Lecture Notes in Computer Science


Motion Control and Tracking Algorithm


Download 12.42 Mb.
Pdf ko'rish
bet18/88
Sana16.12.2017
Hajmi12.42 Mb.
#22381
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   88

4

Motion Control and Tracking Algorithm

When connectivity is su

fficiently large, one random initial pattern converges into one

of four limit cycle attractors as time evolves. By the coding transformation of motion

functions, the corresponding motion of the tracker in 2-dimensional space becomes

monotonic(see Fig.2). On the other hand, when connectivity is quite small, chaotic

dynamics occurs in the state space, correspondingly, the tracker moves chaotically (see

Fig.3). If the updating of state pattern in chaotic regime is replaced by random 400-bit-

pattern generator, the tracker shows random walk(see Fig.4). Obviously, chaotic motion

is di


fferent from random walk, and has a certain dynamical structure.

-1

 0



 1

 2

 3



 4

 5

 6



-1

 0

 1



 2

 3

 4



 5

 6

START



r=399

Fig. 2. Monotonic motion

-10


-8

-6

-4



-2

 0

 2



 4

-10


-8

-6

-4



-2

 0

 2



 4

START


r=30

(500 steps)



Fig. 3. Chaotic walk

-10


-8

-6

-4



-2

 0

 2



 4

-10


-8

-6

-4



-2

 0

 2



 4

START


Random walk

(500 steps)



Fig. 4. Random walk

Therefore, when the network evolves, monotonic motion and chaotic motion can be

switched by switching the connectivity r. Based on this idea, we proposed a simple

algorithm to track a moving target, shown in Fig.5. First, an tracker is assumed to be

tracking a target that is moving along a certain trajectory in two-dimensional space,

and the tracker can obtain the rough directional information D

1

(t) of the moving target,



which is called as global target direction. At a certain time t, the present position of

the tracker is assumed at the point (p



x

(t)

p

y

(t)). This point is taken as the origin point

and two-dimensional space can be divided into four quadrants. If the target is moving

in the nth quadrant, D

1

(t)



(= 1, 2, 3, 4). Next, we also suppose that the tracker

can know another directional information D

2

(t)



(= 1, 2, 3, 4), which is called

global motion direction. It means that the tracker has moved toward the mth quadrant

from time t

− 1 to t, that is, in the previous step. Global target direction D

1

(t) and global



motion direction D

2

(t) are time-dependent variables. If these information are taken as



feedback to the network in real time, the connectivity also becomes a time-dependent

variable r(t) and is determined by D

1

(t) and D



2

(t).

In Fig.5, R

L

is a su


fficiently large connectivity and R

S

is a quite small connectivity

that can lead to chaotic dynamics in the neural network. Adaptive switching of connec-

tivity is the core idea of the algorithm. When the synaptic connectivity r(t) is determined

by comparing two directions,D

1

(t



−1) and D

2

(t



−1), the motion increments of the tracker

are calculated from the state pattern of the network updated with r(t). The new motion



184

Y. Li and S. Nara



Fig. 5. Control algorithm of tracking a moving target: By judging whether global target direc-

tion D

1

(t) coincides with global motion direction D



2

(t) or not, adaptive switching of connectivity



between R

S

and R



L

results in chaotic dynamics or attractor’s dynamics in state space. Corre-

spondingly, the tracker is adaptively tracking a moving target in two-dimensional space.

causes the next D

1

(t) and D



2

(t), and produces the next connectivity r(t

+ 1). By repeat-

ing this process, the synaptic connectivity r(t) is adaptively switching between R



L

and


R

S

, the tracker is alternatively implementing monotonic motion and chaotic motion in

two-dimensional space.

5

Simulation Results

In order to confirm that this control algorithm is useful to tracking a moving target, the

moving target should be set. Firstly, we have taken nine kinds of trajectories which the

target moves along, which are shown in Fig.6 and include one circular trajectory and

eight linear trajectories. Suppose that the initial position of the tracker is the origin(0,0)

of two-dimensional space. The distance L between initial position of the tracker and that

of the target is a constant value. Therefore, at the beginning of tracking, the tracker is

at the circular center of the circular trajectory and the other eight linear trajectories are

tangential to the circular trajectory along a certain angle

α, where the angle is defined

by the axis. The tangential angle

α = nπ/4 (= 1, 2, . . . , 8), so we number the eight

linear trajectories as LT

n

, and the circular trajectory as LT

0

.

