К вопросу о терминологии в области мехатроники

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 621.865.8

К ВОПРОСУ О ТЕРМИНОЛОГИИ В ОБЛАСТИ МЕХАТРОНИКИ

Е.В. Шалобаев, Р.Т. Толочка

Рассматриваются актуальные вопросы терминологии в области мехатроники в связи с 25-летием появления в России термина «мехатроника», а также - распространением терминов, рекомендованных постоянным комитетом по стандартизации терминологии Международной организации по теории машин и механизмов.

Ключевые слова: мехатроника, микро- и наномехатроника, терминология, международный транслятор, микросистемная техника, уровневый подход, триада «сенсоры-контроллер-актюатор».

В канун 25-летия выхода в свет русского издания монографии «Мехатроника» японских ученых под редакцией Т. Исии [1] необходимо вернуться к проблемам терминологии в области мехатроники. Можно с полной уверенностью констатировать, что становление мехатроники как науки состоялось, что показывают публикации [2-5], отражающие положение дел как в науке и технике, так и в деле подготовки специалистов в рассматриваемой области [6-10]. При этом, несмотря на две волны интереса к рассматриваемой проблеме [11-22], общепризнанная терминология до сих пор отсутствует.

В России действует государственный образовательный стандарт для подготовки специалистов в области мехатроники, который является лишь отраслевым нормативным документом. В первой (1995 г.) и второй (2000 г.) редакциях даны определения термина «мехатроника». В последней редакции ФГОС-2009 определен как сам термин «мехатроника», так и термин «мехатронная система» [10].

Мехатроника - область науки и техники, основанная на системном объединении узлов точной механики, датчиков состояния внешней среды и самого объекта, источников энергии, исполнительных механизмов, усилителей, вычислительных устройств.

Мехатронная система - единый комплекс электромеханических, электрогидравлических, электронных элементов и средств вычислительной техники, между которыми осуществляется постоянный динамически меняющийся обмен энергией и информацией, объединенный общей системой автоматического управления, обладающей элементами искусственного интеллекта.

Постоянный комитет по стандартизации терминологии Международной организации по теории механизмов и машин (ТММ) (РС «А» ГРТоММ) в 2002 г. разослал проект, в котором предлагались трактовки терминов для использования в области мехатроники. После ознакомления научной общественности с указанным проектом и заключениями ряда экспертов [14] РК «А» ГРТоММ были подготовлены рекомендации по терминологии в области мехатроники, принятые ГРТоММ [15]. В международном трансляторе по ТММ даны термины и их толкование как на английском, так и на русском языке.

Несмотря на наличие рекомендаций ГРТоММ, их использование не стало общепринятым фактом. Так даже в широко известных и используемых книгах проф. Ю.В. Подураева и его коллег [3, 5, 6] есть упоминания о рекомендациях ГРТоММ, которые, однако, фактически не используются. Интерес к проблемам терминологии в области мехатроники периодически проявляется, как это следует из работ [1217], а также [18-22].

Данная проблема была обсуждена на 23-й и 24-й рабочих совещаниях комитета «А» ГРТоММ (Беларусь, Гомель, 2010; Германия, Ильменау, 2012) [20], и данная публикация, принадлежащая членам РК «А», является реализацией одного из направлений принятых на них решений по ознакомлению широкой научной общественности с рекомендациями международного транслятора в области мехатроники. В качестве иллюстрации приведем ряд следующих терминов на русском языке.

Мехатроника - связующая комбинация механики, электротехники, электроники и информационных технологий для создания технических систем с искусственным интеллектом, в особенности механизмов и машин.

Мехатронная система - система, созданная на основе принципов мехатроники.

Мехатронный подход - интегральный междисциплинарный подход к разработке мехатронных систем.

Микромехатроника - подобласть мехатроники, относящаяся к устройствам и системам с размерами в несколько миллиметров и меньше.

Наномехатроника - подобласть мехатроники, относящаяся к устройствам и их системам, соизмеримым с молекулами.

Адаптивная механика - раздел мехатроники, в котором рассматриваются интеллектуальные устройства и адаптивные структуры, способные к изменению их поведения в соответствии с изменениями в окружающей среде и их внутреннего состояния.

Актуатор - устройство, оказывающее непосредственное воздействие на процесс, другие механические устройства или окружающую среду для выполнения какого-либо полезного действия.

