概率机器人<1>_概述

本书聚焦于算法,尤其强调贝叶斯理论及贝叶斯滤波器在处理不确定性中的核心作用。通过融合传感器测量与数学模型,提升系统稳健性和安全性。介绍概率机器人学的发展历程,从20世纪90年代中期至今,及其对现代技术的影响。

Abbr:

 TBD

牢记

重点

bel ==belif 置信度

FLOPS==Floating-point Operations Per Second 每秒浮点运算次数
 


Structure Overview:

2006 MIT英文版 & 机械工业2017 中文版

 

 


核心:

本书专注于算法。本书中的所有算法都是基于一个单一的总体数学基础:贝叶斯理论及其推论-贝叶斯滤波器~ 这种统一的数学体系是概率算法的核心。 

就是条件概率。(已知历史的状态,推断当前时刻的测量状态出现的概率。)--已知原因(模型)求结果。 先验估计

广泛应用“”条件独立“”的概念

 


概述

1. introduction 

  •  执行机构有不确定性,延时,噪声,磨损等
  • 传感器有不确定性,误差,温漂,噪声 等等
  • 算法的数学模型(方程)有不确定性,real time 的模型都是近似模型,为了实时性,牺牲了精度。(比如泰勒级数近似...)

正确的处理不确定性,可以使系统更健壮,更稳定。更安全

2. 概率的概念引人传感器测量和模型设计, 的好处:

通过将模型和传感器测量两者相整合。 比传统的非概率模型方法比, 对于模型建模精度降低,对于传感器的精度要求降低,系统的唯一输入就是传感器的"瞬时输入" 。机器学习的过程就是一个长期的估计问题。

缺点:计算的复杂性,---考虑整个概率密度,而不是单一的推测。 和近似的必要性(need to approximate)---需要做贝叶斯估计(后验估计),准确的后验估计计算复杂。

3. 发展历程:

现代概率机器人学从 20 世纪 90 年代中期巳经出现,尽管其根源要追溯到卡尔曼滤波器的发明 (Kalman, 1960)

4. 学习顺序:

C2, C7,C8 , C3~C6

 

