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未来世界畅想丨人工智能和机器人

已有 4599 次阅读 2019-12-9 10:52 |系统分类:科研笔记

对许多人来说,第一次接收人工智能和机器人的概念可能是在电影中——一个智能机器人与人类互动,例如《星球大战》 《wall-E》 《AI》等,这些例子将人工智能和机器人融合在一起,因此可能会让很多人在学习中产生混淆,认为机器人与人工智能是差不多的东西。其实不然。


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人工智能是解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的学科,其研究目的就是实现一种新的能以人类智能相识的方式做出反应的智能机器, 主要研究内容包括机器感知、机器思维、机器学习和机器行为等。而机器人,特别是智能机器人是具有感知、规划、决策等能力,能够独立自主地工作和完成复杂任务的机器人,融合了人工智能、控制论、机械电子等技术。因此,智能机器人的发展离不开人工智能基本原理的指导, 反过来,智能机器人的发展对人工智能将产生新的推动作用。
 

2017年,国务院正式印发《新一代人工智能发展规划》, 该发展规划推进的基本原则是科技引领、系统布局、市场主导、开源开放。把高端人才队伍建设作为人工智能发展的重中之重,坚持培养和引进相结合,完善人工智能教育体系,加强人才储备和梯队建设,形成我国人工智能人才高地。越来越多的高校瞄准人工智能与机器人领域,聚焦核心人才培养,必须要加快该领域科技成果和资源向教育教学转化,推动人工智能和机器人重要方向的教材建设。目前,关于人工智能和机器人方面的学术著作比较多,但缺少合适的教材,特别是将两者内容编入同一本教材,在注重理论基础的同时, 又体现最新技术研究进展的教材非常少。为此,《人工智能与机器人》一书在倪建军主编多年从事智能计算、智能机器人等方面的科研和教学工作,以及为本科生和研究生主讲”智能控制" “智能机器人" 专业基础课讲义的基础上,根据其和研究团队各位老师的科研成果和教学经验,以及与学生的讨论结果,参考其他优秀学术著作和教材编写而成, 力求为广大读者学习人工智能和机器人提供帮助和参考。
 

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全书分为人工智能基础与智能机器人两大部分,共17 章。第一部分(第1~9 章) 主要介绍人工智能的基本概念与发展简史、知识工程、确定性推理、不确定性推理、搜索技术、人工神经网络、机器学习、进化计算与群体智能、分布式人工智能等内容。第二部分(第10~17 章) 主要介绍智能机器人的定义和研究领域、机器人发展简史、机器人感知、机器人定位与建图、机器人导航、机器人路径规划、多机器人系统、仿生智能算法在机器人中的应用、智能机器人设计与开发等内容。每部分既可以单独作为相关课程的教材,也可以作为人工智能原理及应用、智能机器人、智能控制等课程的参考教材。
 
本书由倪建军担任主编,全面负责本书的撰写工作,史朋飞、罗成名参与部分章节的撰写。感谢河海大学范新南教授、朱金秀副教授以及其他兄弟高校相关老师的专业指导和大力支持。本书的出版得到了江苏高校品牌专业建设工程项目(项目编号:PPAY2015B141) 的资助。

作者简介

倪建军

倪建军,博士、教授、博士生导师。现任河海大学电子与信息技术研究所所长,系国家自然科学基金评审专家、国家国际合作专项评审专家、国家科技奖励评审专家、江苏省科技项目评审专家、上海市科技奖励评审专家、IEEE高级会员、ACM会员、中国计算机学会高级会员、中国人工智能学会高级会员、加拿大GUELPH大学与英国ESSEX大学访问学者、江苏省“333工程”中青年科学技术带头人。


主要研究方向为信息获取与处理、机器人、人工智能、机器学习、物联网技术与应用等,先后在国内外顶级期刊和国际会议发表论文100多篇,其中SCI、EI收录50余篇,申请发明专利、软件著作权40余项(已授权发明专利20余项),出版学术专著2部,成果获上海市科技进步奖二等奖1项。


