安徽建筑大學(xué)智能控制第二章

1、 第第2 2章章 遞階控制遞階控制主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：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)2 2、遞階智能控制系統(tǒng)舉例、遞階智能控制系統(tǒng)舉例 2.1 2.1 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) 遞階智能控制（遞階智能控制（Hierachical Intelligent Hierachical Intelligent ControlControl）是在人工智能、自適應(yīng)控制以及運(yùn)籌學(xué)）是在人工智能、自適應(yīng)控制以及運(yùn)籌學(xué)等理論的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展形成的，是智能控制最早等理論的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展形成的，是智能控制最早的理論之一。的理論之一。 1 1、大系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu)、大系統(tǒng)的基

2、本控制結(jié)構(gòu) 復(fù)雜大系統(tǒng)的的特點(diǎn)：階次高、子系統(tǒng)相互關(guān)復(fù)雜大系統(tǒng)的的特點(diǎn)：階次高、子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)的評(píng)價(jià)目標(biāo)多且相互矛盾，故分解為互相聯(lián)，系統(tǒng)的評(píng)價(jià)目標(biāo)多且相互矛盾，故分解為互相關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)。關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)。 根據(jù)信息交換的方式和子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)方式的不同，根據(jù)信息交換的方式和子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)方式的不同，可將大系統(tǒng)控制分為以下三種基本類型：可將大系統(tǒng)控制分為以下三種基本類型： 集中控制系統(tǒng)集中控制系統(tǒng) 在集中控制系統(tǒng)中，控制中心直接控制每個(gè)子系在集中控制系統(tǒng)中，控制中心直接控制每個(gè)子系 統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)只得到整個(gè)系統(tǒng)的部分信息，控制目統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)只得到整個(gè)系統(tǒng)的部分信息，控制目標(biāo)相互獨(dú)立。標(biāo)相互獨(dú)立。 優(yōu)

3、點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行的有效性較高，便于分析與設(shè)計(jì)。是系統(tǒng)運(yùn)行的有效性較高，便于分析與設(shè)計(jì)。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)是一旦控制中心出現(xiàn)故障，則整個(gè)系統(tǒng)將癱瘓。是一旦控制中心出現(xiàn)故障，則整個(gè)系統(tǒng)將癱瘓。分散控制系統(tǒng)分散控制系統(tǒng) 在分散控制系統(tǒng)中，控制中心控制若干分散控制在分散控制系統(tǒng)中，控制中心控制若干分散控制器，而每個(gè)分散控制器控制一個(gè)獨(dú)立的控制目標(biāo)，即器，而每個(gè)分散控制器控制一個(gè)獨(dú)立的控制目標(biāo)，即具體的子系統(tǒng)。具體的子系統(tǒng)。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是局部故障不至于影響整個(gè)系統(tǒng)。是局部故障不至于影響整個(gè)系統(tǒng)。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)是全局協(xié)調(diào)運(yùn)行較困難。是全局協(xié)調(diào)運(yùn)行較困難。 遞階控制系統(tǒng)遞階控制系統(tǒng) 當(dāng)系統(tǒng)由若干個(gè)可分的相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)構(gòu)

4、成當(dāng)系統(tǒng)由若干個(gè)可分的相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)，可將系統(tǒng)所有決策單元按照一定時(shí)，可將系統(tǒng)所有決策單元按照一定優(yōu)先級(jí)和從屬優(yōu)先級(jí)和從屬關(guān)系關(guān)系遞階排列，同一級(jí)各單元受到上一級(jí)的干預(yù)，遞階排列，同一級(jí)各單元受到上一級(jí)的干預(yù)，同時(shí)又對(duì)下一級(jí)單元施加影響。若同一級(jí)各單元目同時(shí)又對(duì)下一級(jí)單元施加影響。若同一級(jí)各單元目標(biāo)相互沖突，則由上一級(jí)單元協(xié)調(diào)。這是一種多級(jí)標(biāo)相互沖突，則由上一級(jí)單元協(xié)調(diào)。這是一種多級(jí)多目標(biāo)的結(jié)構(gòu)，各單元在不同級(jí)間遞階排列，形成多目標(biāo)的結(jié)構(gòu)，各單元在不同級(jí)間遞階排列，形成金字塔形結(jié)構(gòu)。金字塔形結(jié)構(gòu)。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是全局與局部控制性能都較高，靈活性與是全局與局部控制性能都較高，靈活性與可靠性好

