模拟人工生命方法, 实现在实际当中的应用, 是当前社会当中的一种备受关注的技术, 而其中, 动力学仿真却是一个十分困难的突破口。本文主要对于智能保洁机器人的设计从神经网络和遗传算法两个方面着手, 从而采用了新型的设计方案, 提出了基于基于行为进化的智能保洁机器人设计, 并开展了仿真实验。以下为详细内容。
一、控制机器人行为的神经网络
基于行为进化的智能保洁机器人, 主要是通过采用神经网络的方式实现对机器人行为的控制, 因而, 机器人也具备了一定的自主能力和感受周边环境的能力。这对于保洁机器人的日常工作而言, 能够达到高效性。本文主要采用的是BP神经网络来对机器人进行行为控制。
一般来说, 神经网络主要分为三层, 一共有十个神经元, 每一个神经元都有两种状态:兴奋和抑制, 不同神经元之间主要是通过权限值实现相互连接。神经网络的三层分别为:输入层、隐层以及输出层。以下分别对此展开详细的分析。
第一层, 输入层。输入层总共有两个感觉神经元, 其中一个可以称得上是机器人的左眼, 会接收到的信息是:左前方半米内是否有垃圾出现, 若是, 则神经元出现兴奋状态;若否, 则出现神经元抑制状态。另外一个神经元相当于机器人的右眼, 其输入信息与前一个神经元类似。
第二层, 隐层。隐层总共包含了六个神经元, 其中两个神经元接受来自输入层感觉神经元的信息输入, 另外四个神经元则接受记忆神经元的输入信息的输入, 之后统一经过处理之后将信息状态传达至下一层, 也就是输出层当中。
第三层, 输出层。输出层主要包含了两个神经元, 分别接受来自于隐层两个神经元信息的接受, 根据其输入的信息进行整合处理, 一旦超过阈值, 则神经元处于兴奋状态;低于阈值, 则神经元处于抑制状态。输出层的两个神经元共同负责控制机器人的行走方向, 一个左拐一个右拐。
二、用双种群遗传算法进化神经网络
在神经网络当中, 要想实现对遗传算法的应用, 具体体现在以下三个方面:神经网络的结构设计、神经网络的权值学习以及神经网络的分析。而基于行为进化的智能保洁机器人的设计, 则是应用遗传算法来进化神经网络的权值, 这是一个十分复杂的过程, 所涉及到的是连续参数优化的问题。如果采用二进制编码, 则会直接对于网络学习精度和进化算法的性能造成一定的负面影响, 因此采用二进制编码这一方面被逐渐淘汰了。要想解决这一问题, 笔者认为可以采用双种群遗传算法, 在智能保洁机器人的设计当中, 使用该种方法实现神经网络连接权值的进化, 主要有以下六个步骤:
(1) 甚至神经网络连接权值, 生成最开始的1000个个体;
(2) 通过仿真, 从1000个个体当中选择出保洁能力最强的100个个体;
(3) 对这100个保洁能力最强的个体进行繁殖, 使其生成新的群体。然后将神经网络权值分成两个种群, 其中一个包含输入层、隐层、输出层;另外一个包括四个记忆神经元和隐层神经元。对这两个种群的连接权值分别进行独立的繁殖。
(4) 让每一个个体又都生成10个个体, 在这10个个体当中选择两个, 保持其权值的不变性, 在另外八个个体中, 随机抽取一个权值, 并在原有的权值基础之上加上一个整数, 从而使其生成新的种群;
(5) 随机配对合并两个种群, 使其重组为包含了1000个所有连接权值的群体;
(6) 对新群体的保洁能力进行重新考察, 如果其能力不再有变化, 则可停止个体繁殖;如果保洁能力依旧不断增强, 则循环重复第二、第三个步骤。
三、仿真实验与结果分析
最后主要从仿真实验和结果分析两个方面对基于行为进化的智能保洁机器人仿真展开深入研究, 以下分为仿真方法和结果分析与讨论两个方面的内容, 以下分别进行详细的分析。
(一) 仿真方法
对智能保洁机器人的仿真实验, 主要是通过动画模拟实现的。模拟步骤如下:第一, 在10*10cm的区域内, 随机选中5个垃圾集中区域, 需要注意的是, 此5个区域的中心点彼此之间的距离必须大于3cm, 每一个垃圾集中区域必须包含16个垃圾快, 并用点的形式使其排列成4*4方阵, 点之间的距离为0.5cm。智能保洁机器人被模拟成为一个点, 机器人清扫面积为正方形, 垃圾落在清扫面积之内则就假定能够将面积清扫干净。此外, 当机器人走到边缘处, 则需要随机生成一个角度使机器人重新返回到模拟环境当中。而机器人的行走步数被限定在300步之内, 判断机器人的保洁能力则就是其在这300步之内所能够清除的垃圾数量。
(二) 结果分析与讨论
通过以上的仿真实验可以看出, 所使用的双种群遗传算法在30代之后, 其保洁能力就不会再增强, 对垃圾的清除能力控制在90%左右。而通过对机器人的行进路线的分析不难看出, 机器人在发现垃圾之后, 能够自动从广域搜索变为区域搜索、对于垃圾集中区域能够在清扫完之后又重新确认一遍, 因而其保洁能力和效果得到了大大的增强。
小结:总而言之, 本文主要从三个方面分别对于基于行为进化的智能保洁机器人设计与仿真展开了详细的分析, 本文内容可供相关人士参考。
摘要：本文主要采用双种群遗传算法, 对于进化神经网络的权值展开了分析, 主要是基于行为进化的智能保洁机器人的设计和仿真, 通过模拟生物行为规律, 根据周边环境采取搜索式的方式实现保洁的作用。通过相关实验, 可以看出该模型具有一定的高效性。本文主要从控制机器人行为的神经网络、用双种群遗传算法进化神经网络、仿真实验与结果分析三个方面对于基于行为进化的智能保洁机器人设计与仿真展开了研究分析。
关键词：智能化,保洁机器人,行为进化,神经网络,仿真
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