参加和主持过多项科研项目,主要有:国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金项目、国家重点实验室开放研究基金项目、水利部“948”计划项目、江苏省科技成果转化项目、上海市国内科技合作项目、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目、江苏省水利科技项目、常州市科技攻关项目以及20多项企业科技攻关课题。





本文摘编自倪建军、史朋飞、罗成名编著《人工智能与机器人》一书。标题为编者所加。


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《人工智能与机器人》旨在系统介绍人工智能与机器人研究领域的相关基础理论,同时展示国内外最新的研究成果,全书分为人工智能基础与智能机器人两大部分,共17 章。第一部分主要介绍人工智能的基本概念、知识工程、确定性推理、不确定性推理、搜索技术、人工神经网络、机器学习、进化计算与群体智能、分布式人工智能等内容。第二部分主要介绍智能机器人的定义和研究领域、机器人感知、机器人定位与建图、机器人导航、机器人路径规划、多机器人系统、生物启发式方法在机器人中的应用、智能机器人设计与开发等内容。


本书主要作为自动化、机器人、计算机、电子信息、机电一体化等专业高年级本科生、研究生学习人工智能及智能机器人相关课程的教材;也可以供人工智能与机器人相关研究人员和工程技术人员学习参考。

本书目录

目录 
前言 
第一部分 人工智能基础 
第1章 人工智能概述 3 
1.1 人工智能的基本概念 3 
1.1.1 人工智能的定义 3 
1.1.2 人工智能的研究目标 5 
1.2 人工智能发展简史 6 
1.2.1 孕育期 6 
1.2.2 形成期 6 
1.2.3 发展和应用期 8 
1.3 人工智能的不同学派 10 
1.3.1 符号主义学派 10 
1.3.2 联结主义学派 11 
1.3.3 行为主义学派 11 
1.3.4 三大学派的综合集成 12 
1.4 人工智能研究的基本内容 12 
1.5 人工智能的主要研究领域 13 
1.6 人工智能与机器人的关系 21 
课后习题 21 
第2章 知识工程 22 
2.1 知识表示方法 22 
2.1.1 一阶谓词逻辑表示法 22 
2.1.2 产生式表示法 28 
2.1.3 框架表示法 29 
2.1.4 语义网络表示法 32 
2.2 知识获取 38 
2.3 知识管理与知识工程 39 
2.3.1 知识管理 39 
2.3.2 知识工程 39 
2.3.3 知识管理系统 40 
课后习题 41
第3章 确定性推理 43 
3.1 推理方法概述 43 
3.1.1 推理的定义 43 
3.1.2 推理方式分类 43 
3.1.3 推理的控制策略 44 
3.2 自然演绎推理 50 
3.3 归结演绎推理 51 
3.3.1 归结演绎推理的逻辑基础 51 
3.3.2 海伯伦定理 55 
3.3.3 罗宾逊归结原理 56 
3.3.4 归结演绎推理 60 
课后习题 62 
第4章 不确定性推理 64 
4.1 不确定性推理概述 64 
4.2 基本概率方法 65 
4.2.1 贝叶斯理论 65 
4.2.2 简单概率推理 66 
4.3 主观贝叶斯推理 67 
4.3.1 知识不确定性的表示 67 
4.3.2 证据不确定性的表示 68 
4.3.3 组合证据不确定性算法 68 
4.3.4 不确定性的传递算法 69 
4.3.5 结论不确定性的合成算法 70 
4.3.6 主观贝叶斯方法的优缺点 72 
4.4 模糊推理 73 
4.4.1 模糊数学基础 73 
4.4.2 简单模糊推理 76 
4.5 证据理论 79 
4.5.1 证据理论的基本概念 79 
4.5.2 基于证据理论的不确定性推理 80 
4.6 粗糙集理论 82 
课后习题 85 
第5章 搜索技术 87 
5.1 状态空间搜索技术 87 
5.2 盲目搜索策略 90 
5.2.1 广度优先搜索 90 
5.2.2 深度优先搜索 91
5.2.4 代价推进搜索 94 
5.3 启发式搜索算法 96 
5.3.1 启发式搜索算法基本概念 96 
5.3.2 局部择优搜索 97 
5.3.3 全局择优搜索 98 
5.3.4 图的有序搜索算法 100 
课后习题 101 
第6章 人工神经网络 102 