5、，任何子過程的變化對(duì)決策的影響都是局可靠性好，任何子過程的變化對(duì)決策的影響都是局部性的。部性的。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。是系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。 遞階控制系統(tǒng)主要有以下遞階控制系統(tǒng)主要有以下3 3種基本的遞階形式：種基本的遞階形式： 多重描述（多重描述（Stratified descriptionStratified description）：主要）：主要從建模角度考慮；從建模角度考慮； 多層決策（多層決策（Multilayer decisionMultilayer decision）：把一個(gè)）：把一個(gè)復(fù)雜的決策問題進(jìn)行縱向分解；復(fù)雜的決策問題進(jìn)行縱向分解； 多級(jí)耦合（多級(jí)耦合（Multil

6、evel couplingMultilevel coupling）：考慮各）：考慮各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，將每一層的決策問題橫向分解。子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，將每一層的決策問題橫向分解。 三種遞階形式可以單獨(dú)或組合存在于一個(gè)大系統(tǒng)之中。三種遞階形式可以單獨(dú)或組合存在于一個(gè)大系統(tǒng)之中。 2 2、遞階控制的基本原理、遞階控制的基本原理 最下面一級(jí)的每個(gè)控制器只控制一個(gè)子系統(tǒng)。最下面一級(jí)的每個(gè)控制器只控制一個(gè)子系統(tǒng)。每一級(jí)控制器從上一級(jí)控制器接受信息，以控制下每一級(jí)控制器從上一級(jí)控制器接受信息，以控制下一級(jí)，各控制器之間的沖突由上一級(jí)進(jìn)行協(xié)調(diào)。一級(jí)，各控制器之間的沖突由上一級(jí)進(jìn)行協(xié)調(diào)。 協(xié)調(diào)的目的：協(xié)調(diào)的目的

7、：通過對(duì)下層控制器施加干預(yù)信號(hào)通過對(duì)下層控制器施加干預(yù)信號(hào)來調(diào)整該層各控制器的決策，滿足整個(gè)系統(tǒng)的控制來調(diào)整該層各控制器的決策，滿足整個(gè)系統(tǒng)的控制目標(biāo)。目標(biāo)。完成協(xié)調(diào)作用的決策單元稱為協(xié)調(diào)器。完成協(xié)調(diào)作用的決策單元稱為協(xié)調(diào)器。 遞階系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的任務(wù)遞階系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的任務(wù)是使大系統(tǒng)中的各子是使大系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)、配合、制約、促進(jìn)。從而在實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)、配合、制約、促進(jìn)。從而在實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的子目標(biāo)、子任務(wù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)大系子系統(tǒng)的子目標(biāo)、子任務(wù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)大系統(tǒng)的總目標(biāo)、總?cè)蝿?wù)。統(tǒng)的總目標(biāo)、總?cè)蝿?wù)。 遞階控制的基本原理：遞階控制的基本原理：把一個(gè)總體問題把一個(gè)總體問題P P

