智能機(jī)器人的決策思維系統(tǒng)

目錄第一章機(jī)器人的思維決策 31.2智能決策支持系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu) 41.3決策分析方法 9第二章智能機(jī)器人的感知系統(tǒng) 122.1感知系統(tǒng)的介紹 122.2感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、 122.3感知系統(tǒng)的組成 122.5多傳感器信息融合 142.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 152.7距離/位置測(cè)量 15

第一章機(jī)器人的思維決策1.1思維決策系統(tǒng)的介紹決策支持系統(tǒng)（DecisionSupportSystem，簡稱DSS），是以管理科學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、控制論、和行為科學(xué)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)和信息技術(shù)為手段，針對(duì)半結(jié)構(gòu)化的決策問題，支持決策活動(dòng)的具有智能作用的人機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?yàn)闆Q策者提供所需的數(shù)據(jù)、信息和背景資料，幫助明確決策目標(biāo)和進(jìn)行問題的識(shí)別，建立或修改決策模型，提供各種備選方案，并且對(duì)各種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)選，通過人機(jī)交互功能進(jìn)行分析、比較和判斷，為正確的決策提供必要的支持。它通過與決策者的一系列人機(jī)對(duì)話過程，為決策者提供各種可靠方案，檢驗(yàn)決策者的要求和設(shè)想，從而達(dá)到支持決策的目的。決策支持系統(tǒng)一般由交互語言系統(tǒng)、問題系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫、知識(shí)庫管理系統(tǒng)組成。在某些具體的決策支持系統(tǒng)中，也可以沒有單獨(dú)的知識(shí)庫及其管理系統(tǒng)，但模型庫和方法庫通常則是必須的。由于應(yīng)用領(lǐng)域和研究方法不同，導(dǎo)致決策支持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有多種形式。傳統(tǒng)DSS采用各種定量模型,在定量分析和處理中發(fā)揮了巨大作用,它也對(duì)半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化決策問題提供支持,但由于它通過模型來操縱數(shù)據(jù),實(shí)際上支持的僅僅是決策過程中結(jié)構(gòu)化和具有明確過程性的部分.隨著決策環(huán)境日趨復(fù)雜,DSS的局限性也日趨突出,具體表現(xiàn)在:系統(tǒng)在決策支持中的作用是被動(dòng)的,不能根據(jù)決策環(huán)境的變化提供主動(dòng)支持,對(duì)決策中普遍存在的非結(jié)構(gòu)化問題無法提供支持,以定量數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),對(duì)決策中常見的定性問題、模糊問題和不確定性問題缺乏相應(yīng)的支持手段。ADDIN.{F8710A404CA34b3893624ADE14D5F0B0}[1]DSS應(yīng)具備以下特征ADDIN.{134DACE1F11449ca905116DF03F31987}[2]：系統(tǒng)的主要功能是為管理人員提供決策支持,其目的是幫助管理人員進(jìn)行決策而不是代替他們,是為了提高決策的效能而不是組織的管理效率；傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理技術(shù)與有關(guān)的模型技術(shù)、分析技術(shù)相結(jié)合；系統(tǒng)應(yīng)該有很強(qiáng)的靈活性、適應(yīng)性、便于用戶使用。智能決策支持系統(tǒng)（IDSS）是決策支持系統(tǒng)與人工智能技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)[3],他包括決策支持系統(tǒng)所擁有的組件，包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、模型庫系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)，同時(shí)集成了最新發(fā)展的人工智能技術(shù)，如專家系統(tǒng)、多代理以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等。