智能控制(研)-第四章递阶控制系统

1、智智 能能 控控 制制Intelligent ControlIntelligent Control第四章第四章 递阶控制系统递阶控制系统4.1 递阶智能机器的一般理论递阶智能机器的一般理论 基于逻辑的方法基于逻辑的方法Nilsson和和Fikes等叙述过，其通用技术仍在继续研究与开发之中。等叙述过，其通用技术仍在继续研究与开发之中。 基于解析的方法基于解析的方法该方法已在理论和实践两方面达到比较成熟的水平。该方法已在理论和实践两方面达到比较成熟的水平。 新的方法和技术新的方法和技术 如如Boltzmann机、神经网络和机、神经网络和Petri网等，为智能机器理论的网等，为智能机器理论的分析研究

2、提供了新的工具。分析研究提供了新的工具。递阶智能控制递阶智能控制(Hierarchical Intelligent Control) (Hierarchical Intelligent Control) 是在研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与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与自适应控制、自学习控制和自组织控制的关系后逐渐形成的。自适应控制、自学习控制和自组织控制的关系后逐渐形成的。萨里迪斯（萨里迪斯（SaridisSaridis) )提出基于个控制层次和提出基于个控制层次和( (精度精度随智能降低而提高）原理的三级递阶智能控制系统；维拉提

3、出基于随智能降低而提高）原理的三级递阶智能控制系统；维拉提出基于知识描述和数学解析的二层混合智能系统。知识描述和数学解析的二层混合智能系统。 递阶智能控制系统是由三个基本控制级（组织级、协调级、递阶智能控制系统是由三个基本控制级（组织级、协调级、执行级）构成的，级联交互结构图如下。执行级）构成的，级联交互结构图如下。 4.1.1 递阶智能机器的一般结构递阶智能机器的一般结构图图4.1 递阶智能机器的级联结构递阶智能机器的级联结构 为自执行级至协调级的在线反馈信号；为自执行级至协调级的在线反馈信号； 为自协调级至组织级的离线为自协调级至组织级的离线 反馈信号反馈信号 cEfoCf 组织级代表控制

4、系统的主导思想，并由人工智能起控制作组织级代表控制系统的主导思想，并由人工智能起控制作用。用。 根据贮存在长期存储交换单元内的本原数据集合，组织器根据贮存在长期存储交换单元内的本原数据集合，组织器能够组织绝对动作、一般任务和规则的序列。能够组织绝对动作、一般任务和规则的序列。1. 组织级组织级(organization level)2. 协调级协调级(coordination level) 协调级是组织级和执行级间的接口，承上启下，并由人工智协调级是组织级和执行级间的接口，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当的子任务序列能和运筹学共同作用。协调级借助于产生一个适当的

5、子任务序列来执行原指令，处理实时信息。来执行原指令，处理实时信息。图图4.3 协调级的结构协调级的结构 3. 执行级执行级(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。用。niiiPPKS1log通常称通常称S S 为香农（为香农（Shannon）负熵，它可变换为下列方程：）负熵，它可变换为下列方程： sdssPsPS)(log)(式中，式中， 为被传递的信息信号空间。负熵是对信息传递不

6、确定性为被传递的信息信号空间。负熵是对信息传递不确定性的一种度量，即系统状态的不确定性可由该系统熵的概率密度指的一种度量，即系统状态的不确定性可由该系统熵的概率密度指数函数获得。数函数获得。s熵和熵的变化率：熵和熵的变化率：信息熵信息熵niiiPPKS1logP为信息源中各事件发生的概率为信息源中各事件发生的概率香农（香农（Shannon）负熵）负熵可变换为下列方程：可变换为下列方程：sdssPsPS)(log)(为被传递的信息信号空间。为被传递的信息信号空间。s4. 智能机器的作用智能机器的作用 它的高层功能模仿了人类行为，实现控制系统的规划、决它的高层功能模仿了人类行为，实现控制系统的规划

7、、决策、学习、数据存取和任务协调等功能，进行知识处理与管策、学习、数据存取和任务协调等功能，进行知识处理与管理。理。 用熵来描述和度量系统的控制作用。用熵来描述和度量系统的控制作用。5. 递阶智能控制的实质递阶智能控制的实质 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（列的数学问题，该系统在结构上遵循（IPDI）精度随智能降低而）精度随智能降低而提高的原理，而所求得序列能够使系统的总熵为最小。提高的原理，而所求得序列能够使系统的总熵为最小。4.1.2 递阶智能机器的信息论定义递阶智能机器的信息论定义知

