描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787121349447
内容简介
本书在“软件人”及其系统研究成果与实现技术的基础上，将宿主“软件人”和附体“软件人”引入机器人系统，给出一种“软件人”与机器人合一的技术解决方案，旨在解决现有机器人控制系统封闭、可扩展性差的问题。本书适用于从事计算机科学、控制科学、智能科学及相关领域的科学研究人员和工程应用人员使用，也可供高等院校计算机、自动化、智能科学技术等相关专业师生参考。
目 录
目 录
第1章 绪论 1
1.1 大系统控制论 2
1.1.1 广义知识表达方法 2
1.1.2 大系统协调控制理论 3
1.2 开放式机器人系统 3
1.3 “软件人”相关理论综述 5
1.3.1 “软件人”的概念模型 5
1.3.2 “软件人”个体构造原型 6
1.4 博弈论 7
1.5 本章小结 8
第2章 “软件人”与机器人合一系统的总体设计 9
2.1 合一系统的体系结构框架 10
2.2 合一机制下机器人平台体系结构 12
2.2.1 宿主“软件人”对机器人系统的构造 13
2.2.2 宿主“软件人”管理守护机制的建立 13
2.2.3 合一机制下“软件人”平台的扩展 14
2.3 本章小结 14
第3章 守护“软件人”的构造原理与技术 15
3.1 守护“软件人”的启动 16
3.1.1 守护“软件人”初始化流程 16
3.1.2 守护“软件人”初始化语言 19
3.2 守护“软件人”创建行为 22
3.3 守护“软件人”容错机制 25
3.3.1 “软件人”重新启动 25
3.3.2 检查点容错机制 27
3.4 守护“软件人”对任务部署的支持 30
3.4.1 守护“软件人”任务系统部署框架 30
3.4.2 “软件人”任务系统部署描述语言 31
3.4.3 基于QoS的部署规划 33
3.4.4 分布式并行部署实施 35
3.5 本章小结 37
第4章 消息“软件人”的构造原理与技术 39
4.1 分布式“软件人”系统通信框架 40
4.2 消息“软件人”通信信道建立行为 43
4.2.1 “软件人”通信协议栈 43
4.2.2 “软件人”通信信道 45
4.3 消息“软件人”的命名服务行为 49
4.3.1 消息“软件人”的命名与定位 49
4.3.2 消息“软件人”消息转发机制 51
4.3.3 消息“软件人”通知消息 55
4.4 本章小结 56
第5章 管理“软件人”的构造原理与技术 57
5.1 “软件人”系统中的知识模型 58
5.2 管理“软件人”知识模型 59
5.3 管理“软件人”行为规范 61
5.3.1 SM.man对SM.fun的行为控制 61
5.3.2 环境资源感知行为 65
5.3.3 决策规则推理行为 66
5.3.4 社区任务管理行为 67
5.4 基于SOECAP模型的决策推理 69
5.4.1 SOECAP规则模型 70
5.4.2 规则冲突问题描述 72
5.4.3 SOECAP规则冲突检测 73
5.4.4 SOECAP规则冲突消解 74
5.4.5 系统管理规则的优化与生成 76
5.5 本章小结 78
第6章 功能“软件人”的构造原理与技术 79
6.1 功能“软件人”知识模型 80
6.2 功能“软件人”行为规范 82
6.2.1 功能“软件人”服务行为规范 82
6.2.2 功能“软件人”任务行为规范 83
6.3 基于知识表示的“软件人”交互 88
6.3.1 “软件人”通信语言的格式 89
6.3.2 “软件人”通信原语 89
6.3.3 “软件人”通信语言内容 91
6.4 本章小结 93
第7章 宿主“软件人”的构造原理与技术 95
7.1 宿主“软件人”知行模型 96
7.1.1 “软件人”知行模型定义 97
7.1.2 “软件人”知识行为一体化描述 98
7.2 宿主“软件人”体系结构设计 100
