[發明專利]一種基于鼠腦海馬認知機理的智能移動機器人運動狀態和位置認知方法

有效

• 申請號: 201910872030.4
• 申請日: 2019-09-16
• 公開（公告）號: CN110764498B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 于乃功;廖詣深;馮慧;王宗俠;黃靜
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發明提出一種基于鼠腦海馬認知機理的智能移動機器人運動狀態和位置認知方法，屬于機器人環境認知與導航技術領域，主要應用于智能移動機器人的環境認知、地圖構建及導航等任務。具體流程包括：本方法通過攝像頭采集圖像信息，通過陀螺儀和編碼器采集機器人的角度與方向信息，并將上述信息傳輸到CPU中。提出一種基于速度細胞和視覺信息的感知速度求解方法，獲取機器人的感知速度；利用一維環狀連接的細胞模型模擬頭朝向細胞的放電機理，將角度信息輸入頭朝向細胞模型，使得機器人以仿生的方式獲取感知角度。然后將感知速度和感知角度輸入至位置細胞的前向編碼神經網絡模型，驅動位置細胞板上興奮活動包的移動，獲取機器人在環境中的位置。

技術領域：

本發明屬于智能移動機器人環境認知與導航技術領域，具體涉及一種基于鼠腦海馬認知機理的智能移動機器人對自身運動狀態和環境信息的認知方法。

背景技術

智能移動機器人是指可以通過仿生的認知機理，結合傳感器對環境信息和運動信息的采集，實現對自身狀態和環境信息的感知。使其能夠在復雜的空間環境中模擬生物強大的面向目標導航的能力，實現自主運動，進而完成特定工作、功能的機器人系統。位置認知是人和動物的一項基本功能，也是智能移動機器人的基本任務和關鍵問題。

生理學研究表明，大腦皮層中的海馬體是高等動物執行環境認知任務的重要結構，O’Keefe等人在1971年，在鼠腦海馬體中發現一種對空間位置具有選擇性的細胞，只有當大鼠處于空間中的特定位置時，該細胞才會發生放電活動。這種細胞被稱為位置細胞，而對應其放電的空間區域則被稱為位置野。Ranck等在 1984年，在老鼠前下托發現了一種對頭部的朝向有著強烈放電作用的神經元細胞，當老鼠頭部面向一個特定方向時，頭朝向細胞發生最大放電，當頭偏離這個方向時，細胞放電作用會減弱，該神經元細胞因此被命名為頭朝向細胞。1998 年，O’keefe等人在關于位置細胞計算模型的研究中，第一次對路徑整合過程中可能的速度信號提出了猜想，認為細胞放電率與運動速度呈線性正相關的關系。之后的研究者們也常常用正比例函數描述速度與頻率的關系。2015年Emilio Kropff等在Nature上發表文章稱通過實驗證實了速度細胞的存在，并引起了學術界對空間認知過程中速度信號的編碼與作用機制的思考。

盡管近年來人工智能技術發展迅速，但有關智能移動機器人對自身在環境中的位置認知和運動狀態的研究相對落后，認知能力的不足一定程度上制約著智能移動機器人的研究和推廣。在對環境的感知與理解方面，智能移動機器人遠遠不及人類或其他高等動物,這主要是由于現階段傳感器性能的不足和對機器人認知環境的理論研究不足。因此在智能移動機器人面對復雜多變的外部環境時，要求其具有較高的適應性和魯棒性。仿照高級哺乳動物的環境認知機理是當前智能移動機器人的一項研究熱點。本發明基于鼠腦海馬的環境認知與發育機理，面向智能移動機器人及其未知環境自主探索問題，提出一種智能移動機器人對自身運動狀態和位置信息的認知方法。

發明內容

本發明的主要目的是提出一種基于鼠腦海馬認知機理的智能移動機器人運動狀態和位置認知方法，模擬鼠腦海馬體內各種空間細胞的放電機理，完成智能移動機器人在復雜環境下環境認知與定位功能。主要面臨如下問題：

1.目前智能移動機器人遠遠不及人類或其他高等動物，受硬件系統(傳感器精度、CPU運算速度等)發展的限制。

2.之前的相關研究工作是感知層次上的離散的研究，難以為未知動態環境下的移動機器人導航提供足夠的信息。

3.傳統的行為學習方法已經無法滿足人類對機器人智能的要求，難以為復雜未知環境下的機器人導航提供足夠的信息。

4.以往的認知模型大多數是基于符號化知識表示的，具有這一類認知模型的機器人系統的行動能力不強，適應性和可擴展性較差，且具有過多的設計成分，不具備良好的仿生性。