智能控制(研)-第四章__遞階控制系統(tǒng)

1、智智 能能 控控 制制 Intelligent ControlIntelligent Control 第四章第四章 遞階控制系統(tǒng)遞階控制系統(tǒng) 4.1 遞階智能機(jī)器的一般理論遞階智能機(jī)器的一般理論 基于邏輯的方法基于邏輯的方法 Nilsson和和Fikes等敘述過，其通用技術(shù)仍在繼續(xù)研究與開發(fā)之中。等敘述過，其通用技術(shù)仍在繼續(xù)研究與開發(fā)之中。 基于解析的方法基于解析的方法 該方法已在理論和實(shí)踐兩方面達(dá)到比較成熟的水平。該方法已在理論和實(shí)踐兩方面達(dá)到比較成熟的水平。 新的方法和技術(shù)新的方法和技術(shù) 如如Boltzmann機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Petri網(wǎng)等，為智能機(jī)器理論的網(wǎng)等，為智能機(jī)器理論

2、的 分析研究提供了新的工具。分析研究提供了新的工具。 遞階智能控制遞階智能控制(Hierarchical Intelligent Control) (Hierarchical Intelligent Control) 是在研是在研 究早期學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從工程控制論角度總結(jié)人工智能與究早期學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從工程控制論角度總結(jié)人工智能與 自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制和自組織控制的關(guān)系后逐漸形成的。自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制和自組織控制的關(guān)系后逐漸形成的。 薩里迪斯（薩里迪斯（Saridis)Saridis)提出基于個(gè)控制層次和提出基于個(gè)控制層次和( (精度精度 隨智能降低而提高）原理的三級(jí)遞階

3、智能控制系統(tǒng)；維拉提出基于隨智能降低而提高）原理的三級(jí)遞階智能控制系統(tǒng)；維拉提出基于 知識(shí)描述和數(shù)學(xué)解析的二層混合智能系統(tǒng)。知識(shí)描述和數(shù)學(xué)解析的二層混合智能系統(tǒng)。 遞階智能控制系統(tǒng)是由三個(gè)基本控制級(jí)（組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)、遞階智能控制系統(tǒng)是由三個(gè)基本控制級(jí)（組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)、 執(zhí)行級(jí)）構(gòu)成的，級(jí)聯(lián)交互結(jié)構(gòu)圖如下。執(zhí)行級(jí)）構(gòu)成的，級(jí)聯(lián)交互結(jié)構(gòu)圖如下。 4.1.1 遞階智能機(jī)器的一般結(jié)構(gòu)遞階智能機(jī)器的一般結(jié)構(gòu) 圖圖4.1 遞階智能機(jī)器的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)遞階智能機(jī)器的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu) 為自執(zhí)行級(jí)至協(xié)調(diào)級(jí)的在線反饋信號(hào)；為自執(zhí)行級(jí)至協(xié)調(diào)級(jí)的在線反饋信號(hào)； 為自協(xié)調(diào)級(jí)至組織級(jí)的離線為自協(xié)調(diào)級(jí)至組織級(jí)的離線 反饋信號(hào)反饋信號(hào) c

4、 E f o C f 組織級(jí)代表控制系統(tǒng)的主導(dǎo)思想，并由人工智能起控制作組織級(jí)代表控制系統(tǒng)的主導(dǎo)思想，并由人工智能起控制作 用。用。 根據(jù)貯存在長(zhǎng)期存儲(chǔ)交換單元內(nèi)的本原數(shù)據(jù)集合，組織器根據(jù)貯存在長(zhǎng)期存儲(chǔ)交換單元內(nèi)的本原數(shù)據(jù)集合，組織器 能夠組織絕對(duì)動(dòng)作、一般任務(wù)和規(guī)則的序列。能夠組織絕對(duì)動(dòng)作、一般任務(wù)和規(guī)則的序列。 1. 組織級(jí)組織級(jí)(organization level) 2. 協(xié)調(diào)級(jí)協(xié)調(diào)級(jí)(coordination level) 協(xié)調(diào)級(jí)是組織級(jí)和執(zhí)行級(jí)間的接口，承上啟下，并由人工智協(xié)調(diào)級(jí)是組織級(jí)和執(zhí)行級(jí)間的接口，承上啟下，并由人工智 能和運(yùn)籌學(xué)共同作用。協(xié)調(diào)級(jí)借助于產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)淖尤蝿?wù)序列

5、能和運(yùn)籌學(xué)共同作用。協(xié)調(diào)級(jí)借助于產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)淖尤蝿?wù)序列 來執(zhí)行原指令，處理實(shí)時(shí)信息。來執(zhí)行原指令，處理實(shí)時(shí)信息。 圖圖4.3 協(xié)調(diào)級(jí)的結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)級(jí)的結(jié)構(gòu) 3. 執(zhí)行級(jí)執(zhí)行級(jí)(execution level) 執(zhí)行級(jí)是遞階智能控制的最底層，要求具有較高的精度但較執(zhí)行級(jí)是遞階智能控制的最底層，要求具有較高的精度但較 低的智能；它按控制論進(jìn)行控制，對(duì)相關(guān)過程執(zhí)行適當(dāng)?shù)目刂谱鞯偷闹悄?；它按控制論進(jìn)行控制，對(duì)相關(guān)過程執(zhí)行適當(dāng)?shù)目刂谱?用。用。 n i ii PPKS 1 log 通常稱通常稱S S 為香農(nóng)（為香農(nóng)（Shannon）負(fù)熵，它可變換為下列方程：）負(fù)熵，它可變換為下列方程： s dssPsPS

6、)(log)( 式中，式中， 為被傳遞的信息信號(hào)空間。負(fù)熵是對(duì)信息傳遞不確定性為被傳遞的信息信號(hào)空間。負(fù)熵是對(duì)信息傳遞不確定性 的一種度量，即系統(tǒng)狀態(tài)的不確定性可由該系統(tǒng)熵的概率密度指的一種度量，即系統(tǒng)狀態(tài)的不確定性可由該系統(tǒng)熵的概率密度指 數(shù)函數(shù)獲得。數(shù)函數(shù)獲得。 s 熵和熵的變化率：熵和熵的變化率： 信息熵信息熵 n i ii PPKS 1 log P為信息源中各事件發(fā)生的概率為信息源中各事件發(fā)生的概率 香農(nóng)（香農(nóng)（Shannon）負(fù)熵）負(fù)熵 可變換為下列方程：可變換為下列方程： s dssPsPS)(log)( 為被傳遞的信息信號(hào)空間。為被傳遞的信息信號(hào)空間。 s 4. 智能機(jī)器的作用智