7.3 宿主“软件人”知识行为一体化描述模型 102
7.4 宿主“软件人”服务行为描述 104
7.4.1 系统初始化行为 105
7.4.2 通信信道建立行为 105
7.4.3 迁移接收行为 106
7.4.4 硬件抽象层服务行为 107
7.4.5 节点容错机制 109
7.4.6 对附体“软件人”的控制行为 110
7.4.7 环境资源感知行为 111
7.5 宿主“软件人”的实现技术 112
7.5.1 宿主“软件人”知识模型实现 112
7.5.2 宿主“软件人”服务行为实现 115
7.6 本章小结 118
第8章 附体“软件人”的构造原理与技术 119
8.1 附体“软件人”体系结构设计 120
8.2 附体“软件人”知识行为一体化描述模型 121
8.3 附体“软件人”行为描述 123
8.3.1 附体“软件人”服务行为描述 123
8.3.2 附体“软件人”任务行为描述 124
8.4 基于知行模型的“软件人”知识通信 126
8.4.1 层次结构 126
8.4.2 层次结构设计 127
8.5 附体“软件人”的实现技术 131
8.5.1 附体“软件人”知识模型实现 131
8.5.2 附体“软件人”的加载与解析 133
8.5.3 附体“软件人”的迁移 135
8.6 本章小结 137
第9章 合一系统中多任务的动态分配 139
9.1 任务描述与分解 140
9.1.1 任务描述 140
9.1.2 任务分解 142
9.2 动态任务协调分配机制与算法 145
9.2.1 多任务争用冲突资源分配模型 146
9.2.2 资源需求长度计算算法 147
9.3 资源权重的自适应调整方法 148
9.4 本章小结 151
第10章 合一系统中“软件人”群体协作的实现与应用 153
10.1 基于树莓派的移动机器人控制系统搭建 154
10.2 移动机器人与服务器间通信机制的实现 156
10.3 协作算法实现 161
10.4 “软件人”群体协作机制的性能评测 164
10.5 本章小结 166
第11章 结论 167
参考文献 169
第1章 绪论 1
1.1 大系统控制论 2
1.1.1 广义知识表达方法 2
1.1.2 大系统协调控制理论 3
1.2 开放式机器人系统 3
1.3 “软件人”相关理论综述 5
1.3.1 “软件人”的概念模型 5
1.3.2 “软件人”个体构造原型 6
1.4 博弈论 7
1.5 本章小结 8
第2章 “软件人”与机器人合一系统的总体设计 9
2.1 合一系统的体系结构框架 10
2.2 合一机制下机器人平台体系结构 12
2.2.1 宿主“软件人”对机器人系统的构造 13
2.2.2 宿主“软件人”管理守护机制的建立 13
2.2.3 合一机制下“软件人”平台的扩展 14
2.3 本章小结 14
第3章 守护“软件人”的构造原理与技术 15
3.1 守护“软件人”的启动 16
3.1.1 守护“软件人”初始化流程 16
3.1.2 守护“软件人”初始化语言 19
3.2 守护“软件人”创建行为 22
3.3 守护“软件人”容错机制 25
3.3.1 “软件人”重新启动 25
3.3.2 检查点容错机制 27
3.4 守护“软件人”对任务部署的支持 30
3.4.1 守护“软件人”任务系统部署框架 30
3.4.2 “软件人”任务系统部署描述语言 31
3.4.3 基于QoS的部署规划 33
3.4.4 分布式并行部署实施 35
3.5 本章小结 37
第4章 消息“软件人”的构造原理与技术 39
4.1 分布式“软件人”系统通信框架 40
4.2 消息“软件人”通信信道建立行为 43
4.2.1 “软件人”通信协议栈 43
4.2.2 “软件人”通信信道 45
4.3 消息“软件人”的命名服务行为 49
4.3.1 消息“软件人”的命名与定位 49
