智能控制第2递阶智能系统PPT

22:12
上海工程技术大学机械学院
32
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。
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。
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。
22:12
上海工程技术大学机械学院
19执行Biblioteka 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）。
22:12
上海工程技术大学机械学院
20
递阶智能系统结构图
22:12
上海工程技术大学机械学院
21
汽车自主驾驶系统
22:12
上海工程技术大学机械学院
26
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。
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
22:12
上海工程技术大学机械学院
22
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 自动驾驶执行部件传感器
22:12
上海工程技术大学机械学院
22:12
上海工程技术大学机械学院
18
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 的指令进行访问。可见，协调级模型维持了递阶结构
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。
22:12
上海工程技术大学机械学院
33
22:12
上海工程技术大学机械学院
10
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。
22:12
上海工程技术大学机械学院
17
二、协调级原理和结构
协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。
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。
22:12
上海工程技术大学机械学院
29
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 量和时钟实现对公用数据的访问控制。
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。
22:12
上海工程技术大学机械学院
2
结构
22:12
上海工程技术大学机械学院
3
2.2 递阶智能机器的一般结构
递阶智能机器的级联结构
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。
22:12
上海工程技术大学机械学院
13
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。
22:12
22:12
上海工程技术大学机械学院
16
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。
22:12
上海工程技术大学机械学院
7
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：
①通信：向上层组织级和下层协调器发送和接收信息； ②任务处理：识别要执行的任务，为相应的协调器选择合适的
上海工程技术大学机械学院
14
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。
22:12
上海工程技术大学机械学院
15
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。
协调器与分配器结构形式相同，但所处位置 不同。
22:12
上海工程技术大学机械学院
9
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。
控制步骤，并为组织级产生反馈； ③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。
22:12
上海工程技术大学机械学院
8
协调器
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。
所有协调器必须在分配器的统一管理下协同 工作；
22:12
上海工程技术大学机械学院
27
3、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。
22:12
上海工程技术大学机械学院
28
4、任务规划层
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
22:12
上海工程技术大学机械学院
1
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。
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。
22:12
上海工程技术大学机械学院
12
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。
22:12
上海工程技术大学机械学院
25
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。
23
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
22:12
上海工程技术大学机械学院
24
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。