它是以信息技術(shù)為手段,應(yīng)用管理科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及有關(guān)學(xué)科的理論和方法,針對(duì)半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的決策問題,通過提供背景材料、協(xié)助明確問題、修改完善模型、列舉可能方案、進(jìn)行分析比較等方式,為管理者做出正確決策提供幫助的智能型人機(jī)交互式信息系統(tǒng)。智能決策支持系統(tǒng)的廣義結(jié)構(gòu)如下圖所示。1.2智能決策支持系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)（1）基于多代理的智能決策支持系統(tǒng)以下是應(yīng)用于智能電網(wǎng)的多代理決策支持系統(tǒng)[5]，電網(wǎng)決策支持系統(tǒng)主要由SCADA及故障信息管理層、網(wǎng)絡(luò)分析分析層和指揮系統(tǒng)協(xié)調(diào)層3部分組層，器結(jié)構(gòu)如下圖所示SCADA及故障信息數(shù)據(jù)管理層：實(shí)時(shí)收集電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)分析層：由實(shí)時(shí)穩(wěn)態(tài)分析、智能電網(wǎng)調(diào)度操作票、電網(wǎng)故障診斷、電網(wǎng)故障恢復(fù)、電網(wǎng)故障操作票組成。指揮系統(tǒng)協(xié)調(diào)層：主要由指揮系統(tǒng)構(gòu)成，主要功能是協(xié)調(diào)各種網(wǎng)絡(luò)分析層軟件的調(diào)用邏輯及執(zhí)行順序，以及在有復(fù)雜的電網(wǎng)狀態(tài)變化時(shí)，協(xié)調(diào)調(diào)用不同的應(yīng)用軟件，使其以合作的方式完成復(fù)雜的任務(wù)。一般來說，智能調(diào)度決策支持系統(tǒng)包括如下能夠獨(dú)立完成一定功能的智能體單元：運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估智能體：實(shí)時(shí)的監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對(duì)目前以及未來的系統(tǒng)狀況進(jìn)行安全評(píng)估，依據(jù)預(yù)測(cè)的可能系統(tǒng)狀況，協(xié)調(diào)智能層的其他智能體進(jìn)行預(yù)防性策略跟蹤，使系統(tǒng)保持在正常經(jīng)濟(jì)、安全的狀態(tài)。經(jīng)濟(jì)運(yùn)行決策智能體：在正常狀況下，根據(jù)系統(tǒng)約束條件，在運(yùn)行規(guī)則的指導(dǎo)下，運(yùn)用相應(yīng)的算法、模型和知識(shí)，綜合運(yùn)用全局系統(tǒng)信息，進(jìn)行不同優(yōu)化算法、不同優(yōu)化模型、不同優(yōu)化目標(biāo)之間的優(yōu)化協(xié)調(diào)，使得優(yōu)化決策具有全局可行性，避免優(yōu)化孤島的出現(xiàn)。故障診斷決策智能體：在緊急狀況下，自動(dòng)依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，診斷故障地點(diǎn)和類型等，制定緊急控制，并告知或幫助調(diào)度人員進(jìn)行緊急控制策略。故障恢復(fù)決策智能體：在故障狀況下，依據(jù)系統(tǒng)狀況，結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)，采用不同的模型和算法進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)決策。人機(jī)交互智能體：在任何情況下，調(diào)度人員或電力專家均可以通過它與決策支持系統(tǒng)進(jìn)行友好、協(xié)調(diào)的交互，以便于完成特定的任務(wù)或進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)管理等。日常管理智能體：除了完成調(diào)度人員進(jìn)行的監(jiān)視、維護(hù)、處理異常等日常工作外，還需要進(jìn)行編寫調(diào)度日志、操作票、事故報(bào)告等一系列工作。模擬培訓(xùn)智能體：進(jìn)行決策支持系統(tǒng)的培訓(xùn)、模擬、決策跟蹤等。系統(tǒng)智能體結(jié)構(gòu)如下圖所示以下是應(yīng)用于瀝青混凝土路面施工機(jī)群的基于多代理的智能決策支持系統(tǒng)[6],最高層(頂層)為中央智能決策調(diào)度支持系統(tǒng),它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度決策,實(shí)時(shí)處理下級(jí)決策調(diào)度能Agent匯報(bào)的信息,并作出決策。