一种新型人工神经元振荡器的设计与应用

蕃君拳着自期 机器人 ROBOT 7dH．。29．．,N20007．6 文章编号：10024)44612007)06-0581-05 一种新型人工神经元振荡器的设计与应用÷ 张代兵，沈林成，胡德文 (国防科事技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙410073) 摘要：提出一种包含两个神经元和简单连接关系的新型人工神经元振荡器了振荡器的动力学特性．指 出振荡的收敛速度、幅度和频率分别由动力学方程中的三个参数独立控制．采用该振荡器设计了鱼形机器人的仿生 神经网络控制系统。实验明该系统能够对起动、停止、直线巡游等动作进行良好控制，实现了仿生机器人对动物从 “形似”到“神似”的进步． 关键词：神经元振荡器；仿生神经网络；鱼形机器人；运动控制 中国分类号：TP271 文献标识码：A DesignandApplicationofaNovelArtificialNeuralOscillator ZHANGDai—bing，SHENLin-cheng，HUDe-wen (College矿放吐船。nk＆毋嘲and^“缸m渤B，Naridne2如ivers毋矿8和攒Tec捌ogy，Changsha410073，Gh／na) Abstract：ThispaperpresefltsandimplementsanovelartificialneuraloscillatorwhichconsistsoftwoneuroflsaIldsimple comlecfions．medynamicanalys／s∞theoscillatorindicatesthattheoscillatoryconvergencesPeed，amplitudeandfrequen- cyareindividuallycontrolledbythreeparametersofthedvmicformula．AbionicneuralnetworkconlI_olsystembased011 theoscillat盯isdesignedtocontrol8fish-robot．E&钟再men晦a地carriedom协validatethattheneudsystemc趿effectively controlseveralmotionssuch∞staff．stopandcmise．anditpromotestheroboticimitationofthelivingbeingtoprogress from“缸milaxinshape”to“alikeiⅡ州tit”． ， Keywords：neuraloscillator；bionicneuralnetwork；fish·robot；motioncontrol 1}l言{Introduction) 生物神经元振荡器是指能够产生振荡行为的活 体组织，它们往往由相互之间存在复杂连接的大量 神经元细胞构成，在运动、感知、记忆等方面扮演不 可或缺的重要角色“1．脊椎动物脊髓内的神经组织 ——中枢模式发生器群(CentralPatternGenerators， CPGs)——就是由一些相互耦合的神经元振荡器构 成的复杂非线性系统，负责控制行走、奔跑、游泳、飞 行等节律运动”．3J．由于很难通过试验的建立生 物神经元振荡器的精确数学模型，不少学者开始采 用少量人工神经元来设计功能相似的人工神经元振 荡器．其中，wdson—Cowan振荡器于1972年提出”。， 它由一个兴奋神经元和一个抑制神经元构成，两个 神经元之间存在非线性连接，振荡状态与动力学方 程的系数不存在简单对应关系，因此对振荡参数的 调节通常只能通过试凑方法进行”J．Matsuoka振荡 收籍日期：2007一Ol一30 器于1987年提出”J，它可以看作由4个栉经元构成， 增加的两个神经元用于模拟神经元细胞的疲劳特 性．由于Matsuoka振荡器考虑了感知反馈等外部输 入对振荡运动的实时调节特性，能够产生比较丰富 的步态模式，因此已经在各种仿生机器人运动控割 系统中得到了广泛应用”1．Matsuoka振荡器仍然存 在神经元数量较多、极限环形状不规则、非线性动力 学特性复杂等不足，制约其在仿生机器人上的深入 应用， 本文在比较分析上述两种振荡器的基础上，结 合正弦—余弦振荡器模型提出了一种新型的人工神 经元振荡器模型，如图1所示．该神经元振荡器虽然 产生的步态模式单一，但具有结构简单、系统参数 少、振荡状态参数独立可控等优点，已经成功用于构 建一个鱼形机器人的仿生神经网络控制系统，实现 万方数据 机器人 2007年11月 了对鱼形机器人起动、停止、直线巡游等动作的良好 控制‘”． I(v) —_o擞奋i糍 ——●抑制j圭j妾 —司自反馈 图1新型人工神经元振荡器 Fig．1Sketch-mapofthenovelartificialneuraloscillator 2神经元振荡器设计【Designoftheneural oscillator) 新型神经元振荡器由一个兴奋神经元“12”和一 个抑制神经元“””构成，每个神经元自身存在相同形 式的非线性自反馈连接，两者之间存在相等强度的 线性突触连接．新型神经元振荡器的动力学方程为： 一i=～-wv．篙’ ㈩ 其中，u为兴奋神经元的活性，”为抑制神经元的活 性，m为两个神经元之间的线性突触连接强度“x) 为各个神经元的自反馈连接函魏 当“*)sO时，兴奋神经元和抑制神经元的活性 变化分别为幅度、相位、频率完全由初始条件决定的 余弦曲线和正弦曲线．当八x)为线性函数时，振荡器 为典型的二阶线性系统，由本迪克森(Bendixson)负 判据知不能产生稳定的极限环振荡． 为了使振荡器能够产生稳定的振荡，将自反馈 连接函数，(*)设计为如下形式的非线性函数： 删=kr【-_}+争4(手)】(z) 其中，r为振荡幅度控制参数，＆为运动过程中进人极 限环的收敛速度控制参数．非线性函数曲线如图2 所示． 由于非线性函数以*)直接作用到振荡器的微分 输入端，因此具有将神经元活性大小A=Ixl控制在 幅度控制参数r附近的作用，有： r，(x)<0，xE(一r,0)u(r，+∞) {“x)=0，Ixl=r或x=0(3) 坂*)>0，xE(一∞，一r)u(0，r) 综合式(1)和(2)得到新型神经元振荡器的完整 动力学方程为： r一Ⅲ叫一号+≯(号)】㈩ 【。=mu+tr【一手+鲁ts。1(詈)】 方程中的3个参数扛’>0、I>0、，>o，分别控制 振荡的角频率、收敛速度和振荡幅度．振荡器在相平 面上的轨迹如图3所示，其中k=5、r=1、m=2n可 以看出：在除原点外的所有相点上，振荡器都是按逆 时针方向旋转运动并最终收敛到极限环． 挲 差≥ 南飞——，， &●～．，’ ；． ． 1 l 0．5 0 0．5 1 1．5 xh 图2自反馈非线性函数输出曲线 Fig．2Outputcurves0ftheself-feedbacknonlinearfunction 2．5 2 l5 l 0．5 v 0 -0．5 一l —l 5 ．2 —2 5 图3新型神经元振荡器在相平面内的运动轨迹 Fig．3Thenovelneuraloscillator'sCUINeSinthephase-plane 3振荡器特性分析(Analysisoftheoscillator features) 3．1振荡稳定性分析 为了分析振荡器振荡的稳定性，将直角坐标 P(u，口)转换为极坐标P(p，0)： 髓竺 系统的动力学方程转换为： (5) 万方数据 第29卷第6期 张代兵等： 一种新型人工神经元振荡器的设计与应用 假设{O(p，e))p-<3r}为相平面内的一个环形区 域，其边界曲线c{(p，o)lp=3r}上所有相点轨迹的 极半径导数为： i。=kr{一3+当[t94(3sin口)sin8+tg。(3cosO)co,0]}