第2章 递阶控制系统

1、智能控制理论 第2章 递阶控制系统2.1 递阶智能机器的一般结构递阶智能机器的级联结构递阶智能机器的级联结构递阶智能控制系统由三个基本控制级构成递阶智能控制系统由三个基本控制级构成组织级组织级 、协调级、执行级、协调级、执行级 组织级分类器协调级执行级CEf输入信号分类后的U指令输入C噪声OCf2.1 递阶智能机器的一般结构组织级组织级组织级的结构框图组织级的结构框图组织级由人工智能起控制作用组织级由人工智能起控制作用组织器组织绝对动作、一般任务和规则的序列组织器组织绝对动作、一般任务和规则的序列 长期存储 交换单元机器规划机器推理机器决策协调级Y输入指令编译ju自顶向下组织级自底向上输出规划

2、2.1 递阶智能机器的一般结构协调级协调级协调级是上（组织）级和下（执行）级间的接口，承上启下，协调级是上（组织）级和下（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并由人工智能和运筹学共同作用执行级执行级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制作用运动协调器1视觉协调器其他协调器力协调器运动协调器n运动控制器1运动控制器n视觉控制器力控制器其他控制器分配器最后规划组织级协调级执行级2.1 递阶智能机器的一般

3、结构递阶智能控制理论递阶智能控制理论智能控制理论可被假定为寻求某个系统正确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；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该系统在结构上遵循精度随智能降低而提高（IPDI）的原理；的原理；而所求得序列能够使系统的总熵为最小。而所求得序列能够使系统的总熵为最小。集中控制系统框图集中控制系统框图优点：系统运行的有效性较高，优点：系统运行的有效性较高，便于分析与设计。便于分析与设计。缺点：控制中心若有故障，缺点：控制中心若有故障， 则整个系统将瘫痪。则整个系统将瘫痪。分散控制系统框图分散控制系统框图优点：局部故障不影

4、响优点：局部故障不影响整个系统。整个系统。缺点：全局协调运行较困难。缺点：全局协调运行较困难。递阶智能控制系统递阶智能控制系统优点：全局与局部控制性能都较高，灵活性与可靠性都优点：全局与局部控制性能都较高，灵活性与可靠性都较好。较好。这种分层递阶智能控制的特点是：这种分层递阶智能控制的特点是： (1)(1)对控制而言，自上而下控对控制而言，自上而下控制精度愈来愈高制精度愈来愈高 (2)(2)对识别而言，自下而上信对识别而言，自下而上信息回馈愈来愈粗略。息回馈愈来愈粗略。 (3)(3)对智能水平而言，自下而对智能水平而言，自下而上愈来愈高。上愈来愈高。 这种分层递阶的结构形式已这种分层递阶的结构

5、形式已被被成功的应用于机器人的智能控制、成功的应用于机器人的智能控制、交通系统的智能控制与管理等。交通系统的智能控制与管理等。2.2 递阶智能控制系统举例2.2.1 汽车汽车自主驾驶系统的组成自主驾驶系统的组成系统系统总体结构总体结构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自主自主驾驶的硬件系统驾驶的硬件系统主控计算机及接口主控计算机及接口执行机构执行机构传感器传感器实时实时操作系统操作系统软件软件设计与系统的实时性设计与系统的实时性2.2 递阶智能控制系统举例环境识别子系统：环境识别子系统：由由道路标志线识别道路标志线识别和和前方车辆识别前方车辆识别两个子系统组成。前者能够实

6、时识别当前及左右共三两个子系统组成。前者能够实时识别当前及左右共三条车道线，实时输出处理结果；对车道上非标志线的条车道线，实时输出处理结果；对车道上非标志线的标志及车辆干扰具有免疫力，并较好地解决了对车体标志及车辆干扰具有免疫力，并较好地解决了对车体震动和光照变化的适应性问题；后者能够实时识别前震动和光照变化的适应性问题；后者能够实时识别前方车辆距离及相对速度，具有较好的抗干扰性及适应方车辆距离及相对速度，具有较好的抗干扰性及适应性。性。 驾驶控制子系统：驾驶控制子系统：包括包括行为决策、行为规划以及操作行为决策、行为规划以及操作控制控制等主要模块。本子系统对受控对象的非线性、环等主要模块。本

7、子系统对受控对象的非线性、环 境的严重不确定性具有很好的适应能力；能够满足系境的严重不确定性具有很好的适应能力；能够满足系统实时性要求；其方向及速度跟踪精度高；并具有系统实时性要求；其方向及速度跟踪精度高；并具有系统监督模块，可实现系统状态的在线监督、预警及紧统监督模块，可实现系统状态的在线监督、预警及紧急情况处理。急情况处理。2.2 递阶智能控制系统举例主控计算机及接口：担负驾驶控制和环境识别的计算主控计算机及接口：担负驾驶控制和环境识别的计算工作。接口主要有：工作。接口主要有：A/D转换器、转换器、D/A转换器、各种运转换器、各种运动控制卡、记数器及数字量输入输出设备等。动控制卡、记数器及

