среда, 8 июня 2016 г.

2.6. О сигнале

Урок: 2.6. О сигнале

Транскрибация урока: Теперь давайте вот это наше устройство, с которым мы экспериментировали, представим схематично. Вновь сделаем схему, как на прошлой неделе, где слева изображался физический мир, который мы сами непосредственно ощущаем, затем невидимый нам мир электрического сигнала, и в правой части – мозг нашего устройства, его содержимое, то, что происходит в микроконтроллере. В данном случае в физический мир у нас смотрит датчик освещенности. Благодаря свойству фоторезистора менять сопротивление в зависимости от количества падающего на него света, благодаря делителю напряжения, который позволяет изменить напряжение в зависимости от номинала связанных с ним резисторов, мы получаем различный уровень электрического сигнала, который поступает в аналоговый вход контроллера. Затем, после аналого-цифрового преобразования мы имеем дело с обычным числом и можем творить с ним все, что заблагорассудится. В нашем примере мы просто отправляли его в последовательный порт для считывания на компьютере. А теперь я хочу подробнее останоситься на слове «сигнал». Мы можем знать о событиях, в которых не принимали участие, свидетелями которых не были, отделенных от нас большими пространствами и промежутками времени. Мы можем знать об этих событий полно и подробно, подчас подробнее, чем участники или свидетели этих событий. Если наше знание о каком-нибудь событии приходит к нам уже после того, как само событие закончилось, скажем, исход футбольного матча становится нам известным на другой день после матча, то это значит, что какие-то следы события продолжают существовать и тогда, когда само событие закончилось. Событие может сохраняться в памяти очевидцев, в описаниях, в фотоснимках, в зарисовках, в кинофильмах, в звукозаписи самого события или репортажа о нем или в какой-либо иной форме. В большинстве случаев описание события соответствует самому событию более или менее полно. Постараемся понять точнее, что значит «соответствует», а главное – что чему соответствует? Прежде всего, фотография момента игры у ворот есть прямоугольный кусок плотной белой бумаги размером 9 × 12 см, покрытый слоем желатина, в который вкраплены мельчайшие зерна серебра. Все это никакого отношения к футболу не имеет. Не имеет к нему также отношение и то, что частицы серебра поглощают падающий на них свет, а белая бумага этот свет отражает. О футболе на фотоснимке говорит только распределение зерен серебра на поверхности бумаги. Оно определяет в свою очередь распределение потоков света, идущего от фотоснимка к глазу наблюдателя. И это распределение оказывается близким к тому, которое существовало в момент, когда был сделан снимок в том месте, где стоял фотокорреспондент. Отметим следующее: фотоснимок как физическое явление не имеет ничего общего с изображаемым событием. Он имеет самостоятельную физическую природу и самостоятельное существование в пространстве и времени. Упомянутое выше соответствие фотоснимка изображенному на нем событию заключается в том, что снимок при осуществлении некоторых условий производит на наблюдателя приблизительно такое же воздействие, как и само событие. В сказанном заключается нечто общее для характеристики всех видов сигнала. Сигнал порождается некоторым событием, фактом, действием. Сигнал имеет самостоятельную физическую природу и самостоятельное существование в пределах некоторой организованной системы. Он всегда воплощен в некотором материальном объекте или процессе. В этом виде сигнал может быть зафиксирован и существовать долгое время. Сигнал может быть передан на большие расстояния. Сигнал в конце своего существования может превратиться в действия или в события. Разумеется, такое самостоятельное существование сигналы ведут отнюдь не самостоятельно, а только в пределах некоторой организованной системы по законам, свойственным этом системе. Самостоятельность заключается лишь в независимости от породившего сигнал события после того, как сигнал возник. Если мы имеем событие и его подробное, правдивое описание, то по описанию мы можем восстановить событие. Это происходит, например, при изготовлении машины по чертежу, постройке дома по проекту, выполнении военной операции по плану и так далее». Это была цитата из книги советского автора Игоря Полетаева, написанной еще на заре становления науки кибернетики в 1948 году. Однако все эти положения справедливы по отношению к понятию сигнал и сейчас. Давайте найдем параллели между процитированным и нашей несложной системой. Давайте представим себе такую ситуацию: на дворе теплый, солнечный день. Вы, например, отдыхаете с друзьями за городом. В этой ситуации можно выделить много различных вещей: ваше местоположение, состав вашей компании, набор ваших занятий, впечатления, который вы получаете, или, например, просто параметры среды, такие как температура воздуха, его влажность, количество света, которое попадает на вашу лужайку, и так далее. Поскольку мы имеем дело с нашими киберфизическими устройствами, которые взаимодействуют с физическим миром, здесь, наверное, ближе всего нам именно эти параметры среды. То есть из всей этой сложной ситуации, которую можно описать с миллиона различных точек зрения, мы – точнее, наше устройство – можем выделить ту часть, которая измеряется при помощи его органов чувств – датчиков. Например, мы уже проводили эксперимент с датчиком освещенности, с датчиком температуры. Из этой солнечной ситуации мы можем выделить целых два параметра. Затем, когда датчики получили из мира свою информацию, оно начинает существовать в своей новой среде в рамках электрической схемы нашего устройства. Мы получаем электрический сигнал, который, как было сказано в цитате, имеет свою природу и представляет исходные данные, полученные из мира, своим способом – ну например, в виде уровня напряжения, который передается в микроконтроллер. Затем в микроконтроллере продолжает существовать, по сути, тоже электрический сигнал, но здесь уже мы имеем дело с памятью контроллера и с какими-то инструкциями, которые мы ему можем передавать. Поэтому я в нашей схеме выделяю это в третью подсистему, в третий, условно говоря, мир. Потому что работа с электрическим сигналом и с данными в памяти, ну некоторым образом отличается. Это разные способы организации информации. Я уже заострял ваше внимание на том, что контроллер совершенно не в курсе, какие устройства к нему подключены. Он живет в своем изолированном мире и имеет дело просто с сигналами, которые приходят на его входы. И точно так же выдает сигналы на свои выходы, не будучи в курсе того, куда они попадут. Вы воочию убедились в этом, когда одна и та же программа одинаково работала и с датчиком освещенности, и с датчиком температуры, и с потенциометром. Мы ничего не меняли и просто читали в мониторе данные, как будто бы в самом устройстве ничего не менялось. К чему я все это говорю? Мы можем представить наше устройство так, как мы это сделали на схеме в виде некой системы, состоящей из элементов большей или меньшей сложности. Я хочу, чтобы вы перестали думать, что в этом всем есть какая-то магия, и смогли раскладывать это на компоненты. Вы можете про каждый компонент знать либо все досконально, либо относиться к нему как к черному ящику, как мы только что поступили объектом Serial: мы знаем, как он работает, а нюансы нам неважны. Главное – понимать взаимосвязи между элементами и способы их взаимодействия. Поэтому время от времени мы будем возвращаться к нашей схеме, чтобы раскладывать наше устройство на вот такие вот составные компоненты. Итак, вы уже научились отправлять цифровой сигнал во внешний мир, принимать из него аналоговый сигнал и наверняка догадываетесь, что мы можем сделать еще два каких-то действия, одно из которых – а именно чтение цифрового сигнала – мы сейчас и изучим.

