·108· 智能系统学报 第13卷 能更好地提高其使用效率，但移动机器人在复杂环 道路在何方，准确找到目的地。经过多年的研究， 境中如何模仿人类进行自我导航和路径规划一直是 2014年诺贝尔生理学或医学奖获得者发现了基于 难以解决的问题。 动物导航机制的大脑定位系统细胞。 20世纪七八十年代，随着人类智能和移动机器 像人们熟知的GPS系统一样，大脑定位系统也 人的出现，人类将两者进行了有效地关联并开始了 是通过采集自身运动的时间、位置信息进行定位导 有益地探索，人工智能领域进人了一个蓬勃发展的 航的。秀丽隐杆线虫仅有几百个神经细胞，却可以 新时代。进入21世纪后，被定义为研究感知与行动 通过追寻环境中的嗅觉信号来判断方向。对于蚂蚁 之间智能连接的移动机器人学被赋予了更多的内 和蜜蜂等神经系统更为复杂的动物，它们利用神经 涵，随着工业的发展，移动机器人正在从事工业制 细胞实时监测自身的运动方向和速度变化，通过路 造、生活家居、通信运输工作，甚至对空间以及深海 径整合获得当前所在的位置。这种方法使得动物仅 进行探索，可以说，移动机器人的出现改变了人们 依靠自身神经系统进行导航。 的生活，对社会发展的各个方面产生了巨大的影响，为 哺乳类动物辨识方向的方法更为先进。人类作 先进技术的发展与社会的进步做出了有益的贡献。 为高级的哺乳动物由于受到伦理的约束无法进行大 移动机器人在短短几十年间经过了突飞猛进的 量的实验研究。与人较为接近的哺乳动物，如猩 发展，能够较好地代替人们完成重复性和危险性的 猩、狒狒等，由于数量和国家保护的因素一般也不 劳动，减轻人们的工作强度和危险性，提高生产效 选用。在生物地图构建和导航领域，人们通常选用 率。而同步定位与地图构建(SLAM)问题一直是限 哺乳纲中的鼠类动物作为实验模型，由于实验环境 制移动机器人在复杂环境下应用的关键原因，移动 和场合广泛，为研究动物的导航性能奠定了良好的 机器人在没有提前预设好行进路线的陌生环境中需 基础。此外，鼠类大脑也是动物研究领域使用最多 要主动了解实际环境中的路况信息和障碍物的实际 的一块区域。 位置，同时精确地进行移动机器人自身的定位与实 大脑中不同的神经细胞由于受到刺激产生兴奋 际环境的地图构建。现阶段，移动机器人主要采用 导致膜电位的变化，这些同时产生兴奋的神经细胞 自身携带的各种图像采集、陀螺仪、加速度计等先 所组成的图案恰能反映外界环境的空间布局和自身 进传感器，通过激光测距、超声测距以及图像匹配 在环境中所处的位置。鼠类大脑中存在3种主要 完成SLAM工作。 导航细胞：位置细胞、头方向细胞以及网格细胞。 传感器在实际环境中的测量值有可能是错误 其中，位置细胞绘制所处地点的地图；头方向细胞 的，例如，利用激光照射玻璃墙，激光光束可能已经 指明方向（将位置细胞和头方向细胞合并形成的一 经过了多次反射才反射回探测器。图像采集传感器 个新细胞类型，位姿细胞)：网格细胞通过标记被激 也有其局限性，例如，普通照相机在区分图像标准 活细胞的位置对场景进行重定位。此外，在内嗅皮 色方面效果较差，若采用黑白色的灰度方式表示图 层还存在边界细胞、速度细胞等能够进行辅助导航 像，光线强度的变化又很难表现出来，若采用全景 的细胞，如图1所示。 相机或广角镜头采集图像，采集到的图像又会产生 内嗅皮质 畸变。另一方面，即使传感器测量值是正确的，但 海马体 总存在难以克服的精度问题。以测距和图像匹配方 位姿细胞 法实现SLAM为例，虽然传感器具有较高精度，可 头方向细胞厂位置细胞！ 以通过轮子上安装的里程计准确测量机器人的移动 局部场景 细胞 距离，但由于路面不平坦和轮子滑动等原因，传感 器测量结果不能准确反映机器人的实际移动距离， 边界细胞 并且随着移动机器人工作时间的推移累积误差也在 不断叠加，这也是不能忽略的重要方面。因此科学 速度细胞 家开始寻找更加可靠的定位导航方式。 网格细胞 鼠类相关导航脑细胞 图1海马体和内嗅皮质构成的系统生物模型 Fig.1 Biological model consist of hippocampus and entor- 当人类还处于原始社会时就已经意识到“飞鸽 hinal cortex 传书，老马识途”。一些动物具有出类拔萃的导向能 在哺乳类动物中枢神经系统的大脑皮质中，存 力，无论阴晴雨雪，纵使万水千山，这些动物总能知 在一种形状类似于海马，功能上负责短期记忆储存能更好地提高其使用效率，但移动机器人在复杂环 境中如何模仿人类进行自我导航和路径规划一直是 难以解决的问题。 