7、能機(jī)器的作用 它的高層功能模仿了人類行為，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的規(guī)劃、決它的高層功能模仿了人類行為，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的規(guī)劃、決 策、學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)存取和任務(wù)協(xié)調(diào)等功能，進(jìn)行知識(shí)處理與管策、學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)存取和任務(wù)協(xié)調(diào)等功能，進(jìn)行知識(shí)處理與管 理。理。 用熵來描述和度量系統(tǒng)的控制作用。用熵來描述和度量系統(tǒng)的控制作用。 5. 遞階智能控制的實(shí)質(zhì)遞階智能控制的實(shí)質(zhì) 智能控制理論可被假定為尋求某個(gè)系統(tǒng)正確的決策與控制序智能控制理論可被假定為尋求某個(gè)系統(tǒng)正確的決策與控制序 列的數(shù)學(xué)問題，該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上遵循（列的數(shù)學(xué)問題，該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上遵循（IPDI）精度隨智能降低而）精度隨智能降低而 提高的原理，而所求得序列能夠使系統(tǒng)的總

8、熵為最小。提高的原理，而所求得序列能夠使系統(tǒng)的總熵為最小。 4.1.2 遞階智能機(jī)器的信息論定義遞階智能機(jī)器的信息論定義 知識(shí)、信息、智能、信息論知識(shí)、信息、智能、信息論. 定義定義4.1 機(jī)器知識(shí)機(jī)器知識(shí)(Machine Knowledge, K) 機(jī)器知識(shí)是消除智能機(jī)器指定任務(wù)的不確定性所需要的結(jié)構(gòu)機(jī)器知識(shí)是消除智能機(jī)器指定任務(wù)的不確定性所需要的結(jié)構(gòu) 信息。智能機(jī)器中的機(jī)器知識(shí)包括先驗(yàn)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。信息。智能機(jī)器中的機(jī)器知識(shí)包括先驗(yàn)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。 定義定義4.2 機(jī)器知識(shí)流量機(jī)器知識(shí)流量(Rate of Machine Knowledge, R) 機(jī)器知識(shí)流量是通過智能機(jī)器的知識(shí)流。機(jī)

9、器知識(shí)流量是通過智能機(jī)器的知識(shí)流。 定義定義4.4 機(jī)器不精確性機(jī)器不精確性(Machine Imprecision) 機(jī)器不精確性是執(zhí)行智能機(jī)器各項(xiàng)任務(wù)的不確定性。機(jī)器不精確性是執(zhí)行智能機(jī)器各項(xiàng)任務(wù)的不確定性。 定義定義4.5 機(jī)器精度機(jī)器精度(Machine Precision) 機(jī)器精度是機(jī)器不精確性的補(bǔ)，它代表過程的復(fù)雜性。機(jī)器精度是機(jī)器不精確性的補(bǔ)，它代表過程的復(fù)雜性。 4.1.3 IPDI原理的解析公式原理的解析公式 定義定義4.3 機(jī)器智能機(jī)器智能(Machine Intelligence, MI) 機(jī)器智能是分析和組織數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)變換為知識(shí)的作用。機(jī)器智能是分析和組織數(shù)據(jù)，并

10、把數(shù)據(jù)變換為知識(shí)的作用。 原理可由概率公式表示為：原理可由概率公式表示為： PR(MI, DB) = PR(R) 上上式中，式中，表示概率，表示概率，為機(jī)器知識(shí)，為機(jī)器知識(shí)，為與執(zhí)行任務(wù)為與執(zhí)行任務(wù) 有關(guān)的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫代表任務(wù)的復(fù)雜性，且取決于任務(wù)的執(zhí)有關(guān)的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫代表任務(wù)的復(fù)雜性，且取決于任務(wù)的執(zhí) 行精度，即該執(zhí)行精度是與數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜性相稱的。行精度，即該執(zhí)行精度是與數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜性相稱的。 取自然對(duì)數(shù)后可得下式：取自然對(duì)數(shù)后可得下式： ln p(MI/DB) + ln p(DB) = ln p(R) 對(duì)兩邊取期望值，可得熵方程：對(duì)兩邊取期望值，可得熵方程： S(MI/DB) + S(

11、DB) = S(R) 上式中，上式中，S S（x）為與）為與x有關(guān)的熵。在建立和執(zhí)行任務(wù)期間，期望有關(guān)的熵。在建立和執(zhí)行任務(wù)期間，期望 有個(gè)不變的知識(shí)流量；這時(shí)，增大特定數(shù)據(jù)庫有個(gè)不變的知識(shí)流量；這時(shí)，增大特定數(shù)據(jù)庫的熵要求減的熵要求減 小機(jī)器智能小機(jī)器智能的熵。如果的熵。如果獨(dú)立于獨(dú)立于，那么：，那么： S(MI) + S(DB) = S(R) 本原理適用于遞階系統(tǒng)的單個(gè)層級(jí)和多個(gè)層級(jí)。在多層情況下，本原理適用于遞階系統(tǒng)的單個(gè)層級(jí)和多個(gè)層級(jí)。在多層情況下， 知識(shí)流知識(shí)流在信息理論意義上代表系統(tǒng)的工作能力。在信息理論意義上代表系統(tǒng)的工作能力。 4.2 遞階智能控制系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)遞階智能控制系

12、統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) 根據(jù)根據(jù)“精度隨智能降低而提高精度隨智能降低而提高”（IPDI）原理，可把遞階）原理，可把遞階 智能控制系統(tǒng)分為幾個(gè)子系統(tǒng)，并對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)導(dǎo)出計(jì)算模塊。智能控制系統(tǒng)分為幾個(gè)子系統(tǒng)，并對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)導(dǎo)出計(jì)算模塊。 全部子系統(tǒng)連成樹狀結(jié)構(gòu)，形成了多層的遞階模型。全部子系統(tǒng)連成樹狀結(jié)構(gòu)，形成了多層的遞階模型。 下面先介紹與組織級(jí)兩個(gè)模型有關(guān)的決策段結(jié)構(gòu)，然后討下面先介紹與組織級(jí)兩個(gè)模型有關(guān)的決策段結(jié)構(gòu)，然后討 論協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)的模型。論協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)的模型。 4.2.1 組織級(jí)原理與結(jié)構(gòu)組織級(jí)原理與結(jié)構(gòu) 圖圖4.2 組織級(jí)的結(jié)構(gòu)框圖組織級(jí)的結(jié)構(gòu)框圖 組織級(jí)的結(jié)構(gòu)如下圖，可把此框圖視為一

13、個(gè)組織級(jí)的結(jié)構(gòu)如下圖，可把此框圖視為一個(gè)Botlzmann機(jī)機(jī) 結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 定義定義4.9 機(jī)器學(xué)習(xí)與反饋機(jī)器學(xué)習(xí)與反饋(MLF) 機(jī)器學(xué)習(xí)與反饋是對(duì)不同的單一的和派生的值函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，這些函機(jī)器學(xué)習(xí)與反饋是對(duì)不同的單一的和派生的值函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，這些函 數(shù)與執(zhí)行需求工作有關(guān)，并通過學(xué)習(xí)算法更新各個(gè)概率。數(shù)與執(zhí)行需求工作有關(guān)，并通過學(xué)習(xí)算法更新各個(gè)概率。 定義定義4.8 機(jī)器決策機(jī)器決策(MDM) 機(jī)器決策是在最大的相關(guān)成功概率中選擇完備的和可兼容的有序活動(dòng)。機(jī)器決策是在最大的相關(guān)成功概率中選擇完備的和可兼容的有序活動(dòng)。 定義定義4.7 機(jī)器規(guī)劃?rùn)C(jī)器規(guī)劃(MP) 機(jī)器規(guī)劃是執(zhí)行預(yù)定工作所需要的