我将给你一段qt的头文件代码,请告诉我这个代码是起到什么功能,以及所关联到的其他文件所可能起到的作用 #ifndef IMM_STRATEGY_H #define IMM_STRATEGY_H #include <QVector> #include <QPointF> #include <QMap> #include <QString> #include <QtMath> #include <QDebug> #include <limits> #include <random> #include <algorithm> #include <cmath> // 前向声明 struct DroneInfo; struct ObstacleInfo; /** * @brief 交互式多模型(IMM)预测和控制策略 * * 该策略使用多个运动模型并行预测敌机轨迹,然后基于模型概率 * 进行加权融合,实现智能的预测和拦截 */ class IMMStrategy { public: /** * @brief 运动模型枚举 */ enum MotionModel { CONSTANT_VELOCITY, // 匀速直线运动 CONSTANT_ACCELERATION, // 匀加速运动 COORDINATED_TURN, // 协调转弯 RANDOM_MANEUVER, // 随机机动 EVASIVE_ACTION // 规避动作 }; /** * @brief 敌机状态结构 */ struct EnemyState { QPointF position; // 位置 QPointF velocity; // 速度 QPointF acceleration; // 加速度 double heading; // 航向角 double angularVelocity; // 角速度 double lastUpdateTime; // 最后更新时间 EnemyState() : position(0, 0), velocity(0, 0), acceleration(0, 0), heading(0), angularVelocity(0), lastUpdateTime(0) {} }; /** * @brief 模型预测结果 */ struct ModelPrediction { QPointF predictedPosition; QPointF predictedVelocity; double confidence; double likelihood; ModelPrediction() : predictedPosition(0, 0), predictedVelocity(0, 0), confidence(0), likelihood(0) {} }; /** * @brief 拦截计算结果 */ struct InterceptResult { QPointF interceptPoint; // 拦截点 double timeToIntercept; // 拦截时间 double confidence; // 预测置信度 bool isValid; // 是否有效 InterceptResult() : interceptPoint(0, 0), timeToIntercept(0), confidence(0), isValid(false) {} }; public: /** * @brief 构造函数 */ IMMStrategy(); /** * @brief 析构函数 */ ~IMMStrategy(); /** * @brief 主要的策略执行函数 * @param allDrones 所有无人机信息 * @param currentObstacles 当前障碍物信息 */ void executeStrategy(QList<DroneInfo>& allDrones, const QList<ObstacleInfo>& currentObstacles); private: // ============ 核心预测算法 ============ /** * @brief 更新敌机状态 * @param enemies 当前检测到的敌机 */ void updateEnemyStates(const QList<DroneInfo>& enemies); /** * @brief IMM预测敌机未来位置 * @param enemyId 敌机ID * @param timeHorizon 预测时间范围 * @return 预测结果 */ QPointF predictEnemyPosition(const QString& enemyId, double timeHorizon); /** * @brief 应用特定运动模型进行预测 * @param model 运动模型类型 * @param state 当前状态 * @param dt 时间步长 * @return 预测结果 */ ModelPrediction applyMotionModel(MotionModel model, const EnemyState& state, double dt); /** * @brief 计算模型概率 * @param model 运动模型类型 * @param enemyId 敌机ID * @return 模型概率 */ double calculateModelProbability(MotionModel model, const QString& enemyId); /** * @brief 更新模型概率(贝叶斯更新) * @param enemyId 敌机ID * @param observations 观测数据 */ void updateModelProbabilities(const QString& enemyId, const QVector<QPointF>& observations); // ============ 具体运动模型 ============ /** * @brief 匀速直线运动模型 */ ModelPrediction constantVelocityModel(const EnemyState& state, double dt); /** * @brief 匀加速运动模型 */ ModelPrediction constantAccelerationModel(const EnemyState& state, double dt); /** * @brief 协调转弯模型 */ ModelPrediction coordinatedTurnModel(const EnemyState& state, double dt); /** * @brief 随机机动模型 */ ModelPrediction randomManeuverModel(const EnemyState& state, double dt); /** * @brief 规避动作模型 */ ModelPrediction evasiveActionModel(const EnemyState& state, double dt); // ============ 战术决策 ============ /** * @brief 计算最优拦截点 * @param ourDrone 我方无人机 * @param enemyId 敌机ID * @return 拦截结果 */ InterceptResult calculateOptimalIntercept(const DroneInfo& ourDrone, const QString& enemyId); /** * @brief 选择最优目标 * @param ourDrone 我方无人机 * @param enemies 敌机列表 * @return 选中的敌机ID */ QString selectOptimalTarget(const DroneInfo& ourDrone, const QList<DroneInfo>& enemies); /** * @brief 执行攻击模式 * @param allDrones 所有无人机 * @param currentObstacles 障碍物 */ void executeAttackMode(QList<DroneInfo>& allDrones, const