[發明專利]一種基于鼠腦定位細胞的機器人情景認知地圖的構建與導航方法

有效

• 申請號: 201811476795.8
• 申請日: 2018-12-05
• 公開（公告）號: CN109668566B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 劉冬;鄒強;叢明;崔瑛雪;呂志
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/32
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

本發明屬于機器人技術與應用領域，涉及一種基于鼠腦定位細胞的機器人情景認知地圖的構建與導航方法。機器人在探索環境的過程中，獲取自身的運動信息以及正前方的圖像信息，并將自身的運動信息輸送到網格細胞計算模型中，進而生成相應的位置細胞模型。通過定義事件，將機器人在空間中的位置信息、獲取到的圖像信息進行封裝，利用狀態神經元對事件進行標記。在探索過程中，狀態神經元不斷產生，進而覆蓋整個環境，構成環境的情景認知地圖。利用生成的情景認知地圖，采用全局路徑規劃算法來實現基于目標的機器人導航。通過局部路徑規劃算法，利用激光測距傳感器對機器人的全局路徑進一步優化，實現了機器人的實時避障以及路徑的局部優化。

技術領域

本發明屬于機器人技術與應用領域，涉及一種基于鼠腦定位細胞的機器人情景認知地圖的構建與導航方法。

背景技術

空間認知是動物執行認知任務的基本能力。其主要包括對未知環境進行探索、構建地圖、定位和導航。幾十年來，研究人員一直在研究動物如何在未知環境中進行認知和導航。通過神經科學的研究發現，動物的海馬體及其周圍區域中，存在著與空間認知有關的細胞。

在對空間認知的早期研究中，1948年，Tolman提出了認知地圖概念，即通過認知地圖來表達環境中的顯著地標之間的空間關系。1971年，O’Keefe發現鼠腦海馬中的存在著一種特殊的神經元，這類神經元具有復雜的放電活動，當老鼠處在特定的空間位置中時，特定的神經元細胞就會產生放電活動，這類神經元細胞被稱為位置細胞(Place Cell)。位置細胞的這種選擇性的放電行為形成了大腦和外界環境中的映射關系，是構建認知地圖的重要基礎。2005年，Hafting等人發現，在大腦的內嗅皮層中存在著另一種與空間認知有關的神經細胞。當老鼠活動在二維空間中時，這類神經細胞會在特定的地點產生重復性規律放電活動，并且這些地點按六邊形網格分布，這類細胞被稱為網格細胞(GridCell)。網格細胞和位置細胞的激活模式如附圖1所示，圖中，藍色部分為網格細胞，黃色部分為位置細胞。

由網格細胞所產生的六邊形網格放電區域遍布在老鼠所經過的空間環境中。神經科學的研究發現，內嗅皮層中的網格細胞是位于海馬體中的位置細胞的主要輸入來源。網格細胞在二維空間中表現出了對動物位置的規則性的放電活動，并且提供了用于映射空間的度量信息。網格細胞通過整合自身運動信息來更新位置細胞的放電區域，并且通過外部線索來糾正路徑積分中產生的誤差。內嗅皮層-海馬回路對環境的表達構成了環境的認知地圖，在動物大腦中形成了一套綜合定位系統。

目前，研究人員對于定位系統空間細胞的地圖構建與導航算法，主要集中在對大腦中定位導航系統的理解，以及提出精確的仿生SLAM算法來模擬動物的定位和導航系統，而對于現實環境中的機器人如何利用仿生SLAM算法對地圖進行構建和導航的研究較少。最早被提出的仿生SLAM算法是RatSLAM算法，其主要專注于對老鼠的神經行為學特征進行模仿，并沒有考慮到鼠腦的解剖學和生理學方面的特性。該算法對網格細胞到位置細胞之間的連接權值進行了預先設定，沒有學習行為，顯然不符合老鼠的生理學方面的特性。Barrera模型對動物的定位和導航系統進行了具體分析，但是其沒有通過視覺信息對路徑積分誤差進行糾正，在實際應用中存在一定的困難。于乃功提出了一種基于定位空間細胞作用機理的地圖構建方法，利用頭方向細胞、條紋細胞、網格細胞和位置細胞進行環境的地圖構建，尚未進行機器人規劃研究。

情景記憶可以創造自身和周圍環境的多種認知能力，為機器人認知環境提供了更加方便穩定的途徑。通過情景記憶，機器人可以根據記憶再現曾經的經歷，進而引導機器人進行路徑規劃。目前，對于情景記憶的研究主要用于跟蹤記憶路徑、物體和場景識別等方面，對于如何利用情景記憶對機器人的路徑進行規劃的研究還較少。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提出一種基于鼠腦定位細胞的機器人情景認知地圖的構建與導航方法。