6.1 人工神经网络概述 102 
6.1.1 人工神经网络发展史 102 
6.1.2 人工神经网络特点 103 
6.2 人工神经网络基本原理 104 
6.2.1 神经元数学模型 104 
6.2.2 人工神经元转移函数 105 
6.2.3 人工神经网络分类 107 
6.3 人工神经网络主要算法 109 
6.3.1 BP神经网络 109 
6.3.2 RBF神经网络 111 
6.3.3 Hop-eld神经网络 113 
6.3.4 自组织神经网络 115 
6.4 模糊神经网络 117 
课后习题 120 
第7章 机器学习 121 
7.1 机器学习概述 121 
7.1.1 机器学习的主要策略 122 
7.1.2 机器学习系统的基本结构 122 
7.2 决策树学习 123 
7.3 贝叶斯学习 127 
7.3.1 贝叶斯公式的密度函数形式 127 
7.3.2 贝叶斯法则 128 
7.3.3 朴素贝叶斯学习 129 
7.3.4 贝叶斯信念网 129 
7.4 统计学习 131 
7.4.1 机器学习问题表示 131 
7.4.2 学习过程的一致性条件 132 
7.4.3 函数集的学习性能与VC维 133 
7.4.4 推广性的界 134 
7.4.5 结构风险最小化 134
7.4.6 支持向量机 135 
7.5 强化学习 137 
7.5.1 强化学习概述 137 
7.5.2 Q学习 139 
7.5.3 强化学习存在的问题 139 
7.6 深度学习 140 
7.6.1 深度学习概述 140 
7.6.2 深度学习与神经网络 140 
7.6.3 深度学习的常用模型 141 
课后习题 143 
第8章 进化计算与群体智能 144 
8.1 遗传算法 144 
8.1.1 遗传算法概述 144 
8.1.2 遗传算法原理 145 
8.1.3 遗传算法优缺点 147 
8.1.4 遗传算法举例 148 
8.2 进化策略 151 
8.2.1 进化策略概述 151 
8.2.2 (1+1)-ES算法 152 
8.2.3 进化策略算法演变 152 
8.2.4 一般进化策略算法 154 
8.3 蚁群算法 154 
8.3.1 蚁群算法概述 154 
8.3.2 蚁群算法基本原理 155 
8.3.3 蚁群算法基本步骤 156 
8.3.4 蚁群算法优缺点 158 
8.4 粒子群优化算法 159 
8.4.1 粒子群优化算法概述 159 
8.4.2 PSO基本工作原理 159 
8.4.3 PSO优缺点 161 
8.4.4 应用举例 162 
课后习题 164 
第9章 分布式人工智能 165 
9.1 分布式人工智能概述 165 
9.1.1 分布式人工智能的特点 165 
9.1.2 分布式人工智能的研究与发展 166 
9.2 Agent简介 168 
9.2.1 Agent的基本概念 168
9.2.2 Agent的模型与结构 169 
9.3 多Agent学习 172 
9.3.1 多Agent学习概述 172 
9.3.2 多Agent-Q学习算法 173 
9.4 多Agent协调 174 
9.4.1 基本概念 174 
9.4.2 合同网模型 175 
课后习题 177 
第二部分 智能机器人 
第10章 智能机器人概述 181 
10.1 机器人发展简史 181 
10.2 机器人分类 186 
10.2.1 按发展程度分类 186 
10.2.2 按负载能力分类 187 
10.2.3 按开发内容和目的分类 187 
10.2.4 按应用领域分类 188 
10.3 机器人定义和主要特征 190 
10.3.1 机器人定义 190 
10.3.2 机器人主要特征 190 
10.3.3 机器人优缺点 191 
10.4 智能机器人 192 
10.4.1 智能机器人概念 192 
10.4.2 智能机器人关键技术 193 
10.4.3 智能机器人发展与展望 195 
课后习题 198 
第11章 机器人感知 199 
11.1 机器人传感器 199 
11.1.1 内部传感器 199 
11.1.2 外部传感器 201 
11.2 图像处理与机器人视觉 203 
11.2.1 图像处理基础 203 
11.2.2 图像处理的常用方法 206 
11.2.3 机器人视觉 211 
11.3 语音识别与机器人听觉 213 