14、完備的和可兼容的有序活動(dòng)之形式機(jī)器規(guī)劃是執(zhí)行預(yù)定工作所需要的完備的和可兼容的有序活動(dòng)之形式 化表示?；硎尽?定義定義4.6 機(jī)器推理（機(jī)器推理（MR) 機(jī)器推理是編譯輸入指令機(jī)器推理是編譯輸入指令uj, (uj U) 與相關(guān)活動(dòng)集與相關(guān)活動(dòng)集 Ajm 、產(chǎn)生式規(guī)則以、產(chǎn)生式規(guī)則以 及構(gòu)成系統(tǒng)推理機(jī)的程序之總合。及構(gòu)成系統(tǒng)推理機(jī)的程序之總合。 組織級(jí)的功能定義如下：組織級(jí)的功能定義如下： 定義定義4.10 機(jī)器記憶交換機(jī)器記憶交換(MME) 機(jī)器記憶交換是對(duì)組織級(jí)的長(zhǎng)期存儲(chǔ)器進(jìn)行信息檢索、儲(chǔ)存和更新。機(jī)器記憶交換是對(duì)組織級(jí)的長(zhǎng)期存儲(chǔ)器進(jìn)行信息檢索、儲(chǔ)存和更新。 . 基于概率的結(jié)構(gòu)模型基于概率的

15、結(jié)構(gòu)模型 用于機(jī)器推理、機(jī)器規(guī)劃和機(jī)器決策三種功能的結(jié)構(gòu)模型，分用于機(jī)器推理、機(jī)器規(guī)劃和機(jī)器決策三種功能的結(jié)構(gòu)模型，分 別如下面三圖別如下面三圖( (圖圖4 4.、圖、圖4 4.和圖和圖4 4.) )所示。所示。 圖圖4 4. 機(jī)器推理功能模型機(jī)器推理功能模型 圖圖4 4. 機(jī)器規(guī)劃功能模型機(jī)器規(guī)劃功能模型 圖圖4 4. 機(jī)器決策功能模型機(jī)器決策功能模型 . 基于專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型基于專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型 圖圖4 4. 分類器模型的硬件實(shí)現(xiàn)分類器模型的硬件實(shí)現(xiàn) Valavanis and Saridis 1992 4.2.2 協(xié)調(diào)級(jí)原理與結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)級(jí)原理與結(jié)構(gòu) 圖圖 4.8 協(xié)調(diào)級(jí)結(jié)構(gòu)框圖協(xié)調(diào)級(jí)結(jié)

16、構(gòu)框圖 協(xié)調(diào)級(jí)由不同的協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)級(jí)由不同的協(xié)調(diào)器 組成，每個(gè)協(xié)調(diào)器由計(jì)算機(jī)組成，每個(gè)協(xié)調(diào)器由計(jì)算機(jī) 來實(shí)現(xiàn)。左圖是一個(gè)協(xié)調(diào)級(jí)來實(shí)現(xiàn)。左圖是一個(gè)協(xié)調(diào)級(jí) 結(jié)構(gòu)的候選框圖。該結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)的候選框圖。該結(jié)構(gòu)在 橫向上能夠通過分配器實(shí)現(xiàn)橫向上能夠通過分配器實(shí)現(xiàn) 各協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)共享。各協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)共享。 圖圖 4.9 協(xié)調(diào)器的硬件配置協(xié)調(diào)器的硬件配置 實(shí)現(xiàn)某典型協(xié)調(diào)器所需的主實(shí)現(xiàn)某典型協(xié)調(diào)器所需的主 要硬件如右圖。各臺(tái)專用微處理要硬件如右圖。各臺(tái)專用微處理 器通過其輸入器通過其輸入/輸出端口與組織級(jí)輸出端口與組織級(jí) 和執(zhí)行級(jí)連接。這些基于微處理和執(zhí)行級(jí)連接。這些基于微處理 器器(CPU)的系統(tǒng)使用局

17、部的系統(tǒng)使用局部ROM來來 存儲(chǔ)控制執(zhí)行裝置所需要的程序，存儲(chǔ)控制執(zhí)行裝置所需要的程序， 并用并用RAM來存儲(chǔ)臨時(shí)信息。來存儲(chǔ)臨時(shí)信息。 4.2.3 執(zhí)行級(jí)原理與結(jié)構(gòu)執(zhí)行級(jí)原理與結(jié)構(gòu) 圖圖4.10 協(xié)調(diào)器與執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)模型協(xié)調(diào)器與執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)模型 執(zhí)行級(jí)執(zhí)行由協(xié)調(diào)級(jí)發(fā)出的指令。對(duì)智能機(jī)器人系統(tǒng)，執(zhí)行級(jí)執(zhí)行級(jí)執(zhí)行由協(xié)調(diào)級(jí)發(fā)出的指令。對(duì)智能機(jī)器人系統(tǒng)，執(zhí)行級(jí) 的執(zhí)行裝置包括：視覺系統(tǒng)（的執(zhí)行裝置包括：視覺系統(tǒng)（VS）、傳感系統(tǒng)（）、傳感系統(tǒng)（SS）、帶有相應(yīng)）、帶有相應(yīng) 抓取裝置（抓取裝置（GS）的操作機(jī)（）的操作機(jī)（MS）。）。 4.3 遞階智能控制的控制與決策模型遞階智能控制的控制與決策模型

18、4.3.1 組織級(jí)的控制與決策模型組織級(jí)的控制與決策模型 1. 定義定義 定義定義4.4.11 11 具有先驗(yàn)概率具有先驗(yàn)概率p p( (c cn n) )的用戶指令集合的用戶指令集合 C = c1, c2, . , cM 經(jīng)過遙控或非通訊通道送至控制系統(tǒng)。式中，經(jīng)過遙控或非通訊通道送至控制系統(tǒng)。式中， ，是固定的和有限的。是固定的和有限的。 定義定義4.124.12 具有相關(guān)概率具有相關(guān)概率p p( (u uj j/ /c cn n) )的分類編譯輸入指令的分類編譯輸入指令 U = u1, u2, . , uM 是系統(tǒng)組織級(jí)的實(shí)際輸入。式中，是系統(tǒng)組織級(jí)的實(shí)際輸入。式中， 是固定的和有限的。

19、是固定的和有限的。 定義定義4 4.13 .13 系統(tǒng)的任務(wù)域被定義為本原事件（動(dòng)作）的集合系統(tǒng)的任務(wù)域被定義為本原事件（動(dòng)作）的集合 Et = e1, e2, . , eN 表表4 4. . 事件集合的符號(hào)與含義事件集合的符號(hào)與含義 符號(hào)符號(hào) 含含 義 義 Et 任務(wù)域內(nèi)的本原事件集合任務(wù)域內(nèi)的本原事件集合 Enr 非重復(fù)事件集合非重復(fù)事件集合 Er 重復(fù)本原事件集合重復(fù)本原事件集合 Ec 與某個(gè)與某個(gè) u j 相關(guān)的主動(dòng)非重復(fù)事件集合相關(guān)的主動(dòng)非重復(fù)事件集合 Esnr 允許開始某個(gè)與允許開始某個(gè)與 u j 有關(guān)活動(dòng)的非重復(fù)事件集合有關(guān)活動(dòng)的非重復(fù)事件集合 Esr 允許開始某個(gè)規(guī)劃的重復(fù)事件