8、识、信息、智能、信息论知识、信息、智能、信息论.定义定义4.1 机器知识机器知识(Machine Knowledge, K) 机器知识是消除智能机器指定任务的不确定性所需要的结构机器知识是消除智能机器指定任务的不确定性所需要的结构信息。智能机器中的机器知识包括先验知识和经验知识。信息。智能机器中的机器知识包括先验知识和经验知识。定义定义4.2 机器知识流量机器知识流量(Rate of Machine Knowledge, R) 机器知识流量是通过智能机器的知识流。机器知识流量是通过智能机器的知识流。定义定义4.4 机器不精确性机器不精确性(Machine Imprecision) 机器不精确性

9、是执行智能机器各项任务的不确定性。机器不精确性是执行智能机器各项任务的不确定性。定义定义4.5 机器精度机器精度(Machine Precision) 机器精度是机器不精确性的补，它代表过程的复杂性。机器精度是机器不精确性的补，它代表过程的复杂性。4.1.3 IPDI原理的解析公式原理的解析公式定义定义4.3 机器智能机器智能(Machine Intelligence, MI) 机器智能是分析和组织数据，并把数据变换为知识的作用。机器智能是分析和组织数据，并把数据变换为知识的作用。 原理可由概率公式表示为：原理可由概率公式表示为： PR(MI, DB) = PR(R) 上上式中，式中，表示概率

10、，表示概率，为机器知识，为机器知识，为与执行任务为与执行任务有关的数据库。数据库代表任务的复杂性，且取决于任务的执有关的数据库。数据库代表任务的复杂性，且取决于任务的执行精度，即该执行精度是与数据库的复杂性相称的。行精度，即该执行精度是与数据库的复杂性相称的。 取自然对数后可得下式：取自然对数后可得下式： ln p(MI/DB) + ln p(DB) = ln p(R) 对两边取期望值，可得熵方程：对两边取期望值，可得熵方程： S(MI/DB) + S(DB) = S(R) 上式中，上式中，S S（x）为与）为与x有关的熵。在建立和执行任务期间，期望有关的熵。在建立和执行任务期间，期望有个不变

11、的知识流量；这时，增大特定数据库有个不变的知识流量；这时，增大特定数据库的熵要求减的熵要求减小机器智能小机器智能的熵。如果的熵。如果独立于独立于，那么：，那么： S(MI) + S(DB) = S(R) 本原理适用于递阶系统的单个层级和多个层级。在多层情况下，本原理适用于递阶系统的单个层级和多个层级。在多层情况下，知识流知识流在信息理论意义上代表系统的工作能力。在信息理论意义上代表系统的工作能力。 4.2 递阶智能控制系统的原理与结构递阶智能控制系统的原理与结构 根据根据“精度随智能降低而提高精度随智能降低而提高”（IPDI）原理，可把递阶）原理，可把递阶智能控制系统分为几个子系统，并对每个子

12、系统导出计算模块。智能控制系统分为几个子系统，并对每个子系统导出计算模块。全部子系统连成树状结构，形成了多层的递阶模型。全部子系统连成树状结构，形成了多层的递阶模型。 下面先介绍与组织级两个模型有关的决策段结构，然后讨下面先介绍与组织级两个模型有关的决策段结构，然后讨论协调级和执行级的模型。论协调级和执行级的模型。4.2.1 组织级原理与结构组织级原理与结构图图4.2 组织级的结构框图组织级的结构框图组织级的结构如下图，可把此框图视为一个组织级的结构如下图，可把此框图视为一个Botlzmann机机结构。结构。定义定义4.9 机器学习与反馈机器学习与反馈(MLF) 机器学习与反馈是对不同的单一的

13、和派生的值函数进行计算，这些函机器学习与反馈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。数与执行需求工作有关，并通过学习算法更新各个概率。定义定义4.8 机器决策机器决策(MDM) 机器决策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。机器决策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。定义定义4.7 机器规划机器规划(MP) 机器规划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机器规划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。化表示。定义定义4.6 机器推理（机器推理（MR) 机器推理是编译输入指

