[논문 리뷰] Temporal changes in stimulus perception improve bio-inspired source seeking

Alejandro Pequeño-Zurro, Danish Shaikh외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 25.

Insect Pheromone Research and Control참고 문헌 21인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 자극의 시간 도함수를 속도 제어에 통합하여 운동과 인지 간 순환적 의존성 문제를 해결하는 생물학적 영감을 받은 소스 탐색 제어기를 제안한다. 이론적 분석과 시뮬레이션 결과는 표준 모델 대비 자극 동역학을 포함할 경우 수렴 속도 향상, 궤적 안정성 향상 및 진동 감소를 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 탐색에서 로봇 속도와 인식된 자극 변화 간 순환적 의존성을 해결하기 위해.
• 시간 도함수를 활용한 새로운 속도 기반 제어 메커니즘을 모델링하고 분석하여 소스 탐색 성능 향상을 도모하기 위해.
• 표준 Braitenberg 3a 대비 시간적 자극 동역학을 포함함으로써 수렴 속도 향상 및 궤적 안정성 향상이 가능함을 입증하기 위해.
• 광학 유속 또는 이벤트 카메라와 같은 운동에 의존하는 감각 입력에 기반한 제어기의 이론적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 운동과 자극 인지 간 상호의존성을 기록하는 미분-代数 방정식(DAE)을 사용한 동적 Braitenberg 차량의 형식적 모델링.
• 특정 가정 하에 DAE 시스템을 비선형 상미분방정식(ODE)으로 변환하여 분석적 안정성 분석을 가능하게 하기.
• 자극의 시간 도함수를 전진 속도 제어 법칙에 통합하여 속도를 자극의 기울기 및 변화율에 따라 조절하기.
• 직선 궤적 주변에서 선형화하여 국소 안정성 및 고유값 행동 분석 수행.
• 다양한 초기 조건을 가진 시뮬레이션을 통해 표준 및 동적 Braitenberg 제어기 간 궤적 성능 비교.
• 실제 구현에서의 노이즈 민감도 문제를 해결하기 위해 밴드패스 필터링 원리를 적용하였지만, 본 연구에서는 완전히 모델링하지는 않았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제어 법칙에 자극의 시간 도함수를 포함할 경우 Braitenberg 차량의 수렴 속도와 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 자극 동역학은 최적 경로 근처의 궤적 형태와 진동 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 차량이 소스에서 정면을 햖을 때 동적 모델은 표준 모델 대비 전진 속도가 어떻게 달라지는가?
• RQ4 단순화된 폐쇄 루프 모델을 사용해 운동과 인지 간 순환적 의존성을 분석적으로 해결할 수 있는가?
• RQ5 이 제어기의 로봇 시스템에 대한 함의는 이벤트 카메라 또는 광학 유속과 같은 운동에 의존하는 센서를 사용하는 데서 무엇인가?

주요 결과

• 시뮬레이션 결과, 자극 도함수를 포함한 동적 제어기는 초기 자세 x = -6, y = 0 조건에서 표준 Braitenberg 3a보다 더 빠른 수렴을 보였다.
• 동적 모델의 궤적은 특히 선형화된 궤적 근처(예: x = -6, y = 1)에서 진동 진폭이 감소하고 경로 길이가 짧아졌다.
• 선형화된 시스템의 고유값 실수부는 동적 제어기를 사용할 경우 더 음수가 되어 직선 해로의 수렴 속도 향상을 나타냈다.
• 소스에서 정면을 향할 경우 동적 제어기는 전진 속도를 감소시켜 더 날카운 전환과 향상된 경로 효율성을 유도함을 x = -2, y = 1, θ = arctan(-1/2) 시뮬레이션에서 입증하였다.
• 동적 모델에서는 고유값의 허수부가 더 작아져 기준 궤적 주변의 진동 행동이 감소함을 시사했다.
• 이론적 분석을 통해 자극 동역학의 포함이 고신호 대 노이즈 비율 조건 하에서도 시스템의 안정성과 성능 향상에 기여함을 확인하였다.