20、集合允許開始某個(gè)規(guī)劃的重復(fù)事件集合 Eend 允許結(jié)束某個(gè)規(guī)劃的非重復(fù)本原事件集合允許結(jié)束某個(gè)規(guī)劃的非重復(fù)本原事件集合 Ecr 與與 u j 相關(guān)的關(guān)鍵非重復(fù)事件集合表列相關(guān)的關(guān)鍵非重復(fù)事件集合表列 Ecomp 本原事件可兼容對(duì)的表列本原事件可兼容對(duì)的表列 Eunw 本原事件干擾優(yōu)先對(duì)的表列本原事件干擾優(yōu)先對(duì)的表列 Eord 有效重復(fù)排序的表列有效重復(fù)排序的表列 定義定義4 4.14 .14 在某個(gè)特定輸入指令在某個(gè)特定輸入指令u uj j 起動(dòng)的規(guī)劃內(nèi)，二進(jìn)值變量起動(dòng)的規(guī)劃內(nèi)，二進(jìn)值變量x xi i 與事件與事件 e ei i 有關(guān)，有關(guān)，。當(dāng)。當(dāng)x xi i = 1 = 1時(shí)，時(shí)， e e

21、i i 是有是有 效的，當(dāng)效的，當(dāng)x xi i = 0 = 0時(shí)，時(shí)，e ei i 是無效的；其相應(yīng)概率分別為是無效的；其相應(yīng)概率分別為p p( (x xi i = 1/ = 1/u uj j) ) = = p pijij 和和 p p( (x xi i = 0/ = 0/u uj j) = 1 - ) = 1 - p pijij 。 p XUp xu jmjjj i N m (/)(/) 1 定義定義4 4.15 .15 活動(dòng)集合活動(dòng)集合A Ajmjm （本原事件聯(lián)成一組以形成復(fù)雜的任務(wù)）（本原事件聯(lián)成一組以形成復(fù)雜的任務(wù)） 與特定輸入與特定輸入u uj j 有關(guān)，而且由二進(jìn)信息串有關(guān)，而且

22、由二進(jìn)信息串X Xjmjm 表示。表示。X Xjmjm 指明在活指明在活 動(dòng)動(dòng)A Ajmjm 中哪些事件（動(dòng)作）是有效的，哪些是無效的。這指明了中哪些事件（動(dòng)作）是有效的，哪些是無效的。這指明了 第第個(gè)活動(dòng)信息串與第個(gè)活動(dòng)信息串與第個(gè)編譯輸入指令有關(guān)。因?yàn)閭€(gè)編譯輸入指令有關(guān)。因?yàn)閤 xi i 是二進(jìn)是二進(jìn) 變量，所以與變量，所以與u uj j 有關(guān)的活動(dòng)有關(guān)的活動(dòng)A Ajmjm （信息串（信息串X Xjmjm ）的初值最大數(shù)為）的初值最大數(shù)為 ( (2 2N N - 1)- 1)。于是，可定義一個(gè)活動(dòng)串的相應(yīng)概率為：。于是，可定義一個(gè)活動(dòng)串的相應(yīng)概率為： 定義定義4 4.17 與與uj 有關(guān)的

23、完備規(guī)劃有關(guān)的完備規(guī)劃 Zjmv 的集合是的集合是Bjmr 的一個(gè)子集，且的一個(gè)子集，且 其元素為滿足某些完成準(zhǔn)則的增廣活動(dòng)。其元素為滿足某些完成準(zhǔn)則的增廣活動(dòng)。 式中，式中，u uj j 為與為與 Z Zjmvjmv 有關(guān)的第有關(guān)的第個(gè)置換矩陣或增廣屏蔽矩陣；個(gè)置換矩陣或增廣屏蔽矩陣； p p( (M Mjmrjmr/X/Xjmjm) )表示與表示與X Xjmjm 有關(guān)的第有關(guān)的第個(gè)有效重復(fù)事件的概率，并由個(gè)有效重復(fù)事件的概率，并由 置換矩陣置換矩陣M Mjmrjmr 決定；決定；則由具體應(yīng)用問題決定。則由具體應(yīng)用問題決定。 p MX jmrjm rm (/) 1 定義定義4 4.16.16

24、 把有效的重復(fù)事件插入到有效活動(dòng)把有效的重復(fù)事件插入到有效活動(dòng)A Ajmrjmr ( ( 信息串信息串X Xjmjm ） 的適當(dāng)位置，得到與的適當(dāng)位置，得到與 u uj j有關(guān)的完備規(guī)劃有關(guān)的完備規(guī)劃B Bjmrjmr （增廣串（增廣串Y Yjmrjmr ）集）集 合。其中，合。其中，表示第表示第個(gè)有效重復(fù)事件的信息串。一個(gè)增廣活個(gè)有效重復(fù)事件的信息串。一個(gè)增廣活 動(dòng)串的相應(yīng)概率被定義為：動(dòng)串的相應(yīng)概率被定義為： P(Yjmr/uj) = p(Mjmr/Xjm)P(Xjm/uj) , , j j 2. 過程過程 規(guī)則規(guī)則4 4.1 .1 假定用戶指令假定用戶指令C Cn n 是相互獨(dú)立的，是相

25、互獨(dú)立的，； 分類編譯輸入指令分類編譯輸入指令u uj j也是相互獨(dú)立的，也是相互獨(dú)立的，。然。然 而，由于分類，而，由于分類，u uj j取決于取決于C Cn n 。因?yàn)?。因?yàn)閡 uj j和本原事件和本原事件 e ei i 都被假設(shè)為都被假設(shè)為 在概率上是獨(dú)立的，所以，不同的活動(dòng)是相互獨(dú)立的。在概率上是獨(dú)立的，所以，不同的活動(dòng)是相互獨(dú)立的。 規(guī)則規(guī)則4 4. 如果某個(gè)事件串中的每一事件如果某個(gè)事件串中的每一事件 e ei i 能夠立即跟隨在其左邊能夠立即跟隨在其左邊 事件之后，又能立即出現(xiàn)在其右邊事件之前，那么，該事件串滿足事件之后，又能立即出現(xiàn)在其右邊事件之前，那么，該事件串滿足 兼容性測(cè)