8、分解成若干分解成若干有限數(shù)量的子問題有限數(shù)量的子問題P Pi i（i=1, 2 , , ni=1, 2 , , n）?？傮w問）?？傮w問題題P P的目標(biāo)是使復(fù)雜系統(tǒng)的總體性能指標(biāo)取得極值。的目標(biāo)是使復(fù)雜系統(tǒng)的總體性能指標(biāo)取得極值。 當(dāng)不考慮各子問題之間的關(guān)聯(lián)時(shí)，當(dāng)不考慮各子問題之間的關(guān)聯(lián)時(shí)，有有 考慮到子問題之間因關(guān)聯(lián)產(chǎn)生沖突，考慮到子問題之間因關(guān)聯(lián)產(chǎn)生沖突，引入?yún)f(xié)調(diào)引入?yún)f(xié)調(diào)參數(shù)參數(shù)，以解決關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的目標(biāo)沖突。用，以解決關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的目標(biāo)沖突。用 代替代替 P Pi i，有，有 P1, P2, , Pn的解的解 P的解的解0*12( ),( ),.,( )nPPP的解的解 P的解的解 ( )iP 遞

9、階控制的協(xié)調(diào)問題便是選擇適當(dāng)?shù)倪f階控制的協(xié)調(diào)問題便是選擇適當(dāng)?shù)?，從初值，從初值 通過迭代到達(dá)終值通過迭代到達(dá)終值 ，使遞階控制達(dá)到最優(yōu)。，使遞階控制達(dá)到最優(yōu)。0*3 3、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) 在設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，都是從最下層（包括過在設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，都是從最下層（包括過程在內(nèi)的直接控制裝置）開始，然后再逐步增加高層程在內(nèi)的直接控制裝置）開始，然后再逐步增加高層的決策控制單元，以增加系統(tǒng)的復(fù)雜性并逐步擴(kuò)展其的決策控制單元，以增加系統(tǒng)的復(fù)雜性并逐步擴(kuò)展其功能，一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)很自然地隱含了內(nèi)在的遞階形式。功能，一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)很自然地隱含了內(nèi)在的遞階形式。 在遞階控制系統(tǒng)

10、中在遞階控制系統(tǒng)中應(yīng)用智能控制應(yīng)用智能控制便形成了遞階智便形成了遞階智能控制。遞階智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與一般的遞階控制能控制。遞階智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與一般的遞階控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式基本相同，其差別主要在于遞階智能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式基本相同，其差別主要在于遞階智能控制采用智能控制器，它能夠利用人工智能的原理與控制采用智能控制器，它能夠利用人工智能的原理與方法，使系統(tǒng)具有利用知識(shí)、處理知識(shí)以及自學(xué)習(xí)等方法，使系統(tǒng)具有利用知識(shí)、處理知識(shí)以及自學(xué)習(xí)等能力。能力。組織級(jí)控制器組織級(jí)控制器分配器分配器協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器硬件控制器硬件控制器硬件控制器硬件控制器過程過程過程過程智智能能遞遞增增精精度度遞遞增增第

11、一級(jí)第一級(jí)組織級(jí)組織級(jí)第二級(jí)第二級(jí)協(xié)調(diào)級(jí)協(xié)調(diào)級(jí)第三級(jí)第三級(jí)執(zhí)行級(jí)執(zhí)行級(jí)對(duì)象對(duì)象人機(jī)接口人機(jī)接口最高決策最高決策控制管理控制管理控制監(jiān)督控制監(jiān)督傳感器傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器 遞階智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖遞階智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 遞階智能控制系統(tǒng)作為一個(gè)整體，把用戶指令轉(zhuǎn)遞階智能控制系統(tǒng)作為一個(gè)整體，把用戶指令轉(zhuǎn)為一個(gè)物理序列，系統(tǒng)的輸出是一組施加于被控過為一個(gè)物理序列，系統(tǒng)的輸出是一組施加于被控過程的具體指令。系統(tǒng)的操作是由用戶指令及與環(huán)境程的具體指令。系統(tǒng)的操作是由用戶指令及與環(huán)境交互作用的傳感器的輸入信息決定的交互作用的傳感器的輸入信息決定的。 傳感器分為外部傳感器和內(nèi)部傳感器，分別提供工傳感器