11.3.1 语音识别技术简介 213 
11.3.2 语音识别常用算法 215 
11.3.3 机器人听觉系统 217
11.4 多源信息融合 218 
11.4.1 信息融合基本概念 218 
11.4.2 多源信息融合的主要方法 219 
11.4.3 信息融合技术在机器人中的应用 220 
课后习题 220 
第12章 机器人定位与建图 222 
12.1 机器人定位技术 222 
12.1.1 经典定位方法 222 
12.1.2 机器人无线定位算法 224 
12.2 机器人地图构建 229 
12.2.1 地图模型 229 
12.2.2 基于距离测量的地图构建算法 231 
12.3 机器人同时定位与建图 232 
12.3.1 SLAM基本概念 232 
12.3.2 基于EKF的SLAM方法 233 
12.3.3 基于PF的FastSLAM方法 235 
课后习题 237 
第13章 机器人导航 238 
13.1 机器人导航概述 238 
13.2 机器人导航基础知识 239 
13.2.1 机器人坐标系 239 
13.2.2 机器人导航方式 240 
13.3 传统导航方法 242 
13.3.1 航位推算法 242 
13.3.2 惯性导航法 244 
13.3.3 人工势场法 245 
13.4 智能导航方法 250 
13.4.1 基于模糊逻辑的机器人导航 250 
13.4.2 基于强化学习的机器人导航 251 
课后习题 253 
第14章 机器人路径规划 254 
14.1 机器人路径规划概述 254 
14.1.1 路径规划的研究内容 254 
14.1.2 路径规划方法分类 255 
14.2 传统路径规划方法 255 
14.2.1 构形空间方法 255 
14.2.2 可视图法 256 
14.2.3 栅格法 257
14.2.4 拓扑法 258 
14.2.5 概率路径图法 259 
14.3 智能路径规划方法 260 
14.3.1 基于遗传算法的路径规划 260 
14.3.2 基于蛙跳算法的路径规划 263 
课后习题 266 
第15章 多机器人系统 267 
15.1 多机器人系统概述 267 
15.1.1 研究内容 267 
15.1.2 发展现状 269 
15.1.3 存在的问题 272 
15.2 多机器人任务分配 273 
15.2.1 任务分配方式分类 273 
15.2.2 任务分配常用方法 274 
15.3 多机器人路径规划 278 
15.3.1 基于模糊逻辑的多机器人路径规划 278 
15.3.2 基于差分进化算法的多机器人路径规划 280 
15.4 多机器人编队控制 282 
15.4.1 基于行为的编队方法 283 
15.4.2 基于领航者的方法 285 
课后习题 287 
第16章 生物启发式方法在机器人中的应用 288 
16.1 生物启发式方法概述 288 
16.1.1 生物启发式方法定义 288 
16.1.2 常见生物启发式方法 290 
16.2 基于生物刺激神经网络的机器人导航 296 
16.2.1 生物刺激神经网络模型 296 
16.2.2 基于生物刺激神经网络的机器人导航 297 
16.3 仿动物空间认知的机器人SLAM方法 299 
16.3.1 动物空间认知机理研究概述 299 
16.3.2 空间认知计算模型 301 
16.3.3 仿动物空间认知的Rat SLAM算法 305 
课后习题 305 
第17章 智能机器人设计与开发 307 
17.1 智能机器人设计的基本步骤 307 
17.2 机器人硬件设计与开发 308 
17.2.1 主板 308 
17.2.2 数据采集卡 309
17.2.3 传感器 309 
17.2.4 触摸屏 311 
17.2.5 无线网卡 312 
17.2.6 其他硬件设备 312 
17.3 机器人软件设计与开发 312 
17.3.1 机器人的软件架构 312 
17.3.2 机器人编程方式 315 
17.3.3 机器人程序设计语言 316 
17.4 机器人仿真平台 317 
课后习题 321 
参考文献 322


(本期编辑:王芳)


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1 强涛

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