Часть: Видео

Модуль: Контроллер изучает мир

Описание модуля: Пришло время получать данные извне с помощью датчиков. На этой неделе вы научитесь считывать цифровой и аналоговый сигналы, обмениваться даными с компьютером, строить более сложные алгоритмы и пользоваться новыми устройствами вывода.

Курс: Строим роботов и другие устройства на Arduino. От светофора до 3D-принтера

Описание курса: На протяжении тысячелетий люди усовершенствовали орудия труда, изучали силы природы и подчиняли их себе, использовали их энергию для работы машин, а в прошлом веке создали машины, которые могут управлять другими машинами. Теперь создание устройств, которые взаимодействуют с физическим миром, доступно даже школьнику.

Наш курс состоит из серии практических задач про создание вещей, которые работают сами: изучают мир, принимают решения и действуют – двигаются, обмениваются данными друг с другом и с человеком, управляют другими устройствами. Мы покажем, как собирать эти устройства и программировать их, используя в качестве основы платформу Arduino.

Пройдя этот курс, вы сможете создавать устройства, которые считывают данные о внешнем мире с разнообразных датчиков, обрабатывают информацию, получают и отправляют данные на ПК, в Интернет, на мобильные устройства, управляют индикацией и движением. Создание устройств будет включать проектирование, изучение компонентов, сборку схем, написание программ, диагностику. Попутно с созданием самих устройств вы сделаете визуализацию на ПК, создадите веб-страницу, которую будет демонстрировать одно из ваших устройств, а также разберетесь с устройством и работой FDM 3D-принтера.