QList<ObstacleInfo>& currentObstacles); /** * @brief 执行巡逻模式 * @param allDrones 所有无人机 * @param currentObstacles 障碍物 */ void executePatrolMode(QList<DroneInfo>& allDrones, const QList<ObstacleInfo>& currentObstacles); // ============ 辅助函数 ============ /** * @brief 智能避障 * @param drone 当前无人机 * @param obstacles 障碍物列表 * @param targetPoint 目标点 * @return 避障后的方向角 */ double intelligentAvoidance(const DroneInfo& drone, const QList<ObstacleInfo>& obstacles, const QPointF& targetPoint); /** * @brief 设置无人机速度 * @param uid 无人机ID * @param speed 速度大小 * @param angle 方向角 * @param allDrones 无人机列表 */ void setDroneVelocity(const QString& uid, double speed, double angle, QList<DroneInfo>& allDrones); // ============ 智能目标分配与协作系统 ============ /** * @brief 智能目标选择 * @param droneId 无人机ID * @param dronePos 无人机位置 * @param allDrones 所有无人机信息 * @return 最佳目标敌机ID */ QString selectBestTarget(const QString& droneId, const QPointF& dronePos, const QList<DroneInfo>& allDrones); /** * @brief 计算目标优先级 * @param droneId 无人机ID * @param dronePos 无人机位置 * @param enemyId 敌机ID * @param enemyPos 敌机位置 * @param enemyHP 敌机血量 * @return 优先级分数 */ double calculateTargetPriority(const QString& droneId, const QPointF& dronePos, const QString& enemyId, const QPointF& enemyPos, int enemyHP); /** * @brief 判断是否应该切换目标 * @param droneId 无人机ID * @param currentTarget 当前目标 * @param newTarget 新目标 * @param dronePos 无人机位置 * @param allDrones 所有无人机信息 * @return 是否切换 */ bool shouldSwitchTarget(const QString& droneId, const QString& currentTarget, const QString& newTarget, const QPointF& dronePos, const QList<DroneInfo>& allDrones); /** * @brief 检查敌机是否存活 * @param enemyId 敌机ID * @param allDrones 所有无人机信息 * @return 是否存活 */ bool isEnemyAlive(const QString& enemyId, const QList<DroneInfo>& allDrones); // ============ 高级拦截算法 ============ /** * @brief 改进的拦截算法 * @param dronePos 无人机位置 * @param targetPos 目标位置 * @param targetVel 目标速度 * @param distance 距离 * @param enemyHP 敌人血量 * @return 拦截速度向量 */ QPointF calculateAdvancedInterception(const QPointF& dronePos, const QPointF& targetPos, const QPointF& targetVel, double distance, int enemyHP = 100); /** * @brief 计算拦截速度 * @param dronePos 无人机位置 * @param targetPos 目标位置 * @param targetVel 目标速度 * @return 拦截速度向量 */ QPointF calculateInterceptionVelocity(const QPointF& dronePos, const QPointF& targetPos, const QPointF& targetVel); // ============ 智能巡逻系统 ============ /** * @brief 计算巡逻速度(改进的圆周巡逻策略) * @param droneId 无人机ID * @param dronePos 无人机位置 * @return 巡逻速度向量 */ QPointF calculatePatrolVelocity(const QString& droneId, const QPointF& dronePos); /** * @brief 应用障碍物避让 * @param dronePos 无人机位置 * @param velocity 原始速度 * @param allDrones 所有无人机信息 * @param obstacles 障碍物信息 * @return 修正后的速度 */ QPointF applyObstacleAvoidance(const QPointF& dronePos, const QPointF& velocity, const QList<DroneInfo>& allDrones, const QList<ObstacleInfo>& obstacles); /** * @brief 边界处理 * @param drone 无人机 * @return 是否在边界附近 */ bool handleBoundaries(const DroneInfo& drone, QPointF& redirectTarget); /** * @brief 生成安全的巡逻目标点 * @param obstacles 障碍物列表 * @return 安全的目标点 */ QPointF generateSafePatrolTarget(const QList<ObstacleInfo>& obstacles); /** * @brief 角度标准化到[-π, π] */ double normalizeAngle(double angle); /** * @brief 计算两点间距离 */ double calculateDistance(const QPointF& p1, const QPointF& p2); /** * @brief 向量归一化 * @param vec 输入向量 * @return 归一化后的向量 */ QPointF normalizeVector(const QPointF& vec); private: // ============ 成员变量 ============ // 敌机状态跟踪 QMap<QString, EnemyState> m_enemyStates; QMap<QString, QVector<QPointF>> m_enemyTrajectories; // 历史轨迹 // 模型概率(每个敌机对应5个模型的概率) QMap<QString, QVector<double>> m_modelProbabilities; // 巡逻目标点 QMap<QString, QPointF> m_patrolTargets; // ============ 