Интеллектуальный актуатор - автономно действующий актуатор, состоящий из сервопривода и вычислительного устройства с соответствующим программным управлением, служащим для управления, восприятия и обмена информацией.

Интеллектуальная машина - машина, обладающая искусственным интеллектом.

Интеллектуальный материал - композиционный материал (структура), обладающий свойствами, соответствующими примитивному интеллекту.

«Умный» материал (система, продукт) - материал (система, продукт), способный к достаточно сложному поведению за счет присущих ему свойств искусственного интеллекта.

Адаптивная машина - интеллектуальная машина, обладающая интеллектуальным свойством адаптивности.

Активный материал (структура) - материал (структура), способный реагировать на возмущения, благодаря внутреннему преобразованию энергии или изменению собственных параметров.

Механизм переменной структуры (с переменными параметрами) - регулируемый механизм, структура (параметры) которого могут быть изменяемы.

Регулируемая структура - структура, параметры или компоновка составляющих которой могут изменяться с целью улучшения функционирования.

Интеллектуальный датчик - автономная единица, интегрирующая в себе функции ощущения, восприятия, переработки аналогового и дискретного сигнала, автоматической и самокалибровки и компенсации.

Система датчиков - система, состоящая из нескольких датчиков, используемая с целью дополнения данных одного датчика данными, полученными от других.

Архитектура мехатронной системы - иерархия или устройство компонентов мехатронной системы.

Решающая система - часть мехатронной системы, которая оценивает воспринятую информацию и планирует последующие действия.

Автоматизированная система управления - система для автоматического управления, обычно основанная на использовании компьютеров.

Исполнительная система - часть мехатронной системы, которая управляет работой машины на основе данных, полученных от решающей системы или непосредственно от системы восприятия (от датчиков).

Система восприятия - часть мехатронной системы, которая выполняет сбор, хранение, переработку и распределение информации о состоянии машины и окружающей среды.

Самоорганизующая система - система, которая полностью или частично формирует свою структуру путем самоорганизации.

Самоорганизация - способность создавать структуру без каких-либо внешних воздействий; свойство системы, заключающееся в ее способности к возникновению.

Саморегулирование - способность машины достигать и поддерживать желаемое поведение при работе в окружающей среде, которая претерпевает конечные изменения во времени.

Самовосстановление - способность машины к восстановлению работоспособности.

Самодиагностика - способность машины контролировать и оценивать рабочее состояние.

Указанные выше термины в англоязычной литературе используются около 10 лет, их толкование не является догмой и, естественно, должно корректироваться в процессе использования. Так, термин «мехатронный подход» должен, по мнению авторов данной публикации, рассматриваться как часть системного подхода. Опыт применения термина «актуатор» показал, что в русской транскрипции лучше использовать написание «актюатор». Синонимом термина «решающая система» может быть использован термин «контроллер», широко применяемый в зарубежной и отечественной литературе. Термин «система восприятия» логично трактовать как «сенсорную систему». Отсюда мехатронная система может трактоваться как триада «сенсоры-контроллер-актюатор» [11]. Необходимо зафиксировать и уровневый подход к мехатронике, учитывая масштабный фактор. Иначе говоря, мехатроника относится к макромиру, микромехатроника - к микромиру, наномехатроника - к наномиру [11]. Требуется установить взаимосвязь между микро- и наносистемной техникой и мехатроникой, поскольку имеются отечественные журналы «Мехатроника» (ныне «Мехатроника, автоматизация, управление») и «Микросистемная техника» (ныне «Нано- и микросистемная техника»), в которых взаимосвязь между их предметными областями не оговаривается. В работах одного из авторов данной публикации [2, 11, 14, 23] такой уровневый подход к мехатронике был предложен, что нашло фактическое отражение в рассматриваемом международном трансляторе, но формально зафиксировано не был и требует такого закрепления. Также необходимо и закрепление тождества терминов «микросистемная техника» и «микромехатроника» [2]. Кстати, нужно зафиксировать различие терминов «сенсор» и «датчик», которое должно отражать физические и конст-

руктивные аспекты [24]. Можно уточнить, что систему, являющуюся частью другой системы, корректнее называть подсистемой. Есть и другие замечания.

