“學萃講壇”第1131期--無人係統智能感知、導航與控製技術係列講座

“學萃講壇”秉承學名家風範、萃科技精華的理念,以學術為魂,以育人為本,追求技術創新,提升學術品位,營造濃鬱學術氛圍,共品科技饕餮盛宴!
報 告 人:陳霸東 遊科友 寧曉琳 張勇剛 莊嚴 劉勇 賴際舟 黃國權 方正 田栢苓 孫光輝 張禮廉
報告時間:2021年7月17日 8:00-18:00
報告地點:哈爾濱工程大學啟航活動中心教師沙龍
主辦單位:bob在哪里查比分
承辦單位:中國自動化學會、智能科學與工程學院
報告內容
一. 最小誤差熵與最大互相關熵學習理論與方法
    利用熵函數構建機器學習目標函數可以顯著提升學習的性能和對複雜噪聲幹擾的魯棒性,成為機器學習領域的重要研究方向。報告人近年來圍繞該方向開展了深入研究,係統地發展了熵學習理論,並做出了幾項奠基性工作。本報告將係統闡述最小誤差熵和最大互相關熵學習理論、方法及各種應用。
二. 基於機理模型與數據的智能控製及其實現
    模型預測控製(MPC)是一種基於被控對象的數學模型及其將來行為預測的最優控製方法,盡管具有很好的閉環性能,但其控製律需在實時約束下在線求解最優化問題(如線性二次規劃)。為了避免使用在線求解器,目前主要采用參數化顯式MPC方法,即離線對MPC進行預先計算並存儲,在線僅需查找。但該方法的複雜性通常隨著優化問題的約束數目、決策變量維數等呈指數增長,通常僅限於小規模問題。為此,本報告提出了一種基於神經網絡結構的智能MPC及其FPGA快速實現,並討論其實際應用。
三. 航天器自主天文導航的最新研究進展
    主要介紹航天器自主天文導航方向的三種最新方法:基於折射點位置的星光折射導航方法,基於時間差分的天文組合導航方法和基於太陽震蕩的星際導航方法。
四. 複雜噪聲環境下卡爾曼濾波算法及其應用
    以卡爾曼濾波為代表的狀態估計方法已經被廣泛地應用於導航與定位、目標跟蹤、信號處理、通信、控製、機器人技術、空間探測等工程應用中。卡爾曼濾波算法在噪聲呈高斯分布且統計特性確定、線性狀態空間模型條件下具有最高的狀態估計精度,然而在以目標跟蹤、導航定位為代表的應用中,複雜噪聲幹擾將帶來係統模型中噪聲統計特性的不確定性和非高斯特性,進而導致傳統卡爾曼濾波算法精度下降甚至發散。上述問題也是狀態估計基礎理論研究中的重要問題。本報告主要針對上述問題,介紹了目前新型卡爾曼濾波算法及其在導航定位中的應用。
五. 移動機器人麵向室外場景的長期自主環境適應
    工作在大範圍室外環境中的UGV/UAV會受到光照變化、動態幹擾、場景非結構化等多種因素的影響,這些都對UGV/UAV的自主環境建模、理解與適應能力提出挑戰。隨著技術的不斷成熟與發展,如何使UGV/UAV在長期運行中完成自主環境建模與場景理解,並適應複雜多變的環境條件是移動機器人領域的研究熱點。本次報告重點從多元感知數據獲取與融合、大範圍地圖構建與維護、自主場景理解等移動機器人行為能力的研討入手,對報告人所帶領的實驗室在大範圍環境建模及自主場景理解方向取得的研究進展進行介紹,並對該領域的研究重點,特別是空地跨域協作領域的發展趨勢進行了初步探討。
六. 多源融合SLAM-現狀與挑戰
    SLAM技術是自主移動平台中的核心技術之一。近年來,隨著無人駕駛和自主移動機器人的飛速發展,SLAM技術也獲得了飛速的進展,逐漸從基礎研究走向了深度的實踐應用。然而在實際機器人和無人駕駛平台應用中,SLAM技術還麵臨著環境複雜多變、大規模結構化與非結構化場景交替、機器人平台劇烈運動以及光照、季節變化顯著等挑戰問題,因而采用多種傳感器、多種信息源以及多種特征手段的多源融合SLAM成為了解決目前挑戰問題的必然選擇,本報告將針對目前SLAM在實踐應用中麵臨的多種挑戰問題開展介紹,分享目前的技術解決方案和最新進展。
七. 不依賴衛星的無人係統自主導航與感知技術
    目前無人機、無人車為代表的無人係統對衛星導航係統的依賴性較大,導航過程需要依靠衛星導航或已知環境地標等固有信息進行高精度位置獲取。隨著無人係統的作業環境日益複雜,當在衛星拒止、稀疏特征、環境非合作等複雜狀況下,如室內、地下隧道、城市戰場等,傳統導航係統定位精度性能將迅速下降甚至功能喪失。因此如何通過研究具有高精度、全自主的導航方式和感知方法,來提高無人係統在複雜場景下的高精度導航定位、多源自適應感知、自主避障與路徑規劃能力,是無人係統目前亟待解決的熱點問題。報告圍繞無人係統自主導航與感知需求,結合國內外最新進展,介紹無人係統中的視覺/激光雷達長時運行SLAM方法、高精度慣性基圖優化方法、以及多源信息即插即用融合方法等關鍵技術。
