一种基于秀丽线虫神经元的全智能小车

技术领域

本发明涉及计算神经科学领域，特别是涉及一种基于秀丽线虫神经元的全智能小车。

背景技术

随着科技的不断进步，机器人相关的技术也得到了突飞猛进的发展，开始向智能化的方向发展。传统机器人控制技术中，要使其按照人类的意图进行动作，通常是采用遥控或者提前训练好的程序来控制机器人执行相关的动作，交互方式单一且鲁棒性差，如机器人行走过程中经常出现的视觉抖动、虚化或其它噪声类信息对模型稳定控制带来了极大的挑战。现在一些基于仿生生物神经网络的智能机器人控制方法，已经可以脱离遥控器以及提前设定的动作程序，实现仿生物化、智能化、高鲁棒性的智能机器人控制。

工厂或实验室的机器人都是由人编辑实现某种动作或功能，从真正意义来说它们没有自主性，无适应能力。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种基于秀丽线虫神经元的全智能小车，反应能力和速度近似于秀丽线虫，不需要人为过多地控制和干预即可完成简单的动作。

本发明提供一种基于秀丽线虫神经元的全智能小车：

包括信号采集模块、信号处理模块和动作执行模块；

所述信号采集模块用于获取所述全智能小车的周边环境数据，并将所述周边环境数据传输至所述信号处理模块；

所述信号处理模块为基于秀丽线虫神经网络仿真实现的硬件电路，所述信号处理模块用于接收所述信号采集模块传输的周边环境数据，并根据所述周边环境数据，生成动作指令，控制所述动作执行模块实现所述动作指令；

所述动作执行模块用于根据所述动作指令，做出相应的动作。

进一步地，所述硬件电路的搭建步骤包括：

在MATLAB软件中的simulink进行秀丽线虫神经网络的模型搭建；

得到仿真结果与秀丽线虫生理反应结果一致的模型后，绘制与所述模型相对应的PCB原理图；

根据所述PCB原理图，对所述模型进行硬件电路搭建。

进一步地，秀丽线虫单个神经元的模型选取为：

其中，Cm为膜电容，V为膜电压，即以膜相隔的两溶液之间产生的电位差，Ica为钙电流，IK为钾电流，Isk即细胞间钙门控钾通道电流，ILeak为漏电流，Istimuli为从刺激到感觉神经元，即输入直流电流，Isyn为化学突触注入神经元的电流，Igap为电突触注入神经元的电流。

进一步地，钾离子通道电流模型为：

Ik＝Gk nk

其中，V为膜电压，Ek为钾离子平衡电位，平衡电位是静息条件下细胞膜内外的电位差，nk为电压门控钾通道，Gk为钾离子通道电导。

进一步地，细胞间钙门钾离子通道电流模型为：

Isk＝Gsk msk(V-Esk)

其中，V为膜电压，Esk为细胞间钙门钾离子通道平衡电位，msk为细胞间钙门钾离子通道的电压门控通道，Gsk为细胞间钙门钾通道的电导。

进一步地，漏电流离子通道电流模型为：

Ileak＝Gleak(V-Eleak)