Данная публикация является предложением для дискуссии, которая и должна учесть разные мнения и создать предпосылки для создания общепризнанной терминологии. Предстоящее в этом году вступление России в ВТО ставит вопрос об использовании международных стандартов, норм и рекомендаций для поддержания конкурентоспособности в области не только собственно торговли, но и различных форм отечественной продукции, в том числе и научной, что еще раз подчеркивает актуальность данной публикации. В ряде других научно-технических областей подобные международные трансляторы уже не только разработаны с участием постоянного комитета по стандартизации терминологии IFToMM [25], но и нашли широкое применение, о чем говорят многочисленные переиздания словаря-справочника [26].

1. Мехатроника / Под ред. Т. Исии. - Пер. с яп. - М.: Мир, 1988. - 318 с.

2. Шалобаев Е.В. Фундаментальные и прикладные проблемы развития мехатроники // Сборник: Современные технологии / Под ред. С. А. Козлова. - СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. - С. 46-66.

3. Подураев Ю.В. Мехатроника: основы, методы, применение. - 2-е изд. - М.: Машиностроение, 2007. -256 с.

4. Tolocka R.T. Adaptive mechanics for mechatronics // The 22th Working Meeting of the IFToMM PC for Standardization of Terminology, June 29-July, 2008. - Villeurbanne, France, Lyon : IFToMM, 2008. -P. 25-29.

5. Подураев Ю.В. Основы мехатроники. - М.: Изд-во МГТУ СТАНКИН, 2000. - 80 с.

6. Егоров О.Д., Подураев Ю.В. Конструирование мехатронных модулей: Учебник. - М.: Изд-во МГТУ СТАНКИН, 2004. - 360 с.

7. Tolocka R.T. Engineering, mechatronics and its educational programs // Global Cooperation in Engineering Education: Innovative Technologies, Studies and Professional Development : the 3rd international conference proceedings, October 1-3, 2009. - Kaunas: Technologija, 2009. - P. 32-35.

8. Bansevicius R.P.; Tolocka R.T., Macha Ewald, Pawliczek Roland. Adaptive mechanics: concept and course for mechatronics study programme // Mechatronic Systems and Materials: selected papers. - Opole University of Technology, 2007. - P. 7-14.

9. Tolocka R.T., Macha E., Pawliczek R. Mechanical engineering and mechatronics: development of study programmes // Mechatronic Systems and Materials 2010. - Opole University of Technology, 2011. - P. 249-254.

10. ФГОС ВПО по направлению подготовки 221000 «Мехатроника и робототехника» (квалификация (степень) «Магистр»). - М., 2009. - 23 с.

11. Шалобаев Е.В. Микросистемная техника и мехатроника: особенности соотношения макро- и микроуровней // Микросистемная техника. - 2000. - № 4. - С. 5-10.

12. Аршанский М.М., Шалобаев Е.В. Мехатроника: основы глоссария // Мехатроника, 2001. - № 2. - С. 47-48.

13. Шалобаев Е.В. К вопросу об определении мехатроники и иерархии мехатронных объектов // Датчики и системы. - 2001. - № 7. - С. 62-65.

14. Шалобаев Е.В. К вопросу о международном трансляторе по мехатронике // Мехатроника. - 2002. -№ 4. - С. 6-11.

15. Международный транслятор по науке механизмов и машин в редакции 2003, MMS-terms-2003 // [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.iftomm.3me.tudelft.nl, свободный. Яз. рус. (дата обращения 09.07.2012).

16. Шалобаев Е.В. Проблемы и тенденции развития терминологии в современных условиях // Микросистемная техника. - 2004. - № 4. - С. 29-32.

17. Шалобаев Е.В. Определение неологизма «мехатроника» и его развитие // В кн.: Проблемы интеллектуального управления в авионике. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. - С. 12-18.

18. Осипов Ю.М. К вопросу о развитии понятия «мехатроника» // Доклады ТУСУРа, июнь 2010. - № 1 (21). - Ч. 2. - С. 193-198.

19. Кориков А.М. О развитии понятия «мехатроника» // Доклады ТУСУРа, июнь 2010. - № 1 (21). - Ч. 2.

- С. 199-202.

20. Shalobaev Е^. Mechatronics: Today Problems and Development trends of Terminology // Proceeding 23rd Working Meeting of the IFToMM Permanent Commission for Standardization of Terminology on MMS Minsk. - Gomel, Belarus, June 21-26, 2010. - P. 111-118.

21. Кориков А.М. Еще раз о мехатронике как о науке // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2011.

- № 1. - С. 2-8.

22. Толочка Р.А., Шалобаев Е.В. Терминология в области мехатроники // Материалы Международной научной школы «Фридлендеровские чтения», BVP-2011. - СПб: ИПМаш РАН, 2011. - С. 38-44.