Fig. 6. Trajectories of moving target:



Arrow represents the moving direction

of the target. Solid point means the po-

sition at time t

=0.


-20

-15


-10

-5

 0



 5

 10


 15

 20


-20 -15 -10

-5

 0



 5

 10


 15

 20


Object

Target


Capture

Fig. 7. An example of tracking a target that

is moving along a circular trajectory with

the simple algorithm. the tracker captured

the moving target at the intersection point.



Tracking a Moving Target Using Chaotic Dynamics

185


Next, let us consider the velocity of the target. In computer simulation, the tracker

moves one step per discrete time step, at the same time, the target also moves one step

with a certain step length S L that represents the velocity of the target. The motion

increments of the tracker ranges from -1 to 1, so the step length S L is taken with an

interval 0.01 from 0.01 to 1 up to 100 di

fferent velocities. Because velocity is a relative

quantity, so S L

= 0.01 is a slower target velocity and S L = 1 is a faster target velocity

relative to the tracker.

Now, let us look at a simulation of tracking a moving target using the algorithm

proposed above, shown in Fig.7. When an target is moving along a circular trajectory

at a certain velocity, the tracker captured the target at a certain point of the circular

trajectory, which is a successful capture to a circular trajectory.

6

Performance Evaluation

To show the performance of tracking a moving target, we have evaluated the success

rate of tracking a moving target that moves along one of nine trajectories over 100

initial state patterns. In tracking process, the tracker su

fficiently approaching the target

within a certain tolerance during 600 steps is regarded as a successful trial. The rate

of successful trials is called as the success rate. However, even though tracking a same

target trajectory, the performance of tracking depends not only on synaptic connectivity



r, but also on target velocity or target step length S L. Therefore, when we evaluate the

success rate of tracking, a pair of parameters, that is, one of connectivity r(1

≤ ≤ 60)

and one of target velocity S L(0

.01 ≤ ≤ 1.0), is taken. Because we take 100 different

target velocity with a same interval 0.01, we have C

100

60

pairs of parameters. We have



evaluated the success rate of tracking a moving target along di

fferent trajectories. Two

examples are shown as Fig.8(a) and (b).

By comparing Fig.8(a) and (b), we are sure that tracking a moving target of circular

trajectory has better performance than that of linear trajectory. However, to some linear

trajectories, quite excellent performance was observed. On the other hand, the success

rate highly depends on connectivity and the target velocity S L even if the same target

trajectory is set. In order to observe the performance clearly, we have taken the data

 0

 10  20  30  40  50



 60  0

 20


 40

 60


 80

 100


 0

 0.2


 0.4

 0.6


 0.8

 1

Success Rate



Connectivity

Target Velocity

x10

-2

 0



 10  20  30  40  50

 60  0


 20

 40


 60

 80


 100

 0

 0.2



 0.4

 0.6


 0.8

 1

Success Rate



Connectivity

Target Velocity

x10

-2

(a) circular target trajectory



(b) linear target trajectory

Fig. 8. Success rate of tracking a moving target along (a)a circle trajectory;(b)a linear trajectory:

The positive orientation obeys the right-hand rule. The vertical axis represents success rate, and

two axes in the horizontal plane represents connectivity and target velocity S L, respectively.


186

Y. Li and S. Nara

 0

 0.2


 0.4

 0.6


 0.8

 1

 0



 20

 40


 60

 80


 100

Success rate

Target Velocity ( x10

-2

)



 0

 0.2


 0.4

 0.6


 0.8

 1

 0



 20

 40


 60

 80


 100

Success rate

Target Velocity ( x10

-2

)



(a) r

= 16: downward tendency

(b) r

= 51: upward tendency



Fig. 9. Success rates drawn from Fig.8(a): We take the data of a certain connectivity and show

them in two dimension diagram. The horizontal axis represents target velocity from 0.01 to 1.0,

and the vertical axis represents success rate.

of certain connectivities from Fig.8(a), and plot them in two-dimensional coordinates,

shown as Fig.9.

Comparing these figures, we can see a novel performance, when the target velocity

becomes faster, the success rate has a upward tendency, such as r

= 51. In other words,

when the chaotic dynamics is not too strong, it seems useful to tracking a faster target.