Помимо тех, кто увлекается робототехникой или стремится расширить кругозор и свои навыки, курс будет полезен всем, кто сталкивается с задачами бытовой и производственной автоматизации, а также занимается промышленным дизайном, рекламой и искусством.

Курс не требует специальных знаний у слушателей, доступен даже ученикам старших классов средней школы. Плюсом будут навыки программирования и владение английским языком на уровне чтения технической документации, однако обязательным это не является.

Весь курс посвящен практике и самым лучшим решением для вас будет раздобыть электронику, повторять показанные примеры и экспериментировать самостоятельно.

Программа:
  • Неделя 1 Один старый и много новых знакомых
  • Неделя 2 Контроллер изучает мир
  • Неделя 3 Цель обнаружена
  • Неделя 4 Как полить цветок из другого города
  • Неделя 5 Мобильный робот
  • Неделя 6 Как создать новый предмет за час
Преподаватель: Алексей Перепелкин (1), Дмитрий Савицкий (2)

Описание преподавателя: (1) Алексей Перепёлкин занимается развитием робототехники на базе ЛИОТ МФТИ. В 2012 году открыл для себя новое захватывающее чувство – когда устройство, которое сам построил и запрограммировал, работает. Свернул с финансовой дорожки и создал кружок робототехники для подростков. Готовил их к соревнованиям. Стал посещать конференции, а затем проводил мастер-классы для тех, кто тоже хочет организовать занятия. Совместно с коллегами в 2013 году разработал новые соревнования – Робопрофи – для конкурса Робот для жизни и провел их. В 2014 году впервые провел Arduino-номинацию на фестивале Робофест, а для российского финала Russian Robot Olympiad 2014 сделал творческую категорию. С тех пор эти соревнования стали регулярными. Летом 2014 провел двухнедельную мастерскую в детском лагере Никола-Ленивца, а затем преподавал в выездной школе, посвященной программированию и робототехнике, которую провели ABBYY и Яндекс. В 2015 году стал руководителем направления робототехники в GoTo Camp, выездных школах, где участники создали десятки проектов, от прототипов умных домов и операторских тележек до робота-бубниста и принтера для незрячих. В 2014 году с коллегами начал проект Роболабы: мероприятия для школьников и студентов, где участники параллельно решают усложненные задачи, а затем проводят рефлексию сделанной работы и оценивают чужие в ходе серии мероприятий.

(2) Физик, научный сотрудник, выпускник МФТИ. Запустил кружок робототехники в 2011 году. Рассказал Алексею Перепелкину о том, как здорово вести кружок робототехники. Рассказал об этом еще целому ряду людей. Побеждал со своими командами на соревнованиях. Проводил проектную работу с участниками исследовательской выездной школы МКШ с 2013 года, где руководил реализацией физических и робототехнических проектов, например, «Вслед за солнцем», в котором изучалась эффективность динамической ориентации солнечных батарей на солнце. Вместе с коллегами разрабатывал и был судьей Робопрофи. Участвовал в подготовке проекта Роболабы. Вновь пришел в МФТИ для проведения факультативного курса «Основы создания киберфизических устройств»

Организатор: Лаборатория инновационных образовательных технологий МФТИ (1), Лаборатория инновационных образовательных технологий МФТИ (2)

Описание организатора: (2) Московский физико-технический институт (неофициально известный как МФТИ или Физтех) является одним из самых престижных в мире учебных и научно-исследовательских институтов. Он готовит высококвалифицированных специалистов в области теоретической и прикладной физики, прикладной математики, информатики, биотехнологии и смежных дисциплин. Физтех был основан в 1951 году Нобелевской премии лауреатами Петром Капицей, Николаем Семеновым, Левом Ландау и Сергеем Христиановичем. Основой образования в МФТИ является уникальная «система Физтеха»: кропотливое воспитание и отбор самых талантливых абитуриентов, фундаментальное образование высшего класса и раннее вовлечение студентов в реальную научно-исследовательскую работу. Среди выпускников МФТИ есть Нобелевские лауреаты, основатели всемирно известных компаний, известные космонавты, изобретатели, инженеры.

Категория: Компьютерные науки

Описание категории: Специализации и курсы по компьютерным наукам посвящены разработке и дизайну программного обеспечения, алгоритмическому мышлению, человеко-компьютерному взаимодействию, языкам программирования и истории вычислительной науки. Курсы в этой широкой области помогут вам мыслить абстрактно, методически подходить к проблемам и вырабатывать качественные решения.

Тематика: Разработка ПО

Материал: