智能控制導(dǎo)論 第4版 課件 第2章 遞階控制

智能控制導(dǎo)論IntelligentControl智能控制導(dǎo)論第4版蔡自興編著

國家精品課程配套教材中國水利水電出版社2024

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教材第一篇基于知識的智能控制第2章遞階控制Ch.2HierarchicalControl智能控制導(dǎo)論教學(xué)重點(diǎn)1．介紹遞階智能機(jī)器及其三個級別的一般結(jié)構(gòu)；2．討論遞階控制各級的作用；3．舉例介紹智能控制的應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn)1．理解遞階控制的結(jié)構(gòu)及各級的分工協(xié)作關(guān)系；2．了解汽車自主駕駛系統(tǒng)的遞階控制結(jié)構(gòu)和控制算法。教學(xué)要求

著重掌握遞階控制的作用機(jī)制，舉例分析遞階控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制算法。第2章遞階控制第2章遞階控制（續(xù)）內(nèi)容2.1遞階智能機(jī)器的一般結(jié)構(gòu)2.2遞階智能控制系統(tǒng)舉例2.2.1汽車自主駕駛系統(tǒng)的組成2.2.2汽車自主駕駛系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)2.2.3自主駕駛系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)與控制算法2.2.4自主駕駛系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果2.3本章小結(jié)

遞階智能控制（hierarchicalintelligentcontrol）,簡稱遞階控制。遞階控制是智能控制最早理論之一，而遞階智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已隱含在其他各種智能控制系統(tǒng)之中，成為其他各種智能控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。遞階控制是在研究早期學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，并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)系之后而逐漸形成的。已經(jīng)提出幾種遞階控制理論。其中以薩里迪斯提出的基于3個控制層次和IPDI原理的三級遞階智能控制系統(tǒng)最具代表性。第2章遞階控制（續(xù)）

遞階智能控制是由薩里迪斯(Saridis)和梅斯特爾（Meystal）等人提出的，是按照精度隨智能降低而提高的原理（IPDI）逐級分布的，這一原理來源于遞階（分級）管理系統(tǒng)。已取得的理論成果表現(xiàn)在兩個方面，即基于邏輯的方法和基于解析的方法。前者已由尼爾森（Nilsson）和菲克斯（Fikes）等敘述過，其通用技術(shù)仍在繼續(xù)研究與開發(fā)之中；而后者已在理論和實(shí)驗(yàn)兩方面達(dá)到比較成熟的水平，有一些新的方法和技術(shù)，如Boltzmann機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Petri網(wǎng)等，已為智能機(jī)器理論的分析研究提供了新的工具。2.1遞階智能機(jī)器的一般結(jié)構(gòu)

遞階智能控制是由薩里迪斯(Saridis)和梅斯特爾（Meystal）等人提出的，是按照精度隨智能降低而提高的原理（IPDI）逐級分布的，這一原理來源于遞階（分級）管理系統(tǒng)。已取得的理論成果表現(xiàn)在兩個方面，即基于邏輯的方法和基于解析的方法。前者已由尼爾森（Nilsson）和菲克斯（Fikes）等敘述過，其通用技術(shù)仍在繼續(xù)研究與開發(fā)之中；而后者已在理論和實(shí)驗(yàn)兩方面達(dá)到比較成熟的水平，有一些新的方法和技術(shù)，如Boltzmann機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Petri網(wǎng)等，已為智能機(jī)器理論的分析研究提供了新的工具。2.1遞階智能機(jī)器的一般結(jié)構(gòu)（續(xù)）

遞階智能控制是由薩里迪斯(Saridis)和梅斯特爾（Meystal）等人提出的，是按照精度隨智能降低而提高的原理（IPDI）逐級分布的，這一原理來源于遞階（分級）管理系統(tǒng)。已取得的理論成果表現(xiàn)在兩個方面，即基于邏輯的方法和基于解析的方法。前者已由尼爾森（Nilsson）和菲克斯（Fikes）等敘述過，其通用技術(shù)仍在繼續(xù)研究與開發(fā)之中；而后者已在理論和實(shí)驗(yàn)兩方面達(dá)到比較成熟的水平，有一些新的方法和技術(shù)，如Boltzmann機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Petri網(wǎng)等，已為智能機(jī)器理論的分析研究提供了新的工具。2.1遞階智能機(jī)器的一般結(jié)構(gòu)（續(xù)）

遞階智能控制是由三個基本控制級構(gòu)成的，其級聯(lián)交互結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖中，

為從執(zhí)行級到協(xié)調(diào)級的在線反饋信號；

為從協(xié)調(diào)級到組織級的離線反饋信號；C為輸入指令；U

為分類器的輸出信號，即組織器的輸入信號。2.1遞階智能機(jī)器的一般結(jié)構(gòu)（續(xù)）圖2.1遞階智能機(jī)器的級聯(lián)結(jié)構(gòu)2.1遞階智能機(jī)器的一般結(jié)構(gòu)（續(xù)）

