仿鼠脑内嗅-海马-前额叶信息传递回路的空间导航方法

生理学研究发现,大鼠进行空间定位依赖内嗅—海马CA3结构中的网格细胞与位置细胞,而内嗅—海马结构与前额叶皮层之间的动态联系是导航的关键。基于此,本文提出一种仿鼠脑内嗅—海马—前额叶信息传递回路的空间导航方法,旨在为移动机器人赋予强大的空间导航能力。在海马CA3—前额叶空间导航模型的基础上,本文构建以海马CA1区位置细胞为基本单元的动态自组织模型优化导航路径。随后通过海马CA3区位置细胞与前额叶皮层动作神经元将优化后的路径回馈至脉冲神经网络,提高模型收敛速度的同时还有助于建立导航习惯的长期记忆。为验证方法的有效性,本文分别设计了二维仿真实验和三维仿真平台的机器人实验。实验结果表明:本文方法不仅能够在导航效率、收敛速度等方面超越其他算法,而且对动态变化的导航任务具有较好的适应性。同时,本文方法还能够很好地应用在移动机器人平台上。

一种基于海马位置细胞选择机制的空间认知模型

生物学研究表明,位置细胞是大鼠知晓当前所处空间位置的主要依据。由于网格细胞是位置细胞的主要信息输入源,因此需要构建由网格细胞到位置细胞的映射模型。针对这一问题,本文提出一种网格细胞到位置细胞的逆传播误差神经网络映射模型,实现在给定区域内对位置的精确表达。又依据边界细胞对环境边界特异性放电这一生理特性,实现利用边界细胞对网格野位相的周期性重置,使该模型完成任意大小空间中的位置认知。本文设计了仿真实验对比理论位置细胞板的活动情况,又分别对比竞争型神经网络模型的耗时和RatSLAM位姿细胞板的定位误差。实验结果表明,本文模型能够得到单一的位置野,并在耗时实验中较竞争型神经网络模型算法效率提高85.94%;在定位实验中较RatSLAM位姿细胞板的平均定位误差下降41.35%。因此本文提出的位置认知模型不仅可以实现网格细胞到位置细胞之间信息的高效传递,而且能够在任意大小的空间区域内实现自身位置的精确定位。

基于鼠脑内嗅—海马认知机制的移动机器人空间定位模型

生理学研究发现,大鼠进行空间导航和记忆依赖多种空间细胞。基于此,本文对鼠脑内嗅—海马结构内空间细胞的放电机制进行研究,提出了一种移动机器人空间定位模型。其特点为:在网格细胞到位置细胞信息传递模型的基础上,引入位置细胞相互作用的神经网络模型得到具有单峰兴奋活动包的细胞板。通过建立兴奋活动包在细胞板上的位置与机器人在物理环境中的位置之间的转换关系,实现对机器人位置的解算。本文设计了仿真实验和物理实验对模型进行验证。实验结果表明:相较于RatSLAM和网格—位置映射模型,本文模型的定位性能更加精确,且在机器人长时间的路径积分过程中所产生的累积误差也更小。本文研究成果为仿鼠脑认知机制的机器人导航方法奠定了基础。

一种基于感知速度与感知角度的网格野计算模型

直接使用速度信息和角度信息驱动网格细胞吸引子对环境编码的方法,抗干扰能力较差且不具有仿生性。针对这一问题,本文提出一种基于感知速度与感知角度的网格野计算模型。其特点在于,通过对视觉流进行解码处理获得视觉速度,对速度细胞建模并解码获得本体速度,对视觉速度和本体速度进行融合求得感知速度信息;利用加入兴奋性连接的一维环状模型模拟头朝向细胞的放电机制,使机器人以仿生的方式获取当前的感知角度信息。最后,融合速度和角度两种感知信息实现对网格细胞吸引子模型的驱动。对所提模型进行实验验证,结果表明该模型可以实现网格细胞周期性六边形放电野模式以及精确的路径积分功能。研究成果为仿海马认知机制的机器人认知地图构建方法研究奠定了基础。