基于情景記憶的移動(dòng)機(jī)器人認(rèn)知地圖構(gòu)建.pdf

1、對(duì)于自主移動(dòng)機(jī)器人，建圖、定位和導(dǎo)航是其三個(gè)基本且重要的任務(wù)，也是國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域的學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。移動(dòng)機(jī)器人基于傳感器等信息輸入完成對(duì)環(huán)境的認(rèn)知學(xué)習(xí)從而完成進(jìn)一步的任務(wù)如目標(biāo)導(dǎo)航，在真實(shí)自然環(huán)境中是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。而自然界中生物如人類等對(duì)復(fù)雜環(huán)境具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，能夠通過記憶對(duì)環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知，并可以基于記憶完成特定任務(wù)。因此，本文借鑒情景記憶的相關(guān)理論，針對(duì)機(jī)器人的環(huán)境認(rèn)知問題提出相關(guān)的模型與方法。
　　基于認(rèn)知地圖

2、的特性和功能，考慮與情景記憶相關(guān)的海馬體神經(jīng)元激活的理論，并結(jié)合生物環(huán)境認(rèn)知和導(dǎo)航等相關(guān)背景知識(shí)，提出一種情景記憶數(shù)學(xué)模型進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境認(rèn)知地圖構(gòu)建，滿足機(jī)器人目標(biāo)導(dǎo)航的需求。結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的圖像特征提取匹配技術(shù)形成移動(dòng)機(jī)器人的場(chǎng)景感知。基于生物的路徑整合特性，運(yùn)用競(jìng)爭(zhēng)吸引子網(wǎng)絡(luò)形成機(jī)器人的位姿感知。此外抽象機(jī)器人的行為模式，映射到狀態(tài)神經(jīng)元形成機(jī)器人的情景記憶。
　　針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境中的認(rèn)知學(xué)習(xí)問題，提出一種基于

3、情景記憶的廣義學(xué)習(xí)方法，模擬情景記憶的組織方式形成情景記憶網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人對(duì)環(huán)境在拓?fù)潢P(guān)系和幾何關(guān)系上的描述，完成環(huán)境的認(rèn)知。首先對(duì)情景記憶的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其學(xué)習(xí)的總體流程進(jìn)行了闡述，然后詳細(xì)分析了其具體功能的實(shí)現(xiàn)方法，以完成機(jī)器人遇到熟悉場(chǎng)景時(shí)的重定位、狀態(tài)神經(jīng)元幾何關(guān)系的生成、環(huán)境中動(dòng)態(tài)信息的處理以及閉環(huán)檢測(cè)進(jìn)行位置修正等工作。運(yùn)用基于情景記憶的認(rèn)知地圖進(jìn)行機(jī)器人目標(biāo)導(dǎo)航，通過情景記憶的回憶機(jī)制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人路徑的全局規(guī)劃，并基于記憶路

4、徑的糾正機(jī)制進(jìn)行機(jī)器人的行為規(guī)劃。
　　運(yùn)用機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)以及Turtlebot2移動(dòng)機(jī)器人搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了方法的有效性和實(shí)用性。首先進(jìn)行小型環(huán)路的認(rèn)知學(xué)習(xí)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于算法的功能進(jìn)行了綜合分析。然后比較了認(rèn)知地圖與當(dāng)前成熟的概率學(xué)地圖之間的特點(diǎn)，在典型環(huán)境下分別采用本文算法與采用激光測(cè)距傳感器的概率學(xué)算法進(jìn)行地圖構(gòu)建工作并分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后基于機(jī)器人生成的認(rèn)知地圖實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)導(dǎo)航任務(wù)，且對(duì)于環(huán)境中動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行了