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1、第2章 递阶智能系统概述 递阶智能机器的一般结构 递阶智能系统的原理和结构 递阶智能控制系统举例Date1上海工程技术大学机械学院2.1 递阶智能系统概述递阶智能控制（hierarchical intelligent control ），简称递阶控制，它是在研究早期学习控 制系统的基础上，从工程控制论角度总结人 工智能和自适应控制、自学习控制和自组织 控制的关系之后逐渐形成的，是智能控制的 最早理论之一。萨里迪斯（Saridis）提出的基于三个控制层 次和IPDI（精度随智能降低而提高 ）原理的 三级递阶控制系统最具代表性。 Date2上海工程技术大学机械学院结构Date3上海工程技术大学机械
2、学院2.2 递阶智能机器的一般结构系统把定性的用户指令变换为一个物理操作序列。系统的输 出是通过一组施于驱动器的具体指令来实现的。一旦接收到 初始用户指令，系统就产生操作，这一操作是由一组与环境 交互作用的传感器的输入信息决定的。这些外部和内部传感 器提供工作空间环境（外部）和每个子系统状况（内部）的 监控信息；对于机器人系统，子系统状况，有位置、速度和 加速度等。智能机器融合这些信息，并从中选择操作方案。 递阶智能机器的级联结构 Date4上海工程技术大学机械学院1、组织级根据贮存在长期存储内的本原数据集合，组织器能够组织绝 对动作、一般任务和规则的序列。换句话说，组织器作为推 理机的规则发
3、生器，处理高层信息，用于机器推理、规划、 决策、学习（反馈）和记忆操作 Date5上海工程技术大学机械学院组织级组织级 对于给定的外部命令和任务，设法找到 能够完成该任务的、 所有可能的子任务 (或动作)组合； 选择最有利的子 任务组合作为进一步 的控制要求送到协调 级，通过协调处理，将具体的动作要求送至执行级完成所要 求的任务； 对任务执行的结果进行性能评价，并将评价结果逐级向上反 馈，同时对以前存储的知识信息加以修改，起到学习的作用 。 Date6上海工程技术大学机械学院2、协调级协调级是上（组织）级和下（执行）级间的接口，承上启下 ，并由人工智能和运筹学共同作用。协调级借助于产生一个 适
4、当的子任务序列来执行原指令，处理实时信息。这涉及短 期存储器（如缓冲器）内决策与学习的协调。 Date7上海工程技术大学机械学院分配器 从组织级来的命令体现为基元事件的组合，首先传到协调级中 的分配器，分配器根据当前工作状态，将组织级送来的基元 事件序列翻译为面向协调器的控制行动序列，然后在合适的 时候将它们送至相应的协调器。任务执行完毕后，分配器还 负责向组织级传送反馈信息。具体功能： 通信：向上层组织级和下层协调器发送和接收信息； 任务处理：识别要执行的任务，为相应的协调器选择合适的 控制步骤，并为组织级产生反馈； 学习：根据任务执行取得的经验，减小决策过程的不确定性 ，改进任务执行的能力
5、。 Date8上海工程技术大学机械学院协调器 n将面向协调器的控制行动序列翻译为面向执 行级的实时操作序列，并连同相关的数据一 起送至具体的装置。任务执行完成后，负责 向分配器报告执行的结果。 n所有协调器必须在分配器的统一管理下协同 工作； n协调器与分配器结构形式相同，但所处位置 不同。 Date9上海工程技术大学机械学院3、执行级（Execution level）执行级是递阶智能控制的最底层，要求具有 较高的精度但较低的智能；它按控制论进行 控制，对相关过程执行适当的控制作用。 递阶智能控制理论归纳如下：智能控制理论可被假定为寻求某个系统正确 的决策与控制序列的数学问题，该系统在结 构上