14、令机器推理是编译输入指令uj, (uj U) 与相关活动集与相关活动集 Ajm 、产生式规则以、产生式规则以及构成系统推理机的程序之总合。及构成系统推理机的程序之总合。组织级的功能定义如下：组织级的功能定义如下：定义定义4.10 机器记忆交换机器记忆交换(MME) 机器记忆交换是对组织级的长期存储器进行信息检索、储存和更新。机器记忆交换是对组织级的长期存储器进行信息检索、储存和更新。. 基于概率的结构模型基于概率的结构模型 用于机器推理、机器规划和机器决策三种功能的结构模型，分用于机器推理、机器规划和机器决策三种功能的结构模型，分别如下面三图别如下面三图( (图图4 4.、图、图4 4.和图和

15、图4 4.) )所示。所示。 图图4 4. 机器推理功能模型机器推理功能模型 图图4 4. 机器规划功能模型机器规划功能模型 图图4 4. 机器决策功能模型机器决策功能模型 . 基于专家系统的结构模型基于专家系统的结构模型 图图4 4. 分类器模型的硬件实现分类器模型的硬件实现 Valavanis and Saridis 1992 4.2.2 协调级原理与结构协调级原理与结构图图 4.8 协调级结构框图协调级结构框图 协调级由不同的协调器协调级由不同的协调器组成，每个协调器由计算机组成，每个协调器由计算机来实现。左图是一个协调级来实现。左图是一个协调级结构的候选框图。该结构在结构的候选框图。该

16、结构在横向上能够通过分配器实现横向上能够通过分配器实现各协调器之间的数据共享。各协调器之间的数据共享。图图 4.9 协调器的硬件配置协调器的硬件配置 实现某典型协调器所需的主实现某典型协调器所需的主要硬件如右图。各台专用微处理要硬件如右图。各台专用微处理器通过其输入器通过其输入/输出端口与组织级输出端口与组织级和执行级连接。这些基于微处理和执行级连接。这些基于微处理器器(CPU)的系统使用局部的系统使用局部ROM来来存储控制执行装置所需要的程序，存储控制执行装置所需要的程序，并用并用RAM来存储临时信息。来存储临时信息。4.2.3 执行级原理与结构执行级原理与结构图图4.10 协调器与执行器的

17、结构模型协调器与执行器的结构模型 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（的执行装置包括：视觉系统（VS）、传感系统（）、传感系统（SS）、带有相应）、带有相应抓取装置（抓取装置（GS）的操作机（）的操作机（MS）。）。4.3 递阶智能控制的控制与决策模型递阶智能控制的控制与决策模型4.3.1 组织级的控制与决策模型组织级的控制与决策模型1. 定义定义定义定义4.4.11 11 具有先验概率具有先验概率p p( (c cn n) )的用户指令集合的用户指令集合 C = c1, c2, . , cM 经

18、过遥控或非通讯通道送至控制系统。式中，经过遥控或非通讯通道送至控制系统。式中，是固定的和有限的。是固定的和有限的。定义定义4.124.12 具有相关概率具有相关概率p p( (u uj j/ /c cn n) )的分类编译输入指令的分类编译输入指令 U = u1, u2, . , uM是系统组织级的实际输入。式中，是系统组织级的实际输入。式中，是固定的和有限的。是固定的和有限的。 定义定义4 4.13 .13 系统的任务域被定义为本原事件（动作）的集合系统的任务域被定义为本原事件（动作）的集合 Et = e1, e2, . , eN 表表4 4. . 事件集合的符号与含义事件集合的符号与含义

19、符号符号 含含 义义 Et 任务域内的本原事件集合任务域内的本原事件集合 Enr 非重复事件集合非重复事件集合 Er 重复本原事件集合重复本原事件集合 Ec 与某个与某个 uj 相关的主动非重复事件集合相关的主动非重复事件集合 Esnr 允许开始某个与允许开始某个与 uj 有关活动的非重复事件集合有关活动的非重复事件集合 Esr 允许开始某个规划的重复事件集合允许开始某个规划的重复事件集合 Eend 允许结束某个规划的非重复本原事件集合允许结束某个规划的非重复本原事件集合 Ecr 与与 uj 相关的关键非重复事件集合表列相关的关键非重复事件集合表列 Ecomp 本原事件可兼容对的表列本原事件可

