一种结构可生长的认知模型及其在运动平衡控制中的应用

摘要

生物的诸多技能是在个体发育过程中逐渐发展形成的，是生物的一种认知行为。本文从模拟人或动物的技能学习角度出发，构造了一种面向低级认知行为的结构可生长的认知模型，并将其应用于运动平衡技能获取的过程之中，实现了对倒立摆的平衡控制，取得的主要研究成果如下： (1)本文依据神经生理学部分研究成果，构造了一种结构可生长的技能认知模型(CognitiveModelwithGrowingStructure，简称CMgs)。CMgs具有模拟生物系统反射弧的简单结构RC，包括传入神经、中枢神经和传出神经，尤其是其中枢神经工作域的网络结构与神经元数量可以增长。CMgs的认知算法CA包括工作算法WA和组织算法OA：WA通过自组织特征映射的竞争机制，对输入刺激进行模式识别并输出对该刺激的反应；自组织算法OA，要对输入刺激进行自动的模式分类学习，使中枢神经网络自发地找到适合的结构和规模，还要通过对刺激进行锐化或钝化，使每一个神经元所代表区域自组织地逼近其正确响应。 (2)CMgs的认知算法CA中，组织算法OA是实现自组织技能获取的关键步骤。本文结合细胞生长结构算法(GrowingCellStructure，简称GCS)构成生长算法GRA，在神经中枢工作域实现对刺激信号的模式分类，通过新神经元的不断生长，自组织地进行演化。同时CMgs采用强化Hebb突触修饰的无监督学习机制RHA，实现不同的神经元以最佳方式响应不同性质的信号刺激。而评价机构EA为GRA和RHA提供指导信息，是二者的基础。 (3)本文将CMgs的结构与算法整合，提出了认知模型在技能学习中的实现方案。CMgs在与对象或环境的交互过程中，通过“行动—评价—改进”的方式，实现自组织的技能学习。文中进行了仿真实验研究表明，采用CMgs能够有效地习得针对开环不稳定的二阶系统的控制技能。文中还将CMgs和模糊控制方案相比较，模糊控制需要事先对经验进行必要的总结，而CMgs可以在无任何先验知识的情况下对控制技能进行自发的学习，并找到适合的网络结构。 (4)本文将CMgs应用于运动平衡控制技能学习之中，构成了面向运动平衡技能的认知模型(CognitiveModeltoMotorBalanceSkill，简称CMMBS)，模型在学习过程中通过任务完成情况的评估，来指导神经中枢网络的生长与神经元联结权值的修正。本文以运动平衡控制的抽象物理模型——倒立摆为对象，应用CMMBS实现倒立摆的自学习控制，仿真实验表明：CMMBS在自治地与环境的交互作用中，可以通过神经系统自身的发育，自组织的发展运动平衡控制技能。 本文的工作是对机器人主体的运动控制技能学习的一种探索，所提出的结构可生长的技能认知模型，从自组织和自生长的角度模拟了人或动物的技能形成过程，将有助于机器人等人工系统通过学习或认知，渐进地发展其运动平衡控制技能。 本课题得到了国家自然科学基金的支持。相关研究成果已被中文核心期刊——《计算机仿真》和《微计算机信息》，以及InternationalConferenceonIntelligentCompute正式录用。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1课题来源及研究背景

1.2神经网络的发展与自组织机器人主体研究

1.3基于神经生理学和认知科学的认知模型研究与发展

1.4自组织神经网络的发展

1.4.1生物学启示

1.4.2自组织竞争神经网络的发展

1.4.3结构自适应自组织神经网络的研究

1.5本文主要工作

1.6论文组织

第2章结构可生长的运动技能认知模型

2.1认知模型的神经生理学基础

2.1.1反射弧——最基本的神经系统

2.1.2反射弧中的神经网络

2.1.3基于刺激和反应的学习

2.2认知模型的总体设计思路

2.2.1反射弧式的结构

2.2.2反射式的工作进程

2.2.3实现突触修饰与网络结构生长

2.3结构可生长的技能认知模型组成及工作原理

2.3.1 CMgs的组成

2.3.2 CMgs的工作原理

2.4本章小结

第3章认知模型的自组织算法基础

3.1细胞生长结构算法

3.1.1 GCS网络构成

3.1.2 GCS竞争与生长算法

3.1.3仿真实验研究

3.2强化Hebb突触修饰算法

3.2.1经典的Hebb学习律与反Hebb学习律

3.2.2基于强化Hebb学习的非联合型学习模型

3.2.3仿真实验研究

3.3本章小结

第4章结构可生长的认知模型结构、算法与实现

4.1 CMgs反射弧结构RC与工作算法WA

4.2自组织学习算法OA

4.2.1生长算法GRA

4.2.2强化Hebb算法

4.3评价机构

4.4认知模型在技能学习任务中的实现方案

4.5认知模型控制二阶系统仿真实验

4.5.1问题描述及评价机制EA的建立

4.5.2认知模型的控制技能学习及实验结果分析

4.6本章小结

第5章认知模型在运动平衡技能学习中的应用

5.1倒立摆系统及其学习控制研究

5.1.1倒立摆系统及其神经网络控制研究

5.1.2倒立摆的数学模型

5.2面向平衡任务的技能认知方案

5.3倒立摆系统平衡技能认知学习仿真实验

5.3.1直线一级倒立摆的平衡控制

5.3.2旋转一级倒立摆的平衡控制

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