20 世纪七八十年代，随着人类智能和移动机器 人的出现，人类将两者进行了有效地关联并开始了 有益地探索，人工智能领域进入了一个蓬勃发展的 新时代。进入 21 世纪后，被定义为研究感知与行动 之间智能连接的移动机器人学被赋予了更多的内 涵，随着工业的发展，移动机器人正在从事工业制 造、生活家居、通信运输工作，甚至对空间以及深海 进行探索，可以说，移动机器人的出现改变了人们 的生活，对社会发展的各个方面产生了巨大的影响，为 先进技术的发展与社会的进步做出了有益的贡献。 移动机器人在短短几十年间经过了突飞猛进的 发展，能够较好地代替人们完成重复性和危险性的 劳动，减轻人们的工作强度和危险性，提高生产效 率。而同步定位与地图构建（SLAM）问题一直是限 制移动机器人在复杂环境下应用的关键原因，移动 机器人在没有提前预设好行进路线的陌生环境中需 要主动了解实际环境中的路况信息和障碍物的实际 位置，同时精确地进行移动机器人自身的定位与实 际环境的地图构建。现阶段，移动机器人主要采用 自身携带的各种图像采集、陀螺仪、加速度计等先 进传感器，通过激光测距、超声测距以及图像匹配 完成 SLAM 工作。 传感器在实际环境中的测量值有可能是错误 的，例如，利用激光照射玻璃墙，激光光束可能已经 经过了多次反射才反射回探测器。图像采集传感器 也有其局限性，例如，普通照相机在区分图像标准 色方面效果较差，若采用黑白色的灰度方式表示图 像，光线强度的变化又很难表现出来，若采用全景 相机或广角镜头采集图像，采集到的图像又会产生 畸变。另一方面，即使传感器测量值是正确的，但 总存在难以克服的精度问题。以测距和图像匹配方 法实现 SLAM 为例，虽然传感器具有较高精度，可 以通过轮子上安装的里程计准确测量机器人的移动 距离，但由于路面不平坦和轮子滑动等原因，传感 器测量结果不能准确反映机器人的实际移动距离， 并且随着移动机器人工作时间的推移累积误差也在 不断叠加，这也是不能忽略的重要方面。因此科学 家开始寻找更加可靠的定位导航方式。 1 鼠类相关导航脑细胞 当人类还处于原始社会时就已经意识到“飞鸽 传书，老马识途”。一些动物具有出类拔萃的导向能 力，无论阴晴雨雪，纵使万水千山，这些动物总能知 道路在何方，准确找到目的地。经过多年的研究， 2014 年诺贝尔生理学或医学奖获得者发现了基于 动物导航机制的大脑定位系统细胞。 像人们熟知的 GPS 系统一样，大脑定位系统也 是通过采集自身运动的时间、位置信息进行定位导 航的。秀丽隐杆线虫仅有几百个神经细胞，却可以 通过追寻环境中的嗅觉信号来判断方向。对于蚂蚁 和蜜蜂等神经系统更为复杂的动物，它们利用神经 细胞实时监测自身的运动方向和速度变化，通过路 径整合获得当前所在的位置。这种方法使得动物仅 依靠自身神经系统进行导航。 哺乳类动物辨识方向的方法更为先进。人类作 为高级的哺乳动物由于受到伦理的约束无法进行大 量的实验研究。与人较为接近的哺乳动物，如猩 猩、狒狒等，由于数量和国家保护的因素一般也不 选用。在生物地图构建和导航领域，人们通常选用 哺乳纲中的鼠类动物作为实验模型，由于实验环境 和场合广泛，为研究动物的导航性能奠定了良好的 基础。此外，鼠类大脑也是动物研究领域使用最多 的一块区域。 大脑中不同的神经细胞由于受到刺激产生兴奋 导致膜电位的变化，这些同时产生兴奋的神经细胞 所组成的图案恰能反映外界环境的空间布局和自身 在环境中所处的位置[1]。鼠类大脑中存在 3 种主要 导航细胞：位置细胞、头方向细胞以及网格细胞。 其中，位置细胞绘制所处地点的地图；头方向细胞 指明方向 (将位置细胞和头方向细胞合并形成的一 个新细胞类型，位姿细胞)；网格细胞通过标记被激 活细胞的位置对场景进行重定位。此外，在内嗅皮 层还存在边界细胞、速度细胞等能够进行辅助导航 的细胞，如图 1 所示。 䉔૱⯚ڱ ⊣侘ѿ 㑽ᵨ㏲㘊 ๠᫥ऽ㏲㘊 ѹ㒚㏲㘊 䕋Ꮢ㏲㘊 䓥⩸㏲㘊 ѹ༫㏲㘊 ᅬ䘔౦ᮛ ㏲㘊 图 1 海马体和内嗅皮质构成的系统生物模型 Fig. 1 Biological model consist of hippocampus and entor￾hinal cortex 在哺乳类动物中枢神经系统的大脑皮质中，存 在一种形状类似于海马，功能上负责短期记忆储存 ·108· 智 能 系 统 学 报 第 13 卷