[論文レビュー] Temporal changes in stimulus perception improve bio-inspired source seeking

Alejandro Pequeño-Zurro, Danish Shaikh+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2019

Insect Pheromone Research and Control参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、刺激の時間微分を速度制御に組み込むことで、運動と知覚の間の循環的依存関係を解消する、バイオインspiredなソースサーチコントローラを提案する。理論的およびシミュレーション結果から、標準モデルと比較して、刺激ダイナミクスを含めることで収束速度が向上し、軌道安定性が向上し、振動が低減することが示された。

ABSTRACT

Braitenberg vehicles are well known qualitative models of sensor driven animal source seeking (biological taxes) that locally navigate a stimulus function. These models ultimately depend on the perceived stimulus values, while there is biological evidence that animals also use the temporal changes in the stimulus as information source for taxis behaviour. The time evolution of the stimulus values depends on the agent's (animal or robot) velocity, while simultaneously the velocity is typically the variable to control. This circular dependency appears, for instance, when using optical flow to control the motion of a robot, and it is solved by fixing the forward speed while controlling only the steering rate. This paper presents a new mathematical model of a bio-inspired source seeking controller that includes the rate of change of the stimulus in the velocity control mechanism. The above mentioned circular dependency results in a closed-loop model represented by a set of differential-algebraic equations (DAEs), which can be converted to non-linear ordinary differential equations (ODEs) under some assumptions. Theoretical results of the model analysis show that including a term dependent on the temporal evolution of the stimulus improves the behaviour of the closed-loop system compared to simply using the stimulus values. We illustrate the theoretical results through a set of simulations.

研究の動機と目的

• 生物にインspiredされたナビゲーションにおけるロボット速度と感知される刺激変化の間の循環的依存関係を解決すること。
• 刺激の時間微分を用いた新しい速度ベースの制御機構をモデル化・分析し、より優れたソースサーチを実現すること。
• 刺激ダイナミクスを含めることで、標準的なBraitenberg 3aと比較して収束速度と軌道安定性が向上することを示すこと。
• 光流やイベントカメラのような運動依存センサに依存する制御系の理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 運動と刺激知覚の相互依存を捉えるために、微分代数方程式（DAE）を用いた動的Braitenberg車両の形式的モデリング。
• 特定の仮定の下でDAE系を非線形常微分方程式（ODE）に変換し、解析的安定性解析を可能にする。
• 刺激の時間微分を前進速度制御則に組み込み、刺激の勾配とその変化率に応じて速度を調整する。
• 直線軌道の周囲で線形化し、局所的安定性および固有値の挙動を分析する。
• 初期条件を変化させたシミュレーションを用いて、標準的および動的Braitenbergコントローラーの軌道性能を比較する。
• 実装におけるノイズ感度を軽減するためのバンドパスフィルタリングの原則の適用（ただし、本研究では完全にモデル化されていない）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御則に刺激の時間微分を組み込むと、Braitenberg車両の収束速度および安定性にどのように影響するか？
• RQ2 刺激ダイナミクスは、最適経路付近での軌道形状および振動振幅にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 動的モデルと標準モデルとで、車両がソースから直接反対方向を向いている場合の前進速度はどのように異なるか？
• RQ4 簡略化されたクローズドループモデルを用いて、運動と知覚の間の循環的依存関係を解析的に解消できるか？
• RQ5 この制御系は、イベントカメラや光流のような運動依存センサを用いるロボットシステムにどのような意味を持つか？

主な発見

• 刺激微分の組み込みによる動的コントローラは、初期姿勢 x = -6, y = 0 のシミュレーションで、標準的なBraitenberg 3aと比較してより速い収束を達成した。
• 動的モデルの軌道は、特に線形化された軌道に近い初期位置（x = -6, y = 1）から出発する場合に、振動振幅が小さく、経路長が短くなった。
• 線形化系の固有値の実部は、動的コントローラーを用いることでより負に傾き、直線的解への収束が速くなった。
• ソースから直接反対方向を向いている場合、動的コントローラーは前進速度を低減させ、鋭い旋回を促進し、経路効率を向上させた（x = -2, y = 1, θ = arctan(-1/2) のシミュレーションで確認）。
• 動的モデルでは固有値の虚部が小さく、基準軌道周りの振動的挙動が低減していることが示唆された。
• 理論的解析により、信号対ノイズ比が高いという仮定の下でも、刺激ダイナミクスの組み込みがシステムの安定性と性能を向上させることを確認した。