八. 視覺慣性SLAM和三維空間AI
    能夠使自動駕駛和移動設備實現厘米級定位精度以及類人場景理解可能具有巨大的實際應用意義。視覺與慣性傳感器的最佳融合之所以能夠提供一種流行的3D導航方式,一部分原因是由於他們的傳感器互補特性以及低成本和小尺寸。本次報告將介紹本人在視覺慣性估計與感知方麵的最新研究成果。首先,本次報告會討論在SLAM領域中基於可觀測性方法的狀態估計一致性問題;然後,將重點介紹本人在視覺慣性導航係統中的最新成果,包括OpenVINS,慣性量測預積分在基於圖的VINS中的應用,機器人視覺慣性裏程計,帶有深度回環檢測模塊的基於Schmidt-EKF的視覺慣性SLAM,基於視覺慣性融合的運動物體目標跟蹤等等。
九. 移動機器人魯棒感知與自主導航:從2維/3維到多維到未來
    移動機器人可以廣泛地應用於工業、農業、國防、礦業、物流等行業。環境感知和自主導航是移動機器人實現真正自主化的基礎,在無人車、無人機、工業AGV、地下探測等領域有著廣闊的應用前景。本報告將結合課題組在移動機器人自主導航與環境感知方麵的研究,介紹相關的發展現狀、核心技術(Perception、Visual/Lidar Odometry、Localization、SLAM、Exploration、Path Planning等),並探討相關技術在實際應用中存在的挑戰以及未來發展趨勢等。
十. 可重複使用運載器實時再入軌跡姿態協同控製
    可重複使用運載器(Reusable Launch Vehicle, RLV)是指能夠快速穿越大氣層、自由往返於地球表麵與太空之間的多用途飛行器,它既可以快速、便利地向空間運送有效載荷,也可以長時間在軌停留,完成任務後又可安全、準確地降落在地麵,RLV是未來實現快速、可靠及廉價進出空間的必然趨勢。與傳統飛行器不同,RLV大空域、快速域及高機動的飛行特點,使得其製導控製係統設計麵臨巨大挑戰。報告將從提高RLV自主性、安全性和靈活性角度出發,重點對基於實時軌跡的最優反饋製導及多變量幹擾補償控製方法進行介紹,在此基礎上對未來研究工作進行展望。
十一. 運動目標感知、測量與抓捕關鍵技術分析
    針對空間運動目標抓捕過程中,目標的感知、測量和柔性抓捕等問題進行了研究。首先通過圖像和激光雷達融合方式解決空間運動目標感知測量難題,圖像采用快速角點提取方法,點雲數據通過結合迭代最近鄰算法實現配準,通過卡爾曼濾波算法實現對於目標的運動目標位姿、速度信息的實時融合估計;其次在抓捕階段,在計算加速度控製的基礎上,引入分數階算子和滑模切換控製,實現了基座漂浮情況下的末端軌跡跟蹤,提高了跟蹤精度和抗擾能力;同時采用偽譜法,通過對關節運動軌跡進行規劃,降低了關節運動對漂浮基座的擾動;之後,針對抓捕過程中機械臂存在的C空間到笛卡爾空間不是滿射的問題,提出了一種位姿分離的運動規劃方法,避免了機械臂逆運動學無解的情況,在此基礎上提出了自適應阻尼最小二乘的避奇異方法和類人工勢場法的避碰撞方法,避免了機械臂跟蹤過程發生碰撞或到達奇異位型。最後,考慮到柔性抓捕問題,提出了分數階阻抗控製方法,利用分數階PID控製器的同時對接觸對象進行分數階近似,在保留一定的被抓取目標不確定性的同時保證被限製的抓取力能夠滿足抓取任務。
十二. 仿生導航技術
    圍繞仿生感知、仿生信息處理、仿生導航係統技術等方麵介紹仿生導航的概念、內涵、關鍵技術及國內外發展現狀。
報告人簡介:
     陳霸東,西安交通大學電信學部人工智能學院教授。2008年畢業於清華大學計算機專業獲博士學位,曾在美國佛羅裏達大學電氣與計算機工程係做博士後研究。研究興趣包括自適應信號處理、機器學習、腦與認知科學啟發的人工智能、腦機接口及共融機器人。在國際知名期刊及會議發表學術論文200多篇,論文在穀歌學術中被引用7200多次,15篇論文先後入選“ESI高被引論文”。入選世界排名前2%?科學家名單(World's Top 2% Scientists 2020)“終身科學影響力排行榜”和“年度科學影響力排行榜”。獲中國自動化學會自然科學一等獎、陝西省科學技術二等獎、吳文俊人工智能自然科學二等獎、中國自動化學會青年科學家獎等。入選教育部長江學者特聘教授、陝西省百人計劃、陝西省中青年科技創新領軍人才、西安市“英才計劃”頂尖人才等。擔任中國認知科學學會理事、IEEE彙刊TNNLS和TCDS編委、IEEE 麵向信號處理的機器學習(MLSP)技術委員會委員,並擔任國內多個學會的專委會委員。作為負責人承擔了國家自然科學基金重大研究計劃重點支持項目和973課題等重要科研項目。