12、分為外部傳感器和內(nèi)部傳感器，分別提供工作環(huán)境（外部）和每個(gè)子系統(tǒng)（內(nèi)部）的監(jiān)控信息。作環(huán)境（外部）和每個(gè)子系統(tǒng)（內(nèi)部）的監(jiān)控信息。 （1 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)（2 2）組織級(jí)）組織級(jí) 組織級(jí)是遞階智能控制系統(tǒng)的最高級(jí)，是智能組織級(jí)是遞階智能控制系統(tǒng)的最高級(jí)，是智能系統(tǒng)的系統(tǒng)的“大腦大腦”，能夠模仿人的行為功能，它具有，能夠模仿人的行為功能，它具有相應(yīng)的學(xué)習(xí)能力和高級(jí)決策能力。組織級(jí)監(jiān)督并指相應(yīng)的學(xué)習(xí)能力和高級(jí)決策能力。組織級(jí)監(jiān)督并指導(dǎo)協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)的所有行為，具有最高程度的智導(dǎo)協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)的所有行為，具有最高程度的智能。組織級(jí)能夠根據(jù)用戶對(duì)任務(wù)的不完全描述與實(shí)能

13、。組織級(jí)能夠根據(jù)用戶對(duì)任務(wù)的不完全描述與實(shí)際過程和環(huán)境的有關(guān)信息，選擇合理的際過程和環(huán)境的有關(guān)信息，選擇合理的控制模式控制模式并并向低層下達(dá)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制目標(biāo)。向低層下達(dá)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制目標(biāo)。 功能為推理、規(guī)劃、決策和長(zhǎng)期記憶信息的功能為推理、規(guī)劃、決策和長(zhǎng)期記憶信息的交換，以及通過外界環(huán)境信息和下級(jí)反饋信息進(jìn)交換，以及通過外界環(huán)境信息和下級(jí)反饋信息進(jìn)行學(xué)習(xí)等。行學(xué)習(xí)等。（3 3）協(xié)調(diào)級(jí)）協(xié)調(diào)級(jí) 協(xié)調(diào)級(jí)是遞階智能控制系統(tǒng)的次高級(jí)，其任協(xié)調(diào)級(jí)是遞階智能控制系統(tǒng)的次高級(jí)，其任務(wù)是協(xié)調(diào)各控制器的控制作用與各子任務(wù)的執(zhí)行。務(wù)是協(xié)調(diào)各控制器的控制作用與各子任務(wù)的執(zhí)行。它是上（組織）級(jí)和下（執(zhí)行）級(jí)

14、間的接口，承它是上（組織）級(jí)和下（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。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)可以進(jìn)一步劃分為兩個(gè)分層：協(xié)調(diào)級(jí)可以進(jìn)一步劃分為兩個(gè)分層：控制管理控制管理分分層與層與控制監(jiān)督控制監(jiān)督分層。分層。 控制管理控制管理分層給予下層的信息，決定如何完成組織分層給予下層的信息，決定如何完成組織級(jí)下達(dá)的任務(wù)，以產(chǎn)生施加給下一層的級(jí)下達(dá)的任務(wù)，以產(chǎn)生施加給下一層的控制指令控制指令; 控制監(jiān)督控制監(jiān)督分層的任務(wù)是保證、維持執(zhí)行級(jí)中各控制分層的任務(wù)是保證、維持執(zhí)行級(jí)中各控制器的正常運(yùn)行，并進(jìn)行器的正常運(yùn)行，并進(jìn)行局部參數(shù)整定與性能優(yōu)化。局部參數(shù)整定與性能

