第八讲-人工智能应用系统示例

智能科学与技术系人工智能课程改革与建设第八讲人工智能应用系统示例ApplicationExamplesofAISystems中南大学蔡自兴2011智能科学与技术系讲授内容概述人工智能系统的广泛应用情况和在各个领域的应用例子，了解人工智能的超强能力和诱人魅力。结合本课程教学团队的部分科研项目，介绍智能移动机器人的研究成果，说明人工智能的一个引人注目的研究与应用领域，了解具体人工智能技术的应用，也体现科研与教学的相辅相成与互相促进的关系。智能科学与技术系8.1人工智能应用系统概述传统计算机的应用领域，都有智能计算机的用武之地。传统计算机无法解决的应用问题，也能够用智能计算机来处理。人工智能的应用领域十分广泛，涉及各行各业，如科技、工业、农业、交通运输业、建筑业、国防安全、航空航天、服务业等。具体的应用例子更是不胜枚举。例如，宇航服的人工生命系统、太空探测飞行器和深海探测器的智能控制系统、战场军事打击的精确制导系统和其他先进武器系统、各种专家系统、智能决策支持系统、智能机器人系统、自然语言处理系统、图像识别系统、符号计算与定理证明、机器学习、机器翻译、机器博弈、自动程序设计、机器学习系统等。智能科学与技术系问题？你了解过哪些人工智能应用系统？是否把有些系统引入教学？智能科学与技术系人工智能应用系统示例人工智能在炼钢、轧制中的应用微小型无人系统和无人地面作战系统智能家用医疗系统智能家用报警系统人工智能在精确制导中的应用各种专家系统脸谱识别智能系统电费自动收费系统各种工业机器人和服务机器人人工智能的其他应用智能科学与技术系人工智能在炼钢、轧制中的应用首钢的高炉、转炉和轧钢系统，已综合利用神经网络、专家系统、模糊逻辑来模拟人脑，实现智能控制。智能科学与技术系微小型无人系统应用微机电、人工智能、机器人控制等技术，集成为光机电和人工智能一体化技术。智能科学与技术系智能家用医疗系统智能科学与技术系人工智能在精确制导中的应用将人工智能技术与军用光电子技术、卫星制导和全球定位相结合，实现对导弹、鱼雷等进行精确智能制导。美国的“黄蜂”空对地导弹智能科学与技术系各种专家系统数据库服务器推理机接口人工神经网络专家系统数据挖掘专家系统结构简图专家系统已获得极其广泛的应用，产生重大的经济效益和社会效益。其中，医疗专家系统起到带头作用，如传染性疾病鉴别诊断专家系统MYCIN等。智能科学与技术系智能家用报警系统PC3PC2PC1PC4InternetBridgedNetworkConnectionsSecurityAlarmRadiatorsTemperatureEnvironmentalMonitoringLightingControlMotionDetectorDoorControlMonitoringControlWindowControlAutomaticNotificationRemoteControl智能科学与技术系脸谱识别智能系统EigenfaceFisherfaceEGMSVMNeuralnetworkVotingmachineGatingnetworkIdentityResult&ConfidenceCapturedeviceEllipsecolormodelSkinsegmentationSVMFaceDetectionWeightsFacepatternFaceRecongnitionFaceRecongnitionSystem智能科学与技术系电费自动收费系统智能科学与技术系无人地面作战系统人工智能、机器自学习能力的发展使作战机器人更加人性化，能适应战场上的千变万化。军事强国对无人作战系统，从陆基平台到空基和海基平台，乃至到太空平台，从联合作战体系到联合保障体系，均稳步推进各自的发展计划。智能科学与技术系工业机器人智能科学与技术系工业机器人智能科学与技术系行走机器人智能科学与技术系服务机器人智能科学与技术系服务机器人智能科学与技术系服务机器人智能科学与技术系服务机器人智能科学与技术系贵校在人工智能教学中是否向学生介绍自己团队的科研成果？