智能控制技术

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isbn号码:9786390808099
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  • 智能控制
  • 控制理论
  • 自动化
  • 嵌入式系统
  • 机器人
  • 优化算法
  • 机器学习
  • 人工智能
  • 电气工程
  • 控制工程
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具体描述

《现代机器人学原理与实践》图书简介 第一章 机器人基础与历史演进 本书深入探讨了现代机器人学的基石概念,从机器人学的诞生背景、发展历程及其在当代社会中的重要地位入手。本章首先界定了机器人的基本定义、分类标准(如工业机器人、服务机器人、特种机器人等)及其核心组成要素——感知、决策与执行。我们将详细梳理机器人技术的发展脉络,从早期的机械臂设计到如今的复杂自主系统,分析不同历史阶段的关键技术突破和里程碑事件,例如,工业革命对自动化生产线的推动,以及计算机科学、传感器技术和人工智能的交叉融合如何共同塑造了今天的机器人面貌。 在基本原理方面,本章引入了机器人学的数学描述框架,包括坐标系变换、欧拉角与旋转矩阵等基础工具,为后续章节的运动学分析奠定坚实的数学基础。同时,我们也会对机器人系统的结构进行宏观介绍,讨论硬件平台(如驱动器、末端执行器)与软件架构之间的相互作用。 第二章 机器人运动学:几何与代数描述 运动学是机器人学中关于几何位置和姿态关系的核心研究领域。本章将聚焦于机器人运动的数学建模,这是实现精确路径规划和轨迹控制的前提。我们将详尽阐述正运动学(Forward Kinematics)和逆运动学(Inverse Kinematics)的理论和计算方法。 对于正运动学,本书重点介绍D-H(Denavit-Hartenberg)参数法,这是一种系统化描述机器人连杆之间相对几何关系的标准化方法。我们将通过实例演示如何利用D-H参数建立机器人的运动学模型,并推导出齐次变换矩阵,从而准确计算出机器人末端执行器相对于基坐标系的位置和姿态。 逆运动学部分则更具挑战性,它涉及求解一组复杂的非线性代数方程。本书将分类讨论不同类型机器人(如串联机器人、并联机器人)的逆运动学求解策略。对于解析解(Analytical Solutions)的推导条件和步骤进行深入剖析,对于不存在解析解或解析解难以求解的情况,我们将介绍数值解法,包括牛顿-拉夫逊法以及基于优化的迭代求解技术。 第三章 机器人动力学:力和运动的关系 动力学研究的是作用在机器人关节上的力和扭矩与系统运动状态(速度和加速度)之间的关系。本章旨在为机器人设计高动态性能的控制器提供理论基础。 我们将从牛顿-欧拉法(Newton-Euler Formulation)和拉格朗日法(Lagrangian Formulation)两种主流方法入手,详细推导机器人的动力学方程。牛顿-欧拉法侧重于力和力矩的迭代计算,适用于实时控制;拉格朗日法则基于能量原理,推导出的方程形式简洁,更适合于系统分析和基于模型的控制设计。 本书特别关注复合体动力学的建模,包括考虑摩擦力、重力补偿以及外部载荷影响下的复杂系统建模。此外,还将引入质心投影模型等简化方法,用于快速评估机器人的稳定性和可操作性范围。 第四章 机器人控制系统:轨迹规划与伺服控制 本章是连接理论模型与实际运动的核心部分。我们将深入探讨机器人如何从一个点精确、平稳地移动到另一个点所需要的控制策略。 轨迹规划(Trajectory Planning) 部分,我们将介绍时间最优轨迹、平滑七段式(S-Curve)速度曲线等经典规划方法,强调如何确保速度、加速度和加加速度的连续性,以避免机械冲击。 在伺服控制层面,本书详细讲解了关节级控制器的设计。从最基础的PID控制器及其参数整定方法开始,过渡到更先进的基于模型的控制技术,如力矩控制(Torque Control) 和阻抗控制(Impedance Control)。特别地,对于需要与环境进行柔顺交互的服务机器人,阻抗控制的理论推导、参数选择与在线辨识方法将作为重点内容进行阐述。 第五章 机器人感知系统:传感与数据融合 机器人需要“看”和“感觉”世界才能实现自主决策。本章全面覆盖机器人感知系统的硬件基础与信息处理技术。 传感器技术部分,我们将详细介绍内部传感器(如编码器、力/力矩传感器、陀螺仪)和外部传感器(如视觉系统、激光雷达LiDAR、超声波传感器)的工作原理、优缺点及其在机器人系统中的应用场景。 数据融合(Data Fusion) 是实现鲁棒感知的关键。本书将重点介绍基于卡尔曼滤波(Kalman Filter) 及其扩展版本(EKF, UKF)的状态估计方法,用以整合来自不同模态传感器的数据,提高定位和环境模型估计的精度与可靠性。此外,对2D/3D点云数据的预处理和特征提取技术也将进行详细讲解。 第六章 机器人定位与地图构建(SLAM) 自主移动机器人(AMR)的导航能力依赖于精确的定位(Localization)和环境建模(Mapping)。本章专注于同步定位与地图构建(SLAM) 技术。 我们将首先介绍移动机器人运动模型的建立,包括里程计模型的误差来源与校正方法。随后,深入探讨基于滤波器的SLAM方法(如扩展卡尔曼滤波SLAM)和基于优化的SLAM方法(如因子图优化)。因子图在现代SLAM中的应用,因其全局一致性和处理大规模数据的能力,将被重点解析。 对于地图表示,本书涵盖了栅格地图(Occupancy Grid Maps)、特征地图以及新兴的度量空间表示法。同时,也会讨论如何利用视觉信息进行视觉SLAM(VSLAM),包括特征点提取、描述符匹配和闭环检测等核心流程。 第七章 机器人规划与决策:路径与任务 本章关注机器人在复杂环境中实现特定目标的全局策略。 路径规划(Path Planning) 方面,我们将对比分析基于图搜索的方法(如A算法、Dijkstra算法)和基于采样的方法(如RRT, PRM)。对于高维空间和复杂约束下的规划问题,RRT等渐近最优算法的理论基础和实现细节将作为重点讲解内容。 任务级决策(Task Level Decision) 涉及高层逻辑和行为组织。我们将介绍有限状态机(FSM)、行为树(Behavior Trees)等经典方法,并探讨如何将基于学习的策略融入到传统规划框架中,实现更灵活的任务调度和异常处理能力。 第八章 人机交互与安全标准 随着机器人进入生活和工作空间,安全、可靠的人机协作(HRI)成为关键研究方向。本章讨论如何设计直观、自然的交互界面,以及确保系统安全运行的技术标准。 交互界面部分,我们将分析基于语言、手势和触觉的反馈机制。讨论如何利用感知系统理解人类意图,并以非侵入性的方式向操作员提供系统状态反馈。 安全与规范方面,我们将详细介绍国际机器人安全标准(如ISO 10218系列),探讨碰撞检测、安全距离维护以及在人机共存(Cobots)环境中实现动态避障的控制策略,确保机器人在接近人类时能及时、安全地降速或停止。 总结 《现代机器人学原理与实践》旨在为读者提供一套从基础理论到前沿应用的全面知识体系。本书侧重于运动学、动力学、控制和感知等核心模块的深入剖析,并结合大量的工程实例和数学推导,帮助读者掌握构建和部署复杂机器人的必备技能。