20、兼容对的表列 Eunw 本原事件干扰优先对的表列本原事件干扰优先对的表列 Eord 有效重复排序的表列有效重复排序的表列 定义定义4 4.14 .14 在某个特定输入指令在某个特定输入指令u uj j 起动的规划内，二进值变量起动的规划内，二进值变量x xi i 与事件与事件 e ei i 有关，有关，。当。当x xi i = 1 = 1时，时， e ei i 是有是有效的，当效的，当x xi i = 0 = 0时，时，e ei i 是无效的；其相应概率分别为是无效的；其相应概率分别为p p( (x xi i = 1/ = 1/u uj j) ) = = p pijij 和和 p p( (x

21、xi i = 0/ = 0/u uj j) = 1 - ) = 1 - p pijij 。p XUp xujmjjjiNm(/)(/)1定义定义4 4.15 .15 活动集合活动集合A Ajmjm （本原事件联成一组以形成复杂的任务）（本原事件联成一组以形成复杂的任务）与特定输入与特定输入u uj j 有关，而且由二进信息串有关，而且由二进信息串X Xjmjm 表示。表示。X Xjmjm 指明在活指明在活动动A Ajmjm 中哪些事件（动作）是有效的，哪些是无效的。这指明了中哪些事件（动作）是有效的，哪些是无效的。这指明了第第个活动信息串与第个活动信息串与第个编译输入指令有关。因为个编译输入指

22、令有关。因为x xi i 是二进是二进变量，所以与变量，所以与u uj j 有关的活动有关的活动A Ajmjm （信息串（信息串X Xjmjm ）的初值最大数为）的初值最大数为( (2 2N N - 1)- 1)。于是，可定义一个活动串的相应概率为：。于是，可定义一个活动串的相应概率为：定义定义4 4.17 与与uj 有关的完备规划有关的完备规划 Zjmv 的集合是的集合是Bjmr 的一个子集，且的一个子集，且其元素为满足某些完成准则的增广活动。其元素为满足某些完成准则的增广活动。式中，式中，u uj j 为与为与 Z Zjmvjmv 有关的第有关的第个置换矩阵或增广屏蔽矩阵；个置换矩阵或增广

23、屏蔽矩阵； p p( (M Mjmrjmr/X/Xjmjm) )表示与表示与X Xjmjm 有关的第有关的第个有效重复事件的概率，并由个有效重复事件的概率，并由置换矩阵置换矩阵M Mjmrjmr 决定；决定；则由具体应用问题决定。则由具体应用问题决定。p MXjmrjmrm(/) 1定义定义4 4.16.16 把有效的重复事件插入到有效活动把有效的重复事件插入到有效活动A Ajmrjmr ( ( 信息串信息串X Xjmjm ）的适当位置，得到与的适当位置，得到与 u uj j有关的完备规划有关的完备规划B Bjmrjmr （增广串（增广串Y Yjmrjmr ）集）集合。其中，合。其中，表示第表

24、示第个有效重复事件的信息串。一个增广活个有效重复事件的信息串。一个增广活动串的相应概率被定义为：动串的相应概率被定义为： P(Yjmr/uj) = p(Mjmr/Xjm)P(Xjm/uj) , , j j2. 过程过程规则规则4 4.1 .1 假定用户指令假定用户指令C Cn n 是相互独立的，是相互独立的，；分类编译输入指令分类编译输入指令u uj j也是相互独立的，也是相互独立的，。然。然而，由于分类，而，由于分类，u uj j取决于取决于C Cn n 。因为。因为u uj j和本原事件和本原事件 e ei i 都被假设为都被假设为在概率上是独立的，所以，不同的活动是相互独立的。在概率上是

25、独立的，所以，不同的活动是相互独立的。规则规则4 4. 如果某个事件串中的每一事件如果某个事件串中的每一事件 e ei i 能够立即跟随在其左边能够立即跟随在其左边事件之后，又能立即出现在其右边事件之前，那么，该事件串满足事件之后，又能立即出现在其右边事件之前，那么，该事件串满足兼容性测试。兼容性测试。 规则规则4 4. 如果某个非重复事件串中的每一事件如果某个非重复事件串中的每一事件e ei i能够优先于随后能够优先于随后的所有其它事件（尽管不要求立即进行），那么该事件串满足优先的所有其它事件（尽管不要求立即进行），那么该事件串满足优先权测试。权测试。 规则规则4 4. 非重复事件的相对次序