智能目标分配系统 ============ // 目标分配跟踪 QMap<QString, QString> m_droneTargets; // 无人机->目标敌机映射 QMap<QString, int> m_targetAssignCount; // 每个敌机被分配的无人机数量 QMap<QString, QPointF> m_lastTargetPositions; // 目标最后位置记录 // ============ 巡逻系统 ============ // 巡逻参数 QPointF m_patrolCenter; // 巡逻中心点 double m_patrolRadius; // 巡逻半径 QMap<QString, double> m_droneAngles; // 每个无人机的巡逻角度 // ============ 性能优化 ============ // 调试计数器(减少日志输出频率) int m_debugCounter; int m_patrolDebugCounter; int m_deadTargetCounter; // 算法参数 static const int MAX_HISTORY_SIZE = 10; // 最大历史记录数 static constexpr double PREDICTION_HORIZON = 2.0; // 预测时间范围(秒) static constexpr double MODEL_SWITCH_THRESHOLD = 0.3; // 模型切换阈值 static constexpr double INTERCEPT_SPEED = 60.0; // 拦截速度 static constexpr double PATROL_SPEED = 45.0; // 巡逻速度 static constexpr double MAX_DRONE_SPEED = 50.0; // 最大无人机速度 static constexpr double OBSTACLE_AVOIDANCE_RANGE = 120.0; // 避障检测范围 static constexpr double FORBIDDEN_RADIUS = 100.0; // 障碍物禁入半径 static constexpr double DRONE_COLLISION_DISTANCE = 60.0; // 无人机间最小距离 // 地图边界 static constexpr double MAP_WIDTH = 1280.0; static constexpr double MAP_HEIGHT = 800.0; static constexpr double BOUNDARY_MARGIN = 50.0; // 随机数生成器 std::mt19937 m_rng; // 时间追踪 double m_lastUpdateTime; // 性能统计 int m_predictionCount; double m_averageAccuracy; }; #endif // IMM_STRATEGY_H
最新发布
08-23
### IMMStrategy Qt头文件的功能概述 IMMStrategy头文件定义了用于实现交互式多模型(IMM)预测和控制策略的核心组件。该策略主要用于多模型系统中,通过结合多个动态模型的预测结果,提供更准确的状态估计和控制输出。IMM方法广泛应用于目标跟踪、导航系统和机器人控制等领域,其核心思想是根据各个模型的似然性动态调整模型权重,从而提高整体系统的鲁棒性和精度 [^1]。 ### 核心类与结构体的功能解析 #### `IMMStrategy` 类 `IMMStrategy` 是主类,负责协调多个模型的预测和更新过程。其主要功能包括: - **初始化与配置**:在构造函数中初始化各个模型、混合权重、模型概率等参数。通常会通过配置文件或用户输入设置初始模型概率和转移矩阵。 - **状态预测与更新**:根据当前系统输入和模型集合,进行状态预测和更新。通过调用各模型的 `predict` 和 `update` 方法,计算加权状态估计。 - **模型切换与权重调整**:根据每个模型的似然函数值,调整各模型的权重,确保在不同动态环境下选择最优模型。 #### `IMMModel` 结构体或类 `IMMModel` 通常表示一个具体的动态模型,如常速度模型、常加速度模型或转弯模型。每个模型包含以下功能: - **预测函数**:基于当前状态和输入,预测下一时刻的状态。 - **更新函数**:利用观测数据修正预测状态,通常使用卡尔曼滤波或扩展卡尔曼滤波实现。 - **似然计算**:计算当前模型与观测数据的匹配程度,用于后续权重调整。 #### `IMMFilter` 类(可能存在的关联类) `IMMFilter` 类通常负责管理多个 `IMMModel` 实例,并实现 IMM 算法的核心逻辑,包括: - **模型混合**:根据模型转移矩阵和当前模型概率,计算混合状态和协方差。 - **模型更新**:对每个模型进行独立的状态更新,并计算模型似然。 - **模型概率更新**:基于模型似然和转移矩阵,更新各模型的概率。 - **最终状态估计**:根据更新后的模型概率,加权计算最终状态估计。 ### 关键成员函数的作用 #### `predict()` 该函数负责调用所有模型的预测方法,并基于当前模型概率进行状态预测。通常会先进行模型混合,然后使用混合后的状态作为各模型的输入。 #### `update()` 此函数使用观测数据对预测状态进行修正。每个模型独立更新其状态,并计算该模型的似然值。随后,根据似然值更新模型概率。 #### `computeLikelihood()` 该函数计算每个模型与当前观测数据的匹配程度。通常基于观测残差及其协方差矩阵计算似然值。 #### `mixModels()` 此函数实现模型混合步骤,根据模型转移矩阵和当前模型概率,计算混合状态和协方差,作为各模型的初始状态。 ### 文件结构与关联文件的作用 - **IMMStrategy.h / IMMStrategy.cpp**:定义 `IMMStrategy` 类及其成员函数,负责整体策略的流程控制。 - **IMMModel.h / IMMModel.cpp**:定义 `IMMModel` 类或结构体,封装单个模型的行为和参数。 - **IMMFilter.h / IMMFilter.cpp**:实现 IMM 算法的核心逻辑,处理模型混合、更新和权重调整。 - **ModelFactory.h / ModelFactory.cpp**:提供模型创建接口,根据配置生成不同的 `IMMModel` 实例。 - **IMMConfig.h / IMMConfig.cpp**:处理配置加载,包括模型参数、转移矩阵和初始概率等。 ### 示例代码片段 ```cpp class IMMStrategy { public: IMMStrategy(const std::vector<IMMModel*>& models, const MatrixXd& transitionMatrix); void predict(const VectorXd& input); void update(const VectorXd& measurement); VectorXd getStateEstimate() const; private: std::vector<IMMModel*> models_; MatrixXd transitionMatrix_; VectorXd modelProbabilities_; VectorXd mixedState_; MatrixXd mixedCovariance_; }; class IMMModel { public: virtual void predict(const VectorXd& input) = 0; virtual void update(const VectorXd& measurement) = 0; virtual double computeLikelihood(const VectorXd& measurement) const = 0; virtual ~IMMModel() {} }; ``` ###
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