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用户评价

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这本书的实用性是我选择它的重要原因之一,而它也的确没有让我失望。书中不仅仅是理论的讲解,更重要的是包含了大量的实际操作指导和代码示例。作者在介绍每一种控制算法时,都会提供相应的伪代码或者实际编程语言(比如Python)的代码实现,并且附带详细的解释。我尝试着跟着书中的代码,在我的电脑上进行了一些简单的仿真实验,发现效果非常好,能够快速验证理论的有效性。尤其是在讲解模型预测控制(MPC)那一章,作者不仅详细解释了模型构建、优化求解的过程,还提供了一个完整的MPC控制器代码框架,并指导读者如何根据自己的系统参数进行调整。这对我来说,简直是福音。我之前也尝试过自己编写一些控制算法,但往往会遇到各种bug,或者不知道如何有效地进行参数调优,而这本书就像一个经验丰富的导师,手把手地教我如何去实践。而且,书中还提供了一些关于如何将这些控制算法部署到实际硬件平台上的建议,虽然不是特别详细,但为我指明了方向。

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这本书的章节组织逻辑性非常强,每一章都像是为下一章打下了坚实的基础。从最基本的信号处理和系统辨识开始,逐步引入了状态空间分析、最优控制等经典理论。然后,作者巧妙地将这些经典理论与人工智能技术相结合,引出了模糊逻辑、神经网络、支持向量机等智能控制的核心技术。在讲解这些智能技术时,书中并没有忽略它们与传统控制理论的联系,而是强调了如何利用这些智能工具来克服传统方法的局限性,例如处理非线性系统、不确定性系统等。我特别欣赏的是,作者在引入新的概念时,总是会回顾前面章节的相关知识点,帮助读者建立知识之间的联系,避免知识点的孤立。例如,在讲解神经网络控制时,作者会再次提及线性系统的状态空间表示,并解释神经网络如何能够学习并逼近复杂的非线性系统模型,这种回顾和串联,让我的学习过程更加顺畅。