26、試。兼容性測(cè)試。 規(guī)則規(guī)則4 4. 如果某個(gè)非重復(fù)事件串中的每一事件如果某個(gè)非重復(fù)事件串中的每一事件e ei i能夠優(yōu)先于隨后能夠優(yōu)先于隨后 的所有其它事件（盡管不要求立即進(jìn)行），那么該事件串滿足優(yōu)先的所有其它事件（盡管不要求立即進(jìn)行），那么該事件串滿足優(yōu)先 權(quán)測(cè)試。權(quán)測(cè)試。 規(guī)則規(guī)則4 4. 非重復(fù)事件的相對(duì)次序?qū)顒?dòng)的公式化表示是至關(guān)重要的。非重復(fù)事件的相對(duì)次序?qū)顒?dòng)的公式化表示是至關(guān)重要的。 規(guī)則規(guī)則4 4. . 令令為任務(wù)域內(nèi)重復(fù)事件數(shù)。重復(fù)事件的有效排序滿足為任務(wù)域內(nèi)重復(fù)事件數(shù)。重復(fù)事件的有效排序滿足 下列條件：（）至少有一個(gè)但不多于下列條件：（）至少有一個(gè)但不多于個(gè)重復(fù)事件，該事件

27、串的個(gè)重復(fù)事件，該事件串的 每個(gè)事件都是唯一的；（）該事件串的第一個(gè)事件至少能夠跟隨每個(gè)事件都是唯一的；（）該事件串的第一個(gè)事件至少能夠跟隨 任務(wù)域內(nèi)的一個(gè)非重復(fù)事件，或者能夠起動(dòng)該規(guī)劃；（）同一事任務(wù)域內(nèi)的一個(gè)非重復(fù)事件，或者能夠起動(dòng)該規(guī)劃；（）同一事 件串的最后一個(gè)事件至少能夠出現(xiàn)在一個(gè)非重復(fù)事件之前，而且其件串的最后一個(gè)事件至少能夠出現(xiàn)在一個(gè)非重復(fù)事件之前，而且其 排序滿足兼容性測(cè)試。排序滿足兼容性測(cè)試。 規(guī)則規(guī)則4 4. 在每個(gè)活動(dòng)的非重復(fù)事件之間的所有不同位置上，插入在每個(gè)活動(dòng)的非重復(fù)事件之間的所有不同位置上，插入 有效的重復(fù)事件串，以建立擴(kuò)展活動(dòng)的公式化表示。有效的重復(fù)事件串，以建

28、立擴(kuò)展活動(dòng)的公式化表示。 規(guī)則規(guī)則4 4.7 .7 一個(gè)完備規(guī)劃是一種這樣的擴(kuò)展活動(dòng)：一個(gè)完備規(guī)劃是一種這樣的擴(kuò)展活動(dòng)： （）從某個(gè)能夠起動(dòng)該規(guī)劃的重復(fù)事件開始，并以某個(gè)非重復(fù)（）從某個(gè)能夠起動(dòng)該規(guī)劃的重復(fù)事件開始，并以某個(gè)非重復(fù) 事件結(jié)束。事件結(jié)束。 （）在非重復(fù)事件之間至少包含一個(gè)重復(fù)事件。（）在非重復(fù)事件之間至少包含一個(gè)重復(fù)事件。 （）滿足全部兼容性測(cè)試。（）滿足全部兼容性測(cè)試。 規(guī)則規(guī)則4 4. 所生成的規(guī)劃是與分類編譯輸入指令耦合的，因?yàn)樗鼈兯傻囊?guī)劃是與分類編譯輸入指令耦合的，因?yàn)樗鼈?的相應(yīng)概率是由接收到的輸入指令的相應(yīng)概率是由接收到的輸入指令uj 決定的。決定的。 3. 功能

29、功能 假設(shè)環(huán)境是己知的假設(shè)環(huán)境是己知的, ,則可定義組織級(jí)的如下功能則可定義組織級(jí)的如下功能: : （）（） 系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸入 （）（） 機(jī)器推理機(jī)器推理 （）（） 機(jī)器規(guī)劃?rùn)C(jī)器規(guī)劃 （）（） 機(jī)器決策機(jī)器決策 （）（） 機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí) （）（） 存儲(chǔ)交換存儲(chǔ)交換 4.3.2 協(xié)調(diào)級(jí)的控制與決策模型協(xié)調(diào)級(jí)的控制與決策模型 1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 協(xié)調(diào)級(jí)的智能在于：以已往經(jīng)驗(yàn)和工作空間環(huán)境的約束為基礎(chǔ)，協(xié)調(diào)級(jí)的智能在于：以已往經(jīng)驗(yàn)和工作空間環(huán)境的約束為基礎(chǔ)， 用最有希望的方式來執(zhí)行組織器的規(guī)劃。用最有希望的方式來執(zhí)行組織器的規(guī)劃。 某智能機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)級(jí)框如下圖所示：某智能機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)級(jí)框如下圖

30、所示： 2. 功能功能 每個(gè)協(xié)調(diào)器被訪問后，執(zhí)行預(yù)定的一定數(shù)目的不同作用。對(duì)每每個(gè)協(xié)調(diào)器被訪問后，執(zhí)行預(yù)定的一定數(shù)目的不同作用。對(duì)每 個(gè)單獨(dú)作用，指定一個(gè)代價(jià)。個(gè)單獨(dú)作用，指定一個(gè)代價(jià)。 另一方面，在執(zhí)行請(qǐng)求作業(yè)期間，反饋信息從執(zhí)行級(jí)送至協(xié)調(diào)另一方面，在執(zhí)行請(qǐng)求作業(yè)期間，反饋信息從執(zhí)行級(jí)送至協(xié)調(diào) 級(jí)。而且從執(zhí)行級(jí)至協(xié)調(diào)級(jí)的反饋信息是實(shí)時(shí)在線反饋信息。級(jí)。而且從執(zhí)行級(jí)至協(xié)調(diào)級(jí)的反饋信息是實(shí)時(shí)在線反饋信息。 3. 算法算法 算法算法4 4.1 1 協(xié)調(diào)級(jí)的算法由步組成：協(xié)調(diào)級(jí)的算法由步組成： （）（） 分配器搜索含有儲(chǔ)存規(guī)劃的緩沖器，并建立各協(xié)調(diào)器分配器搜索含有儲(chǔ)存規(guī)劃的緩沖器，并建立各協(xié)調(diào)器 與

31、其相應(yīng)執(zhí)行裝置（在執(zhí)行級(jí)）的聯(lián)系。與其相應(yīng)執(zhí)行裝置（在執(zhí)行級(jí)）的聯(lián)系。 （）（） 闡述被執(zhí)行級(jí)執(zhí)行的控制問題。這包括相應(yīng)的協(xié)調(diào)器闡述被執(zhí)行級(jí)執(zhí)行的控制問題。這包括相應(yīng)的協(xié)調(diào)器 被訪問時(shí)啟動(dòng)執(zhí)行裝置和執(zhí)行具體任務(wù)。被訪問時(shí)啟動(dòng)執(zhí)行裝置和執(zhí)行具體任務(wù)。 （）（） 估計(jì)執(zhí)行級(jí)。這涉及以執(zhí)行級(jí)的單獨(dú)代價(jià)函數(shù)為基礎(chǔ)，估計(jì)執(zhí)行級(jí)。這涉及以執(zhí)行級(jí)的單獨(dú)代價(jià)函數(shù)為基礎(chǔ)， 計(jì)算與執(zhí)行規(guī)劃有關(guān)的增廣代價(jià)函數(shù)。計(jì)算與執(zhí)行規(guī)劃有關(guān)的增廣代價(jià)函數(shù)。 （）（） 在執(zhí)行所請(qǐng)求的作業(yè)之后，把底層的反饋信息傳至組在執(zhí)行所請(qǐng)求的作業(yè)之后，把底層的反饋信息傳至組 織器?？椘?。 （）（） 更新儲(chǔ)存在協(xié)調(diào)級(jí)分配器的短期存儲(chǔ)器中的信息。

