智聯(lián)網(wǎng)汽車技術(shù) 課件 8.4有限狀態(tài)機(jī)法

有限狀態(tài)機(jī)法項(xiàng)目三汽車決策控制系統(tǒng)任務(wù)8智能決策系統(tǒng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)主講人：曾鑫課程導(dǎo)入A環(huán)境感知B規(guī)劃決策C控制執(zhí)行決策控制系統(tǒng)中，一個(gè)核心問(wèn)題是如何設(shè)計(jì)汽車的決策模塊，使汽車能根據(jù)不同的駕駛環(huán)境狀況，做出正確的決策行為。學(xué)習(xí)目標(biāo)理解什么是有限狀態(tài)機(jī)，說(shuō)明它的概念、組成、分類和應(yīng)用方法。設(shè)計(jì)一個(gè)汽車決策系統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)模型01學(xué)習(xí)任務(wù)根據(jù)不同的駕駛場(chǎng)景，定義各種狀態(tài)01根據(jù)事件條件設(shè)定狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系，以及各狀態(tài)的動(dòng)作執(zhí)行模塊02激活舊知自動(dòng)駕駛汽車的核心系統(tǒng)包含哪些部件嗎？它們各自的作用是什么？先在導(dǎo)航軟件中輸入目的地不同路徑的距離和預(yù)計(jì)用時(shí)對(duì)各條路徑進(jìn)行對(duì)比分析選擇最合適的一條進(jìn)行導(dǎo)航探索新知概念有限狀態(tài)機(jī)（Finite-StateMachine，簡(jiǎn)稱FSM）又被稱為有限自動(dòng)機(jī)，是用于描述特定狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移和動(dòng)作轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型。探索新知概念1、總體的狀態(tài)數(shù)量為有限個(gè)一個(gè)狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)不能包含無(wú)限多個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)的個(gè)數(shù)是有限的。探索新知概念2、在任意時(shí)刻狀態(tài)機(jī)都處于一個(gè)特定的狀態(tài)下一個(gè)狀態(tài)機(jī)在某一時(shí)刻只會(huì)處于一個(gè)狀態(tài)，不可能同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)。探索新知概念3、當(dāng)特定的事件發(fā)生滿足轉(zhuǎn)移條件，觸發(fā)了狀態(tài)轉(zhuǎn)移后，還會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)機(jī)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)的條件被滿足時(shí)，就會(huì)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移；在轉(zhuǎn)移的同時(shí)，狀態(tài)機(jī)還會(huì)進(jìn)行某個(gè)動(dòng)作或操作。探索新知概念3、當(dāng)特定的事件發(fā)生滿足轉(zhuǎn)移條件，觸發(fā)了狀態(tài)轉(zhuǎn)移后，還會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作當(dāng)前是紅燈時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)束事件發(fā)生，就會(huì)由紅燈狀態(tài)轉(zhuǎn)移到綠燈狀態(tài)，并切換交通燈的顏色。一個(gè)交通燈狀態(tài)機(jī)包含紅燈、綠燈兩個(gè)狀態(tài)停車換道超車避讓緩慢行駛狀態(tài)機(jī)模型通過(guò)構(gòu)建有限的有向連通圖來(lái)描述不同的駕駛狀態(tài)以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系，從而根據(jù)駕駛狀態(tài)的遷移反應(yīng)式地生成駕駛動(dòng)作。探索新知組成狀態(tài)A轉(zhuǎn)移B事件C動(dòng)作D探索新知組成用于描述對(duì)象的形態(tài)一個(gè)量，存在于整個(gè)過(guò)程之間，分別有初始狀態(tài)、最終狀態(tài)、轉(zhuǎn)移后狀態(tài)等，系統(tǒng)處于某種狀態(tài)是由特定的事件觸發(fā)所來(lái)決定的。狀態(tài)描述了狀態(tài)機(jī)在某一個(gè)時(shí)刻的情況。狀態(tài)導(dǎo)致有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)發(fā)生變化的輸入，通常是由特定的轉(zhuǎn)換過(guò)程和特定的輸入格式。事件是外部對(duì)狀態(tài)機(jī)的刺激或觸發(fā)。事件探索新知組成各個(gè)狀態(tài)間可以相互切換的轉(zhuǎn)換路徑，特定的事件發(fā)生滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件則就會(huì)在相應(yīng)的狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移描述了在發(fā)生某事件時(shí)，狀態(tài)從一個(gè)轉(zhuǎn)到另一個(gè)的過(guò)程。轉(zhuǎn)移表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移后執(zhí)行的具體操作行為，也是有限狀態(tài)機(jī)不可以分割的一部分。