15、優(yōu)化。 協(xié)調(diào)級(jí)一般由協(xié)調(diào)級(jí)一般由多個(gè)協(xié)調(diào)控制器和分配器多個(gè)協(xié)調(diào)控制器和分配器組成，每組成，每個(gè)協(xié)調(diào)控制器既接受組織級(jí)的命令，又負(fù)責(zé)多個(gè)執(zhí)行個(gè)協(xié)調(diào)控制器既接受組織級(jí)的命令，又負(fù)責(zé)多個(gè)執(zhí)行級(jí)控制器的協(xié)調(diào)。級(jí)控制器的協(xié)調(diào)。分配器分配器的任務(wù)是將組織級(jí)給定的基的任務(wù)是將組織級(jí)給定的基本事件（任務(wù)）變換成面向協(xié)調(diào)器的控制指令序列，本事件（任務(wù)）變換成面向協(xié)調(diào)器的控制指令序列，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻把它們分配給相應(yīng)的協(xié)調(diào)器。在任務(wù)并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻把它們分配給相應(yīng)的協(xié)調(diào)器。在任務(wù)完成后，分配器也負(fù)責(zé)生成反饋信息，送回給組織級(jí)。完成后，分配器也負(fù)責(zé)生成反饋信息，送回給組織級(jí)。為了完成上述任務(wù)，分配器需具備以下功能：為了

16、完成上述任務(wù)，分配器需具備以下功能： 1 1）通信功能）通信功能 它能夠向上層的組織級(jí)和下它能夠向上層的組織級(jí)和下面的協(xié)調(diào)級(jí)發(fā)送和接受信息。面的協(xié)調(diào)級(jí)發(fā)送和接受信息。 2 2）數(shù)據(jù)處理功能）數(shù)據(jù)處理功能 它能對(duì)組織級(jí)來的命令它能對(duì)組織級(jí)來的命令信息和從協(xié)調(diào)器來的反饋信息進(jìn)行描述，并可為信息和從協(xié)調(diào)器來的反饋信息進(jìn)行描述，并可為分配器的決策單元提供信息和對(duì)它進(jìn)行修改。分配器的決策單元提供信息和對(duì)它進(jìn)行修改。 3 3）任務(wù)處理功能）任務(wù)處理功能 它能對(duì)要執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)它能對(duì)要執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行識(shí)別，為相應(yīng)的協(xié)調(diào)器選擇合適的控制步驟，行識(shí)別，為相應(yīng)的協(xié)調(diào)器選擇合適的控制步驟，以及為組織級(jí)產(chǎn)生必要的反饋信息

17、。以及為組織級(jí)產(chǎn)生必要的反饋信息。 4 4）學(xué)習(xí)能力）學(xué)習(xí)能力 它能夠根據(jù)任務(wù)不斷執(zhí)行所它能夠根據(jù)任務(wù)不斷執(zhí)行所取得的經(jīng)驗(yàn)來逐漸減小決策過程的不確定性，以取得的經(jīng)驗(yàn)來逐漸減小決策過程的不確定性，以達(dá)到不斷改進(jìn)任務(wù)執(zhí)行的能力。達(dá)到不斷改進(jìn)任務(wù)執(zhí)行的能力。（4 4）執(zhí)行級(jí)）執(zhí)行級(jí) 執(zhí)行級(jí)是遞階智能控制系統(tǒng)的最低一級(jí)，由執(zhí)行級(jí)是遞階智能控制系統(tǒng)的最低一級(jí)，由多多個(gè)個(gè)硬件控制器組成，其任務(wù)是完成具體的控制任硬件控制器組成，其任務(wù)是完成具體的控制任務(wù)。執(zhí)行級(jí)控制器直接產(chǎn)生控制信號(hào)，通過執(zhí)行務(wù)。執(zhí)行級(jí)控制器直接產(chǎn)生控制信號(hào)，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用于被控對(duì)象（過程）；同時(shí)執(zhí)行級(jí)也通機(jī)構(gòu)作用于被控對(duì)象（過程）；同時(shí)