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这本书的语言风格十分严谨且富有条理,作者在讲解每一个技术细节时,都力求清晰准确,并且逻辑严密。即便是一些复杂的数学推导,作者也会给出详细的解释和注释,让我能够理解每一步的含义,而不是被一堆公式吓倒。我尤其欣赏的是,作者在引用一些文献或者研究成果时,都会给出清晰的参考文献,这让我对书中内容的可靠性有了信心,也方便我进一步查阅相关的原始资料。而且,作者在处理一些争议性的话题或者不同学派的观点时,总是能够做到客观公正,既介绍了各种观点的优势,也指出了它们的不足,让我能够形成自己独立的判断。这种严谨的治学态度,不仅体现在内容的专业性上,更体现在作者对知识传播的责任感上。

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这本书的叙事风格着实是出乎我的意料,我原以为会是一本枯燥的教科书,充斥着公式和推导,但实际阅读下来,它更像是一本引人入胜的技术故事集。作者在讲解每一个控制策略时,都巧妙地融入了大量生动的案例分析。我印象最深刻的是关于自适应控制的那部分,它并没有直接跳到数学模型,而是先讲述了飞机在不同飞行环境下,飞行员如何实时调整操纵杆来保持稳定,然后类比到自动驾驶系统,解释了为什么需要自适应控制,以及它如何在动态变化的环境中“学习”和“适应”。这种由浅入深、由实到虚的讲解方式,让我能够轻松理解那些原本听起来非常抽象的概念。书中的语言也十分流畅,没有那种为了显示专业性而堆砌的术语,很多复杂的概念都用非常接地气的比喻来解释,比如将模糊逻辑比作人类的直觉判断,将神经网络比作大脑的学习过程,这些比喻都非常形象,能够帮助读者快速建立起对新知识的认知框架。而且,作者在行文中还时不时会穿插一些幽默的小插曲,或者提出一些发人深省的问题,让我在阅读过程中感受到一种与作者的“思想交流”,而不是单方面的灌输,这极大地提高了我的阅读兴趣和学习效率。我常常在读完一个章节后,会停下来思考作者提出的问题,并且尝试将学到的知识与自己生活中的一些现象联系起来,这种主动思考的过程,让知识的内化变得更加深刻。

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读完这本书,我最大的感受是它极大地拓宽了我对“控制”这个概念的理解。我之前一直以为控制就是简单地输入输出,通过一些固定的算法来实现目标。但这本书让我明白,真正的智能控制,是能够理解环境、适应变化、甚至进行学习和决策的。作者在讲解一些高级的控制方法时,比如基于强化学习的机器人路径规划,他不仅仅展示了算法的强大能力,更深入地探讨了如何让机器“思考”,如何让它在复杂的、不可预测的环境中自主地找到最优策略。这让我联想到科幻电影中的智能机器人,原来这些技术并非遥不可及。书中的一些案例分析,比如自动驾驶汽车的决策系统,或是智能电网的能源调度,都让我看到了智能控制在解决现实世界复杂问题上的巨大潜力。这种“解放思想”的启发,是这本书带给我的最宝贵的财富。

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这本书最大的特点在于其深度与广度的完美结合。它并没有停留在对某一类控制技术的浅尝辄止,而是将目光投向了整个智能控制的宏大领域。从早期的经典控制理论,到中期的模糊逻辑和神经网络,再到如今的前沿的强化学习和深度强化学习,作者都进行了详尽的介绍。更令人称赞的是,书中对于这些不同技术之间的联系与区别也进行了深入的探讨,让读者能够清晰地看到智能控制技术的发展脉络和演变过程。我尤其喜欢作者在分析各种控制算法时,会站在更高的视角,讨论它们在解决复杂系统问题时的共性与差异。例如,在讲解强化学习时,作者不仅仅介绍了Q-learning和Deep Q-Network,还将其与传统的反馈控制理论进行了类比,指出了它们在“试错”和“优化”过程中的共通之处,也强调了它们在处理大规模、高维度状态空间时的独特性。这种跨领域的融合性讲解,极大地拓展了我的思维边界,让我不再局限于单一的技术视角,而是能够从一个更宏观、更系统的角度去理解智能控制。