4.3.2 消息“软件人”消息转发机制 51
4.3.3 消息“软件人”通知消息 55
4.4 本章小结 56
第5章 管理“软件人”的构造原理与技术 57
5.1 “软件人”系统中的知识模型 58
5.2 管理“软件人”知识模型 59
5.3 管理“软件人”行为规范 61
5.3.1 SM.man对SM.fun的行为控制 61
5.3.2 环境资源感知行为 65
5.3.3 决策规则推理行为 66
5.3.4 社区任务管理行为 67
5.4 基于SOECAP模型的决策推理 69
5.4.1 SOECAP规则模型 70
5.4.2 规则冲突问题描述 72
5.4.3 SOECAP规则冲突检测 73
5.4.4 SOECAP规则冲突消解 74
5.4.5 系统管理规则的优化与生成 76
5.5 本章小结 78
第6章 功能“软件人”的构造原理与技术 79
6.1 功能“软件人”知识模型 80
6.2 功能“软件人”行为规范 82
6.2.1 功能“软件人”服务行为规范 82
6.2.2 功能“软件人”任务行为规范 83
6.3 基于知识表示的“软件人”交互 88
6.3.1 “软件人”通信语言的格式 89
6.3.2 “软件人”通信原语 89
6.3.3 “软件人”通信语言内容 91
6.4 本章小结 93
第7章 宿主“软件人”的构造原理与技术 95
7.1 宿主“软件人”知行模型 96
7.1.1 “软件人”知行模型定义 97
7.1.2 “软件人”知识行为一体化描述 98
7.2 宿主“软件人”体系结构设计 100
7.3 宿主“软件人”知识行为一体化描述模型 102
7.4 宿主“软件人”服务行为描述 104
7.4.1 系统初始化行为 105
7.4.2 通信信道建立行为 105
7.4.3 迁移接收行为 106
7.4.4 硬件抽象层服务行为 107
7.4.5 节点容错机制 109
7.4.6 对附体“软件人”的控制行为 110
7.4.7 环境资源感知行为 111
7.5 宿主“软件人”的实现技术 112
7.5.1 宿主“软件人”知识模型实现 112
7.5.2 宿主“软件人”服务行为实现 115
7.6 本章小结 118
第8章 附体“软件人”的构造原理与技术 119
8.1 附体“软件人”体系结构设计 120
8.2 附体“软件人”知识行为一体化描述模型 121
8.3 附体“软件人”行为描述 123
8.3.1 附体“软件人”服务行为描述 123
8.3.2 附体“软件人”任务行为描述 124
8.4 基于知行模型的“软件人”知识通信 126
8.4.1 层次结构 126
8.4.2 层次结构设计 127
8.5 附体“软件人”的实现技术 131
8.5.1 附体“软件人”知识模型实现 131
8.5.2 附体“软件人”的加载与解析 133
8.5.3 附体“软件人”的迁移 135
8.6 本章小结 137
第9章 合一系统中多任务的动态分配 139
9.1 任务描述与分解 140
9.1.1 任务描述 140
9.1.2 任务分解 142
9.2 动态任务协调分配机制与算法 145
9.2.1 多任务争用冲突资源分配模型 146
9.2.2 资源需求长度计算算法 147
9.3 资源权重的自适应调整方法 148
9.4 本章小结 151
第10章 合一系统中“软件人”群体协作的实现与应用 153
10.1 基于树莓派的移动机器人控制系统搭建 154
10.2 移动机器人与服务器间通信机制的实现 156
10.3 协作算法实现 161
10.4 “软件人”群体协作机制的性能评测 164
10.5 本章小结 166
第11章 结论 167
参考文献 169
前 言