32、更新儲(chǔ)存在協(xié)調(diào)級(jí)分配器的短期存儲(chǔ)器中的信息。 4.3.3 執(zhí)行級(jí)的控制與決策模型執(zhí)行級(jí)的控制與決策模型 執(zhí)行級(jí)是由許多與協(xié)調(diào)級(jí)的協(xié)調(diào)器相聯(lián)系的執(zhí)行裝置組成。執(zhí)執(zhí)行級(jí)是由許多與協(xié)調(diào)級(jí)的協(xié)調(diào)器相聯(lián)系的執(zhí)行裝置組成。執(zhí) 行級(jí)的主要目標(biāo)是盡可能準(zhǔn)確地執(zhí)行由不同的協(xié)調(diào)器發(fā)出的具體任行級(jí)的主要目標(biāo)是盡可能準(zhǔn)確地執(zhí)行由不同的協(xié)調(diào)器發(fā)出的具體任 務(wù)務(wù)。 最優(yōu)控制理論已采用系統(tǒng)最優(yōu)控制理論已采用系統(tǒng)x x( (t t) )的一個(gè)非負(fù)函數(shù)狀態(tài)，的一個(gè)非負(fù)函數(shù)狀態(tài)，x x( (t t) ) x x， x x為狀態(tài)空間；某個(gè)指定的控制為狀態(tài)空間；某個(gè)指定的控制u u( (x,tx,t) )是全部允許控制的是全部允許控

33、制的 集合，集合，u u( (x,tx,t) ) u u x x。要確定某些表示廣義能量函數(shù)初始條。要確定某些表示廣義能量函數(shù)初始條 件件x x0 0 , , t t0 0 的性能測(cè)度，系統(tǒng)拉格朗日（的性能測(cè)度，系統(tǒng)拉格朗日（LagrangianLagrangian）函數(shù)）函數(shù)L L( (x, x, u, tu, t) )的平均值取下列形式：的平均值取下列形式： V xu tL x u xd t t (, ,)( , ( , ), ) 00 0 (4.36) 定理定理4 4. 滿足式（滿足式（4 4.3636）的）的 u*(x,t)使使V(u(x,t), x0, t0)最小的充要條最小的充要條

34、 件是件是 u* 使微熵使微熵最小，其中最小，其中p(x0,u)是根據(jù)是根據(jù)Jaynes最大熵原理決定最大熵原理決定 的最大熵密度函數(shù)。的最大熵密度函數(shù)。 V xut u L x ud t t (,)min( , , ) * 00 0 (4.38) 當(dāng)當(dāng)u*(x,t) u 時(shí)時(shí) ， 在允許控制空間內(nèi)選取設(shè)計(jì)不確定性密度，使之滿足杰恩在允許控制空間內(nèi)選取設(shè)計(jì)不確定性密度，使之滿足杰恩 （Jaynes）最大熵原理，可得相關(guān)的熵如下：）最大熵原理，可得相關(guān)的熵如下： H(x0 ,u,p(u) = EV(x0 ,u,t) （4.39） H xut u H u E V xu t(, )minmin (,

35、 ,) 000 (4.40) 然后，最優(yōu)控制然后，最優(yōu)控制 u* 滿足下式：滿足下式： 4.4.1 4.4.1 汽車自主駕駛系統(tǒng)的組成汽車自主駕駛系統(tǒng)的組成 1. 1. 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 總總 線線 道路環(huán)境道路環(huán)境 車體車體 主控制器主控制器 道路標(biāo)志線道路標(biāo)志線 識(shí)別計(jì)算機(jī)識(shí)別計(jì)算機(jī) 車輛識(shí)別車輛識(shí)別 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 執(zhí)行機(jī)執(zhí)行機(jī) 構(gòu)構(gòu)攝像頭攝像頭攝像頭攝像頭 環(huán)境識(shí)別子系統(tǒng)環(huán)境識(shí)別子系統(tǒng) 駕駛控制子系統(tǒng)駕駛控制子系統(tǒng) 圖圖4.20 4.20 紅旗車自主駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖紅旗車自主駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 傳感傳感 器器 (1) (1) 環(huán)境識(shí)別子系統(tǒng)環(huán)境識(shí)別子系統(tǒng) (2) (

36、2) 駕駛控制子系統(tǒng)駕駛控制子系統(tǒng) 4.4 遞階智能控制系統(tǒng)舉例遞階智能控制系統(tǒng)舉例 2.2.自主駕駛的硬件系統(tǒng)自主駕駛的硬件系統(tǒng) 自主駕駛系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括主控計(jì)算機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器自主駕駛系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括主控計(jì)算機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器 等。等。 環(huán)境處理計(jì)算機(jī)環(huán)境處理計(jì)算機(jī) Fireware 局部總線局部總線 顯示卡顯示卡 通訊總線通訊總線 局域網(wǎng)局域網(wǎng) 圖圖4.21 4.21 環(huán)境感知計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)示意圖環(huán)境感知計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)示意圖 駕駛控制計(jì)算機(jī)駕駛控制計(jì)算機(jī) A/D接口接口 數(shù)據(jù)采集總線數(shù)據(jù)采集總線 D/A接口接口 運(yùn)動(dòng)控制卡運(yùn)動(dòng)控制卡 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器 DIDO接口接口 通訊總線通訊

37、總線 局域網(wǎng)局域網(wǎng) 圖圖4.22 4.22 駕駛控制計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)示意圖駕駛控制計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)示意圖 (1)(1)主控計(jì)算機(jī)及接口主控計(jì)算機(jī)及接口 (2)(2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (3)(3)傳感器傳感器 3. 3. 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 4. 4. 軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 4.4.2 4.4.2 汽車自主駕駛系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)汽車自主駕駛系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu) 子任務(wù)子任務(wù) 系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控 任務(wù)任務(wù) 行為決策行為決策 行為規(guī)劃行為規(guī)劃 操作控制操作控制 任務(wù)規(guī)劃任務(wù)規(guī)劃 實(shí)時(shí)路況信息實(shí)時(shí)路況信息 車車 輛輛 車輛車輛 運(yùn)行環(huán)境運(yùn)行環(huán)境 環(huán)境感知環(huán)境感知 與處理與處理 車輛狀態(tài)與

