Embodied Intelligence
期末备考，我不中了
Embedded Systems（嵌入式系统）
Main Building Blocks and Their Relationship with the Environment（主要构建块及其与环境的关系）
Sensor（传感器）
the purpose of a sensor is to detect a certain event, process or change in the environment and produce a corresponding output signal.
传感器的目的是检测环境中的特定事件、过程或变化，并产生相应的输出信号。
- 传感器负责观察环境
- 采集物理量（光、温度、声音、压力等）
- 输出与事件变化对应的信号
- 在人类类比中：眼睛、耳朵、皮肤等感官
Actuator（执行器）
Actuators are elements … whose purpose is to interact with the environment based on the computational unit’s commands.
执行器是……其目的是根据计算单元的命令与环境进行交互的元素。
- 执行器根据控制命令改变环境
- 形式通常是各种电机、线性驱动器等
- 在人类类比中：肌肉
Computational Unit（计算单元）
The main computational unit … where the signal processing, decision making, intervening signal generation and communication is done. ‘Human brain’.
主要计算单元……在这里进行信号处理、决策制定、干预信号生成和通信。“人类大脑”。
- 系统的大脑
- 负责信号处理、决策、通信
- 控制传感器数据处理并下达执行命令
Relationship with the Environment（与环境的关系）
An embedded system is a system that mostly has an intensive information-changing connection with its environment…
嵌入式系统是一个与其环境有密集信息变化连接的系统……
- 嵌入式系统与环境之间有密集的信息交换关系
- Sensors 从环境接收信息
- Computational Unit 分析信息、做决策
- Actuators 回馈影响环境
- 这构成一个持续闭环：感知 → 处理 → 作用 →（改变的）环境再被感知
这是典型的mechatronic closed loop。（机电闭环）
Control Loops（控制回路）
“Generalized control loop：Process – Sensor – Actuator”（即过程、传感器、执行器构成循环）
一个控制回路就是一个“自动调节系统”，不断执行下面四步：
- Process（被控制的对象）
- Sensor（测量过程）
- Computational Unit / Controller（处理和决策）
- Actuator（执行动作）
Generalized 通用控制回路结构：
在一个控制回路里，传感器负责测量当前状态；信号进入处理前会经过 signal conditioning；计算单元进行处理后输出控制信号给执行器；执行器改变过程；改变后的过程再被传感器测量，这样形成闭环
A/D: Analog to digital conversion
D/A: Digital to analog conversion
- 传感器输出的是模拟信号，计算机只能处理数字信号，因此必须 A/D 转换
- 执行器大多需要模拟电压/电流，因此控制器输出的数字信号必须 D/A 转换
Sensors → A/D → Controller → D/A → Actuator
Signal Processing 在控制回路中就是“大脑”，在这里进行过滤、分析、控制算法、决策等智能操作
Canonical 标准控制回路包含：
Controller（控制器）
Plant（被控对象）
Feedback（反馈）
信号：
- xb（base signal）
- xc（control signal）
- xr（regulated/controlled signal）
- xf（feedback signal）
- xd（disturbance）
“在标准控制回路中，控制器根据参考信号与反馈信号之间的差异生成控制信号。控制信号作用于 plant（被控对象），plant 产生输出 xr。传感器测量输出并产生反馈 xf，再返回控制器形成闭环。若外界出现干扰 xd，控制系统通过反馈自动补偿。”
如果输入给控制系统的信号质量差或含有噪声，最终控制结果也会很差。这就是 Garbage in garbage out (GIGO) 原则。
Signal（信号）
Signal can be anything. Physical state changes during time.