26、对活动的公式化表示是至关重要的。非重复事件的相对次序对活动的公式化表示是至关重要的。 规则规则4 4. . 令令为任务域内重复事件数。重复事件的有效排序满足为任务域内重复事件数。重复事件的有效排序满足下列条件：（）至少有一个但不多于下列条件：（）至少有一个但不多于个重复事件，该事件串的个重复事件，该事件串的每个事件都是唯一的；（）该事件串的第一个事件至少能够跟随每个事件都是唯一的；（）该事件串的第一个事件至少能够跟随任务域内的一个非重复事件，或者能够起动该规划；（）同一事任务域内的一个非重复事件，或者能够起动该规划；（）同一事件串的最后一个事件至少能够出现在一个非重复事件之前，而且其件串的最后

27、一个事件至少能够出现在一个非重复事件之前，而且其排序满足兼容性测试。排序满足兼容性测试。 规则规则4 4. 在每个活动的非重复事件之间的所有不同位置上，插入在每个活动的非重复事件之间的所有不同位置上，插入有效的重复事件串，以建立扩展活动的公式化表示。有效的重复事件串，以建立扩展活动的公式化表示。 规则规则4 4.7 .7 一个完备规划是一种这样的扩展活动：一个完备规划是一种这样的扩展活动：（）从某个能够起动该规划的重复事件开始，并以某个非重复（）从某个能够起动该规划的重复事件开始，并以某个非重复 事件结束。事件结束。（）在非重复事件之间至少包含一个重复事件。（）在非重复事件之间至少包含一个重复

28、事件。（）满足全部兼容性测试。（）满足全部兼容性测试。 规则规则4 4. 所生成的规划是与分类编译输入指令耦合的，因为它们所生成的规划是与分类编译输入指令耦合的，因为它们的相应概率是由接收到的输入指令的相应概率是由接收到的输入指令uj 决定的。决定的。 3. 功能功能假设环境是己知的假设环境是己知的, ,则可定义组织级的如下功能则可定义组织级的如下功能: :（）（） 系统输入系统输入（）（） 机器推理机器推理 （）（） 机器规划机器规划 （）（） 机器决策机器决策 （）（） 机器学习机器学习（）（） 存储交换存储交换 4.3.2 协调级的控制与决策模型协调级的控制与决策模型1. 结构结构 协调

29、级的智能在于：以已往经验和工作空间环境的约束为基础，协调级的智能在于：以已往经验和工作空间环境的约束为基础，用最有希望的方式来执行组织器的规划。用最有希望的方式来执行组织器的规划。 某智能机器人系统的协调级框如下图所示：某智能机器人系统的协调级框如下图所示： 2. 功能功能 每个协调器被访问后，执行预定的一定数目的不同作用。对每每个协调器被访问后，执行预定的一定数目的不同作用。对每个单独作用，指定一个代价。个单独作用，指定一个代价。 另一方面，在执行请求作业期间，反馈信息从执行级送至协调另一方面，在执行请求作业期间，反馈信息从执行级送至协调级。而且从执行级至协调级的反馈信息是实时在线反馈信息。

30、级。而且从执行级至协调级的反馈信息是实时在线反馈信息。 3. 算法算法算法算法4 4.1 1 协调级的算法由步组成：协调级的算法由步组成： （）（） 分配器搜索含有储存规划的缓冲器，并建立各协调器分配器搜索含有储存规划的缓冲器，并建立各协调器 与其相应执行装置（在执行级）的联系。与其相应执行装置（在执行级）的联系。（）（） 阐述被执行级执行的控制问题。这包括相应的协调器阐述被执行级执行的控制问题。这包括相应的协调器 被访问时启动执行装置和执行具体任务。被访问时启动执行装置和执行具体任务。（）（） 估计执行级。这涉及以执行级的单独代价函数为基础，估计执行级。这涉及以执行级的单独代价函数为基础，

31、计算与执行规划有关的增广代价函数。计算与执行规划有关的增广代价函数。（）（） 在执行所请求的作业之后，把底层的反馈信息传至组在执行所请求的作业之后，把底层的反馈信息传至组 织器。织器。（）（） 更新储存在协调级分配器的短期存储器中的信息。更新储存在协调级分配器的短期存储器中的信息。4.3.3 执行级的控制与决策模型执行级的控制与决策模型 执行级是由许多与协调级的协调器相联系的执行装置组成。执执行级是由许多与协调级的协调器相联系的执行装置组成。执行级的主要目标是尽可能准确地执行由不同的协调器发出的具体任行级的主要目标是尽可能准确地执行由不同的协调器发出的具体任务务。 最优控制理论已采用系统最优控

