南邮自动化人工智能8--自动规划30865.pptx
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1、第八章第八章 自动规划自动规划 教学内容:介绍自动规划的基本概念和各种规划系统。教学内容:介绍自动规划的基本概念和各种规划系统。教学重点:机器人规划的作用与任务、积木世界的规划系教学重点:机器人规划的作用与任务、积木世界的规划系 统、基于模拟退火算法的机器人局部路径规划。统、基于模拟退火算法的机器人局部路径规划。教学难点:教学难点:Strips规划系统。规划系统。教学方法:课堂教学为主,注意结合例子来说明抽象概念。教学方法:课堂教学为主,注意结合例子来说明抽象概念。教学要求:本章为选修内容,掌握机器人规划的作用与任教学要求:本章为选修内容,掌握机器人规划的作用与任 务,并一般了解有哪几种规划方
2、法。务,并一般了解有哪几种规划方法。第一节第一节 自动规划概述自动规划概述 8.1.1规划的概念和作用规划的概念和作用1、规划的概念及作用、规划的概念及作用规划的概念:规划的概念:规划是一种重要的问题求解技术,它从某规划是一种重要的问题求解技术,它从某个特定的问题状态出发,寻求一系列行为动作,并建立个特定的问题状态出发,寻求一系列行为动作,并建立一个操作序列,直到求得目标状态为止。一个操作序列,直到求得目标状态为止。规划的作用:规划的作用:规划可用来监控问题求解过程,并能够在规划可用来监控问题求解过程,并能够在造成较大的危害之前发现差错。规划的好处可归纳为简造成较大的危害之前发现差错。规划的好
3、处可归纳为简化搜索、解决目标矛盾以及为差错补偿提供基础。化搜索、解决目标矛盾以及为差错补偿提供基础。战略规划:战略规划:就是组织制定长期目标并将其付诸实施。第就是组织制定长期目标并将其付诸实施。第一阶段确定目标;第二阶段制定规划。一阶段确定目标;第二阶段制定规划。城市规划:城市规划:指城市政府为了实现一定时期内经济社会发指城市政府为了实现一定时期内经济社会发展目标,确定城市性质,规模和发展方向,合理利用土展目标,确定城市性质,规模和发展方向,合理利用土地,协调空间布局和各项建设所作的综合部署和具体安地,协调空间布局和各项建设所作的综合部署和具体安排。排。人生规划:人生规划:根据社会发展的需要和
4、个人发展的志向,对根据社会发展的需要和个人发展的志向,对自己的未来的发展道路做出一种预先的策划和设计。包自己的未来的发展道路做出一种预先的策划和设计。包括健康规划,事业规划,情感规划,晚景规划。括健康规划,事业规划,情感规划,晚景规划。子规划的分层结构例子子规划的分层结构例子 规划的作用:规划的作用:科学规划方法不仅对国家和社会贡献很大,对科学规划方法不仅对国家和社会贡献很大,对于个人学习和工作也极为有益。于个人学习和工作也极为有益。8.1.2规划的分类与问题分解途径规划的分类与问题分解途径 1、规划的分类、规划的分类(1):按规划内容分按规划内容分(2):按规划方法分按规划方法分(3):按规
5、划性质分按规划性质分任务规划任务规划(高层规划高层规划)路径规划路径规划(中层规划中层规划)轨迹规划轨迹规划(底层规划底层规划)2、问题分解途径及方法、问题分解途径及方法把某些较复杂的问题分解为一些较小的子问题。有把某些较复杂的问题分解为一些较小的子问题。有两条实现这种分解的重要途径。两条实现这种分解的重要途径。第一条重要途径是当从一个问题状态移动到下一个第一条重要途径是当从一个问题状态移动到下一个状态时,无需计算整个新的状态,而只要考虑状态中可状态时,无需计算整个新的状态,而只要考虑状态中可能变化了的那些部分。能变化了的那些部分。第二条重要途径是把单一的困难问题分割为几个有第二条重要途径是把
6、单一的困难问题分割为几个有希望的较为容易解决的子问题。希望的较为容易解决的子问题。3、域的预测和规划的修正、域的预测和规划的修正(1)域的预测域的预测规划方法的成功取决于问题论域的另一特性规划方法的成功取决于问题论域的另一特性-预测。如预测。如果通过在实际上执行某个操作序列来寻找问题的解答,那末果通过在实际上执行某个操作序列来寻找问题的解答,那末在这个过程的任何一步都能确信该步的结果。但对于不可预在这个过程的任何一步都能确信该步的结果。但对于不可预测的论域,最好能考虑可能的结果的集合,这些结果很可能测的论域,最好能考虑可能的结果的集合,这些结果很可能按照它们出现的可能性以某个次序排列。然后,产
