Вадим Мацкевич - Занимательная анатомия роботов

Моделирование речи человека. Из всех живых существ, населяющих мир, только человек оказался способным развить голосовой аппарат для кодирования и передачи сложнейшей информации. Учёные проводят сложнейшие исследования по автоматической расшифровке и имитации звуков речи, но пока ещё речевые сигналы содержат много загадок и не поддаются распознаванию даже с помощью тончайших анализаторов, использующих самые мощные современные электронные вычислительные машины.

Известны попытки имитации голоса человека с помощью электронных устройств. Так, роботостроитель Бруинсма, автор книги «Практические схемы роботов» (М.: Госэнер – гоиздат, 1962), создал для автомата «Игра в крестики и нолики» электронный прибор, имитирующий восторженный возглас человека при выигрыше автомата и «унылое ворчание» при проигрыше. В приборе более 10 мультивибраторов и других устройств. Однако его работа оставляет желать лучшего. Словом, моделирование речи – очень трудная задача.

Однако мы уже отмечали, что с помощью мультивибраторов можно получать звуки, близкие к звучанию некоторых гласных букв (А, О, И). Исследования показывают, что звучания этих гласных складываются из двух частот, т.е. для моделирования нужна параллельная работа по меньшей мере двух мультивибраторов.

Маломощные усилители речи роботов на микросхемах. В случаях, когда не требуется большая громкость звучания того или иного устройства речи робота и достаточно выходной мощности усилителя около 0,1 Вт, можно использовать усилители звуковой частоты, разработанные для миниатюрных приёмников («Радио», 1985, № 10). Такие усилители могут пригодиться в автоматических речевых устройствах.

Принципиальная схема первого варианта усилителя показана на рис. 32, а. Для повышения входного сопротивления усилителя в цепь эмиттера транзистора VT1 включён резистор R3 (его сопротивление может быть 110…240 Ом). Рекомендуемое сопротивление головки ВА1 громкоговорителя 6…8 Ом.

Второй вариант усилителя (рис. 32,6) отличается повышенной экономичностью. В первой ступени необходим транзистор с большим коэффициентом передачи тока, способный работать в режиме малых токов. Кроме указанного на схеме можно использовать транзисторы КТ342А, КТ342Б и КТ3102А – КТ3102Е. Входное сопротивление усилителя 10 кОм; ток, потребляемый первой ступенью, 0,3…0,5 мА. Конденсатор С2 предотвращает самовозбуждение усилителя на высокой частоте. Транзистор VT2 выполняет функции развязывающего фильтра в цепи питания транзистора VT1. Это позволило обойтись без дополнительного оксидного конденсатора и резистора.

В третьем варианте усилителя (рис. 32, в) функции входного транзистора выполняет микросхема DA1 на полевых транзисторах. Достоинство такой замены – высокое входное сопротивление (оно определяется сопротивлением резистора R1 и в зависимости от требований может быть в пределах от нескольких десятков килоом до 1 МОм).

Все рассмотренные усилители при входном напряжении 30…50мВ обеспечивают выходную мощность 0,1…0,12 Вт. Ток, потребляемый ими в режиме покоя, не превышает соответственно З…ЗД 2… 2,5 и 4…4,5 мА; при максимальной громкости 40 мА. Усилители не критичны к типу используемых деталей и обладают запасом устойчивости.

Микросхему К504УН1Б можно заменить полевыми транзисторами КП103Е, КП201Е, КП201Ж или КП201И. При использовании оксидных конденсаторов К50 – 6, резисторов МЛТ – 0,125 и переменного резистора СПЗ – Зб размеры платы этого усилителя не превышают 25 х 30 мм.

Выходные ступени описанных усилителей в налаживании не нуждаются. Их чувствительность можно регулировать изменением сопротивления резисторов, подключённых к выводу 2 микросхемы, в пределах 240 Ом…2,7 кОм (при уменьшении сопротивления чувствительность увеличивается).

Необходимо иметь в виду, что номинальное значение сопротивления резистора R3 и входное сопротивление усилителя по схеме на рис. 45, а зависят от сопротивления резистора R1. Резистор R3 подбирают, контролируя напряжение на коллекторе транзистора VT1, которое должно находиться в пределах 1,4…1,7 В.

Исключительное значение для роботостроения имеет совершенствование технических приборов, воспринимающих звуковые сигналы. Звук быстро позволяет передавать командные и управляющие сигналы. Разработка новых систем слуха, пригодных для роботов, также основана на бионических исследованиях.

Способность человеческого мозга разбираться с помощью слухового аппарата в хаосе звуков является одним из его самых чудесных свойств. «Наивысшим и совершеннейшим человеческим приспособлением» назвал звуковую речь человека выдающийся русский физиолог И. П. Павлов. Физическая природа звуковой речи хранит в себе множество тайн. Как образуются звуки в голосовом аппарате человека, как они воспринимаются слухом и от чего зависит характер звука – вот проблемы, которые ещё по сей день занимают интересы учёных, работающих в самых разнообразных областях науки. Чтобы машины могли безошибочно выделять какой – то один образ из множества других сходных, нужно точное знание его признаков. Но как выбрать такие признаки? Над решением этой задачи во всём мире работают физиологи, специалисты по бионике, психологии и инженеры, математики и конструкторы. Если фотоэлемент можно назвать грубой моделью органа зрения, то микрофон напоминает органы слуха в гораздо меньшей степени.

Учёные-бионики, преодолевая трудности, пытаются разгадать секреты слуха человека. К таким секретам относится, например, способность выделять нужный голос среди шума и десятков других голосов. Задача сложная, но нельзя отказываться от неё только потому, что она трудна.

Речь состоит из слогов, слов, фраз и т.д. Элементарной частью речи является звук (фонема). С физической точки зрения звуки речи различают по частоте, громкости и продолжительности. В речи нет чётких границ между звуками. Одни специалисты пытаются распознавать речь по фонемам, другие считают, что для этого следует использовать форманты частоты, присущие звучанию каждой буквы, произносимой человеком. Примером удачного решения задачи является фонетическая пишущая машинка, созданная учёными Г. Олсоном и Г. Беларом.

Устройство можно рассматривать как сложный аналог слухового аппарата, части мозга, нервной системы и нервно-мышечного аппарата человека, печатающего под диктовку. Бионическая схема человека, печатающего под диктовку, и схема фонетической пишущей машинки показаны на рис. 33. Чтобы понять принцип работы устройства, проследим, как перерабатывается звуковая информация по пути её следования.