第5章分層遞階智能控制 智能控制基礎 2 34 5 1引言 5 2遞階智能控制的基本原理 5 4分層遞階智能控制的應用舉例 5 3遞階智能控制的組織和協調 目錄 3 34 5 1引言 分層遞階是人們分析和組織復雜系統的一種常用方法 無論是信息分析 還是行為控制 都有其層次性 在高層負責宏觀的信息和決策 在低層負責具體的數據和控制 Saridis在1977年針對機器人控制 提出了一種智能控制的三級遞階結構 該思想在智能控制中有廣泛應用 并進一步推廣到了結合信息融合的集散遞階智能控制系統 4 34 5 1引言 5 2遞階智能控制的基本原理 5 4分層遞階智能控制的應用舉例 5 3遞階智能控制的組織和協調 目錄 5 34 遞階智能控制結構 6 34 三層結構的內容 7 34 IPDI基本原理 精度隨智能降低而增大的原理被稱為IPDI IncreasingPrecisionwithDecreasingIntelligence 原理 8 34 信息熵 一個用來衡量信息豐富程度的物理量 對于代表某個信息的隨機量x 其信息熵可以定義為 P x 為信息取值x時的概率密度 信息集合 i 0 1 2 則整個信息集合的總熵為 9 34 機器智能的映射變換 假設機器智能MI MachineIntelligence 由知識庫 規則庫 來實現 各種信息由數據庫DB DateBase 來存儲 可以看到 當MI作用于DB時 就會引起推理 映射等信息變換過程 產生知識流率R RateofMachineKnowledge 這種映射變換的關系可以表示為 MI DB R 10 34 IPDI的證明 假設MI與DB無關 11 34 5 1引言 5 2遞階智能控制的基本原理 5 4分層遞階智能控制的應用舉例 5 3遞階智能控制的組織和協調 目錄 12 34 1 組織級 13 34 組織級功能 14 34 2 協調級 將任務序列分解為子任務 根據子任務之間的并行關系 由分配器給低一級的協調器 協調器將子任務分解為控制器可執行的控制序列 并保證該子任務最優 由于各子任務之間可能存在著耦合關系 分配器還必須根據總的目標 對各子任務的控制序列進行平衡和協調 例如 在各子任務的控制策略中引入一個協調參數 關聯約束 通過預測或修正的方法來進行調整 15 34 分配器和協調器的統一結構 16 34 具體功能 17 34 3 執行級 可以根據具體情況采用任何控制理論的經典方法 設被控系統為性能指標 18 34 信息熵 控制量在允許控制空間 u中信息熵為 由變分引理可得可見 分層遞階智能控制的目標就是使總熵最小 19 34 5 1引言 5 2遞階智能控制的基本原理 5 4分層遞階智能控制的應用舉例 5 3遞階智能控制的組織和協調 目錄 20 34 5 4 1智能機器人系統的遞階控制 智能機械手 具有6個自由度 配有全局攝像頭 21 34 設計任務 假設需要完成兩項任務 其對應的指令 Command 分別為c1 c2 c1 拾取玻璃杯 注滿水并放入指定的地點 c2 拾取書本 并將其放入指定的地點 22 34 1 組織層設計 1 機器推理 1 機器推理這些命令涉及了5個事件 event e1 攝像頭獲取目標e2 機械手移動e3 在水龍頭處注滿水e4 抓取物品e5 將物品放在指定的地點 23 34 事件狀態轉移圖 24 34 組織層設計 2 機器規劃 2 機器規劃為了找到各種可行的行為序列 將5種事件劃分為可重復事件集合E1和不可重復事件集合E2 25 34 動作序列 根據攝像頭一次能觀察到的目標數目 可以得到4種動作序列 26 34 組織層設計 其他部分 3 機器決策 4 反饋 更新相關概率 為下一次決策做準備 5 機器記憶交換 存儲更新的概率 以及其他必要的反饋信息 27 34 2 協調層設計 涉及到視覺協調v 路徑規劃協調p 傳感器協調s 手臂協調a和抓取協調g五個部分 28 34 協調層設計 1 任務描述 分配器輸入 來自組織級的動作序列YO 協調器輸入 子任務序列 v controv procv analyv sendvp sendpv finish s contros procs analys sendsg sendgs finish p path sendvp sendpv sendap sendpa finish a move sendap sendpa finish g grasp put sendsg sendgs finish 29 34 說明 controc為協調器c的對應設備的數據處理命令 例如獲取圖像或力覺數據 procc為controc的數據處理算法 用于去除噪聲等 analyc為controc數據的分析和融合算法 可以獲得特征信息 識別信息 方位信息等 sendab為協調器a b之間的信息的發送或接收 通訊的方向為a b path為路徑規劃算法 move為具體運動軌線的計算 grasp為抓取動作 put為放置動作 finish為接收過程 并反饋信息 30 34 協調層設計 2 任務翻譯 任務的調度 轉換 例如組織級的動作序列 則可作如下翻譯 初始情況下 需要觀察環境 則指令e1可翻譯為 controv procv analyv finish 發現目標后 將手爪移向目標 則指令e2可翻譯為 controv procv analyv sendvp path move sendpv finish 因為括號內部分可能要反復校對 所以用 表示 靠近目標并抓取物品的指令e4可翻譯為 contros procs analy