    遊科友,清華大學自動化係長聘副教授、博士生導師。2007年獲中山大學統計科學學士學位。2007年8月至2012年6月在新加坡南洋理工大學電氣與電子工程學院攻讀博士學位和從事博士後研究。自2012年7月起任教於清華大學自動化係。曾受邀訪問意大利都靈理工大學、澳大利亞墨爾本大學、香港科技大學等院校。長期從事複雜網絡化係統的學習、優化與控製及其應用的研究。目前,擔任IEEE Transactions on Control of Network Systems、IEEE Transactions on Cybernetics、IEEE、Systems & Control Letters、IEEE Control System Letters 等國際期刊副編委(Associate Editor)。先後主持國家自然科學基金委優青項目、重點項目、重點研發計劃課題等,獲關肇直最佳論文獎、亞洲控製學會淡馬錫青年教育學者獎。

    寧曉琳,北京航空航天大學教授、博導,北航杭州創新研究院量子精密測量與傳感研究中心主任,教育部長江學者,主要從事導航技術和極弱磁測量技術研究。研究成果出版學術專著4部,教材2部。發表SCI論文六十餘篇,其中Q1區論文三十餘篇,授權國家發明專利三十餘項。獲國防技術發明一等獎(排名第1)和教育部技術發明一等獎1項(排名第1)各一項。2009年獲北京市優秀博士學位論文,2010年獲全國優秀博士學位論文提名,2011年入選教育部新世紀優秀人才獎勵計劃,2013年入選北京高等學校青年英才計劃,2017年獲國家優秀青年基金,2020年獲中國青年科技獎、卓越青年基金。作為項目負責人承擔了包括國家自然科學基金項目、國防基礎科研項目、國家“863”、“973”計劃項目子課題等國家科研項目十餘項。