6、遵循精度随智能降低而提高（IPDI）的 原理，而所求得序列能够使系统的总熵为最 小。 Date10上海工程技术大学机械学院执行级也称运行控制级，直接作用于局部过程并完成子任务 。 该级特点：高精度执行局部任务，无需更多智能。 可采用常规的最优控制方法。 递阶智能控制通常用熵进行总体评估，故需将最优 控制描述转化为用熵函数(一般指Jaynes最大熵函数 )描述。 理论研究表明：这两种描述的实质是一致的，即： 对于某个具体选择的控制，其反馈控制问题的(最优 )平均性能测度等价于系统的Jaynes最大熵函数，最 优控制对应于熵函数最小。 Date11上海工程技术大学机械学院2.2 递阶智能系统的原理
7、和结构根据IPDI原理，可把递阶智能控制系统分为几个子系统，全 部子系统连成树状结构，形成多层递阶模型。为了实现递阶智能控制算法，需要一些特别简单的结构。专 用硬件被装入组织级和协调级以便于系统的更新；更新内容 涉及各个独立单元和派生单元现存的值、概率分布函数以及 与具体规划有关的知识库。更新跟随规划的执行，并且采用 自底向上的方法完成：与底层有关的值和概率首先被更新， 接着再进行高层的更新。知识库的完全更新也被同时执行。三个迭代层的结构模型描述各个硬件单元，包括用于存储暂 时和永久信息的专用存储器，存储各种概率、值和终端装置 信息的存储器，以及分别用于每层的其它专用硬件单元。 Date12上
8、海工程技术大学机械学院一、组织级原理和结构 1、机器推理机器推理（MR） 是编译输入指令，与相关活动集 、产生式规则以及构成系统推理机的程序之总合。 Date13上海工程技术大学机械学院2、机器规划机器规划（MP） 是执行预定工作所需要的完备的和可兼容 的有序活动之形式化表示。机器规划包含对主动非重复本原 活动事件进行排序，拒绝非兼容有序活动，在可兼容有序非 重复事件的信息串中插入重复事件的有效序列，检查全部规 划的完整性和组织情况。 Date14上海工程技术大学机械学院3、机器决策机器决策（MDM） 是在最大的相关成功概率中选择 完备的和可兼容的有序活动。 Date15上海工程技术大学机械学
9、院4、机器学习和反馈机器学习与反馈（MLF） 是对不同的单一的 和派生的值函数进行计算，这些函数与执行 需求工作有关，并通过学习算法更新各个概 率。在完成所需工作和从低层至高层选择反 馈的通讯之后，机器反馈功能就被执行了。Date16上海工程技术大学机械学院5、机器记忆交换机器记忆交换（MME） 是对组织级的长期存 储器进行信息检索、储存和更新。检索是在 机器推理和机器规划期间进行的，而储存和 更新是在机器决策和需求工作被实际执行之 后进行的。以上5种功能，前3种功能与自顶向下的局部 目标有关，而后2种功能与自底向上的局部目 标有关。 Date17上海工程技术大学机械学院二、协调级原理和结构协
10、调级由不同的协调器组成 ，每个协调器由微型计算机 来实现。图给出协调级结构 的一个候选框图。一旦由组 织级产生和选择的最好任务 序列（完备规划）被送到协 调级，就提供了全部必要的 细节，成功地执行了所选规 划。在有可能达到最小时间 性能指标的地方，执行并行 任务。该结构在横向上能够 通过分配器实现各协调器间 的数据共享。 Date18上海工程技术大学机械学院三、执行级原理和结构执行级执行由协调级发出的指令。根据具体要求对每个控制 问题进行分析。因此，不存在一种通用的结构模型能够包括 执行级的每项操作。尽管如此，执行级还是由许多与专门协 调器相联接的执行装置组成的。每个执行装置由协调器发出 的指