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这本书的封皮设计倒是挺有吸引力的,那种科技感十足的线条和配色,让人一眼就能联想到未来世界的某种精密操控系统。拿到手的时候,纸张的触感也挺舒服,不是那种粗糙的印刷纸,而是带有一定光泽度的,翻页的时候沙沙作响,有一种纸质书籍特有的仪式感。我刚开始翻看的时候,就被里面丰富的插图和图表吸引了,很多概念的解释都配有生动的示意图,比如那个关于模糊逻辑控制的图,用非常直观的方式展现了输入量如何通过隶属函数转化为输出指令,我之前在网上零散地看过一些资料,但总觉得不够系统,这本书的图文结合,一下子就打通了我的思路。而且,它并没有一开始就抛出晦涩难懂的数学模型,而是从一些大家都能理解的实际应用场景入手,比如家用电器的自动化、工业生产线的优化等等,这让我觉得学习起来并没有那么大的门槛,反而充满了探索的乐趣。我尤其欣赏的是作者在解释一些复杂算法时,会穿插一些历史背景和发展脉络,这让我不仅仅是学习技术本身,更能理解这项技术是如何一步步发展到今天的,背后有多少先辈的智慧和努力。比如,关于PID控制那一章,作者不仅详细介绍了比例、积分、微分的原理和作用,还追溯了PID控制的发明历史,提到了一些关键人物和实验过程,这种讲述方式让冰冷的算法变得有温度,也让我对接下来的学习内容充满了期待,想知道更多的“前世今生”。

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这本书在数学表述上非常专业,同时也兼顾了不同背景读者的理解需求。对于有扎实数学基础的读者,书中的公式和定理推导都非常严谨,可以作为深入研究的参考。而对于数学基础相对薄弱的读者,作者则提供了大量的图示和文字解释,通过直观的比喻和实例,帮助他们理解核心概念。我个人在阅读过程中,对于一些复杂的数学模型,会先仔细阅读图示和文字解释,形成一个初步的印象,然后再去理解具体的公式推导。作者在处理这种“软硬兼施”的教学方式上做得非常出色,使得这本书既适合作为高等院校的教材,也适合作为专业人士的参考书。我注意到,书中很多概念的引入,都巧妙地结合了现实世界的物理现象,例如,在解释状态空间方程时,作者会用一个简单的RLC电路来类比,让我能够更直观地感受到数学模型所描述的物理过程。

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这本书的排版和设计也十分用心,大开本的纸张,清晰的字体,合理的行间距,都让阅读体验非常舒适。书中的插图和图表绘制得十分精美,色彩搭配得当,线条清晰,不仅能够辅助理解内容,本身也是一种视觉享受。我特别喜欢书中在重要概念或者公式旁边设置的“提示”或者“注意”栏,能够帮助我快速抓住重点,避免遗漏关键信息。而且,书中还提供了一些“思考题”或者“拓展阅读”的建议,鼓励读者在阅读之余进行更深入的思考和探索。这种全方位的细节关怀,让我感受到出版方在内容和形式上的双重匠心。总的来说,这是一本集理论深度、实践指导、精美设计于一体的优秀图书,我非常乐于向同行推荐。

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这本书的结构安排非常合理,循序渐进,让我这个初学者也能看得懂。一开始,它并没有直接深入到复杂的理论,而是先从一些基础的控制系统概念入手,比如闭环控制和开环控制的区别,以及它们各自的优缺点。作者用非常形象的比喻,比如恒温器的运作方式来解释闭环控制,让我一下子就明白了其中的原理。随后,书中的内容逐渐深入,开始介绍各种经典的控制算法,比如PID控制、模糊控制、神经网络控制等等。对于每一种控制方法,作者都详细讲解了其基本原理、数学模型、设计步骤以及适用范围。而且,书中还穿插了大量的实例,从简单的机械臂控制到复杂的无人机导航,都进行了深入的剖析,让我能够直观地看到这些控制技术在实际中的应用。我尤其欣赏的是,作者在讲解每一种控制方法时,都会对其优劣势进行客观的评价,并给出在不同场景下如何选择最合适的控制策略的建议,这对于我这样想要在实际项目中应用这些技术的人来说,非常有指导意义。书中的图示也很清晰,很多关键的公式和算法都配有详细的推导过程和解释,让我能够理解它们是如何得出的,而不是仅仅记住结果。

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