仿大鼠海马结构的自主移动机器人环境认知模型及其物理体现的研究

In the theoretic system of cognitive robotics and cognitive development robotics, based on the mechanism of rat’s environment cognization, facing the autonomous mobile robot and its unknown environment autonomous exploring problem, this project studies the robot environment cognizing model of simulating rat hippocampal formation using cellular automata.Following the principle of physical embodiment, design and construct the physical system of environment cognitive model which has environment cognitive mechanism. There are four concrete works, first, according to the anatomic structure of rat hippocampal formation and its internal neural representation mechanism for external environment, construct the formalization framework of the environment cognitive model for simulating rat hippocampal formation using cellular automata;Second,design four kind of artificial neural cells of the environment cognitive model, four neural functional unit and the training mechanism of connection weights; Third, based on the simulation, realize the environment cognitive cognitive model using FPGA; Fourth, set the physical cognitive model to a mobile robot platform, study the environment cognizing activity. By cognizing and developping, let the robot form and develop the environment cognizing map gradually, develop the mutual ability with environment gradually, develop the navigation ability gradually,thereby,the robot can explore autonomously in the unknown environment.

课题在认知机器人学和认知发育机器人学的理论体系中，基于大鼠的环境认知机理，面向自主移动机器人及其未知环境自主探索问题，研究基于细胞自动机的仿大鼠海马结构的机器人环境认知模型，遵循物理体现原则，设计构造具有环境认知机制的认知模型物理系统。具体工作包括:第一,依据大鼠海马结构的解剖及其对外部环境的内部神经表达机理,构造基于细胞自动机的仿大鼠海马结构的模块化环境认知模型形式化构架；第二，构造认知模型内部5类人工神经元细胞、4个神经元功能模块及其相互之间联结权的学习机制；第三，在仿真验证基础上，基于FPGA技术对环境认知模型进行物理实现；四，将物理实现的环境认知模型嵌入具有环境感知能力的移动机器人平台上，研究机器人的环境认知活动，力求使机器人通过认知和发育，渐进地形成和发展关于环境的动态认知图，渐进地形成和发展与环境的交互能力，渐进的形成和发展导航能力，从而，完全自主地在未知动态环境中探索。

本项目面向自主移动机器人及其未知环境自主探索问题，研究了基于大鼠海马结构及其环境认知机理的机器人动态非结构化环境自主学习和认知的神经计算模型，满足自主移动机器人仿生环境认知、地图构建和导航的要求。完成的主要工作包括：1、依据大鼠海马结构的解剖及其对外部环境的内部神经表达机理,构造了仿大鼠海马结构的模块化环境认知神经计算模型，该模型是第一个采用条纹细胞驱动真实环境路径积分功能的模型；2、利用统一的学习计算机制构建了海马结构中网格细胞、位置细胞、条纹细胞、边界细胞等空间细胞的神经计算模型；3、基于空间细胞神经计算模型和模块化环境认知神经计算模型，构建环境拓扑度量地图，并研究机器人面向目标的仿生导航方法；4、在仿真实验基础上，物理实现了上述环境认知模型，并将其嵌入具有环境感知能力的移动机器人平台，研究机器人的环境认知活动和面向目标的导航方法；5、基于嵌入环境认知模型物理系统的移动机器人平台，进行了充分的自主移动机器人环境认知和导航能力验证实验，实验结果表明了研究成果的有效性。.基于课题研究工作，课题组研制了3套搭载环境认知模型物理系统的具有环境感知能力的自主移动机器人实验平台；发表学术论文23篇，含SCI期刊论文4篇，EI期刊论文5篇，EI会议论文5篇，核心期刊论文7篇，一般期刊论文2篇；获得美国专利1项，获得和申报国家发明专利14项；登记软件著作权6项；培养博士研究生3人，硕士研究生12人。.综上所述，课题组不仅超额完成了项目预期研究任务，且取得的研究成果为理解海马结构在老鼠环境认知中的作用及其建模提供了新思路，为设计移动机器人探索未知动态环境的认知系统提供了具有参考价值的研究方法和实验模型。