8、数字量输入输出设备等。执行机构：根据汽车各操纵机构的不同特点分别采用执行机构：根据汽车各操纵机构的不同特点分别采用了步进电机驱动和液压驱动两种执行机构。了步进电机驱动和液压驱动两种执行机构。传感器：包括环境传感器（摄像头）、车体姿态传感传感器：包括环境传感器（摄像头）、车体姿态传感器和自动驾驶执行部件传感器。传感器信号经过预处器和自动驾驶执行部件传感器。传感器信号经过预处理电路板的滤波和放大后，通过计算机接口板进入相理电路板的滤波和放大后，通过计算机接口板进入相应的处理机。应的处理机。 嵌入式实时操作系统。特点如下：嵌入式实时操作系统。特点如下： 1）基于）基于PC机的开发环境使得嵌入式开发更

9、加方便；机的开发环境使得嵌入式开发更加方便； 2.2 递阶智能控制系统举例 2）实时多任务的操作系统内核确保了系统的实时性；）实时多任务的操作系统内核确保了系统的实时性； 3）可裁减和可重配置的操作系统结构使得目标代码更）可裁减和可重配置的操作系统结构使得目标代码更 加精悍，运行效率获得提高；加精悍，运行效率获得提高； 4）方便快速的任务间通信手段；）方便快速的任务间通信手段； 5）支持多处理机之间的任务协调与通信；）支持多处理机之间的任务协调与通信； 6）自主驾驶系统的处理机运行实时操作系统。）自主驾驶系统的处理机运行实时操作系统。软件设计与系统的实时性的特点软件设计与系统的实时性的特点 1

10、） 任务优先级设置与抢断式任务调度；任务优先级设置与抢断式任务调度； 2） 基于系统时钟的软件同步机制；基于系统时钟的软件同步机制； 3）分布式共享数据存储。）分布式共享数据存储。 2.2.2 汽车自主驾驶系统的递阶结构操作控制层操作控制层行为规划层行为规划层行为决策层行为决策层任务规划层任务规划层2.2.2 汽车自主驾驶系统的递阶结构操作控制层：操作控制层：把来自行为规划层的规划轨迹转化为各执把来自行为规划层的规划轨迹转化为各执行机构动作，并控制各执行机构完成相应动作，是整个行机构动作，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。自主驾驶系统的最底层。包括车速控制器、方向控制器

11、、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刹车控制器、节气门控制器、转向控制器及信号灯/喇叭喇叭控制逻辑等。控制逻辑等。 行为规划层：行为规划层：是行为决策层和操作控制层之间的接口，是行为决策层和操作控制层之间的接口，它负责将行为决策层产生的行为符号转换为操作控制层它负责将行为决策层产生的行为符号转换为操作控制层的传统控制器所能接受的轨迹指令。的传统控制器所能接受的轨迹指令。包括行为执行监督包括行为执行监督模块、车辆速度产生模块、车辆期望路径产生模块等。模块、车辆速度产生模块、车辆期望路径产生模块等。 行为决策层：行为决策层：根据环境感知系统获得的环境信息、车辆

12、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，当前状态以及任务规划的任务目标，采取恰当行为， 2.2.2 汽车自主驾驶系统的递阶结构 保证顺利地完成任务。影响因素有：道路情况、交保证顺利地完成任务。影响因素有：道路情况、交通情况、交通信号、任务对安全性和效率的要求、通情况、交通信号、任务对安全性和效率的要求、任务目的等。任务目的等。任务规划层：任务规划层：是最高层具有最高智能。接收来自用是最高层具有最高智能。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、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有关因素，在已知道路网中路面情

13、况等影响行车的有关因素，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搜索满足任务要求，从当前点到目标点的最优或次优通路。优通路。2.2.3 汽车自主驾驶系统的结构与控制算法驾驶控制系统的软件结构驾驶控制系统的软件结构 操作控制层（操作控制层（6个软件模块）：个软件模块）：方向伺服控制、油门伺方向伺服控制、油门伺服控制、刹车伺服控制、其他模块控制、速度跟踪控服控制、刹车伺服控制、其他模块控制、速度跟踪控制和路径跟踪控制。制和路径跟踪控制。 行为规划层（行为规划层（2个软件模块）：个软件模块）：车道信息接收和滤波处车道信息接收和滤波处理、行为规划。理、行为规划。 行为决策层（行为决策

14、层（3个模块）：个模块）：车辆感知信息处理、车辆行车辆感知信息处理、车辆行为决策、车辆行为监控。为决策、车辆行为监控。 车辆状态感知与定位模块（车辆状态感知与定位模块（2个）：个）：车辆状态感知处理、车辆状态感知处理、车辆定位及车辆姿态预测。车辆定位及车辆姿态预测。 系统监控模块（系统监控模块（3个）：个）：用户接口信息处理与控制、系用户接口信息处理与控制、系统状态监测与控制、运行信息存储管理。统状态监测与控制、运行信息存储管理。 2.2.3 汽车自主驾驶系统的结构与控制算法驾驶控制算法驾驶控制算法 采用零阶保持方法对连续控制算法进行了离散化。对采用零阶保持方法对连续控制算法进行了离散化。对于部分滤波算法，系统用遗忘迭代滤波或平移滤波于部分滤波算法，系统用遗忘迭代滤波或平移滤波算法代替，以减少系统的运算量。算法代替，以减少系统的运算量。红旗车自主驾驶达到了三项指标：红旗车自主驾驶达到了三项指标： 1）正常交通情况下在高速公路上稳定自主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130KM/h； 2）最高自主驾驶速度最高自主驾驶速度170KM/h； 3）具备超车功能。具备超车功能。 2.3 小结本章