18、執(zhí)行級(jí)也通過傳感器測(cè)量環(huán)境的相關(guān)信息，并傳遞給上一級(jí)過傳感器測(cè)量環(huán)境的相關(guān)信息，并傳遞給上一級(jí)控制器，給高層決策提供相關(guān)依據(jù)?？刂破?，給高層決策提供相關(guān)依據(jù)。 執(zhí)行級(jí)的智能程度最低，而控制精度最高，其執(zhí)行級(jí)的智能程度最低，而控制精度最高，其理論方法為傳統(tǒng)的控制理論。理論方法為傳統(tǒng)的控制理論。 遞階智能控制系統(tǒng)，從最低級(jí)執(zhí)行級(jí)遞階智能控制系統(tǒng)，從最低級(jí)執(zhí)行級(jí)次高級(jí)次高級(jí)協(xié)調(diào)級(jí)協(xié)調(diào)級(jí)最高級(jí)組織級(jí)，智能要求逐步提高，越高最高級(jí)組織級(jí)，智能要求逐步提高，越高的層次越需要高的智能，而精度則遞減，此類結(jié)構(gòu)的層次越需要高的智能，而精度則遞減，此類結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：具有以下特點(diǎn)： 1 1）越是處于高層的控制器

19、，對(duì)系統(tǒng)的影響也越大；）越是處于高層的控制器，對(duì)系統(tǒng)的影響也越大； 2 2）越是處于高層，就有越多的不確定性信息，使問）越是處于高層，就有越多的不確定性信息，使問題的描述難于量化。題的描述難于量化。 在高層次上應(yīng)該采用基于知識(shí)的組織級(jí)，以便在高層次上應(yīng)該采用基于知識(shí)的組織級(jí)，以便于處理信息與利用人的直覺、推理、邏輯和經(jīng)驗(yàn)。于處理信息與利用人的直覺、推理、邏輯和經(jīng)驗(yàn)。這樣，遞階智能控制系統(tǒng)就能在最高級(jí)（組織級(jí)）這樣，遞階智能控制系統(tǒng)就能在最高級(jí)（組織級(jí)）的統(tǒng)一組織下，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制。的統(tǒng)一組織下，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制。 2.2 2.2 遞階智能控制系統(tǒng)舉例遞階智能控制系統(tǒng)舉例應(yīng)用實(shí)

20、例：紅旗自主車的自主駕駛四層遞階控制系統(tǒng)。應(yīng)用實(shí)例：紅旗自主車的自主駕駛四層遞階控制系統(tǒng)。1 1、汽車汽車自主駕駛自主駕駛系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成（1 1）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 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) 環(huán)境識(shí)別子系統(tǒng)：環(huán)境識(shí)別子系統(tǒng)：由道路標(biāo)志線識(shí)別和前方由道路標(biāo)志線識(shí)別和前方車輛識(shí)別兩個(gè)子系統(tǒng)組成。前者能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別當(dāng)車輛識(shí)別兩個(gè)子系統(tǒng)組成。前者能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別當(dāng)前及左右共三條車道線，實(shí)時(shí)輸出處理結(jié)果；對(duì)前及左右共三條車道線，實(shí)時(shí)輸出處理結(jié)果；對(duì)車道上非標(biāo)志線的標(biāo)志及車輛干擾具有免疫力，車道上非標(biāo)志線的標(biāo)志及車輛干擾具有免疫力，并較好地解決了對(duì)車體震動(dòng)和光照變

21、化的適應(yīng)性并較好地解決了對(duì)車體震動(dòng)和光照變化的適應(yīng)性問題；后者能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別前方車輛距離及相對(duì)速問題；后者能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別前方車輛距離及相對(duì)速度，具有較好的抗干擾性及適應(yīng)性。度，具有較好的抗干擾性及適應(yīng)性。 駕駛控制子系統(tǒng)：駕駛控制子系統(tǒng)：包括行為決策、行為規(guī)劃包括行為決策、行為規(guī)劃以及操作控制等主要模塊。本子系統(tǒng)對(duì)受控對(duì)象以及操作控制等主要模塊。本子系統(tǒng)對(duì)受控對(duì)象的非線性、環(huán)境的嚴(yán)重不確定性具有很好的適應(yīng)的非線性、環(huán)境的嚴(yán)重不確定性具有很好的適應(yīng)能力；能夠滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求；其方向及速度能力；能夠滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求；其方向及速度跟蹤精度高；并具有系統(tǒng)監(jiān)督模塊，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)跟蹤精度高；并具有系統(tǒng)監(jiān)督模