中間層為功能決策智能Agent層,包括拌和智能決策調(diào)度支持系統(tǒng)、運(yùn)輸智能決策調(diào)度支持系統(tǒng)、攤鋪智能決策調(diào)度支持系統(tǒng)、壓路智能決策調(diào)度支持系統(tǒng)等,它們負(fù)責(zé)各自下層的功能Agent,功能Agent層指在路面施工中完成某種施工任務(wù)的施工機(jī)械或設(shè)備,它們的任務(wù)是負(fù)責(zé)調(diào)度其下層的功能Agent,來完成系統(tǒng)設(shè)定的任務(wù),維持生產(chǎn)節(jié)拍、保證質(zhì)量參數(shù)、接受中央的指令并把涉及到改變整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的決策結(jié)果通知中央智能決策調(diào)度支持系統(tǒng)。下圖是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖下圖為決策調(diào)度系統(tǒng)原理圖。可以看出,IDSS中五個(gè)系統(tǒng)(知識(shí)庫系統(tǒng)、模型庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、圖形庫系統(tǒng)及總控系統(tǒng))間的聯(lián)系。總控系統(tǒng)控制著其它四個(gè)系統(tǒng)的連接與調(diào)用,同時(shí)負(fù)責(zé)與外界(信息收發(fā)系統(tǒng)、人機(jī)接口部分)的信息交換。知識(shí)庫系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中獲得事實(shí)進(jìn)行推理,從而決定從模型庫中調(diào)用何種模型進(jìn)行計(jì)算并確定模型中的一些參數(shù),選定的模型從數(shù)據(jù)庫中獲得初始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,并將運(yùn)算結(jié)果送回?cái)?shù)據(jù)庫。圖形庫系統(tǒng)可以從數(shù)據(jù)庫中取得需要的數(shù)據(jù)繪制各種直觀的圖形。在總控系統(tǒng)之前是人機(jī)接口部分、信息收發(fā)系統(tǒng),人機(jī)接口部分是用戶與系統(tǒng)的橋梁,用來做信息傳輸、人工決策干預(yù)、信息查詢和結(jié)果輸出。信息收發(fā)系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收各子系統(tǒng)上傳的信息和發(fā)布調(diào)度決策系統(tǒng)的調(diào)度指令。(2)基于專家系統(tǒng)的智能決策支持系統(tǒng)[3]專家系統(tǒng)（ES）與決策支持系統(tǒng)（DSS）結(jié)合的智能決策支持系統(tǒng)充分發(fā)揮了專家系統(tǒng)以知識(shí)推理形式解決定性分析問題的特點(diǎn)，又發(fā)揮了決策支持系統(tǒng)以模型計(jì)算為核心解決定量分析問題的特點(diǎn)，充分做到定性分析和定量分析的有機(jī)結(jié)合，使得解決問題的能力和范圍得到一個(gè)大的發(fā)展。專家系統(tǒng)與決策支持系統(tǒng)的具體集成結(jié)構(gòu)如下圖所示。IDSS與ES結(jié)合主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：（1）DSS與ES的總體結(jié)合。由集成系統(tǒng)把DSS與ES有機(jī)結(jié)合起來。（2）知識(shí)庫和模型庫的結(jié)合。模型庫中的數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)處理模型作為知識(shí)的一種形式，即過程性知識(shí)，加入到知識(shí)推理中。也可以把知識(shí)庫和推理機(jī)作為智能模型加入到模型庫中。（3）靜態(tài)數(shù)據(jù)庫和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫的結(jié)合。靜態(tài)數(shù)據(jù)庫為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫提供初始數(shù)據(jù)，ES推理結(jié)束后，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫中的結(jié)果再送回到DSS中的靜態(tài)數(shù)據(jù)庫中。1.3決策分析方法決策即選擇最佳的行動(dòng)方案，是對(duì)未來的行動(dòng)方向、目標(biāo)、方案、原則和方法所做的決定，是論證、分析、抉擇的全過程。