動(dòng)作發(fā)生在轉(zhuǎn)移的同時(shí)。動(dòng)作探索新知組成一個(gè)交通燈狀態(tài)機(jī)，紅燈是其中一個(gè)狀態(tài)，計(jì)時(shí)結(jié)束是事件，從紅燈到綠燈是轉(zhuǎn)移，切換燈光顏色是動(dòng)作，狀態(tài)、事件、轉(zhuǎn)移和動(dòng)作共同構(gòu)成一個(gè)狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)。探索新知分類串聯(lián)式并聯(lián)式混聯(lián)式有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)分解探索新知分類1、串聯(lián)式結(jié)構(gòu)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的有限狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)，是指輸出僅僅和系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)，與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)。其子狀態(tài)按照串聯(lián)結(jié)構(gòu)連接，狀態(tài)轉(zhuǎn)移大多為單向，不構(gòu)成環(huán)路。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)如一個(gè)程序流程圖，從開(kāi)始狀態(tài)執(zhí)行到結(jié)束狀態(tài)，狀態(tài)間線性連接。這種結(jié)構(gòu)邏輯明確、規(guī)劃推理能力強(qiáng)，但對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的適應(yīng)性較差。聯(lián)式結(jié)構(gòu)的有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)組合邏輯輸入狀態(tài)寄存器輸出邏輯輸出并聯(lián)式結(jié)構(gòu)各子狀態(tài)相對(duì)獨(dú)立，根據(jù)不同輸入激活不同狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)遍歷狀態(tài)廣，模塊性好，但系統(tǒng)缺乏時(shí)序性，狀態(tài)劃分容易出現(xiàn)灰色地帶。探索新知分類2、并聯(lián)式結(jié)構(gòu)并聯(lián)式結(jié)構(gòu)是指輸出與系統(tǒng)狀態(tài)和輸入均有關(guān)系的有限狀態(tài)機(jī)。各子狀態(tài)輸入、輸出呈現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同輸入信息，可直接進(jìn)入不同子狀態(tài)進(jìn)行處理并提供輸出。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)狀態(tài)機(jī)原理圖狀態(tài)組合邏輯輸入狀態(tài)寄存器輸出組合邏輯輸出探索新知分類3、并聯(lián)式結(jié)構(gòu)混聯(lián)結(jié)構(gòu)既有串聯(lián)又有并聯(lián)，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)。它層級(jí)化連接狀態(tài)，典型方法是頂層并聯(lián)，底層串聯(lián)?；炻?lián)結(jié)構(gòu)層級(jí)清晰，可處理復(fù)雜情況，是較典型的狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)。探索新知應(yīng)用有限狀態(tài)機(jī)法是經(jīng)典的決策方法，因其實(shí)用性與穩(wěn)定性在無(wú)人車決策系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，目前已比較成熟。探索新知應(yīng)用010203040506070809010203040506070809初始狀態(tài)結(jié)束任務(wù)擁堵路段行駛掉頭向前行駛躲避障礙車道跟隨路口處理停車等待探索新知應(yīng)用在FSM中，每一個(gè)駕駛狀態(tài)對(duì)應(yīng)智能汽車的一個(gè)駕駛行為，隨著駕駛行為的分類增多，狀態(tài)轉(zhuǎn)移的復(fù)雜程度成倍攀升，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)混亂，由此產(chǎn)生了層次狀態(tài)機(jī)(HierarchicalStateMachine，HSM)。探索新知應(yīng)用HSM為了應(yīng)對(duì)狀態(tài)過(guò)多的問(wèn)題，將其進(jìn)行分類，卡內(nèi)基梅龍大學(xué)開(kāi)發(fā)的Boss無(wú)人車采用的HSM模型。根據(jù)場(chǎng)景分為車道保持行為、交叉路口應(yīng)對(duì)行為和實(shí)現(xiàn)車輛指定姿態(tài)，再根據(jù)車輛可能的采取的行為對(duì)每個(gè)上層行為匹配相應(yīng)的下層行為。探索新知應(yīng)用中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研發(fā)的智能駕駛II號(hào)行為決策系統(tǒng)也采用了HSM模型。HSM通過(guò)上下層狀態(tài)配合，實(shí)現(xiàn)決策的層次化，使?fàn)顟B(tài)機(jī)可以處理更復(fù)雜的情況。即時(shí)檢測(cè)小測(cè)試你對(duì)有限狀態(tài)機(jī)的概念、組成、分類和應(yīng)用掌握了多少呢？請(qǐng)問(wèn)有