38、車輛狀態(tài)與 定位信息定位信息 規(guī)劃軌跡規(guī)劃軌跡 動(dòng)作動(dòng)作 行為行為 用戶接口用戶接口 圖圖4.23 4.23 汽車自主駕駛控制系統(tǒng)的四層模塊化結(jié)構(gòu)汽車自主駕駛控制系統(tǒng)的四層模塊化結(jié)構(gòu) 以任務(wù)層次分解為以任務(wù)層次分解為 基礎(chǔ)，提出了右圖所示基礎(chǔ)，提出了右圖所示 的四層模塊化汽車自主的四層模塊化汽車自主 駕駛控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；其駕駛控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；其 四個(gè)層次依次是：任務(wù)四個(gè)層次依次是：任務(wù) 規(guī)劃、行為決策、行為規(guī)劃、行為決策、行為 規(guī)劃和操作控制。另外規(guī)劃和操作控制。另外 還包括車輛狀態(tài)與定位還包括車輛狀態(tài)與定位 信息和系統(tǒng)監(jiān)控兩個(gè)獨(dú)信息和系統(tǒng)監(jiān)控兩個(gè)獨(dú) 立功能模塊。立功能模塊。 1. 1. 操作控制

39、層操作控制層 速度跟速度跟 蹤控制蹤控制 路徑跟路徑跟 蹤控制蹤控制 油門油門 控制器控制器 剎車剎車 控制器控制器 轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向 控制器控制器 緊急狀緊急狀 態(tài)控制態(tài)控制 期望速度期望速度 期望路徑期望路徑 監(jiān)控信息監(jiān)控信息 圖圖4.24 4.24 操作控制層主要模塊示意圖操作控制層主要模塊示意圖 車車 輛輛 2. 2. 行為規(guī)劃層行為規(guī)劃層 道路和障礙信息道路和障礙信息 車輛縱向車輛縱向 速度規(guī)劃速度規(guī)劃 車輛期望車輛期望 軌跡規(guī)劃軌跡規(guī)劃 駕駛技能與交通規(guī)駕駛技能與交通規(guī) 則數(shù)據(jù)庫則數(shù)據(jù)庫 車輛狀態(tài)車輛狀態(tài) 行為信息行為信息 行為執(zhí)行情況反饋行為執(zhí)行情況反饋 期望縱向速度期望縱向速度 期望路

40、徑點(diǎn)序列期望路徑點(diǎn)序列 行為行為 監(jiān)督監(jiān)督 執(zhí)行執(zhí)行 圖圖4.25 4.25 行為規(guī)劃層主要模塊示意圖行為規(guī)劃層主要模塊示意圖 3. 3. 行為決策層行為決策層 圖圖4.26 4.26 行為決策層主要模塊示意圖行為決策層主要模塊示意圖 任務(wù)任務(wù) 規(guī)劃層規(guī)劃層 當(dāng)前執(zhí)行子任務(wù)當(dāng)前執(zhí)行子任務(wù) 行為行為 決策決策 邏輯邏輯 行為輸出行為輸出 當(dāng)前行為當(dāng)前行為 執(zhí)行情況執(zhí)行情況 行行 為為 規(guī)規(guī) 劃劃 層層 預(yù)期狀態(tài)預(yù)期狀態(tài) 交通情況交通情況 行為模行為模 式產(chǎn)生式產(chǎn)生 環(huán)境建模環(huán)境建模 及預(yù)測(cè)及預(yù)測(cè) 駕駛行為駕駛行為 知識(shí)庫知識(shí)庫 4. 4. 任務(wù)規(guī)劃層任務(wù)規(guī)劃層 導(dǎo)航地物導(dǎo)航地物 地圖數(shù)據(jù)庫地圖數(shù)

41、據(jù)庫 任務(wù)規(guī)劃任務(wù)規(guī)劃 任務(wù)任務(wù) 監(jiān)控監(jiān)控 用戶任務(wù)輸入用戶任務(wù)輸入 全局定位信息全局定位信息 當(dāng)前執(zhí)行當(dāng)前執(zhí)行 子任務(wù)子任務(wù) 子任務(wù)子任務(wù) 執(zhí)行情況執(zhí)行情況 圖圖4.27 4.27 任務(wù)規(guī)劃層主要模塊示意圖任務(wù)規(guī)劃層主要模塊示意圖 4.4.3 4.4.3 自主駕駛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制算法自主駕駛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制算法 1. 1. 駕駛控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)駕駛控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 車輛狀態(tài)感知處車輛狀態(tài)感知處 理理 車輛行為規(guī)劃車輛行為規(guī)劃 路徑跟蹤控制路徑跟蹤控制速度跟蹤控制速度跟蹤控制 方向伺服方向伺服油門伺服油門伺服剎車伺服剎車伺服 車輛感知信息處理車輛感知信息處理 車道信息車道信息 接收處理接收

42、處理 車輛行為決策車輛行為決策 車輛行為監(jiān)控車輛行為監(jiān)控 車輛定位與運(yùn)動(dòng)車輛定位與運(yùn)動(dòng) 預(yù)測(cè)預(yù)測(cè) 運(yùn)行狀態(tài)存儲(chǔ)管運(yùn)行狀態(tài)存儲(chǔ)管 理理 車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)與車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)與 控制控制 用戶接口信息處用戶接口信息處 理控制理控制 圖圖4.28 4.28 駕駛控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖駕駛控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖 2. 2. 駕駛控制算法駕駛控制算法 遺忘迭代濾波算法具有遺忘迭代濾波算法具有 如下的形式：如下的形式： 0 1 1 00 n k nxknx nx nx f f 平移平均濾波算法如下：平移平均濾波算法如下： 1 1 1 1 0 kn k nx kn n nx nx n kni n i f 4.4.4

43、4.4.4 自主駕駛系統(tǒng)高速公路試驗(yàn)自主駕駛系統(tǒng)高速公路試驗(yàn) 1. 1. 試驗(yàn)的環(huán)境及內(nèi)容試驗(yàn)的環(huán)境及內(nèi)容 (1)(1)環(huán)境感知系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。環(huán)境感知系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。 (2)(2)駕駛控制系統(tǒng)的車道跟蹤能力。駕駛控制系統(tǒng)的車道跟蹤能力。 (3) (3)駕駛控制系統(tǒng)的速度跟蹤能力。駕駛控制系統(tǒng)的速度跟蹤能力。 2. 2. 試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果 (4)(4)駕駛控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)交通的處理情駕駛控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)交通的處理情 況及超車動(dòng)作。況及超車動(dòng)作。 經(jīng)過三個(gè)月近經(jīng)過三個(gè)月近10001000公里的道路試驗(yàn)，紅旗車自主駕駛有關(guān)公里的道路試驗(yàn)，紅旗車自主駕駛有關(guān) 的環(huán)境感知和駕駛控制算法得到