7

Discussion

In order to show the relations between the above cases and chaotic dynamics, from dy-

namical viewpoint, we have investigated dynamical structure of chaotic dynamics. To a

quite small connectivity from 1 to 60, the network performs chaotic wandering for long

time from a random initial state pattern. During this hysteresis, we have taken a statis-

tics of continuously staying time in a certain basin [8] and evaluated the distribution



p(l

, μ) which is defined by



p(l

, μ) = {the number of S(t) ∈ β

μ

in

τ ≤ ≤ τ + and S(τ − 1) β



μ

(4)


and S(

τ + + 1) β

μ

, μ| μ ∈ [1, L]}



β

μ

=



K

λ=1


B

λ

μ



(5)

T

=

l



lp(l

, μ)


(6)

where is the length of continuously staying time steps in each attractor basin, and



p(l

, μ) represents a distribution of continuously staying steps in attractor basin = μ

within steps. In our actual simulation, T

= 10


5

. To di


fferent connectivity r=15 and

r

=50, the distribution p(l, μ) are shown in Fig.10(a) and Fig.10(b).

In these figures, di

fferent basins are marked with different symbols. From the results,

we can know that continuously staying time becomes longer and longer with increase

of the connectivity r. Referring to those novel performances talked in previous section,

let us try to consider the reason.


Tracking a Moving Target Using Chaotic Dynamics

187


 1

 10


 100

 1000


 10000

 100000


 2

 4

 6



 8

 10


 12

 14


 16

Frequency distribution of staying

Continuously staying time steps

Basin 1


Basin 2

Basin 3


Basin 4

 1

 10



 100

 1000


 10000

 100000


 10

 20


 30

 40


 50

 60


Frequency distribution of staying

Continuously staying time steps

Basin 1

Basin 2


Basin 3

Basin 4


(a) r

= 15: shorter

(b) r

= 50: longer



Fig. 10. The log plot of the frequency distribution of continuously staying time l: The horizontal

axis represents continuously staying time steps in a certain basin

μ during long time chaotic

wandering, and the vertical axis represents the accumulative number p(l

, μ) of the same staying

time steps in a certain basin

μ. continuously staying time steps becomes long with the increase

of connectivity r.

First, in the case of slower target velocity, a decreasing success rate with the increase

of connectivity is observed from both circular target trajectory and linear ones. This

point shows that chaotic dynamics localized in a certain basin for too much time is not

good to track a slower target.

Second, in the case of faster target velocity, it seems useful to track a faster target

when chaotic dynamics is not too strong. Computer simulations shows that, when the

target moves quickly, the action of the tracker is always chaotic so as to track the target.

In past experiments, we know that motion increments of chaotic motion is very short.

Therefore, shorter motion increments and faster target velocity result in bad tracking

performance. However, when continuously staying time in a certain basin becomes

longer, the tracker can move toward a certain direction for steps. This would be useful

for the tracker to track the faster target. Therefore, when connectivity becomes a little

large (r

=50 or so), success rate arises following the increase of target velocity, such as

the case shown in Fig.9. As an issue for future study, a functional aspect of chaotic

dynamics still has context dependence.



8

Summary

We proposed a simple method to tracking a moving target using chaotic dynamics in a

recurrent neural network model. Although chaotic dynamics could not always solve all

complex problems with better performance, better results often were often observed on

using chaotic dynamics to solve certain ill-posed problems, such as tracking a moving

target and solving mazes [8]. From results of the computer simulation, we can state the

following several points.

• A simple method to tracking a moving target was proposed

• Chaotic dynamics is quite efficient to track a target that is moving along a circular

trajectory.



188

Y. Li and S. Nara

• Performance of tracking a moving target of a linear trajectory is not better than that

of a circular trajectory, however, to some linear trajectories, excellent performance

was observed.

• The length of continuously staying time steps becomes long with the increase of

synaptic connectivity that can lead chaotic dynamics in the network.

• Continuously longer staying time in a certain basin seems useful to track a faster

target.

References

1. Babloyantz, A., Destexhe, A.: Low-dimensional chaos in an instance of epilepsy. Proc. Natl.

Acad. Sci. USA. 83, 3513–3517 (1986)

2. Skarda, C.A., Freeman, W.J.: How brains make chaos in order to make sense of the world.

Behav. Brain. Sci. 10, 161–195 (1987)

3. Nara, S., Davis, P.: Chaotic wandering and search in a cycle memory neural network. Prog.

Theor. Phys. 88, 845–855 (1992)

4. Nara, S., Davis, P., Kawachi, M., Totuji, H.: Memory search using complex dynamics in a

recurrent neural network model. Neural Networks 6, 963–973 (1993)