32、制理论已采用系统x x( (t t) )的一个非负函数状态，的一个非负函数状态，x x( (t t) ) x x， x x为状态空间；某个指定的控制为状态空间；某个指定的控制u u( (x,tx,t) )是全部允许控制的是全部允许控制的集合，集合，u u( (x,tx,t) ) u u x x。要确定某些表示广义能量函数初始条。要确定某些表示广义能量函数初始条件件x x0 0 , , t t0 0 的性能测度，系统拉格朗日（的性能测度，系统拉格朗日（LagrangianLagrangian）函数）函数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 x

33、u tL x u xdtt(, ,)( , ( , ), )000(4.36)定理定理4 4. 满足式（满足式（4 4.3636）的）的 u*(x,t)使使V(u(x,t), x0, t0)最小的充要条最小的充要条件是件是 u* 使微熵使微熵最小，其中最小，其中p(x0,u)是根据是根据Jaynes最大熵原理决定最大熵原理决定的最大熵密度函数。的最大熵密度函数。 V xutuL x udtt(,)min( , , )*000(4.38) 当当u*(x,t) u 时时 ，在允许控制空间内选取设计不确定性密度，使之满足杰恩在允许控制空间内选取设计不确定性密度，使之满足杰恩（Jaynes）最大熵原理

34、，可得相关的熵如下：）最大熵原理，可得相关的熵如下： H(x0 ,u,p(u) = EV(x0 ,u,t) （4.39）H xutuHuE V xu t(, )minmin (, ,)000(4.40)然后，最优控制然后，最优控制 u* 满足下式：满足下式：4.4.1 4.4.1 汽车自主驾驶系统的组成汽车自主驾驶系统的组成 1. 1. 系统总体结构系统总体结构 系系 统统 总总 线线道路环境道路环境车体车体主控制器主控制器道路标志线道路标志线识别计算机识别计算机车辆识别车辆识别计算机计算机执行机执行机构构摄像头摄像头摄像头摄像头环境识别子系统环境识别子系统驾驶控制子系统驾驶控制子系统图图4.

35、20 4.20 红旗车自主驾驶系统结构示意图红旗车自主驾驶系统结构示意图传感传感器器(1) (1) 环境识别子系统环境识别子系统(2) (2) 驾驶控制子系统驾驶控制子系统 4.4 递阶智能控制系统举例递阶智能控制系统举例2.2.自主驾驶的硬件系统自主驾驶的硬件系统 自主驾驶系统的硬件设备包括主控计算机、执行机构和传感器自主驾驶系统的硬件设备包括主控计算机、执行机构和传感器等。等。 环境处理计算机环境处理计算机Fireware局部总线局部总线显示卡显示卡通讯总线通讯总线局域网局域网图图4.21 4.21 环境感知计算机硬件结构示意图环境感知计算机硬件结构示意图驾驶控制计算机驾驶控制计算机A/D

36、接口接口数据采集总线数据采集总线D/A接口接口运动控制卡运动控制卡计数器计数器DIDO接口接口通讯总线通讯总线局域网局域网图图4.22 4.22 驾驶控制计算机硬件结构示意图驾驶控制计算机硬件结构示意图(1)(1)主控计算机及接口主控计算机及接口 (2)(2)执行机构执行机构 (3)(3)传感器传感器 3. 3. 实时操作系统实时操作系统 4. 4. 软件设计与系统的实时性软件设计与系统的实时性 4.4.2 4.4.2 汽车自主驾驶系统的递阶结构汽车自主驾驶系统的递阶结构 子任务子任务系统监控系统监控任务任务行为决策行为决策行为规划行为规划操作控制操作控制任务规划任务规划实时路况信息实时路况信

37、息车车 辆辆车辆车辆运行环境运行环境环境感知环境感知与处理与处理车辆状态与车辆状态与定位信息定位信息规划轨迹规划轨迹动作动作行为行为用户接口用户接口图图4.23 4.23 汽车自主驾驶控制系统的四层模块化结构汽车自主驾驶控制系统的四层模块化结构 以任务层次分解为以任务层次分解为基础，提出了右图所示基础，提出了右图所示的四层模块化汽车自主的四层模块化汽车自主驾驶控制系统结构；其驾驶控制系统结构；其四个层次依次是：任务四个层次依次是：任务规划、行为决策、行为规划、行为决策、行为规划和操作控制。另外规划和操作控制。另外还包括车辆状态与定位还包括车辆状态与定位信息和系统监控两个独信息和系统监控两个独立