1.組織級（Organizationlevel）組織級代表控制系統(tǒng)主導(dǎo)思想，由人工智能起控制作用。根據(jù)存儲在長期存儲單元的本原數(shù)據(jù)集合，組織絕對動作、一般任務(wù)和規(guī)則序列，如圖2.2所示。圖2.2組織級的結(jié)構(gòu)框圖2.1遞階智能機(jī)器的一般結(jié)構(gòu)（續(xù)）

2.協(xié)調(diào)級（Coordinationlevel）

協(xié)調(diào)級是組織級和執(zhí)行級間的接口，由人工智能和運(yùn)籌學(xué)共同作用。協(xié)調(diào)級產(chǎn)生一個適當(dāng)?shù)淖尤蝿?wù)序列來執(zhí)行原指令，處理實(shí)時(shí)信息。協(xié)調(diào)級由一定數(shù)量的具有固定結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)器組成。圖2.3協(xié)調(diào)級的結(jié)構(gòu)框圖2.1遞階智能機(jī)器的一般結(jié)構(gòu)（續(xù)）

3.執(zhí)行級（Excutionlevel）

執(zhí)行級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，對相關(guān)過程執(zhí)行適當(dāng)?shù)目刂谱饔谩?zhí)行級的性能也可由熵來表示，因而統(tǒng)一了智能機(jī)器的功用。已知通常稱H為香農(nóng)（Shannon）負(fù)熵，它可變換為下列方程式中，

為被傳遞的信息信號空間。負(fù)熵是對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)熵的概率密度指數(shù)函數(shù)獲得。2.2遞階智能控制系統(tǒng)舉例圖2.4紅旗車自主駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖本遞階智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.4所示，它主要由環(huán)境識別子系統(tǒng)和駕駛控制子系統(tǒng)組成。2.2.1汽車自主駕駛系統(tǒng)的組成2.2.1汽車自主駕駛系統(tǒng)的組成（續(xù)）1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)環(huán)境識別子系統(tǒng)和駕駛控制子系統(tǒng)環(huán)境識別子系統(tǒng)：道路標(biāo)志牌和前方車輛識別駕駛控制子系統(tǒng)：行為決策、行為規(guī)劃、操作控制2.自主駕駛的硬件系統(tǒng)

工控機(jī)及其接口(interface)執(zhí)行器：步進(jìn)電機(jī)、液壓驅(qū)動傳感器系統(tǒng):激光雷達(dá),攝像機(jī),GPS等2.2.1汽車自主駕駛系統(tǒng)的組成（續(xù)）3.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)基于PC的開發(fā)環(huán)境，開發(fā)方便實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核確保了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性可裁剪和可重配置的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行效率提高方便快捷任務(wù)間通信支持多處理機(jī)間的任務(wù)協(xié)調(diào)與通信自主駕駛系統(tǒng)處理機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)4.軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性任務(wù)優(yōu)先級設(shè)置于搶斷式任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)時(shí)鐘同步機(jī)制分布式共享數(shù)據(jù)存儲2.2.2汽車自主駕駛系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)圖2.5所示四層模塊化汽車自主駕駛控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；其四個層次依次是：任務(wù)規(guī)劃、行為決策、行為規(guī)劃和操作控制。另外還包括車輛狀態(tài)與定位信息和系統(tǒng)監(jiān)控兩個獨(dú)立功能模塊。圖2.5紅旗車自主駕駛系統(tǒng)的四層模塊化結(jié)構(gòu)2.2.2汽車自主駕駛系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)（續(xù)）速度跟蹤控制路徑跟蹤控制油門控制器剎車控制器轉(zhuǎn)向控制器緊急狀態(tài)控制期望速度期望路徑監(jiān)控信息操作控制層主要模塊示意圖車輛1.操作控制層（Manipulationcontrollevel）2.2.2汽車自主駕駛系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)（續(xù)）道路和障礙信息車輛縱向速度規(guī)劃車輛期望軌跡規(guī)劃駕駛技能與交通規(guī)則數(shù)據(jù)庫車輛狀態(tài)行為信息行為執(zhí)行情況反饋期望縱向速度期望路徑點(diǎn)序列行為監(jiān)督執(zhí)行行為規(guī)劃層主要模塊示意圖2.行為規(guī)劃層（

Behaviorplanninglevel）2.2.2汽車自主駕駛系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)（續(xù)）3.行為決策層（

Behaviordecisionlevel）預(yù)期狀態(tài)任務(wù)規(guī)劃層當(dāng)前執(zhí)行子任務(wù)行為決策邏輯行為輸出當(dāng)前行為執(zhí)行情況行為規(guī)劃層交通情況行為模式產(chǎn)生環(huán)境建模及預(yù)測駕駛行為知識庫圖2.6行為決策層主要模塊示意圖2.2.2汽車自主駕駛系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)（續(xù)）4.任務(wù)規(guī)劃層（