信号就是“随时间变化的物理量”。
例子：电压、温度、声音、光强等。
Signal = Information + Noise
Information: useful part
Noise: unwanted disturbance
信号里有有用信息，也不可避免包含噪声。
“为什么需要滤波？” → 因为要去掉噪声。
信号在通信系统中从哪里来？
Transmitter → Channel → Receiver（噪声混入在 Channel）
信号从发送端传输到接收端，在通道里受到噪声干扰。
信号的类型：
按数学可预测性分类
- Deterministic（确定性）：能精确用数学表达
- Stochastic（随机/非确定性）：有不确定性
按统计性质分类
- Ergodic：时间平均 = 集合平均
- Not ergodic：不能预测
平稳、统计规律可掌握的叫“遍历”；过于随机的叫“非遍历”。
按表示方式
- Analog（模拟）：连续变化
- Digital（数字）：离散值
模拟信号连续且无限取值；数字信号离散，有具体的数值。
按时间特性
- Periodic（周期）
- General periodic
- Quasiperiodic（准周期）
- Transient（瞬态）
- Not periodic（非周期）
周期信号会重复；非周期信号不重复；瞬态信号只在短时间出现。
按时间/幅度离散性分类
- Discrete in time （采样信号）
- Discrete in amplitude （量化信号）
- Discrete in time and amplitude（数字信号）
数字信号是“时间和幅度都离散”。
Types of Signals Based on the Time/Value Quantization（基于时间/数值量化的信号类型）
Discrete in Time
- 只在特定时间点取样
- 每个样本仍然可以是连续的模拟值
每 1 ms 采集一次传感器值（但值可任意连续）
Discrete in Amplitude
- 时间可以连续
- 但信号的数值只能取几个离散等级
（例如量化后的电压只能取 0.1、0.2、0.3 ……）
幅度离散信号：数值被量化成有限等级，但时间是连续的。
Discrete in Time and Amplitude
- 既不连续采样
- 数值也只能是离散等级
- 典型例子：所有计算机数字信号（0/1、ADC 输出）
数字信号：时间与幅度都离散的信号，是计算机处理的主要形式。
Signal Preprocessing Methods（信号预处理方法）
“Signal conditioning: the manipulation of an analog signal in such a way that it meets the requirements of the next stage for further processing. amplification, filtering, converting, range matching, isolation.”
“信号调理：对模拟信号进行处理，使其满足后续处理阶段的要求。包括放大、滤波、转换、量程匹配和隔离等操作。”
Amplification（放大）
- 原始传感器信号通常很弱
- 必须放大才能让 A/D 转换器或控制器能准确读到
Filtering（滤波）
- 去除噪声
- 强调有用成分
Converting（转换）
可能包括：
- 模拟量 → 模拟量（如电压转电流）
- 传感器输出格式转换
- 信号单位转换
Range Matching（量程匹配）
- 不同设备对信号幅度有不同要求
例如：
A/D 输入范围 0–3.3V
但传感器输出可能是 0–10V 或 0–0.1V
所以必须调整量程。
Isolation（隔离）
- 防止高压、高噪声损坏微控制器
- 通常通过光耦合、隔离放大器实现
- 在工业系统中很常见
Filter Types（滤波器类型）
四种基础滤波器：
Low-pass, High-pass, Band-pass, Band-stop（或 Band-reject）
Low-pass Filter（低通滤波器）
“Low-pass filter: low frequencies are passed, high frequencies are attenuated.”
低频能通过，高频被削弱（常用于去噪、去抖动）。
High-pass Filter（高通滤波器）
“High-pass filter: high frequencies are passed, low frequencies are attenuated.”
高频能通过，低频被削弱（用于检测快速变化、边缘检测）。
Band-pass Filter（带通滤波器）
“Band-pass filter: only frequencies in a frequency band are passed.”
只允许某一段频率范围通过，其它全部削弱（常用于信号分离）。
Band-stop Filter / Band-reject Filter（带阻 / 陷波滤波器）
“Band-stop filter: only frequencies in a frequency band are attenuated.”
阻止一段特定频率通过（比如去掉 50Hz 电源噪声）。
“Ripples: fluctuations in the pass band or stop band.”
Ripples（波纹）是通带或阻带中的幅度起伏。
“Transition region: region between passband and stopband.”