38、功能模块。立功能模块。 1. 1. 操作控制层操作控制层 速度跟速度跟踪控制踪控制路径跟路径跟踪控制踪控制油门油门控制器控制器刹车刹车控制器控制器转向转向控制器控制器紧急状紧急状态控制态控制期望速度期望速度期望路径期望路径监控信息监控信息图图4.24 4.24 操作控制层主要模块示意图操作控制层主要模块示意图车车 辆辆2. 2. 行为规划层行为规划层 道路和障碍信息道路和障碍信息车辆纵向车辆纵向速度规划速度规划车辆期望车辆期望轨迹规划轨迹规划驾驶技能与交通规驾驶技能与交通规则数据库则数据库车辆状态车辆状态行为信息行为信息行为执行情况反馈行为执行情况反馈期望纵向速度期望纵向速度期望路径点序列期望

39、路径点序列行为行为监督监督执行执行图图4.25 4.25 行为规划层主要模块示意图行为规划层主要模块示意图3. 3. 行为决策层行为决策层 图图4.26 4.26 行为决策层主要模块示意图行为决策层主要模块示意图任务任务规划层规划层当前执行子任务当前执行子任务行为行为决策决策逻辑逻辑行为输出行为输出当前行为当前行为执行情况执行情况行行为为规规划划层层预期状态预期状态交通情况交通情况行为模行为模式产生式产生环境建模环境建模及预测及预测驾驶行为驾驶行为知识库知识库4. 4. 任务规划层任务规划层 导航地物导航地物地图数据库地图数据库任务规划任务规划任务任务监控监控用户任务输入用户任务输入全局定位信

40、息全局定位信息当前执行当前执行子任务子任务子任务子任务执行情况执行情况图图4.27 4.27 任务规划层主要模块示意图任务规划层主要模块示意图4.4.3 4.4.3 自主驾驶系统的结构与控制算法自主驾驶系统的结构与控制算法 1. 1. 驾驶控制系统的软件结构驾驶控制系统的软件结构 车辆状态感知处车辆状态感知处理理车辆行为规划车辆行为规划路径跟踪控制路径跟踪控制速度跟踪控制速度跟踪控制方向伺服方向伺服油门伺服油门伺服刹车伺服刹车伺服车辆感知信息处理车辆感知信息处理车道信息车道信息接收处理接收处理车辆行为决策车辆行为决策车辆行为监控车辆行为监控车辆定位与运动车辆定位与运动预测预测运行状态存储管运行

41、状态存储管理理车辆状态监测与车辆状态监测与控制控制用户接口信息处用户接口信息处理控制理控制图图4.28 4.28 驾驶控制系统软件结构示意图驾驶控制系统软件结构示意图2. 2. 驾驶控制算法驾驶控制算法 遗忘迭代滤波算法具有遗忘迭代滤波算法具有如下的形式：如下的形式：01 100nknxknxnxnxff平移平均滤波算法如下：平移平均滤波算法如下： 11110knknxknnnxnxnkninif4.4.4 4.4.4 自主驾驶系统高速公路试验自主驾驶系统高速公路试验 1. 1. 试验的环境及内容试验的环境及内容(1)(1)环境感知系统的抗干扰性和稳定性。环境感知系统的抗干扰性和稳定性。 (2

42、)(2)驾驶控制系统的车道跟踪能力。驾驶控制系统的车道跟踪能力。 (3) (3)驾驶控制系统的速度跟踪能力。驾驶控制系统的速度跟踪能力。2. 2. 试验结果试验结果 (4)(4)驾驶控制系统对动态交通的处理情驾驶控制系统对动态交通的处理情 况及超车动作。况及超车动作。经过三个月近经过三个月近10001000公里的道路试验，红旗车自主驾驶有关公里的道路试验，红旗车自主驾驶有关的环境感知和驾驶控制算法得到了不断改进，并于的环境感知和驾驶控制算法得到了不断改进，并于20032003年年6 6月月实现了预定的如下三项性能指标：实现了预定的如下三项性能指标：(1)(1)正常交通情况下在高速公路上稳定自主