決策分析就是對(duì)各種所需決策的問題提出一套在進(jìn)行決策時(shí)所必要的推理方法、邏輯步驟和科學(xué)手段，并根據(jù)所能取得的信息對(duì)各種替代方案在各種不同的客觀狀態(tài)下，進(jìn)行科學(xué)的分析和定量的計(jì)算，以此供決策人員在決策過程中對(duì)要采用的替代方案做出合理的抉擇。決策分析的步驟如下圖所示1、層次分析法層次分析法是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化的、層次化的分析方法。層次分析法的基本步驟（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型該模型一般分為三層，最上層為目標(biāo)層，最下層為方案層，中間是準(zhǔn)則層或指標(biāo)層。下圖為機(jī)場(chǎng)選址決策層次結(jié)構(gòu)模型。2、構(gòu)造判斷矩陣設(shè)某層有n個(gè)因素，要比較他們對(duì)上一層某一準(zhǔn)則的影響程度，確定在該層中相對(duì)于某一準(zhǔn)則所占的比重（即把n個(gè)因素對(duì)上層某一目標(biāo)的影響程度排序）。上述比較是兩兩因素之間進(jìn)行比較，比較時(shí)取1-9標(biāo)度，如圖建立判斷矩陣，可以使得判斷思維數(shù)學(xué)化，從而簡化了問題分析，對(duì)問題進(jìn)行定量分析成為可能。3、層次單排序及一致性檢驗(yàn)由于客觀事物的復(fù)雜性和認(rèn)識(shí)的多樣性，建立的判斷矩陣往往會(huì)出現(xiàn)不一致性。為了保證應(yīng)用分析法得到結(jié)論合理，還需要對(duì)構(gòu)造的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。4、確定某層所有因素對(duì)于總目標(biāo)相對(duì)重要性的排序權(quán)值過程，稱為層次總排序，從最高層到最低層逐層進(jìn)行。、模糊綜合評(píng)價(jià)模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)標(biāo)方法。該綜合評(píng)價(jià)法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。它具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。一般步驟：1、模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取是否適宜，將直接影響綜合評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建應(yīng)廣泛涉獵與該評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)行業(yè)資料或者相關(guān)的法律法規(guī)。2、采用構(gòu)建好權(quán)重向量通過專家經(jīng)驗(yàn)法或者AHP層次分析法構(gòu)建好權(quán)重向量。3、構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣建立適合的隸屬函數(shù)從而構(gòu)建好評(píng)價(jià)矩陣。4、評(píng)價(jià)矩陣和權(quán)重的合成采用適合的合成因子對(duì)其進(jìn)行合成，并對(duì)結(jié)果向量進(jìn)行解釋。、粗糙集粗糙集理論，是繼概率論、模糊集、證據(jù)理論之后的又一個(gè)處理不確定性的數(shù)學(xué)工具。作為一種較新的軟計(jì)算方法，粗糙集近年來越來越受到重視，其有效性已在許多科學(xué)與工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用中得到證實(shí)，是當(dāng)前國際上人工智能理論及其應(yīng)用領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。在很多實(shí)際系統(tǒng)中均不同程度地存在著不確定性因素，采集到的數(shù)據(jù)常常包含著噪聲，不精確甚至不完整。主成分分析法主成分分析法是一種數(shù)學(xué)變換的方法,它把給定的一組相關(guān)變量通過線性變換轉(zhuǎn)成另一組不相關(guān)的變量，這些新的變量按照方差依次遞減的順序排列。在數(shù)學(xué)變換中保持變量的總方差不變，使第一變量具有最大的方差，稱為第一主成分，第二變量的方差次大，并且和第一變量不相關(guān)，稱為第二主成分。依次類推，I個(gè)變量就有I個(gè)主成分。其中Li為p維正交化向量（Li*Li=1），Zi之間互不相關(guān)且按照方差由大到小排列，則稱Zi為X的第I個(gè)主成分。