НАУЧНАЯ ГРУППА «ПСИГМА»
МОТИВИРОВАННЫЙ МОЗГ АНИМАТА

Занимательные изобретения и модели

Цыганков В.Д., Шарифов С. К., Шарифов Н. К.

Оставьте комментарий

Введение

  Коллективом научной группы ПСИГМА под руководством Цыганкова В. Д. разработан и испытан комплекс, состоящий из анимата, т. е. автономного робота – тележки “КРАБ-2” (автор Шарифов С.К.) и его электронного мозга в виде виртуального нейрокомпьютера (ВНК) типа “ЭМБРИОН-10.1” (разработчик Шарифов Н. К.), который реализован в одном корпусе ПЛИС фирмы “АЛЬТЕРА”.

  Целью разработки было решение двух задач: Первая задача – реализация давно разработанного виртуального нейрокомпьютера типа “ЭМБРИОН” (смотри книгу Цыганков В.Д. Нейрокомпьютер и мозг, М., СИНТЕГ, 2001 г.) на современной микроэлектронной технологической базе в виде ПЛИС (Программируемой Логической Интегральной Схемы) высокой степени интеграции. Вторая задача - применение этого нейрокомпьютера в качестве электронного мозга второго нового авторского варианта автономного робота – анимата типа “КРАБ”, который сам формирует и осуществляет свое поведение без какого-либо начального программирования, и который имеет только общие целевые установки в виде мотивирующих сигналов, например, вида “боль” или “пища”.

  В настоящей публикации даются краткие сведения об устройстве и технических характеристиках элементов этого комплекса и описаны опыты по влиянию на характер поведения робота “КРАБ-2” модификации свойств его мозга, в частности его “подкорковой мотивационной сферы”.

Функциональная схема

  На рис. 1. приведена общая блок-схема роботизированного комплекса. Он состоит из электронного мозга в виде виртуального нейрокомпьютера “ЭМБРИОН –10.1”, связанного по каналу RS – 232 с объектом управления - аниматом или автономным роботом, выполненным в виде тележки c независимыми приводами.

Блок – схема системы “мозг – робот”

Рис. 1. Блок – схема системы “мозг – робот”

  Виртуальный нейрокомпьютер “ЭМБРИОН –10.1” состоит из следующих функциональных блоков (рис. 2.):

Функциональная схема виртуального нейрокомпьютера “ЭМБРИОН-10.1”

Рис. 2. Функциональная схема виртуального нейрокомпьютера “ЭМБРИОН-10.1”

  1. Виртуальный нейропроцессор – генератор виртуальных квазинейронных сетей в виде вероятностного дискретного когерентного поля Ψ(n, P/Sj, Uj, NS). Процессор размещен в корпусе ПЛИС МАХ70724 фирмы “АЛЬТЕРА”.

  2. Алфавитно-цифровой дисплей.

  3. Индикатор Х-кодов состояния регистра внутренней памяти.

  4. Нейропроцессор связан шиной с чипом контроллера БВГ (Блока Выдвижения Гипотез), выполненном на кристалле PIC16F874. Контроллер обслуживает клавиатуру, и хранит в памяти образ, возникающий на сенсорной матрице (СМ).

  5. Дешифратор групп мотонейронов со световым индикатором номера Y-группы.

  6. Контроллер канала RS –232, через который поддерживается двухсторонняя связь с роботом (с объектом управления).

  7. Клавиатура для ручного ввода параметров или сенсорного образа.

  Робот “КРАБ-2” (рис. 3) представляет собою трехколесную тележку с независимыми приводами на двух двигателях боковых колес. Переднее колесо пассивное. Тележка оснащена группой оптических датчиков, размещенных по периметру корпуса тележки. Они имеют некоторые дистанционные болевые зоны обнаружения внешнего раздражителя.

Робот – анимат “КРАБ –2”

Рис. 3. Робот – анимат “КРАБ –2”

  На корпусе тележки размещены так же контроллер канала RS-232 для двухсторонней связи с нейрокомпьютером, сенсоры или преобразователи сигналов с датчиков и блок приводов с реверсивным управлением двигателями.

  Датчики левой и правой половин корпуса, а так же датчики в “голове” и на “хвосте” корпуса робота, связаны с четырьмя входами левого и правого двигателя некоторой жесткой нервной сетью или генетичеки наследственной схемой тела. В разрывы узлов пересечения чувствительных и двигательных волокон через канал RS-232 подключен нейрокомпьютер “ЭМБРИОН”, который выполняет функцию спинномозгового координирующего механизма, динамически гибко, в реальном времени перемещения тележки, включает свои виртуальные нейронные сети и автономно активно видоизменяет поведение робота, соотнося его с текущим состоянием внешней среды. При этом постоянно решается главная задача робота – удовлетворение мотивационной потребности, а именно, уход от боли и, если отсутствует болевой раздражитель, движение в поисках “пищи”.