43、驾驶速度正常交通情况下在高速公路上稳定自主驾驶速度 130130km/hkm/h；(2)(2)最高自主驾驶速度最高自主驾驶速度170170km/hkm/h；(3)(3)具备超车功能。具备超车功能。4.5 4.5 集散递阶智能控制系统集散递阶智能控制系统 4.5.1 4.5.1 集散递阶智能控制系统的工作原理集散递阶智能控制系统的工作原理1 1集散控制系统集散控制系统(total distributed control system,DCS)(total distributed control system,DCS)的基本结构的基本结构图图4.29 4.29 集散控制系统的基本结构集散控制系统的

44、基本结构(3) (3) 通信系统通信系统 通信系统要完成分散过程监控装置与集中操作管理装置之间的数据通信系统要完成分散过程监控装置与集中操作管理装置之间的数据通信。可通过标准的网络通信手段，与其他的过程控制系统、经营管理系通信。可通过标准的网络通信手段，与其他的过程控制系统、经营管理系统、生产调度系统互通信息，以完成更加复杂的功能。统、生产调度系统互通信息，以完成更加复杂的功能。 (1) (1) 分散过程监控装置分散过程监控装置 分散过程监控装置是集散控制系统与生产过程的界面，生产过程的各分散过程监控装置是集散控制系统与生产过程的界面，生产过程的各种过程变量或状态信息通过分散过程监控装置转换为

45、操作监视的数据，而种过程变量或状态信息通过分散过程监控装置转换为操作监视的数据，而各种操作信息则通过分散过程监控装置送到执行机构。在分散过程监控装各种操作信息则通过分散过程监控装置送到执行机构。在分散过程监控装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成各种输入、输出的数据处理置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成各种输入、输出的数据处理和控制算法运算。和控制算法运算。(2) (2) 集中操作管理装置集中操作管理装置 集中操作管理装置是操作管理人员与集散控制系统的界面，生产过集中操作管理装置是操作管理人员与集散控制系统的界面，生产过程的各种参数集中在操作站上显示，操作管理人员通过操作站了解生产程

46、的各种参数集中在操作站上显示，操作管理人员通过操作站了解生产过程的运行状况、操纵生产过程和组态回路、调整回路参数、检测故障过程的运行状况、操纵生产过程和组态回路、调整回路参数、检测故障和存储过程数据。和存储过程数据。2 2集散控制系统的递阶结构及功能集散控制系统的递阶结构及功能 图图4.30 4.30 三级结构的三级结构的DCSDCS(4) (4) 第四层第四层经营管理级经营管理级 进行市场和用户分析、订货和销售统计、进行市场和用户分析、订货和销售统计、销售计划制订、产品制造协调、合同管理及期限监测等。销售计划制订、产品制造协调、合同管理及期限监测等。 （1 1）第一层）第一层直接控制级直接控

47、制级 进行数据采集、数据检查、数字开环和进行数据采集、数据检查、数字开环和 闭环控制、设备和系统与诊断监测，实施安全性和冗余化。本级为控闭环控制、设备和系统与诊断监测，实施安全性和冗余化。本级为控 制的底层制的底层, ,直接对车间生产过程和设备直接对车间生产过程和设备( (装置装置) )进行控制。进行控制。(2) (2) 第二层第二层过程管理级过程管理级 实施过程操作测试、装置间协调、优化实施过程操作测试、装置间协调、优化控制过程、自适应控制、错误检测及数据存档。控制过程、自适应控制、错误检测及数据存档。(3) (3) 第三层第三层生产管理级生产管理级 规划产品结构和规模规划产品结构和规模,

48、,进行产品监视、产进行产品监视、产品报告和工厂生产监视等。品报告和工厂生产监视等。图图4.31 4.31 集散控制系统的递阶结构集散控制系统的递阶结构 3 3集散智能控制系统的递阶结构集散智能控制系统的递阶结构 集散递阶智能控制系统的执行级，其基本控制器的目标是完成具体的控集散递阶智能控制系统的执行级，其基本控制器的目标是完成具体的控制任务并达到相当的控制精度，而可编程实现用户特定的控制方案是大多数制任务并达到相当的控制精度，而可编程实现用户特定的控制方案是大多数集散控制系统的基本控制器已经具备的功能。集散控制系统的基本控制器已经具备的功能。 集散递阶智能控制系统的协调级，可通过智能化将监控计算机的协调、集散递阶智能控制系统的协调级，可通过智能化将监控计算机的协调、优化功能进一步加强，以实现以下功能：优化功能进一步加强，以实现以下功能：(1) (1) 对于来自组织级的控制指令与控制任务，进行规划、设计控制结构和控对于来自组织级的控制指令与控制任务，进行规划、