其中，V为膜电压，Eleak为漏电流通道平衡电位，GLeak为漏电流通道的电导。

进一步地，所述信号采集模块包括超声波测距仪，所述动作执行模块包括马达和车轮；

所述超声波测距仪用于检测所述小车与前方物体的距离；

所述信号处理模块用于根据所述超声波测距仪检测到的距离，生成动作指令，将所述动作指令发送至所述动作执行模块；所述动作指令包括以下至少一种：前进、后退、停止；

所述马达和所述车轮用于根据所述动作指令，做出相应的动作。

进一步地，所述信号采集模块包括压力传感器，所述动作执行模块包括电动机和雨刷；

所述压力传感器用于获取雨水滴落的压力和频率，并将所述压力和频率数据传输至所述信号处理模块；

所述信号处理模块用于根据所述压力和频率，生成动作指令，将所述动作指令发送至所述动作执行模块；所述动作指令包括所述雨刷是否进行往返运动和往返运动的速度；

所述电动机和所述雨刷用于根据所述动作指令，做出相应的动作。

本发明提供的一种基于秀丽线虫神经元的全智能小车，核心便是神经元的硬件模块，该模块为秀丽线虫的控制细胞，装在小车身上控制智能小车，其反应能力和速度应近似于秀丽线虫，其反应不需要人为过多地控制和干预即可完成简单的动作。进一步深入探究可以把模型复杂化，例如不止模拟单个神经元，可以将多个神经元结合起来，可以完成多个复杂的动作，神经元个数可以视动作复杂性来选择。复杂性的智能小车对于工业和生活商业应用广泛，可操作性强，开发周期短，成本低，制作简易。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明在一个实施例中使用的硬件电路的搭建步骤示意图；

图2为本发明在另一个实施例中使用的simulink子模型结构示意图；

图3为本发明在另一个实施例中绘制的simulink硬件模型图中秀丽线虫单个神经元模型图；

图4为本发明所绘制的钾离子通道硬件模型部分；

图5为本发明所绘制的钙离子通道硬件模型部分；

图6为本发明所绘制的细胞内钙门钾通道硬件模型部分；

图7为本发明所绘制的漏电流离子通道硬件模型部分。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例方式作进一步地详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请实施例保护的范围。

在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

针对背景技术中的问题，本申请实施例提供一种基于秀丽线虫神经元的全智能小车，该小车包括：

信号采集模块、信号处理模块和动作执行模块。

所述信号采集模块用于获取所述全智能小车的周边环境数据，并将所述周边环境数据传输至所述信号处理模块。

所述信号处理模块为基于秀丽线虫神经网络仿真实现的硬件电路，所述信号处理模块用于接收所述信号采集模块传输的周边环境数据，并根据所述周边环境数据，生成动作指令，控制所述动作执行模块实现所述动作指令。

所述动作执行模块用于根据所述动作指令，做出相应的动作。

本发明提供的一种基于秀丽线虫神经元的全智能小车，利用了秀丽线虫已知的神经元数目和突触连接，结合人工智能学科，反应能力和速度近似于秀丽线虫，不需要人为过多地控制和干预即可完成简单的动作。

在一个优选的实施例中，所述硬件电路的搭建步骤包括：

S01：在MATLAB软件中的simulink进行秀丽线虫神经网络的模型搭建。

秀丽线虫神经系统解剖结构十分简单，仅有302个细胞，约占整个动物体细胞总数的三分之一，适合研究高等动物神经系统的最简单模型，因此选择秀丽线虫为基本模型是可靠的，用于模拟仿真也是有据可依的。尽管秀丽线虫的研究数不胜数，软件相对于硬件更多，硬件在FPGA方面也比较多，但是在秀丽线虫的CMOS模拟方面仍然很少，只有仿真实验和网络的研究，因由于硬件实现的参数控制往往与软件有误差，故CMOS模拟实现与仿真会存在较大的偏差不好控制。CMOS模拟实现比起FPGA具有更大的可更改性，模拟器件也更基础更少，更易于实现硬件本发明基于秀丽线虫的神经细胞，意在于用最简单的模型来实现更复杂更多功能，工业应用更广，成本更低，开发周期更短，应用性更广。

在模型选取上，生物神经元通过对比筛选得出秀丽线虫的优点和可控性，选择秀丽线虫细胞，找出模型，并在MATLAB自带的simulink上进行仿真，仿真的过程即是实现模型的过程，模型为单个神经元的全部，包括连接和结点等，数据之间如何传播，各部分结构之间的影响和延迟，也会考虑在里面，由于模型较大，因此用simulink仿真比较合适，simulink仿真实时性较好，软件易于上手，方便易懂，器件齐全，仿真结果影响较小。

因此，在一个优选的实施例中，如图2所示，本发明利用秀丽线虫已知的神经元数目和突触连接，结合人工智能学科，在MATLAB/Simulink上创造一个虚拟的虫子大脑，观察它的反应，察看仿真结果，再通过multisim进行CMOS仿真，做成硬件平台，形成微型计算系统，嵌入式系统嵌入到对象体系中的微型专用计算机，比普通计算机简洁、个性、可操作、功耗低。