Transition Region（过渡带）是从允许通过到需要衰减的中间区域。
Famous filter types
- Butterworth：no ripple in pass and stop band, slow cutoff
无波纹，但截止最慢。 - Chebyshev I：no ripple in stop band, moderate cutoff
通带有波纹，阻带无波纹，截止中等。 - Chebyshev II：no ripple in pass band, moderate cutoff
通带无波纹，阻带有波纹，截止中等。 - Elliptic：ripple in pass and stop band, fast cutoff
通带和阻带都有波纹，但截止最快（最陡峭）。
Microprocessor as the Computational Unit of the Embedded Systems（微处理器作为嵌入式系统的计算单元）
- 微处理器是系统的主计算单元
- 在这里完成 信号处理（signal processing）
- 决策（decision making）
- 生成控制信号（intervening signal generation）
- 以及 通信（communication）
- 在系统中，它的角色相当于 “大脑（Human brain）”
微处理器是夹在感知与动作中间、负责“理解 → 计算 → 命令”的核心部分。
微处理器做的四类任务：
- Signal Processing （信号处理）
- Decision Making （决策）
- Intervening Signal Generation （生成控制信号）
- Communication （通信）
Most Used Peripherals（最常用的外围设备）
“Most widely used protocols in embedded systems:
UART, SPI, I2C, CAN bus, ModBus, FLEXRAY”
- Timers（定时器）（用于 PWM、时序控制）
- PWM 单元（Pulse Width Modulation）
- ADC（模数转换器）
- DAC（数模转换器）
- Communication modules（通信模块）
UART（通用异步收发器）
- 最简单的串行通信方式
- 常用于电脑 → 微控制器通信
- 一次传一位，成本低
SPI（串行外设接口）
- 高速
- 主从结构
- 常用于传感器、显示屏、存储芯片
I2C（双线通信）
- 两根线（SDA + SCL）
- 同一总线上可挂很多设备
- 速率比 SPI 低但更简洁
CAN bus（控制器局域网）
- 汽车行业最重要的通信总线
- 稳定、抗干扰、可多节点
ModBus
- 工业领域最经典协议
- PLC、传感器都在用
FlexRay
- 新一代车载高速通信
- 用于自动驾驶与安全系统
ADC DAC
Timers（定时器）
定时器用于计时、产生 PWM、测量信号时序。
PWM Unit（脉宽调制单元）
PWM 是用来模拟模拟量、控制电机和灯光的常用外设。
I/O – Purpose and Usage（输入/输出 - 目的和用法）
I/O 的目的就是让微处理器和外部世界沟通：读输入、发输出。
I/O 用途一：数字输入 / 数字输出（Digital I/O pins）
数字 I/O 用于读高低电平信号（例如按钮、时钟、传感器输出），或输出高低电平控制外设。
I/O 用途二：模拟输入（Analog Input / ADC）
模拟输入 I/O（ADC）用于读取连续变化的物理量。
I/O 用途三：模拟输出（Analog Output / DAC 或 PWM）
输出 I/O 用于通过 DAC 或 PWM 生成执行器所需的信号。
I/O 用途四：通信 I/O
通信 I/O 用于和传感器模块、显示屏、存储器、其他控制器交换数据。
Timer – Purpose and Usage（定时器 - 目的和用法）
“Pulse Width Modulation
Used for imitation of analog signals with alternating ON-OFF cycles
Parameters: Frequency [Hz], Duty cycle [%]”
产生周期性时间（Frequency generation）
PWM 的频率来自内部定时器
这意味着 Timer 的目的之一是：
提供精确、稳定的时间基准用于周期性事件。
用于 PWM（控制电机/灯光）
“Usage of PWM signal instead of analog signal for motor control.”
PWM 的本质是：
- Timer 负责按照设定频率开关输出引脚
- 根据占空比调节输出平均电压
- 用来驱动电机、灯光等执行器
所以 Timer 的第二个用途：
通过 PWM 控制执行器。
提供系统内部时序与同步（Synchronization）
Timer 的第三个目的：
生成同步信号，让系统中的外设保持正确时序。
为软件提供周期性触发（周期性任务）
- 每隔 1 ms 采样
- 每隔 100 ms 执行一次控制算法
- 产生定时中断
AD/DA Converters – Purpose and Usage（模数/数模转换器 - 目的和用法）
传感器输出一般是 模拟信号（连续的电压）
微处理器只能处理 数字信号（离散的数值）
→ 必须使用 ADC 把模拟值转换成数字值。微处理器的运算和输出是 数字值
很多执行器（如马达、音频、电压驱动装置）需要 模拟电压或电流
→ 必须用 DAC 将数字数值转换成模拟信号。没有 DAC 时，系统可以用 PWM“模拟”模拟电压
Comparators（比较器）
“Comparison of the PWM controlling and analog controlling”
“Usage of PWM signal instead of analog signal for motor control.”