11、令进行访问。可见，协调级模型维持了递阶结构 Date19上海工程技术大学机械学院执行级执行由协调级发出的指令。对智能机器 人系统，执行级的执行装置包括：视觉系统 （VS）、传感系统（SS）、带有相应抓取装 置（GS）的操作机（MS）。Date20上海工程技术大学机械学院递阶智能系统结构图 Date21上海工程技术大学机械学院汽车自主驾驶系统一、系统组成 1、系统总体结构 1）环境识别子系统 2）驾驶控制子系统Date22上海工程技术大学机械学院2、硬件组成 1）主控计算机和接口负责驾驶控制和环境识别的计算工作 2）执行机构步进电机驱动和液压驱动 3）传感器环境传感器（摄像头）、车体姿态传感器和
12、 自动驾驶执行部件传感器Date23上海工程技术大学机械学院3、实时操作系统确保系统的实时性和可靠性，选用嵌入式实 时操作系统 4、软件设计和系统的实时性1）任务优先级设置和抢断式任务调度2）基于系统时钟的软件同步机制3）分布式共享数据存储Date24上海工程技术大学机械学院二、系统的递阶结构四个层次：任务规划、行为决策、行为规划和操作 控制。另外包括车辆状态与定位信息和系统监控两 个独立功能模块。Date25上海工程技术大学机械学院1、操作控制层把来自行为规划层的规划轨迹转化成各执行 机构动作，并控制各执行机构完成相应动作 ，是整个自主驾驶系统的最底层。它由一系 列传统控制器和逻辑推理算法组
13、成，包括车 速控制器、方向控制器、刹车控制器、节气 门控制器、转向控制器及信号灯/喇叭控制逻 辑灯组成。Date26上海工程技术大学机械学院2、行为规划层是行为决策层和操作控制层之间的接口，负责将行 为决策层产生的行为符号，转换成操作控制层的传 统控制器所能接受的轨迹指令。行为规划层的输入 是车辆状态信息、行为指令以及环境感知系统提供 的可通行路面信息。当车辆行为发生改变或可通行路面信息处理结果更 新时，行为规划层各模块被激活，监督当前行为的 执行情况，并根据环境感知信息和车辆当前状态重 新进行行为规划，为操作控制层提供车辆期望速度 和期望运动轨迹等指令。Date27上海工程技术大学机械学院3
14、、行为决策层常见车辆行为：起步、停车、加速前进、恒速前进、躲避障 碍、左转、右转、倒车等。行为决策层根据环境感知系统获得的环境信息、车辆当前状 态以及任务规划的任务目标，采取恰当行为，保证顺利完成 任务。Date28上海工程技术大学机械学院4、任务规划层接收来自用户的任务请求，利用地图数据库，综合 分析交通流量、路面情况等影响行车的因素，在已 知道路网中搜索满足任务要求，从当前点到目标点 的最优或次优通路。Date29上海工程技术大学机械学院三、系统结构和控制算法 1、系统软件结构控制软件共划分16个任务，任务之间通过信号量来协调执行 ，所有共享数据都放入对所有任务透明的数据存储区，用信 号量
15、和时钟实现对公用数据的访问控制。Date30上海工程技术大学机械学院2、驾驶控制算法控制系统有关决策、规划和控制算法均采用 相关算法的离散化形式。采用零阶采样保持 器对连续控制算法进行离散化。对于部分滤 波算法，系统用遗忘迭代滤波或平移平均滤 波算法代替，以减少系统运算量。Date31上海工程技术大学机械学院四、实验结果经过3个月近1000km的道路实验，控制算法 不断改进，在2003年6月实现了如下指标： 1）正常交通情况下在高速公路上稳定自主驾驶 速度130km/h。 2）最高自主驾驶速度170km/h。 3）具备超车功能。Date32上海工程技术大学机械学院总结三级递阶智能控制由Saridis于1977年提出，其特征是 ：系统由组织级、协调级和执行级组成。 n组织级的任务是完成推理、规划、决策、反馈和存 储信息的交换，它的智能最高。 n协调级由分配器和若干协调器组成，它的任务是具 体实现组织级决策出的最佳规划方案、并分配给执 行级，它的智能低于组织级。 n执行级的任务是对受控过程施加控制信号、并接受 来自受控过程的反馈信息，它的精度最高。 Date33上海工程技术大学机械学院