问题？智能科学与技术系8.2本团队部分移动机器人研究简介3个国家级移动机器人科研项目包括：单移动机器人多移动机器人智能驾驶车辆具体科研项目如下：未知环境中移动机器人导航控制的理论和方法研究，国家自然科学基金重点项目，2003－2006异质多移动体的协同工作与重构技术的基础研究，国家国防基础研究项目，2006－2008高速公路车辆智能驾驶的关键科学问题研究，国家自然科学基金重大专项重点项目，2009－2012智能科学与技术系8.2.1未知环境中移动机器人导航控制的理论和方法研究ResearchonTheoriesandMethodsforNavigationControlofMobileRobotsunderUnknownEnvironment本成果由中南大学、国防科大和吉林大学共同完成8.2本团队部分移动机器人研究简介智能科学与技术系中南大学、国防科技大学、吉林大学2003-2006国家自然科学基金重点项目未知环境中移动机器人导航控制的理论与方法研究智能科学与技术系研究具有良好可扩展性的移动机器人体系结构研究未知环境中基于概率和多传感器融合的移动机器人地图建模和定位方法移动机器人导航的机器学习方法及其应用研究研究考虑动力学特性的局部轨迹规划及路径跟踪理论和方法研究移动机器人故障诊断及容错控制方法研制一个验证上述理论和方法的移动机器人原型实验系统及其软件平台研究要点智能科学与技术系(1)四层递阶式智能导航控制体系结构提出一种移动机器人自主导航系统四层智能递阶结构。具有时间和空间上的多分辨率特点，从而使得控制系统的实时性和控制精度能够同时得到满足。子任务系统监控任务行为决策行为规划操作控制任务规划其它环境信息机器人机器人运行环境环境感知与处理机器人状态与定位信息规划轨迹动作行为用户接口四层模块化的移动机器人自主导航体系结构智能科学与技术系(1)四层递阶式智能导航控制体系结构HQ3无人驾驶系统在高速公路正常交通情况下的稳定自主驾驶速度达到130km/h,最高速度达160km/h；该车将参加2007年举办的俄罗斯“中国年”展览。“丰越4500”无人越野车在中等起伏的地形中进行了实时绕障等行驶试验。HQ3无人驾驶汽车以及“丰越4500”无人越野车智能科学与技术系(1)四层递阶式智能导航控制体系结构月球车中南移动1号(MORCS-1)月球车以及中南移动1号智能科学与技术系(2)导航控制的自学习自优化理论与方法在基于核的策略迭代增强学习、多目标进化学习等机器学习理论方面取得了重要研究进展，提高了机器学习求解复杂优化决策问题的效率。提出了基于学习的控制器设计与自优化框架，并应用于汽车倒车与侧向控制、移动机器人六轮协调控制。为解决未知环境中移动机器人控制器性能自优化问题提供了新方法。智能科学与技术系初始控制器设计基于SVM的控制器表示基于增强学习的控制器优化新控制器下样本采集与处理具有自学习功能的控制器设计框架(2)导航控制的自学习自优化理论与方法提出了一种结合统计学习和增强学习的控制器设计与自优化框架，综合采用了如下两种自优化机制：利用SVM技术实现了数据驱动的控制器优化利用增强学习算法实现了模型驱动的控制器优化智能科学与技术系(3)近似Voronoi边界网络拓扑建模方法提出一种针对复杂环境的近似Voronoi边界网络(AVBN)拓扑建模方法。通过检测“闭包栅格”并在“闭包栅格”处增加虚拟障碍物，实现非凸集障碍环境中网络的互连。特点：为非凸集障碍环境下网络的连通性难题提供了有效的解决方案。与经典的广义Voronoi图(GVG)方法相比，AVBN方法构建的拓扑图的节点数目明显减少。智能科学与技术系(3)近似Voronoi边界网络拓扑建模方法节点规模比较：图8说明：GVG方法生成的拓扑图节点数为83个；AVBN方法产生拓扑图节点数为28个。