44、了不斷改進(jìn)，并于的環(huán)境感知和駕駛控制算法得到了不斷改進(jìn)，并于20032003年年6 6月月 實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的如下三項(xiàng)性能指標(biāo)：實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的如下三項(xiàng)性能指標(biāo)： (1)(1)正常交通情況下在高速公路上穩(wěn)定自主駕駛速度正常交通情況下在高速公路上穩(wěn)定自主駕駛速度 130km/h130km/h； (2)(2)最高自主駕駛速度最高自主駕駛速度170km/h170km/h； (3)(3)具備超車功能。具備超車功能。 4.5 4.5 集散遞階智能控制系統(tǒng)集散遞階智能控制系統(tǒng) 4.5.1 4.5.1 集散遞階智能控制系統(tǒng)的工作原理集散遞階智能控制系統(tǒng)的工作原理 1 1集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(total distr

45、ibuted control system,DCS)(total distributed control system,DCS)的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) 圖圖4.29 4.29 集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) (3) (3) 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng) 通信系統(tǒng)要完成分散過程監(jiān)控裝置與集中操作管理裝置之間的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)要完成分散過程監(jiān)控裝置與集中操作管理裝置之間的數(shù)據(jù) 通信。可通過標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信手段，與其他的過程控制系統(tǒng)、經(jīng)營(yíng)管理系通信?？赏ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信手段，與其他的過程控制系統(tǒng)、經(jīng)營(yíng)管理系 統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)互通信息，以完成更加復(fù)雜的功能。統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)互通信息，以完成更加復(fù)雜的功能。

46、(1) (1) 分散過程監(jiān)控裝置分散過程監(jiān)控裝置 分散過程監(jiān)控裝置是集散控制系統(tǒng)與生產(chǎn)過程的界面，生產(chǎn)過程的各分散過程監(jiān)控裝置是集散控制系統(tǒng)與生產(chǎn)過程的界面，生產(chǎn)過程的各 種過程變量或狀態(tài)信息通過分散過程監(jiān)控裝置轉(zhuǎn)換為操作監(jiān)視的數(shù)據(jù)，而種過程變量或狀態(tài)信息通過分散過程監(jiān)控裝置轉(zhuǎn)換為操作監(jiān)視的數(shù)據(jù)，而 各種操作信息則通過分散過程監(jiān)控裝置送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在分散過程監(jiān)控裝各種操作信息則通過分散過程監(jiān)控裝置送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在分散過程監(jiān)控裝 置內(nèi)，進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換，完成各種輸入、輸出的數(shù)據(jù)處理置內(nèi)，進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換，完成各種輸入、輸出的數(shù)據(jù)處理 和控制算法運(yùn)算。和控制算法運(yùn)算。 (2

47、) (2) 集中操作管理裝置集中操作管理裝置 集中操作管理裝置是操作管理人員與集散控制系統(tǒng)的界面，生產(chǎn)過集中操作管理裝置是操作管理人員與集散控制系統(tǒng)的界面，生產(chǎn)過 程的各種參數(shù)集中在操作站上顯示，操作管理人員通過操作站了解生產(chǎn)程的各種參數(shù)集中在操作站上顯示，操作管理人員通過操作站了解生產(chǎn) 過程的運(yùn)行狀況、操縱生產(chǎn)過程和組態(tài)回路、調(diào)整回路參數(shù)、檢測(cè)故障過程的運(yùn)行狀況、操縱生產(chǎn)過程和組態(tài)回路、調(diào)整回路參數(shù)、檢測(cè)故障 和存儲(chǔ)過程數(shù)據(jù)。和存儲(chǔ)過程數(shù)據(jù)。 2 2集散控制系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)及功能集散控制系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)及功能 圖圖4.30 4.30 三級(jí)結(jié)構(gòu)的三級(jí)結(jié)構(gòu)的DCSDCS (4) (4) 第四層第四層

48、經(jīng)營(yíng)管理級(jí)經(jīng)營(yíng)管理級(jí) 進(jìn)行市場(chǎng)和用戶分析、訂貨和銷售統(tǒng)計(jì)、進(jìn)行市場(chǎng)和用戶分析、訂貨和銷售統(tǒng)計(jì)、 銷售計(jì)劃制訂、產(chǎn)品制造協(xié)調(diào)、合同管理及期限監(jiān)測(cè)等。銷售計(jì)劃制訂、產(chǎn)品制造協(xié)調(diào)、合同管理及期限監(jiān)測(cè)等。 （1 1）第一層）第一層直接控制級(jí)直接控制級(jí) 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)字開環(huán)和進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)字開環(huán)和 閉環(huán)控制、設(shè)備和系統(tǒng)與診斷監(jiān)測(cè)，實(shí)施安全性和冗余化。本級(jí)為控閉環(huán)控制、設(shè)備和系統(tǒng)與診斷監(jiān)測(cè)，實(shí)施安全性和冗余化。本級(jí)為控 制的底層制的底層, ,直接對(duì)車間生產(chǎn)過程和設(shè)備直接對(duì)車間生產(chǎn)過程和設(shè)備( (裝置裝置) )進(jìn)行控制。進(jìn)行控制。 (2) (2) 第二層第二層過程管理級(jí)過程管理級(jí) 實(shí)

49、施過程操作測(cè)試、裝置間協(xié)調(diào)、優(yōu)化實(shí)施過程操作測(cè)試、裝置間協(xié)調(diào)、優(yōu)化 控制過程、自適應(yīng)控制、錯(cuò)誤檢測(cè)及數(shù)據(jù)存檔。控制過程、自適應(yīng)控制、錯(cuò)誤檢測(cè)及數(shù)據(jù)存檔。 (3) (3) 第三層第三層生產(chǎn)管理級(jí)生產(chǎn)管理級(jí) 規(guī)劃產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和規(guī)模規(guī)劃產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和規(guī)模, ,進(jìn)行產(chǎn)品監(jiān)視、產(chǎn)進(jìn)行產(chǎn)品監(jiān)視、產(chǎn) 品報(bào)告和工廠生產(chǎn)監(jiān)視等。品報(bào)告和工廠生產(chǎn)監(jiān)視等。 圖圖4.31 4.31 集散控制系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu) 3 3集散智能控制系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)集散智能控制系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu) 集散遞階智能控制系統(tǒng)的執(zhí)行級(jí)，其基本控制器的目標(biāo)是完成具體的控集散遞階智能控制系統(tǒng)的執(zhí)行級(jí)，其基本控制器的目標(biāo)是完成具體的控 制任務(wù)并達(dá)到相當(dāng)?shù)目刂凭?，而可編程?shí)現(xiàn)用戶特定的控制方案是大多數(shù)制任務(wù)并達(dá)到相當(dāng)?shù)目刂凭?，而可編程?shí)現(xiàn)用戶特定的控制方案是大多數(shù) 集散控制系統(tǒng)的基本控制器已經(jīng)具備的功能。集散控制系統(tǒng)的基本控制器已經(jīng)具備的功能。 集散遞階智能控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)級(jí)，可通過智能化將監(jiān)控計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)、集散遞階智能控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)級(jí)，可通過智能化將監(jiān)控計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)、 優(yōu)化功能進(jìn)一步加強(qiáng)，以實(shí)現(xiàn)以下功能：優(yōu)化功能進(jìn)一步加強(qiáng)，以實(shí)現(xiàn)以下功能： (1) (1) 對(duì)于來自組織級(jí)的控制指令與控制任務(wù)，進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)和控對(duì)