15572).
В ней ты можешь:
- Создавать виртуальных роботов на экране компьютера
- Программировать их поведение (движение, реакция на препятствия, выполнение задач)
- Тестировать алгоритмы управления без реального конструктора
Это как симулятор вождения перед тем, как сесть за руль настоящей машины! 🚗💨
Программировать роботов можно и виртуально — в специальных средах разработки
🏁 САМОЕ ГЛАВНОЕ
Давай подведём итоги! Вот что ты должен запомнить:
✅ Проверь себя!
А теперь проверим, насколько хорошо ты усвоил материал. Попробуй ответить на эти вопросы:
1. Что такое управление? Приведи примеры управляющих систем и управляемых объектов
Подумай о примерах из твоей жизни: школа, дом, улица, интернет. Кто кем управляет в каждом случае?
2. Что такое алгоритм управления? Приведи примеры ситуаций с разными типами алгоритмов
Вспомни линейные, разветвляющиеся и циклические алгоритмы управления. Где они встречаются в повседневной жизни?
3. Что изучает наука кибернетика?
Вспомни про Норберта Винера — он считается основоположником этой науки.
4. Какая информация нужна для управления? Приведи пример
Подумай о том, какую информацию должен знать управляющий объект о цели и способах её достижения.
5. Что такое обратная связь? Почему она важна для эффективного управления?
Вспомни пример со светофором или робота-пылесоса.
6. Опиши кибернетическую модель управления
Какие два объекта в ней участвуют и как они связаны?
7. Чем роботы отличаются от других автоматических устройств? В чём их принципиальное отличие от человека?
Подумай о способности воспринимать мир, понимать его и воздействовать на него.
8. Исследовательское задание: Подготовь короткое сообщение о роботах
Выбери одну из тем:
- а) Прообразы современных роботов
- б) Откуда взялось слово «робот»?
- в) Сферы применения робототехники