7、生一个规按照它们出现的可能性以某个次序排列。然后,产生一个规划,并试图去执行这个规划。划,并试图去执行这个规划。(2)规划的修正规划的修正如果规划在执行中失败了,那么就需要对它进行修订,如果规划在执行中失败了,那么就需要对它进行修订,为便于修订,在规划过程中不仅要记下规划的执行步骤,而为便于修订,在规划过程中不仅要记下规划的执行步骤,而且也要记下每一步骤必须且也要记下每一步骤必须被执行的理由被执行的理由。大多规则的执行主。大多规则的执行主要是按目标定向模式工作的。在种模式下,规划系统从目标要是按目标定向模式工作的。在种模式下,规划系统从目标状态向可达到的初始状态进行搜索。状态向可达到的初始状态
8、进行搜索。8.1.3规划系统的任务与方法规划系统的任务与方法 在规划系统中,必须具有执行下列各项任务的方法:在规划系统中,必须具有执行下列各项任务的方法:(1)根据最有效的启发信息,选择应用于下一步的最好规根据最有效的启发信息,选择应用于下一步的最好规则。则。(2)应用所选取的规则来计算由于应用该规则而生成的新应用所选取的规则来计算由于应用该规则而生成的新状态。状态。(3)对所求得的解答进行检验。对所求得的解答进行检验。(4)检验空端,以便舍弃它们,使系统的求解工作向着更检验空端,以便舍弃它们,使系统的求解工作向着更有效的方向进行。有效的方向进行。(空端:即死端,指无法从它到达目标的端点。空端
9、:即死端,指无法从它到达目标的端点。)(5)检验殆正确的解答,并应用具体的技术使之完全正确。检验殆正确的解答,并应用具体的技术使之完全正确。下面讨论能够执行上述下面讨论能够执行上述5项任务的方法。项任务的方法。1、选择和应用规则、选择和应用规则在选择合适的应用规则时最广泛采用的技术是:首先要在选择合适的应用规则时最广泛采用的技术是:首先要查出期望目标状态与现有状态之间的差别集合,然后辨别出那查出期望目标状态与现有状态之间的差别集合,然后辨别出那些与减少这些差别有关的规则。些与减少这些差别有关的规则。2、检验解答与空端、检验解答与空端当规划系统找到一个能够把初始问题状态变换为目标状态当规划系统找
10、到一个能够把初始问题状态变换为目标状态的操作符序列时,此系统就成功地求得问题的一个解答。的操作符序列时,此系统就成功地求得问题的一个解答。如果搜索过程是从初始状态正向推理的,那么可以删去任如果搜索过程是从初始状态正向推理的,那么可以删去任何导致何导致某种状态某种状态的路径,从这种状态出发是的路径,从这种状态出发是无法达到目标状态无法达到目标状态的。(空端)的。(空端)如果搜索过程是从目标状态逆向推理的,那么当确信无法如果搜索过程是从目标状态逆向推理的,那么当确信无法达到初始状态,或者搜索过程进展甚微时,可以终止该路径的达到初始状态,或者搜索过程进展甚微时,可以终止该路径的搜索。搜索。3、修正殆
11、正确解、修正殆正确解一个求解殆可分解问题的办法是:当执行与所提出的解答一个求解殆可分解问题的办法是:当执行与所提出的解答相对应的操作符序列时,检查求得的状态,并把它与期望目相对应的操作符序列时,检查求得的状态,并把它与期望目标加以比较。标加以比较。修正一个殆正确的解答的修正一个殆正确的解答的较好较好办法是办法是:注意有关出错的知注意有关出错的知识,然后加以直接修正。识,然后加以直接修正。修正一个殆正确的解答的修正一个殆正确的解答的更好更好办法是办法是:实际上不是对解答实际上不是对解答进行全面的修正进行全面的修正,而是不完全确定地让它们保留到最后的可能而是不完全确定地让它们保留到最后的可能时刻。