  Сенсорная матрица (СМ) нейрокомпьютера имеет две строки. На первую S1 строку поступают сигналы от болевых датчиков внешней среды. Она отображает состояние внешней среды или внешнего мира “КРАБА”. Вторая S2 строка СМ – это внутренний мир, мотив или одна из целей робота. Это, например, команды движения вперед, случайного блуждания в поиске “пищи” или преследование. Комплекс “нейрокомпьютер – робот” выполняет замкнутые, циклические операции типа “восприятие – действие” или законченные сенсомоторные поведенческие акты.

Опыты с комплексом

Виртуальный нейрокомпьютер “ЭМБРИОН-10.1” - робот“КРАБ-2”

  Опыт 1. На первую строку сенсорной матрицы S1 подаются сигналы от датчиков боли, т. е. S1 = SБ. Вторая строка отключена и роботом не воспринимается (U2 = 0). Уровень активации первой строки U1 = 3. Это некоторый аналог проявления активности мотивационного центра или действие его медиатора, например, определенной концентрации адреналина. При попытке накрыть “КРАБ” сверху тканью или при приближении руки к корпусу, робот реагирует аккуратно, робко, мягко, плавно уходит от боли. Движения в основном точные и медленные.

  Опыт 2. Увеличим уровень возбуждения, установив U1 = 8. Движения стали более энергичными, более продуктивными и рациональными. Время реакции немного увеличилось.

  Опыт 3. Установим уровень U1 = 13. Движения робота становятся более агрессивными и он пытается повлиять на источник боли.

  Опыт 4. Установим мотивационный уровень возбуждения U1 = 50. Энергия движений робота еще возросла. Время реакции и торможения заметно увеличилось. Агрессивность “КРАБА” явная.

  Опыт 5. Уровень U1 = 255. Движения робота быстрые, энергичные и продолжительные. Робот вначале долго собирается с “мыслями”, а затем упорно и настойчиво долго следует в выбранном направлении. Если одновременно прикоснуться ко всем болевым датчикам, то робот приходит в “оцепенение” или замирает на месте.

  Теперь усложним поведение робота путем подключения второй строки сенсорной матрицы S2 вместе со своей гипотезой восприятия U2.

  В нейрокомпьютере или в мозге робота имеется блок “Анализатор боли”, который перераспределяет “внимание” в виде вектора U1, U2 или выбирает определенный вид активности, в зависимости от содержания информации на двух строках СМ. При этом поддерживается постоянным суммарный уровень возбуждения U1 + U2 = const.

  Опыт 6. На второй строке “наследственно” задана “цель жизни” S2 = Sп - быстро и решительно двигаться вперед при отсутствии боли. Зададим гипотезу восприятия U = U1 + U2 = 8. Робот начинает двигаться чуть-чуть зигзагообразно, в основном, в прямолинейном выбранном направлении. При встрече с препятствием, срабатывает болевой рефлекс в виде “ухода от боли”. Внимание U2 со второй строки перераспределяется на первую строку U1 СМ. Как только боль прекращается, робот тут же восстанавливает свое первоначальное движение по прямой, т. е. внимание U1 с первой строки переходит или “перетекает” на вторую строку U2, выполняя при этом условие U1 + U2 = const. Препятствие робот обходит долго и аккуратно, без его разрушения.

  Опыт 7. Суммарный уровень возбуждения при двух строках U = 15. Встретив при своем движении по прямой препятствие, робот “задумывается” и принимает правильное решение по обходу препятствия. Выбранное направление движения поддерживает дольше, чем в опыте 6.

  Опыт 8. Устанавливаем общий уровень мотивации U = 50. Робот мчится очень энергично, редко меняет направление, проявляет инертность своего характера поведения. Время реакции при встрече с препятствием замедленное и робот его, препятствие сметает, если препятствие слабое и неустойчивое. После агрессивной “борьбы” с препятствием робот находит способ уйти от боли.

  В заключение следует отметить, что в мозге “КРАБА” отсутствует какое – либо предварительное программирование его поведения, путей движения. В нейрокомпьютере нет никаких вычислительных операций и нет обычного программного управления. Мозг робота сам создает алгоритмы движения и их тут же автоматически реализует.

  Описанные принципы работы и аппратная реализация алгоритмов рассчитаны на применение в системах автоматического управления беспилотными летательными или наземными объектами в условиях недоступных или опасных для пребывания человека.

НАПИСАТЬ ПИСЬМО АВТОРУ ПУБЛИКАЦИИ

Ваш E-mail:*

Сообщение:*

 

Версия для печати
Авторы: Цыганков В. Д., Шарифов С. К., Шарифов Н. К. г. Москва
P.S. Материал защищён.
Дата публикации 28.08.2004гг


вверх