S02：得到仿真结果与秀丽线虫生理反应结果一致的模型后，绘制与所述模型相对应的PCB原理图。

在一个具体的实施例中，simulink硬件模型图如图3-7所示。其中，图3为秀丽线虫单个神经元硬件模型，图4-7依次为钾离子通道硬件模型、钙离子通道硬件模型、细胞内钙门钾通道硬件模型、漏电流通道硬件模型。图中三角形为放大器，亦称乘法器，圆形为加法器，正方形多为常数模块，此外还包含积分器、除法器等。具体的，Constant为常数模块，Gain为放大器，Integrator为积分器，Divide为除法器，Product为乘法器，Math Function为数字函数模块，Fcn为自定义函数模块。

秀丽线虫单个神经元模型：

其中，Cm为膜电容，V为膜电压，即以膜相隔的两溶液之间产生的电位差，Ica为钙电流，IK为钾电流，Isk即细胞间钙门控钾通道电流，ILeak为漏电流，Istimuli为从刺激到感觉神经元，即输入直流电流，Isyn为化学突触注入神经元的电流，Igap为电突触(间隙连接)注入神经元的电流。

秀丽线虫神经元的膜总电流由通过它的向内和向外电流的总和维持，这种电流是由于离子穿过细胞膜传播而产生的。模型表现为，细胞膜上的电流可以由其它电流模型体现，其中包括钾离子电流、细胞间钙门钾离子通道电流、漏电流、钙离子电流，钙离子为细胞内部钙离子变化，加在细胞上的电流为刺激电流Istimuli，公式解释为刺激电流引起的动作电位的变化，总电流表示为电容量乘以电压在时间上的乘积。

其中电压门控钾通道、钙门控钾通道、电压门控钙通道和渗漏通道等各种通道与钙泵一起建立神经元的膜电位。其中电流等于电容量乘以电压在时间上的积分，

如图4所示，钾离子通道电流模型为：Ik＝Gk nk

如图6所示，细胞间钙门钾离子通道电流模型：Isk＝Gsk msk(V-Esk)，Esk为细胞间钙门钾离子通道平衡电位，Gsk为细胞间钙门钾通道的电导，电导为描述导体导电性的物理量，即导体允许电流通过它的容易性量度，该通道受到细胞内钙离子的影响。

如图7所示，漏电流离子通道电流模型：Ileak＝Gleak(V-Eleak)，Eleak为漏电流通道平衡电位，GLeak为漏电流通道的电导。

选取好模型后在simulink进行仿真，预测模型的反应结果和选取模型与生物本身的关系，观察线上仿真结果与生物模型的反应，预测的结果是否一致，用直流电流Istimuli刺激秀丽线虫，观察秀丽线虫单个神经元的里的各个离子通道数值变化，检测细胞膜上的电压值，得出结果是细胞膜电压值与刺激电流成正比关系，即输入电流的为方波时，输出结果近似为方波状态。

其次是电路模拟仿真，把软件仿真结果体现在电路元器件上：

钾电流通道硬件模拟模型：Ik＝9.75nk

细胞间钙门钾通道电流模型：Isk＝0.25msk(V-(-80))，细胞间钙门钾离子平衡电位选择为-80mV，Gsk细胞间钙门钾通道电导参数选择为0.25，细胞间钙门钾离子门控通道由钙离子细胞浓度所控制，根据钙浓度参数输入数值。

漏电流离子通道电流模型：Ileak＝0.0525(V-(-60))，漏电流离子平衡电位选择为-60mV，漏电流通道电导参数选择为0.0525。漏电流无门控通道，随膜上电压变化，呈现正比例函数图像，膜上电压增大，漏电流增大。

经过上述电路模拟仿真，得到模拟电路图，再进行PCB原理图绘制。

S03：根据所述PCB原理图，对所述模型进行硬件电路搭建。

在一个优选的实施例中，场景设定将模拟电路图用于生活实际中，秀丽线虫活动为前进、后退、觅食、趋温性等均可体现出来：

Ik模型在秀丽线虫用于设置静息电位，使神经元从激发的兴奋状态回到静息平衡状态。

Ik数值范围可以作为小车的前进、后退、停止状态，输出Ik值大于某个参数范围定义为前进，小于某个参数范围即为后退状态，停止状态比较特殊，选择中间的参数，小车运动状态即类似秀丽线虫前进后退。