    張勇剛,哈爾濱工程大學未來技術學院常務副院長,教授、博導。分別於2002年、2004年獲得哈爾濱工程大學自動化學院學士、碩士學位,2007年獲得英國Cardiff University博士學位。主要研究方向為慣性導航、組合導航、信號處理和信息融合。以第一作者/通訊作者在權威雜誌IEEE Trans. on Automatic Control、Automatica、IEEE Trans. on Signal Processing、IEEE Trans. On Aerospace and Electronic Systems等上發表論文170餘篇。擔任黑龍江省導航儀器工程實驗室主任,教育部導航儀器工程中心副主任,中國慣性技術學會理事,美國IEEE協會高級會員。獲省部級二等以上科技獎勵5項,獲得教育部青年長江學者、黑龍江省青年龍江學者、中國自動化學會優秀博士學位論文指導教師等榮譽稱號。

    莊嚴,教授,博士生導師,大連理工大學控製科學與工程學院、人工智能學院雙聘教授,智能係統與機器人方向責任教授,是“遼寧省工業裝備分布式控製技術創新中心”主任,中國自動化學會機器人專業委員會委員,遼寧省人工智能學會副理事長。長期致力於智能機器人及無人係統麵向複雜場景的自主感知、建模、場景理解及自主環境適應領域研究工作,以第一作者或通信作者在IEEE Trans./Journal係列國際期刊發表論文20餘篇,申請國家技術發明專利30餘項(授權16項),應邀在IEEE CYBER 2018、日本廣島TAOYAKA國際論壇及全國SLAM技術論壇等國內外重要學術會議做大會報告及特邀報告。目前擔任IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement副編、IET Cyber-systems and Robotics副編、Frontiers in Robotics and AI: Field Robotics副編,是國際機器人開源項目ROS及國際開源軟件PCL項目參與者。已培養博士/碩士畢業60餘人,博士後3人。

    劉勇,浙江大學智能係統與控製研究所教授,浙江大學控製學院智能駕駛與未來交通中心主任,目前主要從事自主機器人與智能係統、機器人自主規劃與導航控製、視覺識別與模式識別、SLAM技術及多傳感器融合技 ?術的研究。獲浙江省自然科學一等獎、浙江省科學技術一等獎、浙江省自然科學學術二等獎、浙江省傑出青年科學基金項目、入選2019 年浙江省有突出貢獻青年科技人才,2019浙江省萬人計劃青年拔尖人才和浙江省 151 人才, 以第一作者或通訊作者在IEEE Transactions 、ICRA 、CVPR 、IJCAI 、ICCV 、IROS、ICLR、AAAI/IAAI等知名期刊和機器人頂級會議發表論文67篇。

    賴際舟,南京航空航天大學自動化學院教授,博士生導師。“先進飛行器導航、控製與健康管理”工信部重點實驗室副主任。主要從事慣性基自主導航技術、全源融合導航技術、無人係統智能導航與感知技術、航空器導航性能評估與管理等研究工作。中國民航科技創新拔尖人才,江蘇省“青藍工程”中青年學術帶頭人,江蘇省“六大人才高峰”高層次人才。申請、授權專利80餘項,發表SCI、EI及其他核心期刊論文100餘篇。近年來主持承擔了國防173基礎加強重點項目、軍委裝備發展部重點課題、軍委裝備發展部重點基金、工信部民機專項、國家自然科學基金等多項國家級和省部級項目。獲國防科技進步獎、教育部科學研究優秀成果獎、江蘇省科技進步獎、中國航空學會科學技術獎等8項。

    黃國權,美國特拉華大學終身副教授,浙江大學控製學院兼職教授,美團資深研究科學家,IEEE高級會員和美國Sigma Xi 榮譽科學會會員。曾任華為2012實驗室高級顧問(2016-2018)。博士畢業於美國明尼蘇達大學計算機係,博士後出站於麻省理工學院(MIT CSAIL)。主要研究方向為機器人導航感知,視覺慣導係統和計算機三維視覺;曾主持多項美國自然科學基金(NSF),國防部(DOD)和宇航局(NASA)等資助的科研項目;在國際頂級學術期刊和學術會議上發表學術論文近100篇(其中包括RSS 2009和ICRA 2021最佳論文入圍獎)。曾獲2012國家優秀自費留學生獎學金,2015特拉華大學研究獎,2016美國自然科學基金優秀青年科學家獎,第十二屆(2018)中美工程技術研討會境外機器人專家代表(科技部/外專局),2018穀歌Daydream研究獎,2019穀歌AR/VR研究獎,2019 IROS FPV無人機VIO算法比賽冠軍,並被提名2021美國布拉瓦尼克國家青年科學家獎。