自20世纪60年代机械手诞生以来，机器人技术一直是学术界和工业界的研究热点。世界各国纷纷把突破机器人技术和发展机器人产业放在科技发展的首要位置，并制定各自的发展战略规划。2012年，美国国家科学基金会（NSF）提出了一项新的跨机构资助计划—国家机器人技术计划（NRI），美国国家科学基金会与美国国家宇航局、美国国立卫生研究院、美国农业部一起开发协助人们工作的机器人，甚至是与人类合作的下一代机器人。2006年，我国发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，明确指出把机器人作为未来优先发展的战略技术。
机器人技术集机械、信息、材料、智能控制、生物医学等多学科于一体。机器人控制系统负责机器人的智能、推理、任务规划等，它是机器人技术研究的核心部分。传统的机器人控制系统采用封闭式的方法，其控制系统采用专用微处理器、专用机器人语言或专用的计算机独立开发。采用封闭式控制系统的机器人虽然具有结构简单、可靠性高的特点，但随着机器人应用领域的不断扩大，其可扩展性差、软件难移植、可复用性低等局限性日益凸显。因此，如何构建开放、标准化、模块化的机器人控制系统，以及如何提高机器人的柔性、可配置性、可扩展性、可移植性和复用性等，成为机器人研究的关键。
目前, 世界上大多数商业机器人控制器普遍采用上位机、下位机二级分布式的开放控制系统。上位机负责整个系统管理、运动学计算、轨迹规划等。下位机由多个CPU组成，每个CPU控制一个关节运动，这些CPU通过总线形式的紧耦合与主控机联系，这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高。但是，由于上位机和下位机存在共同的弱点—计算负担重、实时性差，因此，大多机器人采用离线规划和前馈补偿解耦等方法减轻实时控制中的计算负担。当机器人在运行中受到干扰时，由于无法及时调整，其任务完成情况可能受到一定影响。同时，采用上位机、下位机的方法，虽然提高了机器人控制系统的可扩展性和复用性等，但这种主控式的方法无法完成机器人功能的动态配置与在线重构。
近年来，在软计算、智能化领域中，“软件人”是发展较快的研究方向。从理论构造和实现来说，它是软件领域中“智体（Agent）”和“对象”的升华，是将人工生命、人工社会研究方法与现有Agent研究成果结合起来的网络世界中的虚拟机器人，学习与进化特征是其区别于Agent的关键。与通常的Agent相比，它更富有“人工生命”的特性和活性，尤其是具有拟人的智能和情感，能够模拟人的功能和行为，并能扩展和延伸人的行为，代理人类置身、穿梭于各种计算机网络和软件世界；同时，“软件人”具有拟人的自主性、主动性，可根据任务需求、环境的变化，自主决策产生行为意图，主动为用户提供个性化服务。前人已经成功在微型计算机上构造出“软件人”系统。本书提出“软件人”与机器人合一机制，将“软件人”的拟人功能和拟人行为融入机器人控制系统，构建一种新的机器人嵌入式系统体系结构。机器人系统与“软件人”系统的融合—“合一系统”的思想：针对机器人控制平台封闭式结构的局限性，将“软件人”引入机器人控制系统，构造以宿主“软件人”为信息处理和管理守护中心、附体“软件人”为机器人功能控制中心、机器人为传感载体和末端执行机构的平台，构建开放的分布式体系结构，在机器人与微型计算机之间构造对等、柔性、动态的协同模式，实现对机器人功能的动态配置与在线重构，进一步提升机器人系统的柔性智能能力，改善其环境的适应协调能力。
本书在“软件人”及其系统研究成果与实现技术的基础上，将宿主“软件人”和附体“软件人”引入机器人系统，给出一种“软件人”与机器人合一的技术解决方案，旨在解决现有机器人控制系统封闭、可扩展性差的问题。本书适合从事计算机科学、控制科学、智能科学及相关领域科学研究人员和工程应用人员使用，也可供高等院校和科研院所计算机、自动化、智能科学等相关专业师生参考。
本书共11章，第1章和第2章由曾广平执笔，主要介绍“软件人”系统与机器人控制系统合一机制的总体设计；第3章和第4章由肖超恩执笔，主要介绍守护“软件人”和消息“软件人”的构造原理与技术；第5～11章由张青川执笔，主要介绍管理“软件人”、功能“软件人”、宿主“软件人”和附体“软件人”的构造原理与技术，以及合一系统简介。