5. Nara, S., Davis, P., Kawachi, M., Totuji, H.: Chaotic memory dynamics in a recurrent neural

network with cycle memories embedded by pseudo-inverse method. Int. J. Bifurcation and

Chaos Appl. Sci. Eng. 5, 1205–1212 (1995)

6. Nara, S., Davis, P.: Learning feature constraints in a chaotic neural memory. Phys. Rev. E 55,

826–830 (1997)

7. Nara, S.: Can potentially useful dynamics to solve complex problems emerge from con-

strained chaos and

/or chaotic itinerancy? Chaos. 13(3), 1110–1121 (2003)

8. Suemitsu, Y., Nara, S.: A solution for two-dimensional mazes with use of chaotic dynamics

in a recurrent neural network model. Neural Comput. 16(9), 1943–1957 (2004)

9. Tsuda, I.: Chaotic itinerancy as a dynamical basis of Hermeneutics in brain and mind. World

Futures 32, 167–184 (1991)

10. Tsuda, I.: Toward an interpretation of dynamic neural activity in terms of chaotic dynamical

systems. Behav Brain Sci. 24(5), 793–847 (2001)

11. Kaneko, K., Tsuda, I.: Chaotic Itinerancy. Chaos 13(3), 926–936 (2003)

12. Aihara, K., Takabe, T., Toyoda, M.: Chaotic Neural Networks. Phys. Lett. A 114, 333–340

(1990)


Abstract.  In  this  paper,  a  generalised  entropy  based associative memory 

model will be proposed and applied to  memory retrievals with analogue 

embedded vectors  instead of the binary ones in order to compare with the 

conventional  autoassociative model  with a quadratic Lyapunov functionals.   

In the present approach, the updating dynamics will be constructed on the basis 

of the entropy minimization strategy which may be reduced asymptotically to 

the  autocorrelation  dynamics as a special case.  From numerical results, it will 

be found that the presently proposed novel approach realizes the larger memory 

capacity even for the analogue memory retrievals in comparison with the 

autocorrelation model based on dynamics such as associatron according to the 

higher-order correlation involved in the proposed dynamics.   

Keywords: Entropy, Associative Memory ,  Analogue Memory Retrieval. 

1   Introduction 

During the past quarter century, the numerous autoassociative models have been 

extensively investigated on the basis of the autocorrelation dynamics.  Since the 

proposals of the retrieval models  by Anderson, [1] Kohonen, [2] and  Nakano, [3]  

some works related to such an autoassociation model of the inter-connected neurons 

through an autocorrelation matrix were theoretically analyzed  by Amari,  [4] Amit et  

[5]  and  Gardner

.

[6]     So far  it  has been  well appreciated that the storage  capacity 



of  the  autocorrelation  model , or the number of  stored pattern vectors, L ,  to  be 

completely associated vs the number of neurons N,  which is called the relative 

storage capacity or loading rate and denoted as 

c

N

,   is estimated as  

c

~0.14  


at  most  for  the  autocorrelation  learning  model  with  the  activation   function  as 

the  signum  one  ( sgn (x )  for  the  abbreviation)

.

[7,8]    



    In  contrast  to  the  above-

mentioned models with monotonous activation functions,  the neuro-dynamics with a 

nonmonotonous mapping was recently proposed by Morita, [9] Yanai and Amari, [10]  

Shiino and Fukai

.

[11]  They reported that the nonmonotonous mapping in a neuro-



dynamics possesses a remarkable advantage in the storage capacity, 

c

~0.27, 


superior than the conventional association models with monotonous mappings, e.g. 

the signum or sigmoidal function.   

      In the present paper,  we shall propose a novel approach based on the entropy 

defined in terms of the overlaps, which are defined by the innerproducts between the 



A Generalised Entropy Based Associative Model 

Masahiro Nakagawa 

Nagaoka  University of Technology,  Kamitomioka  1603-1,  Nagaoka,   

Niigata 940-2188, Japan 

masanaka@vos.nagaokaut.ac.jp 

M. Ishikawa et al. (Eds.): ICONIP 2007, Part I, LNCS 4984, pp. 189–198, 2008. 

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008 

al .


state vector and the analogue embedded vectors instead of the previously investigated 

binary ones [1-16,25]. 



2   Theory 

Let us consider an associative model with the embedded analogue vector 



e

i

()

(1 i

N,1 r

L) , where N and L are the number of neurons and the number 

of embedded vectors.