- 比较两个输入信号（通常是测量值 vs. 阈值）
- 若输入大于参考值 → 输出高电平
- 若输入小于参考值 → 输出低电平
阈值检测（Threshold detection）
当传感器信号超过某个阈值时触发事件。
作为 PWM 的比较核心
PWM 是由一个定时器的“锯齿波”与一个“参考电压”进行比较形成的。
PPT 中强调：
PWM is used instead of analog signal for motor control
PWM 的生成离不开比较器：
- 当锯齿波 > 参考电压 → 输出低
- 当锯齿波 < 参考电压 → 输出高
过流/过压保护（安全控制）
作为模拟前端的一部分（Signal conditioning）
Signal conditioning：amplification, filtering, converting…
比较器也是模拟信号调理中的常见模块，用于快速检测电平状态。
Communication Protocols（通信协议）
“Most widely used protocols in embedded systems:
UART, SPI, I2C, CAN bus, ModBus, FLEXRAY”
通信协议就是微处理器与外部设备交换数据的方法。
在嵌入式系统中，不同协议用于连接：
- 传感器
- 执行器
- 存储器
- 多个控制器
- 外部总线（如汽车 CAN）
控制器必须通过 I/O 与外部通信，因此通信协议是 CPU 的重要外设。
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）
- 异步串行通信
- 只需要 TX、RX 两根线
- 简单、常用于电脑与微控制器通信
SPI（Serial Peripheral Interface）
- 高速
- 主从结构（Master–Slave）
- 常用于传感器、屏幕、存储器
I2C（Inter-Integrated Circuit）
- 只有两根线：SCL + SDA
- 可挂很多设备
- 速度比 SPI 慢，但接线最简单
CAN bus（Controller Area Network）
- 汽车行业最重要的通信协议
- 抗干扰强
- 多节点通信
ModBus
- 工业自动化最经典协议
- 常用于 PLC、工业传感器
FlexRay
- 比 CAN 更高速
- 用于自动驾驶、高安全需求系统
Real-timeness（实时性）
“Real-time: The response of the system MUST follow deadlines.”
实时系统的关键是：系统必须在截止时间（deadline）之前给出响应。
“The correctness of a real-time system depends not only on the logical results of the computations, but also on the time at which the results are produced.”
实时系统不仅要求结果正确，还要求结果在正确的时间产生。
实时系统不一定快，但必须准时。
- 1 秒内必须响应的系统，0.2 秒和 0.9 秒都算正确
- 但如果 1.1 秒才响应，即使非常快，也是不合格
汽车刹车系统必须在规定时间内作出反应，否则会造成危险。
实时系统的响应时间必须是可预测的，并且能被保证。
Sensors（传感器）
“In its broader definition, the purpose of a sensor is to detect a certain event, process or change in the environment and produce a corresponding output signal.”
传感器的目的就是检测环境中的事件或变化，并产生对应的输出信号。
Sensor 是 Transducer 的子类别
Transducer（换能器）是更大的类别：任何能把一种物理量转换成另一种的人
Sensor 是专门将物理量转换为 信号（通常是电信号） 的换能器
传感器是机器人/嵌入式系统与环境之间的信息入口
没有传感器，系统无法“看到”“听到”外部世界
Sensor 的 MUST 条件
“Unambiguous and reproducible signal
Output only influenced by the input
Linear relationship (weak requirement)
Do not affect the measured system
Immunity to external disturbances
Output can be normalized.”
信号必须明确且可重复（Unambiguous & reproducible）
同样的输入应该产生同样的输出。输出只能由输入决定
不能受到外界干扰。线性关系（理想但弱要求）
输出随输入比例变化更易处理。不应影响被测系统
例如温度传感器不能自己加热系统抗干扰能力强
输出可归一化
Sensor 的分类
机械类传感器（Mechanical）
- 位置、速度、加速度
- 力、扭矩
- 压力
热类传感器（Thermal）
- 温度
- 热流
电类/磁类传感器（Electrical/Magnetic）
- 电压、电流、电荷
- 磁通、磁感应强度
光学传感器（Optical）
- 光强
- 波长
传感器需要 Signal Conditioning（信号调理）
传感器输出通常很弱、不稳定，需要：
- 放大（amplification）
- 滤波（filtering）
- 隔离（isolation）
- 线性化（linearization）
Mostly Measured Physical Quantities（主要测量的物理量）
Mechanical Quantities（机械量）
- Position（位置）
- Velocity（速度）
- Acceleration（加速度）
- Angular position / velocity / acceleration（角位置、角速度、角加速度）
- Force（力）