    方正,工學博士,東北大學機器人科學與工程學院特聘研究員、博士生導師,英國阿爾斯特大學聯合博士生導師。先後在東北大學獲得自動化專業學士學位和模式識別與智能係統專業博士學位,曾在美國卡耐基梅隆大學機器人研究所從事博士後研究工作。長期圍繞移動機器人的“環境感知與自主導航”開展研究工作,在機器人的感知和導航等方麵取得了一些研究成果並廣泛應用於無人車、無人機、物流機器人等領域,多次受邀在國家機器人發展論壇、中國建築機器人技術大會、沈陽國際機器人大會等大型學術會議和阿裏巴巴、京東等科技集團做特邀報告。近年來,作為項目負責人主持國家自然科學基金(2麵上+1專項)、國防科技創新特區項目、國防基礎科研計劃項目、遼寧省自然基金重點項目等縱向課題15項,參與國家自然科學基金重點項目等5項。在學術成果方麵,在包括機器人領域頂級期刊JFR、人工智能領域頂級期刊TPAMI和頂級會議(ICRA、IROS)等上發表SCI/EI檢索學術論文60多篇。曾獲得國家技術發明二等獎1項、教育部高等學校科學研究優秀成果獎一等獎1項、遼寧省自然科學學術成果獎二等獎1項並獲IEEE CYBER2017和IEEE ICIA2015最佳論文提名獎。

    田栢苓,天津大學電氣自動化與信息工程學院教授,博士生導師,國家優青。2006年7月獲天津大學自動化專業工學學士學位,2011年7月獲天津大學自動化學院控製理論與控製工程專業博士學位,2014年6月至2015年6月赴英國曼徹斯特大學控製係統中心訪學。長期從事飛行器製導控製的研究工作,目前擔任軍科委重點項目專家組專家,中國自動化無人飛行器自主控製專業委員會副秘書長,中國自動化技術過程故障診斷與安全性專業委員會委員等職務。相關研究成果授權/申請國家發明專利20餘項,發表SCI論文60餘篇,其中ESI高被引論文5篇,出版專著1部,主持國家自然科學基金、軍委科技委項目、裝備預研基金及航空基金等國家級和省部級課題10餘項,曾獲天津市自然科學二等獎、天津市中青年科技創新領軍人才等獎勵。

    孫光輝,工學博士,哈爾濱工業大學教授、博士生導師。教育部青年長江學者獲得者、哈爾濱工業大學青年拔尖人才。工信部重點實驗室“自主智能無人係統”副主任,航天學院控製科學與工程係副主任。研究成果參與獲黑龍江省技術發明一等獎1項、自然科學一等獎1項。長期從事複雜機電係統、視覺伺服、SLAM建圖與定位等相關研究。在機器人相關的機器人視覺、導航及濾波、機器人智能協同感知以及空間大型機構的控製等方麵取得了一係列成果。近3年來前後主持多項軍品、民橫向課題;參與加拿大航天局的機器人項目,作為哈工大負責人承擔某型國防重點項目一項、國防基礎科研項目一項。申請發明專利近40項,授權20餘項。發表行業頂級期刊50餘篇,包含Automatica,IEEE Trans及AIAA 係列長文10餘篇。擔任科技部項目評審專家、國家重點研發計劃地區合作項目評審專家、教育部長江學者評審專家、香港科技創新項目評審專家等。

    張禮廉,國防科技大學智能科學學院教學科研處副處長、副教授。2013年獲德國基爾大學計算機科學博士學位,學業論文被評為年度最佳博士論文。任教以來,主要從事導航技術相關的教學、科研和人才培養工作,2019年入選學校卓越青年人才培養對象,榮立三等功一次。


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