23. Шалобаев Е.В., Старжинский В.Е., Шилько С.В. Тенденции развития современной трибологии на микро- и наноуровнях // Труды Международного симпозиума: Гидродинамическая теория смазки. В 2-х томах. - М.: Машиностроение, 2005. - Т. 2. - С. 289-295.

24. Шалобаев Е.В. Сенсорика и 21 век // Датчики и системы. - 2001. - № 1. - С. 63-65.

25. Starghisky V.E., Shalobaev E.V., 8ИегЪакоу S.V. On compiling a terminological Reference-Dictionary on gearing // Proceedings of International conference «Power Transmissions'03», 11-12 September, 2003, Section I. - Sofia, Varna : БолгАН, 2003. - P. 180-186.

26. Гольдфарб В.И., Старжинский В.Е., Шалобаев Е.В. и др. Словарь-справочник по зубчатым передачам: русско-англо-немецко-французский / Под ред. В.Е. Старжинского. - Изд. 5-е. - Гомель: ИММС НАН Б, 2011. - 220 с.

Шалобаев Евгений Васильевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, профессор, shalobaev47@yandex.ru Толочка Римантас Тадас - Каунасский технологический университет, доктор технических наук, профессор, tadas.tolocka@ktu.lt

УДК 629.1

ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕТОДА СПРЯМЛЕННЫХ ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В ЗАДАЧАХ СГЛАЖИВАНИЯ А.В. Лопарев, О.А. Степанов, О.М. Яшникова

Предлагается обобщение приближенного метода спрямленных логарифмических характеристик в случае решения стационарных задач сглаживания.

Ключевые слова: фильтрация, сглаживание, метод логарифмических характеристик, стационарные процессы.

При решении задач обработки измерительной информации широкое применение получили алгоритмы, разрабатываемые в рамках калмановского подхода. Вместе с тем для задач обработки стационарных сигналов сохраняет свою актуальность винеровский подход. Суть подхода заключается в нахождении передаточной (или весовой) функции оптимального фильтра, минимизирующего среднеквадратиче-скую ошибку оценивания в установившемся режиме. Одно из достоинств винеровского подхода заключается в том, что для построения алгоритмов разработаны различные упрощенные методы. В частности, применительно к навигационным приложениям наибольшее применение получил так называемый метод спрямленных логарифмических характеристик [1, 2]. В работе предлагается обобщение этого метода для решения задач сглаживания.

Рассмотрим классическую задачу оптимального оценивания полезного сигнала на фоне случайных ошибок измерений. Пусть скалярные измерения у{1) = х

представляют собой аддитивную смесь полезного сигнала х(/) и помехи п(/), которые полагаются центрированными, некоррелированными и стационарными процессами с заданными спектральными плотностями Бх (ю), Бп (ю). Рассмотрим задачу сглаживания, особенность которой заключается в том, что при получении оценки в текущий момент времени могут быть использованы не только прошлые, как в случае задачи фильтрации, но и будущие (по отношению к этому моменту времени) измерения. В этом случае выражение для передаточной функции оптимального сглаживающего фильтра будет определяться как [1]

О) = —^—,

' ^ (ю) + Бп (ю)' ^

а для спектральной плотности ошибки оптимальной нереализуемой оценки и ее дисперсии будут в этой ситуации справедливы следующие выражения:

Б

'

Метод спрямленных логарифмических характеристик основан на предположении о том, что свойства фильтра определяются характером поведения спектральных плотностей полезного сигнала и помехи в точке их пересечения. Для приближенного их описания в логарифмическом масштабе используются аппроксимирующие прямые, соответствующие так называемым условным спектральным плотностям для

' \2р , ,2 1 Р | о .ч „2 I Р

полезного сигнала х(() и помехи п(/), определяемым в виде Бх (ю) и а I — I , Бп (ю) и а I — I . Используя

аналогичный подход к задачам сглаживания, нетрудно получить общие решения для различных комбинаций простейших аппроксимаций спектральных плотностей сигнала и помехи. В таблице приведены выражения для параметров Си С и, характеризующих дисперсии установившихся ошибок фильтрации

(а7) = С ¡¿а2р и сглаживания (а1) = Сиа2р , и величина, позволяющая оценить потенциальный выигрыш в точности в виде отношения среднеквадратических ошибок оценивания при решении задач фильтрации и сглаживания а ¿/а1 = .