22、塊，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的在線監(jiān)督、預(yù)警及緊急情況處理。狀態(tài)的在線監(jiān)督、預(yù)警及緊急情況處理。系統(tǒng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)（2 2）自主駕駛的硬件系統(tǒng)）自主駕駛的硬件系統(tǒng) 主控計(jì)算機(jī)及接口主控計(jì)算機(jī)及接口 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 傳感器傳感器 主控計(jì)算機(jī)及接口：主控計(jì)算機(jī)及接口：擔(dān)負(fù)駕駛控制和環(huán)境擔(dān)負(fù)駕駛控制和環(huán)境識(shí)別的計(jì)算工作。接口主要有：識(shí)別的計(jì)算工作。接口主要有：A/DA/D轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換器、D/AD/A轉(zhuǎn)換器、各種運(yùn)動(dòng)控制卡、記數(shù)器及數(shù)字轉(zhuǎn)換器、各種運(yùn)動(dòng)控制卡、記數(shù)器及數(shù)字量輸入輸出設(shè)備等。量輸入輸出設(shè)備等。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)：根據(jù)汽車各操縱機(jī)構(gòu)的不同特根據(jù)汽車各操縱機(jī)構(gòu)的不同特點(diǎn)分別采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

23、和液壓驅(qū)動(dòng)兩種執(zhí)點(diǎn)分別采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。行機(jī)構(gòu)。 傳感器：傳感器：包括環(huán)境傳感器（攝像頭）、車包括環(huán)境傳感器（攝像頭）、車體姿態(tài)傳感器和自動(dòng)駕駛執(zhí)行部件傳感器。傳體姿態(tài)傳感器和自動(dòng)駕駛執(zhí)行部件傳感器。傳感器信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理電路板的濾波和放大后，感器信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理電路板的濾波和放大后，通過計(jì)算機(jī)接口板進(jìn)入相應(yīng)的處理機(jī)。通過計(jì)算機(jī)接口板進(jìn)入相應(yīng)的處理機(jī)。 自主自主駕駛的硬件系統(tǒng)駕駛的硬件系統(tǒng) 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。特點(diǎn)如下：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。特點(diǎn)如下： 1 1）基于）基于PCPC機(jī)的開發(fā)環(huán)境使得嵌入式開發(fā)更加機(jī)的開發(fā)環(huán)境使得嵌入式開發(fā)更加方便；方便； 2 2）實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作

24、系統(tǒng)內(nèi)核確保了系統(tǒng)的實(shí)）實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng)內(nèi)核確保了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；時(shí)性； 3 3）可裁減和可重配置的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得目標(biāo)）可裁減和可重配置的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得目標(biāo)代碼更加精悍，運(yùn)行效率獲得提高；代碼更加精悍，運(yùn)行效率獲得提高； 4 4）方便快速的任務(wù)間通信手段；）方便快速的任務(wù)間通信手段； 5 5）支持多處理機(jī)之間的任務(wù)協(xié)調(diào)與通信；）支持多處理機(jī)之間的任務(wù)協(xié)調(diào)與通信； 6 6）自主駕駛系統(tǒng)的處理機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。）自主駕駛系統(tǒng)的處理機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)：軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)： 1 1） 任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置與搶斷式任務(wù)調(diào)度；任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置與搶斷式任務(wù)調(diào)度； 2

