人工智能学习（十一）：机器人学
目錄
10.1 機器人的類別
10.2 交互中的不確定性來源
10.2.1 處理運動行動中的不確定性
10.3 定位
10.4 繪圖
10.5 傳感器上的貝葉斯推理
10.6 運動規(guī)劃
10.1 機器人的類別
操縱器：
機器人的配置由6個數(shù)字指定? 6個自由度（DOF）
6是任意定位末端執(zhí)行器所需的最小數(shù)量。對于動態(tài)系統(tǒng)，為每個自由度增加速度。
移動機器人：
非人體工程學(xué)的機器人：
一輛汽車有更多的DOF（3）而不是控制（2），所以是不符合人體工程學(xué)的。
通常不能在兩個無限接近的配置之間轉(zhuǎn)換。
10.2 交互中的不確定性來源
對于任何互動的移動代理（人類或機器人），有兩個主要的不確定性來源。
- 他們所感知到的一切（感知）
- 他們所做的一切（行動）
所有這些誤差都會無限制地累積起來。
因此，從完美的知識開始，使用誤差非常小的動作移動，在一個無限長的動作序列之后，一個系統(tǒng)將在其位置估計上有無限的誤差。
10.2.1 處理運動行動中的不確定性
使用傳感器來驗證行動（不簡單）。
讓我們來看看一個非常簡單的傳感器——距離傳感器（激光測距儀）。
返回一個數(shù)字，與直線路徑上最近的障礙物相對應(yīng)，直到某個有限的距離。
有一些已知的誤差（非精確的位置）。
有一些已知的假陽性/假陰性率（障礙物是否存在）。
有較小的空間范圍——如果有部分障礙物怎么辦？
有限的時間意味著不能檢查每個位置，一個讀數(shù)對鄰近點的讀數(shù)有什么意義。
傳感器：
測距儀：聲納（陸地、水下）、激光測距儀、雷達（飛機）、觸覺傳感器、GPS
成像傳感器：照相機（視覺、紅外）。
本體感覺傳感器：軸解碼器（關(guān)節(jié)、車輪）、慣性傳感器、力傳感器、扭矩傳感器
傳感器的不確定性的影響：
必須對世界的行為方式做出假設(shè)，才能對讀數(shù)進行解釋。比如說：
- 一些有限分辨率的采樣足以檢測到障礙物（假設(shè)一個障礙物由數(shù)百個稀疏分布的長針腳組成，指向傳感器）。
- 必須了解機器人的結(jié)構(gòu)才能判斷障礙物是什么。
- 給出一些傳感器的讀數(shù)，只有有限的概率是正確的——必須有一些方法來處理這個問題。
10.3 定位
在時間的一個行動導(dǎo)致
狀態(tài)和觀測值
給出觀察結(jié)果，計算當(dāng)前位置和方向（姿勢）。
傳感器模型。使用對地標，的觀測來估計機器人的狀態(tài)。
運動模型。使用其運動和更新狀態(tài)。
假設(shè)有高斯噪聲進行運動預(yù)測，傳感器距離測量。
可以使用粒子過濾來產(chǎn)生近似的位置估計
從機器人位置的統(tǒng)一先驗分布的隨機樣本開始。
使用傳感器測量值更新每個樣本的似然性。
根據(jù)更新的似然性重新取樣。
我們需要使用最新的測量值不斷更新當(dāng)前狀態(tài)的分布。
機器人的狀態(tài)不確定性隨著它的移動而增加，直到我們找到一個地標。
假設(shè)地標是可識別的，否則，后驗是多模態(tài)的。
10.4 繪圖
定位：給定地圖和觀察到的地標，更新姿勢分布。
繪圖：給定姿勢和觀察到的地標，更新地圖分布。
同時定位和繪圖（SLAM）：
給定觀察到的地標，更新姿態(tài)和地圖分布。
SLAM的概率表述：
添加地標位置到狀態(tài)向量，繼續(xù)進行定位。
考慮有8個相同的地標的空間：
當(dāng)再次檢測到第一個地標時：機器人或地標位置沒有不確定性。
10.5 傳感器上的貝葉斯推理
需要一些方法來確定一個障礙物是否存在，給定傳感器的多個測量值。
什么是貝葉斯推理？(修訂)
- 一種在給定一組測量值的情況下，確定一個假設(shè)為真概率的方法。
- 概率信念度。
條件概率的要素（修訂）
在條件B下，A是真的概率。
給定M的情況下H的概率是多少：
- ：H的后驗概率。
- ：的先驗概率。
- ：傳感器模型。
- ：正則化系數(shù)。
正則化：
例子：
障礙物檢測。
- 有障礙物存在的幾率是1/10。
- 探測器有5%的假陽性率和10%的假陰性率。
- 如果檢測器返回陽性結(jié)果，障礙物存在的概率是多少？
- 如果檢測器反饋為負值，障礙物存在的概率是多少？
先驗：
傳感器模型：
如果傳感器返回正值：
如果傳感器返回負值：
貝葉斯法則的增量形式
貝葉斯定律可以被擴展到處理多個測量。
- 給出一組獨立的測量值。
- 假設(shè)的概率是多少？
如果測量是獨立的，可以使用增量形式。
- 給出當(dāng)前的概率分布。
- 和一個新的測量值。
- 更新后的概率分布是什么？
使用增量形式的貝葉斯定律：
例子：
障礙物檢測（再次）。
- 有障礙物存在的幾率是1/10。
- 探測器有5%的假陽性率和10%的假陰性率。
- 如果檢測器返回，存在障礙物的概率是多少？
- 一個陽性？
- 兩個陽性？
- 兩個陽性和一個陰性？
時間順序：
10.6 運動規(guī)劃
思路：在由機器人的DOF定義的配置空間中進行規(guī)劃。
解決方案是自由C空間中的一個點軌跡。
基本問題：狀態(tài)轉(zhuǎn)換為有限狀態(tài)空間。
單元分解：
將空間劃分為簡單的單元。
每個單元都可以 "輕松 "穿越（例如，凸形）。
骨架化：
確定構(gòu)成一個圖的有限數(shù)量的容易連接的點/線，這樣圖上的任何兩個點都由一條路徑連接。
總結(jié)
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