設(shè)X的協(xié)方差矩陣為Σ，則Σ必為半正定對(duì)稱矩陣，求特征值λi（按從大到小排序）及其特征向量，可以證明，λi所對(duì)應(yīng)的正交化特征向量，即為第I個(gè)主成分Zi所對(duì)應(yīng)的系數(shù)向量Li，而Zi的方差貢獻(xiàn)率定義為λi/Σλj,通常要求提取的主成分的數(shù)量k滿足Σλk/Σλj>。是希望用較少的變量去解釋原來資料中的大部分變量，將我們手中許多相關(guān)性很高的變量轉(zhuǎn)化成彼此相互獨(dú)立或不相關(guān)的變量。通常是選出比原始變量個(gè)數(shù)少，能解釋大部分資料中變量的幾個(gè)新變量，即所謂主成分，并用以解釋資料的綜合性指標(biāo)。由此可見，主成分分析實(shí)際上是一種降維方法。第二章智能機(jī)器人的感知系統(tǒng)2.1感知系統(tǒng)的介紹智能機(jī)器人的感知系統(tǒng)相當(dāng)于人的五官和神經(jīng)系統(tǒng)，是機(jī)器人獲取外部環(huán)境信息及進(jìn)行內(nèi)部反饋控制的工具。感知系統(tǒng)將機(jī)器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息和環(huán)境信息從信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人自身或者機(jī)器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息甚至知識(shí)，它與機(jī)器人控制系統(tǒng)和決策系統(tǒng)組成機(jī)器人的核心。2.2感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、機(jī)器人感知系統(tǒng)本質(zhì)是一個(gè)傳感器系統(tǒng)。機(jī)器人感知系統(tǒng)的構(gòu)建包括：系統(tǒng)需求分析、環(huán)境建模、傳感器的選擇等。感知行為按照復(fù)雜度分為以下幾個(gè)等級(jí)：反射式感知：信息融合感知可學(xué)習(xí)感知自主認(rèn)知。2.3感知系統(tǒng)的組成人類具有5種感覺，即視覺、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺。機(jī)器人有類似人一樣的感覺系統(tǒng)，Asimo機(jī)器人的傳感器分布。機(jī)器人則是通過傳感器得到這些信息的，這些信息通過傳感器采集，通過不同的處理方式，可以分成視覺、力覺、觸覺、接近覺等幾個(gè)大類。視覺:獲取信息最直觀的方式，人類75%以上的信息都來自于視覺。視覺一般包括三個(gè)過程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。觸覺觸覺傳感系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)人體全部的觸覺功能。機(jī)器人觸覺的研究集中在擴(kuò)展機(jī)器人能力所必需的觸覺功能上。一般地，把檢測(cè)感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸、壓力、滑覺的傳感器，稱為機(jī)器人觸覺傳感器。聽覺機(jī)器人擁有聽覺，使得機(jī)器人能夠與人進(jìn)行自然的人機(jī)對(duì)話，使得機(jī)器人能夠聽從人的指揮。達(dá)到這一目標(biāo)的決定性技術(shù)是語音技術(shù)，它包括語音識(shí)別和合成技術(shù)兩個(gè)方面。嗅覺機(jī)器人嗅覺系統(tǒng)通常由交叉敏感的化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別算法組成，可用于檢測(cè)、分析和鑒別各種氣味。味覺傳感器海洋資源勘探機(jī)器人、食品分析機(jī)器人、烹調(diào)機(jī)器人等需要用味覺傳感器進(jìn)行液體成分的分析2.4感知系統(tǒng)的分布2.4.1內(nèi)傳感器與外傳感器1)內(nèi)部傳感器內(nèi)部傳感器通常用來確定機(jī)器人在其自身坐標(biāo)系內(nèi)的姿態(tài)位置，是完成移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所必需的那些傳感器。2)外傳感器外傳感器用于機(jī)器人本身相對(duì)其周圍環(huán)境的定位，負(fù)責(zé)檢測(cè)距離、接近程度和接觸程度之類的變量，便于機(jī)器人的引導(dǎo)及物體的識(shí)別和處理。按照機(jī)器人作業(yè)的內(nèi)容，外傳感器通常安裝在機(jī)器人的頭部、肩部、腕部、臀部、腿部、足部等。2.5多傳感器信息融合多傳感器信息融合技術(shù)是通過對(duì)這些傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配和使用，把多個(gè)傳感器在時(shí)間和空間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲取被觀測(cè)對(duì)