25、2） 基于系統(tǒng)時(shí)鐘的軟件同步機(jī)制；基于系統(tǒng)時(shí)鐘的軟件同步機(jī)制； 3 3） 分布式共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。分布式共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 2 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)n操作控制層操作控制層n行為規(guī)劃層行為規(guī)劃層n行為決策層行為決策層n任務(wù)規(guī)劃層任務(wù)規(guī)劃層 操作控制層：操作控制層：把來自行為規(guī)劃層的規(guī)劃軌跡把來自行為規(guī)劃層的規(guī)劃軌跡轉(zhuǎn)化為各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，并控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成轉(zhuǎn)化為各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，并控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)動(dòng)作，是整個(gè)自主駕駛系統(tǒng)的最底層。包括相應(yīng)動(dòng)作，是整個(gè)自主駕駛系統(tǒng)的最底層。包括車速控制器、方向控制器、剎車控制器、節(jié)氣門車速控制器、方向控制器、剎車控制器、節(jié)氣門控制

26、器、轉(zhuǎn)向控制器及信號(hào)燈控制器、轉(zhuǎn)向控制器及信號(hào)燈/ /喇叭控制邏輯等。喇叭控制邏輯等。 行為規(guī)劃層：行為規(guī)劃層：是行為決策層和操作控制層之間是行為決策層和操作控制層之間的接口，它負(fù)責(zé)將行為決策層產(chǎn)生的行為符號(hào)轉(zhuǎn)換的接口，它負(fù)責(zé)將行為決策層產(chǎn)生的行為符號(hào)轉(zhuǎn)換為操作控制層的傳統(tǒng)控制器所能接受的軌跡指令。為操作控制層的傳統(tǒng)控制器所能接受的軌跡指令。包括行為執(zhí)行監(jiān)督模塊、車輛速度產(chǎn)生模塊、車輛包括行為執(zhí)行監(jiān)督模塊、車輛速度產(chǎn)生模塊、車輛期望路徑產(chǎn)生模塊等。期望路徑產(chǎn)生模塊等。 行為決策層：行為決策層：根據(jù)環(huán)境感知系統(tǒng)獲得的環(huán)根據(jù)環(huán)境感知系統(tǒng)獲得的環(huán)境信息、車輛當(dāng)前狀態(tài)以及任務(wù)規(guī)劃的任務(wù)目標(biāo)，境信息、車

27、輛當(dāng)前狀態(tài)以及任務(wù)規(guī)劃的任務(wù)目標(biāo)，采取恰當(dāng)行為，保證順利地完成任務(wù)。影響因素采取恰當(dāng)行為，保證順利地完成任務(wù)。影響因素有：道路情況、交通情況、交通信號(hào)、任務(wù)對(duì)安有：道路情況、交通情況、交通信號(hào)、任務(wù)對(duì)安全性和效率的要求、任務(wù)目的等。全性和效率的要求、任務(wù)目的等。 任務(wù)規(guī)劃層：任務(wù)規(guī)劃層：根據(jù)環(huán)境感知系統(tǒng)獲得的環(huán)境根據(jù)環(huán)境感知系統(tǒng)獲得的環(huán)境信息、車輛當(dāng)前狀態(tài)以及任務(wù)規(guī)劃的任務(wù)目標(biāo)，信息、車輛當(dāng)前狀態(tài)以及任務(wù)規(guī)劃的任務(wù)目標(biāo)，采取恰當(dāng)行為，保證順利地完成任務(wù)。影響因素采取恰當(dāng)行為，保證順利地完成任務(wù)。影響因素有：道路情況、交通情況、交通信號(hào)、任務(wù)對(duì)安有：道路情況、交通情況、交通信號(hào)、任務(wù)對(duì)安全性和效率的要求、任務(wù)目的等。全性和效率的要求、任務(wù)目的等。 3 3、汽車汽車自主駕駛系統(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) 操作控制層（操作控制層（6 6個(gè)軟件模塊）：個(gè)軟件模塊）：方向伺服控制、方向伺服控制、油門伺服控