Taskplanninglevel）圖2.14任務(wù)規(guī)劃層主要模塊示意圖導(dǎo)航地物地圖數(shù)據(jù)庫任務(wù)規(guī)劃任務(wù)監(jiān)控用戶任務(wù)輸入全局定位信息當(dāng)前執(zhí)行子任務(wù)子任務(wù)執(zhí)行情況1.駕駛控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)2.2.3自主駕駛系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)與控制算法圖2.8駕駛控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖2.駕駛控制系統(tǒng)算法2.2.3自主駕駛系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)與控制算法（續(xù)）（1）遺忘迭代濾波算法形式：（2）平移平均濾波算法：

采用離散化的形式，即采用零階保持方法對連續(xù)控制算法進(jìn)行離散化。對部分濾波算法，系統(tǒng)采用遺忘迭代濾波或平移平均濾波算法代替，以減少運(yùn)算量。1.試驗(yàn)環(huán)境和內(nèi)容2.2.4自主駕駛系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果HQ3紅旗車自主駕駛系統(tǒng)的試驗(yàn)在高速公路上進(jìn)行，包括長沙市繞城高速公路和京珠高速公路。試驗(yàn)中，公路處于正常的交通狀況。分別就自主駕駛系統(tǒng)的以下性能進(jìn)行了試驗(yàn)：（1）環(huán)境感知系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性，包括車道感知系統(tǒng)對道路上的各種障礙、標(biāo)志干擾及對光照變化的適應(yīng)性；車輛識別系統(tǒng)識別的準(zhǔn)確性及對光照的適應(yīng)性。（2）駕駛控制系統(tǒng)的車道跟蹤能力，包括各種道路條件下，車道中心線跟蹤的穩(wěn)定性和舒適性。（3）駕駛控制系統(tǒng)的速度跟蹤能力，涉及各種路況下速度跟蹤的穩(wěn)定性和舒適性。（4）駕駛控制系統(tǒng)對動態(tài)交通的處理情況及超車動作，對交通變化處理的實(shí)時(shí)性與合理性及超車動作的平順性。2.試驗(yàn)結(jié)果2.2.4自主駕駛系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過長期道路試驗(yàn)，HQ3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不斷改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的如下性能指標(biāo)：（1）正常交通情況下在高速公路上穩(wěn)定自主駕駛速度130km/h；（2）最高自主駕駛速度170km/h；（3）具備超車功能。

經(jīng)過10多年的研究開發(fā)與不斷改進(jìn)，該自主車的技術(shù)性能有了顯著提高，達(dá)到國際先進(jìn)水平。據(jù)媒體報(bào)道，2011年7月14日上午，該車進(jìn)行了一次新的自主駕駛試驗(yàn)，在正常天氣與路況條件下，以遵守交通法規(guī)為前提，在有多個高架橋路口的高速公路真實(shí)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)長沙至武漢自主駕駛，能夠有效地超車并匯入車流，準(zhǔn)確識別高速公路上的常見交通標(biāo)志，并做出安全駕駛的動作。2.試驗(yàn)結(jié)果（續(xù)）2.2.4自主駕駛系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果

本次自主駕駛試驗(yàn)的一些具體性能指標(biāo)如下：（1）駕駛距離里程：286km（2）駕駛時(shí)間：3小時(shí)22分（3）平均時(shí)速：87km/h（4）最高時(shí)速可達(dá)170km/h，一般設(shè)置為110km/h（5）自主超車：68次，超車116輛，被其他車輛超越148次，實(shí)現(xiàn)了在密集車流中長距離安全駕駛（6）人工干預(yù)率：小于1%

本自主駕駛創(chuàng)造了我國無人車自主駕駛的新紀(jì)錄，標(biāo)志著我國無人車在復(fù)雜環(huán)境識別、智能行為決策和控制等方面實(shí)現(xiàn)了新的技術(shù)突破，達(dá)到國際先進(jìn)水平。2.試驗(yàn)結(jié)果（續(xù)）2.2.4自主駕駛系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果

本次自主駕駛試驗(yàn)的一些具體性能指標(biāo)如下：（1）駕駛距離里程：286km（2）駕駛時(shí)間：3小時(shí)22分（3）平均時(shí)速：87km/h（4）最高時(shí)速可達(dá)170km/h，一般設(shè)置為110km/h（5）自主超車：68次，超車116輛，被其他車輛超越148次，實(shí)現(xiàn)了在密集車流中長距離安全駕駛（6）人工干預(yù)率：小于1%

本自主駕駛創(chuàng)造了我國無人車自主駕駛的新紀(jì)錄，標(biāo)志著我國無人車在復(fù)雜環(huán)境識別、智能行為決策和控制等方面實(shí)現(xiàn)了新的技術(shù)突破，達(dá)到國際先進(jìn)水平。2.3小結(jié)

本章首先研究由三個交互作用的層級組成遞階控制。2.1節(jié)討