机器人技术集机械、信息、材料、智能控制、生物医学等多学科于一体。机器人控制系统负责机器人的智能、推理、任务规划等，它是机器人技术研究的核心部分。传统的机器人控制系统采用封闭式的方法，其控制系统采用专用微处理器、专用机器人语言或专用的计算机独立开发。采用封闭式控制系统的机器人虽然具有结构简单、可靠性高的特点，但随着机器人应用领域的不断扩大，其可扩展性差、软件难移植、可复用性低等局限性日益凸显。因此，如何构建开放、标准化、模块化的机器人控制系统，以及如何提高机器人的柔性、可配置性、可扩展性、可移植性和复用性等，成为机器人研究的关键。
目前, 世界上大多数商业机器人控制器普遍采用上位机、下位机二级分布式的开放控制系统。上位机负责整个系统管理、运动学计算、轨迹规划等。下位机由多个CPU组成，每个CPU控制一个关节运动，这些CPU通过总线形式的紧耦合与主控机联系，这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高。但是，由于上位机和下位机存在共同的弱点—计算负担重、实时性差，因此，大多机器人采用离线规划和前馈补偿解耦等方法减轻实时控制中的计算负担。当机器人在运行中受到干扰时，由于无法及时调整，其任务完成情况可能受到一定影响。同时，采用上位机、下位机的方法，虽然提高了机器人控制系统的可扩展性和复用性等，但这种主控式的方法无法完成机器人功能的动态配置与在线重构。
近年来，在软计算、智能化领域中，“软件人”是发展较快的研究方向。从理论构造和实现来说，它是软件领域中“智体（Agent）”和“对象”的升华，是将人工生命、人工社会研究方法与现有Agent研究成果结合起来的网络世界中的虚拟机器人，学习与进化特征是其区别于Agent的关键。与通常的Agent相比，它更富有“人工生命”的特性和活性，尤其是具有拟人的智能和情感，能够模拟人的功能和行为，并能扩展和延伸人的行为，代理人类置身、穿梭于各种计算机网络和软件世界；同时，“软件人”具有拟人的自主性、主动性，可根据任务需求、环境的变化，自主决策产生行为意图，主动为用户提供个性化服务。前人已经成功在微型计算机上构造出“软件人”系统。本书提出“软件人”与机器人合一机制，将“软件人”的拟人功能和拟人行为融入机器人控制系统，构建一种新的机器人嵌入式系统体系结构。机器人系统与“软件人”系统的融合—“合一系统”的思想：针对机器人控制平台封闭式结构的局限性，将“软件人”引入机器人控制系统，构造以宿主“软件人”为信息处理和管理守护中心、附体“软件人”为机器人功能控制中心、机器人为传感载体和末端执行机构的平台，构建开放的分布式体系结构，在机器人与微型计算机之间构造对等、柔性、动态的协同模式，实现对机器人功能的动态配置与在线重构，进一步提升机器人系统的柔性智能能力，改善其环境的适应协调能力。
本书在“软件人”及其系统研究成果与实现技术的基础上，将宿主“软件人”和附体“软件人”引入机器人系统，给出一种“软件人”与机器人合一的技术解决方案，旨在解决现有机器人控制系统封闭、可扩展性差的问题。本书适合从事计算机科学、控制科学、智能科学及相关领域科学研究人员和工程应用人员使用，也可供高等院校和科研院所计算机、自动化、智能科学等相关专业师生参考。
本书共11章，第1章和第2章由曾广平执笔，主要介绍“软件人”系统与机器人控制系统合一机制的总体设计；第3章和第4章由肖超恩执笔，主要介绍守护“软件人”和消息“软件人”的构造原理与技术；第5～11章由张青川执笔，主要介绍管理“软件人”、功能“软件人”、宿主“软件人”和附体“软件人”的构造原理与技术，以及合一系统简介。
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