Isk在秀丽线虫上受细胞内钙浓度的影响，会随着细胞内钙浓度的变化而发生变化。

Isk设置在避障功能，输入信号的影响由细胞内钙浓度参数控制，即有小车与前方距离间距范围设置避障。

场景应用设定应符合秀丽线虫细胞本身模型和生物反应，体现出秀丽线虫具有特色的动作反应，并体现在小车身上，即小车由该电路模型所控制，小车前进、后退、避障、循迹等动作，均为模拟的秀丽线虫动物本身，该小车便是基于秀丽线虫神经细胞的智能小车，秀丽线虫的神经细胞即为小车的“大脑”，小车控制模块亦为秀丽线虫。一来可以进一步观察秀丽线虫细胞的生物反应，有助于生物脑科学研究，对于神经计算科学来说具有一定的生理意义。二者可以通过生物控制小车的情况，推进人工智能发展，实现人工智能的真正智能化。

场景应用设定完，需要在multisim添加场景应用所需要的转换器，输出数值的转换，小车避障超声波模块输入数值传送给Isk，数值输入不在Isk数值范围内，需要转换为合理数值。

电路模拟和场景设定完成，实现小车的全貌：

连接马达、车轮模块，并通过Ik模型测试小车运动状态；

组装舵机、超声波模块通过Isk模型检测避障状态是否符合结果；

通电源进行模拟操作观察实验结果和小车的智能情况。

CMOS模拟神经网络得以实现后，绘画PCB原理图，焊接并连接各部分元器件，即可完成神经网络真正意义上的硬件实现，完成的模块即为秀丽线虫本身的硬件模块，秀丽线虫“大脑”的可视化，硬件模块再组装小车的超声波模块和马达等模块，用秀丽隐杆线虫的神经细胞来控制小车的动作，小车所实现的动作均为该神经细胞行为，无需人为控制，或者提前设置阈值或者功能等，具有自主意识，该意识体现为秀丽线虫的意识动作和反应。与传统意义的智能小车不一样的特征是控制该小车方向动作的不是单片机，而是由生物神经网络搭建的硬件模块，该模块可以定义为芯片，但不是传统意义的芯片，而是生物进化而来的神经细胞，具有意识，并且行为和秀丽线虫行为是接近一致的，相当于做了一只秀丽线虫本身，只是该秀丽线虫形态表现为“驾驶状态”。

从智能方面来讲，实现了利用最小的基本单元可以实现更多复杂的动作，成本低，开发周期短，工业意义更大同时可以做成集成电路的硬件平台上，形成微型计算系统，嵌入式系统嵌入到对象体系中的微型专用计算机，比普通计算机简洁、个性、可操作、功耗低。反过来在生物模型的研究和模拟也能进一步推进脑科学的发展和进步，使我们更加了解生物的细微模型和实现方式。

在其他的实施例中，漏电流可以设定在其它场景输入，智能小车可根据日常雨势强弱而自动改变雨刮的速度，雨势较小但影响驾时，雨刮速度可以较慢，雨势较大时雨刮速度较快，但需要设定上限值，以确保雨刮速度快到影响正常驾驶。

场景设定完毕即可加入传感器，超声波测距模块，舵机控制超声波测距，以及小车的马达和轮子模块等，对小车进行硬件模块组装，完成小车的全貌，对小车进行测试观察现象，符合预期效果，完成基于秀丽线虫神经元的全智能小车。

本发明提供的一种基于秀丽线虫神经元的全智能小车，核心便是神经元的硬件模块，该模块为秀丽线虫的控制细胞，装在小车身上控制智能小车，其反应能力和速度应近似于秀丽线虫，其反应不需要人为过多地控制和干预即可完成简单的动作。进一步深入探究可以把模型复杂化，例如不止模拟单个神经元，可以将多个神经元结合起来，可以完成多个复杂的动作，神经元个数可以视动作复杂性来选择。复杂性的智能小车对于工业和生活商业应用广泛，可操作性强，开发周期短，成本低，制作简易。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。