- Torque（扭矩）
- Pressure（压力）
Thermal Quantities（热量）
- Temperature（温度）
- Heat flux（热通量）
- Radiation（辐射）
Electrical / Magnetic Quantities（电量 / 磁量）
- Charge（电荷）
- Voltage（电压）
- Current（电流）
- Magnetic induction（磁感应强度）
- Magnetic flux（磁通）
Optical Quantities（光学量）
- Light intensity（光强）
- Wavelength（波长）
Measurement in Mechanics（机械测量）
Position（位置）
- 包括线位移与角位移（angular position）
- 用于测量物体在哪里、转动到什么角度
典型传感器：
- 位移传感器
- 编码器（optical encoder）
Velocity（速度）
- 包括线速度与角速度（angular velocity）
Acceleration（加速度）
- 包括线加速度与角加速度
- 加速度计（在 IMU 中使用）
Force（力）
- 衡量推、拉、压等外力
Torque（扭矩）
- 旋转方向的力（转动力）
Pressure（压力）
- 面积上的垂直力（机械测量也涵盖压力）
Indirect Measurement Idea（间接测量思想）
重量是如何通过一系列中间物理量间接得到的
Weight → Force → Mechanical stress → Deformation → Change in wire length → Change in wire resistance → Change in measured voltage
重量无法直接测量 → 通过电压变化间接得到。重量 → 力 → 应力 → 变形 → 电阻 → 电压
当我们不能直接测量一个物理量时，我们通过测量与它相关的其他物理量，并一步一步推导出最终要测的值，这就叫间接测量。
传感器很少直接测量我们想要的物理量，而是通过一系列中间物理量转换后得到信号。
Principle of the Optical Encoders（光学编码器的原理）
光学编码器是一种利用光源与光接收器，通过检测遮光盘的透光/遮光模式，来测量转动位置或速度的传感器。
光学编码器的工作原理：
安装一个带孔的转盘（disk with holes）
这个转盘与被测设备（例如电机轴）连接。光源照射，接收器测量光线通过/被遮挡
当转盘旋转时：
- 孔对准光源 → 光通过
- 没孔对准 → 光被挡住
这就形成了一个 光的“开/关”信号（digital pulses）。
通过“脉冲数量”测量运动
转盘每旋转一小段，就会产生一个光脉冲。
脉冲数量 = 移动量（位置或角度）。
如何测量方向？
- 使用 两个错位的接收器（A 和 B 通道）
- 当盘转动时，A、B 接收的光脉冲会有相位差（phase shift）
如果：
- A 先亮后 B → 向前
- B 先亮后 A → 向后
这就是 Quadrature Encoding（正交编码）。
光学编码器能测
Position（位置）
通过累计脉冲数。Velocity（速度）
通过单位时间内脉冲数变化。Direction（方向）
通过 A/B 两通道的相位差。
光学编码器精准
- 光的开关非常快
- 脉冲计数精确
- 转盘孔的数量决定分辨率（resolution）
Actuators（执行器）
Main Energy Sources by Type Used（按类型使用的主要能源）
Power Machines vs Actuators（电源机器与执行器）
Positioning（定位）
DC Motor（直流电动机）
BLDC Motor（无刷直流电动机）
Stepper Motor（步进电动机）
Linear Motor（线性电动机）
Special Actuators: Piezo Motor, Memory Alloy, MEMS（特殊执行器：压电电动机、记忆合金、MEMS）
Principle of the Servo Motor（伺服电动机的原理）
Ethorobotics（伦理机器人学）
Social Robots（社交机器人）
Industrial Robots（工业机器人）
Uncanny Valley（恐怖谷）
Main Fields of Application of Social Robotics（社交机器人的主要应用领域）
Communication Modalities in Interactions（交互中的通信模式）
Attachment and the Ainsworth Strange Situation Test（依恋与艾因斯沃斯陌生情境测试）
Cognitive Robotics（认知机器人学）
Cognitive Architectures（认知架构）
Adaptivity（适应性）
Braitenberg Vehicles（布雷滕伯格车辆）
Cognitive Model of iPhonoid（iPhonoid 的认知模型）
Stress-inspired Working Memory（压力启发的工作记忆）
Robot Pianist（机器人钢琴家）
Evolutionary Robotics（进化机器人学）
Robot Path Planning（机器人路径规划）
Workspace Optimization（工作空间优化）
Estimation of Kinematic Chain（运动链估计）
Welding Robot（焊接机器人）
Biologically-inspired Robot Locomotion（生物启发的机器人运动）
Evolutionary-based Locomotion（基于进化的运动）
Neurooscillator-based Locomotion Generation（基于神经振荡器的运动生成）
Evolving a Sensory-Motor Interconnection Structure（进化感觉-运动互连结构）
Embodied Intelligence