(a)实际环境(b)GVG方法生成拓扑网络（83节点）(c)AVBN方法生成的拓扑网络（28节点）GVG方法与AVBN方法的比较智能科学与技术系(4)滚动时域跟踪控制策略滚动时域跟踪控制策略针对存在外部干扰、控制约束以及模型不确定性的轮式移动机器人系统；应用预测控制的滚动优化原理，在线重复求解约束H∞跟踪问题；使得闭环系统能够实时协调提高干扰抑制性能与满足控制量约束之间的矛盾;在理论上证明了闭环系统的稳定性、H∞抗干扰性能和满足控制约束。智能科学与技术系(4)滚动时域跟踪控制策略干扰影响起始点外部干扰051015202530354045500.050.10.150.20.25Online降低性能满足约束图9跟踪‘8’字期望轨迹。大干扰作用时，自动降低性能指标以便满足约束；大干扰消失后，自动提高性能指标。智能科学与技术系(5)软故障补偿的自适应粒子滤波技术针对轮式移动机器人软故障补偿问题(软故障包括航迹推算传感器故障/车轮受阻、打滑等)，提出了一种自适应粒子滤波框架，将领域依赖的建议分布自适应和领域独立的粒子数目自适应两种机制有机结合起来。其主要创新包括：根据领域相关的残差特征自适应调整建议分布。根据两个粒子集表示的近似分布之间KL距离自适应调整粒子数目。为解决粒子滤波器估计效率与精度之间的矛盾提供了一种可行的解决途径。智能科学与技术系实验平台国家自然科学基金重点项目越野车视频中南移动-1视频月球车视频智能科学与技术系8.2.2异质多移动体的协同工作与重构技术的基础研究ResearchonBasisofSynergeticTechforHeterogeneousMulti-mobileAgents8.2本团队部分移动机器人研究简介本成果由中南大学完成智能科学与技术系引言本研究属于多移动机器人领域的基础问题，其研究成果可供指挥自动化、现代化和信息化建设借鉴。可为城市环境的反恐、交通、工业和服务业等的异质多移动体的协作提供设计理论和技术，并可用于星球探索机器人、矿山探测机器人以及水下机器人等。智能科学与技术系主要研究内容异质多移动体硬件实验平台和软件控制平台异质多移动体协同机制异质多移动体协作环境感知与目标跟踪异质移动体团队组织及通信链重构技术异质移动体协同工作原型仿真平台智能科学与技术系关键词异质，多移动体，协同技术，重构技术（1）异质多移动体硬件实验平台和软件控制平台8.2本团队部分移动机器人研究简介智能科学与技术系异质多移动体的体系结构提出采用分布式与集中式混合的四层递阶式智能控制系统。通过异质移动体间的协作，实现规划决策、三维建模、视觉信息处理、运动控制、制导信息融合等功能。多Agent软件框架层次混合结构支持可重构分层异质多Agent软件体系结构智能科学与技术系子任务行为决策层通信层感知行为层任务规划层环境信息行为用户接口移动体1子任务行为决策层通信层感知行为层任务规划层信息行为移动体2…子任务行为决策层通信层感知行为层任务规划层信息行为移动体n中央控制器全局规划任务分配系统监控异质多移动体体系结构智能科学与技术系异质多移动体的硬件实验平台项目研制了三种机器人硬件平台：MORCS-1机器人共4个子系统，分别为决策支持系统、运动控制系统、激光雷达视觉系统和摄像机视觉系统。MORCS-1及其室内运行实验智能科学与技术系在成功设计出MORCS-1智能机器人原型控制系统及MORCS-2顺利改造的基础上，自主研发了MORCS-3机器人原型控制系统。异质多移动体的硬件实验平台（续）MORCS-2团队MORCS-3实物雏形智能科学与技术系在项目中期还购买了AS-R机器人，同时加入人在内的异质平台，增强了多移动体实验平台的异质性。异质多移动体的硬件实验平台（续）AS-R移动机器人人作为异质成员智能科学与技术系控制台端的功能结构图控制台机器人控制信息界面网络传输基础控制协作任务停驻包围路径规划坐标信息声纳数据机器人信息当前速度环境信息障碍信息全局坐标基础命令发送命令获取信息队形控制客户端机器人控制仿真控制信息界面网络传输基础控制协调控制运动