12、时刻。第二节第二节 任务规划任务规划8.2.1积木世界的机器人问题积木世界的机器人问题 机器人问题既比较简单,又很直观。在机器人问题的机器人问题既比较简单,又很直观。在机器人问题的典型表示中,机器人能够执行一套动作。典型表示中,机器人能够执行一套动作。在这个例子中机器人能够执行的动作举例如下:在这个例子中机器人能够执行的动作举例如下:unstack(a,b):把堆放在积木:把堆放在积木b上的积木上的积木a拾起。在拾起。在进行这个动作之前,要求进行这个动作之前,要求机器人的手为空手机器人的手为空手,而且,而且积木积木a的顶上是空的的顶上是空的。stack(a,b):把积木把积木a堆放在积木堆放在
13、积木b上。动作之前要求上。动作之前要求机械手必须已抓住积木机械手必须已抓住积木a,而且,而且积木积木b顶上必须是空的顶上必须是空的。pickup(a):从桌面上拾起积木从桌面上拾起积木a,并抓住它不放。,并抓住它不放。在动作之前要求在动作之前要求机械手为空手机械手为空手,而且,而且积木积木a顶上没有任何顶上没有任何东西东西。putdown(a):把积木把积木a放置到桌面上。要求动作之前放置到桌面上。要求动作之前机械手已抓住积木机械手已抓住积木a。采用状态描述作为数据库的产生式系统是一种最简单的采用状态描述作为数据库的产生式系统是一种最简单的问题求解系统。机器人问题的状态描述和目标描述均可用谓问
14、题求解系统。机器人问题的状态描述和目标描述均可用谓词逻辑公式构成。为了指定机器人所执行的操作和执行操作词逻辑公式构成。为了指定机器人所执行的操作和执行操作的结果,需要应用下列谓词:的结果,需要应用下列谓词:ON(a,b):积木积木a在积木在积木b之上。之上。ONTABLE(a):积木积木a在桌面上。在桌面上。CLEAR(a):积木积木a顶上没有任何东西。顶上没有任何东西。HOLDING(a):机械手正抓住积木机械手正抓住积木a。HANDEMPTY:械手为空手。械手为空手。举例:积木世界由一些有标记的立方形积木,互相堆迭在一举例:积木世界由一些有标记的立方形积木,互相堆迭在一起构成;机器人有个可
15、移动的机械手,它可以抓起积起构成;机器人有个可移动的机械手,它可以抓起积木块并移动积木从一处至另一处。木块并移动积木从一处至另一处。提问:请同学就图提问:请同学就图8.1积木世界的机器人问题应用谓词公式积木世界的机器人问题应用谓词公式的合取描述此目标为:的合取描述此目标为:ON(B,C)ON(A,B)。?初始状态的描述初始状态的描述:图图8.1积木世界的机器人问题积木世界的机器人问题8.2.2用用F规则求解规划序列规则求解规划序列 采用采用F规则表示机器人的动作,这是一个叫做规则表示机器人的动作,这是一个叫做STRIPS规划系统的规则,它由规划系统的规则,它由3部分组成。部分组成。第一部分是先
16、决条件。第一部分是先决条件。为了使为了使F规则能够应用到状态描述中去。规则能够应用到状态描述中去。第二部分是一个叫做删除表的谓词。第二部分是一个叫做删除表的谓词。当一条规则被应用于某个状态描述或数据库时,当一条规则被应用于某个状态描述或数据库时,就从该数据库删去删除表的内容。就从该数据库删去删除表的内容。第三部分叫做添加表。第三部分叫做添加表。当把某条规则应用于某数据库时,就把该添加表当把某条规则应用于某数据库时,就把该添加表的内容添进该数据库。的内容添进该数据库。对于堆积木的例子中对于堆积木的例子中 move 这个动作可以表示如下:这个动作可以表示如下:move(x,y,z):把物体把物体
17、x 从物体从物体 y 上面移到物体上面移到物体 z 上面。上面。先决条件:先决条件:CLEAR(x),CLEAR(z),ON(x,y)删除表:删除表:ON(x,y),CLEAR(z)添加表:添加表:ON(x,z),CLEAR(y)如果如果movemove为此机器人仅有的操作符或适用动作,那为此机器人仅有的操作符或适用动作,那么,可以生成如下图所示的搜索图或搜索树:么,可以生成如下图所示的搜索图或搜索树:8.2 8.2 表示表示 move move 动作的搜索树动作的搜索树 下面更具体地考虑图下面更具体地考虑图8.1 中所示的例子,机器人的中所示的例子,机器人的 4 个动作个动作(或操作符或操作
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