    The states of the neural network are characterized in terms of 

the output vector



s

i

(1 i



)  and the internal states 

i

(1 i



) which are related 

each other in terms of 

 

       


s

i

=



i

        (1 i N), 

    

 

 



 

 

          



          (1) 

 

where 



f

( )



  is the activation function of the neuron. 

     Then we introduce the following entropy I which is to be related to the overlaps as  

 

       


I=-

1

2



r=1

L

m



(r) 2

log m


(r) 2

   



 

 

 



 

      (2) 

where  the overlaps  m

(r)

  (r=1,2,...,L)  are defined by 

 

       



m

(r)


=

i=1


N

e

†(r)



i

s

i



 ;

            

 

 

 



       

               

     (3) 

here the covariant vector  



e

†()



i

 is defined in terms of  the following orthogonal 

relation, 

 

      



i=1

N

e



†(r)

i

e



(s)

i

=



rs

     (1 r,s L)   

,

        


 

 

   



   (4) 

      


†(r)


i

=

r'=1



rr'



(r')


i

 

 



 

 

 



 

    (4a)


 

      a  

rr'

=(

 



-1

)

rr'



  , 

 

 



 

 

 



 

    (4b) 

      

  

rr'



=

i=1


N

(r)



i

(r')



i

  .


   

 

 



 

 

 



    (4c) 

 

The entropy defined by eq.(2) can be minimized by the following condition 



   

   


     

 

 



  

 

 



 

   


   (5)

 

190 M. 



Nakagawa 

and 


,

(r)


=

rs

m



(1 r,s L),  

r=1

L

m



(r) 2

=

1   



                           

                                                                          

         (6) 

 

That is, regarding m



(r) 2

(1 r



L) as the probability distribution in eq.(2),  a target 

pattern  may be retrieved by minimizing the entropy I with respect to  m

(r)

or the state 

vector

s

i

 to achieve the retrieval of a target pattern in which the eqs.(5a) and (5b) are 

to be satisfied.   

Therefore  the  entropy  function  may  be  considered  to  be  a  functional 

to be minimized during the retrieval process of the auto-association model instead of 

the conventional quadratic energy functional, E,  i.e. 

E=-

1

2



i=1

N

j=1



N

w

ij



s

i



s

j

,



                    

                                                            

            (6a) 

where


s



i

is the covariant vector defined by 

s



i

=

r=1



L

j=1


N

e

†(r)



i

e

†(r)



j

s

j



   

,

               



                                                         

          (6b) 

and  the connection matrix

w

ij

is defined in terms of 

w

ij

=



r=1

L

e



(r)

i

e



†(r)

j

.



                                       

                                              

           (6c) 

According to the steepest descent approach in the discrete time model, the updating 

rule of the internal states

i

(1 i



) may be defined by 

 

 



i

(t+1) =-


I

s



i

   (1 i N) ,  

         

          

                             

                   

             (7) 

 

where



(

> 0) is a coefficient.  Substituting eqs.(2) and (3) into eq.(7) and noting the 

following relation with aid of eq.(6b), 

 

m



(r)

=

i=1



N

e

†(r)



i

s

i



=

i=1


N

e

(r)



i

s



i

 ,   


                            

     


                                   

       (8) 

 

one may readily derive the following relation. 



i

(t+1)=-


I

s



i

=+ 1


2

s



i r=1

L

m



(r) 2

log m


(r) 2

= 1


2

s



i r=1

L

j=1



N

e

(r)



j

s



j

t

2



log

j=1


N

e

(r)



j

s



j

t

2



=

 

r=1



L

e

(r)



i

j=1


N

e

(r)



j

s



j

t

1+log



j=1

N

e



(r)

j

s



j

t



2

=

 



r=1

L

e



(r)

i

m



(r)

1+log m


(r) 2

  .


   

                     (9) 

A Generalised Entropy Based Associative Model 

191 


 

Generalizing somewhat the above dynamics in order to combine the quadratic 

approach  (

0) and the present entropy one (

1) , we propose the following 

dynamic rule, in a somewhat ad-hoc manner, for  the internal states 

 

i

(t+1)=



 

r=1


L

e

(r)



i

j=1


N

e

†(r)



j

s

j



t

1+log 1-


+

j=1


N

e

†(r)



j

s

j



t

2

=



 

r=1


L

e

(r)



i

m

(r)



t

1+log 1- +

m

(r)


t

2

  .



     (10) 

 

In practice, in the limit of 



0

, the above dynamics will be reduced to the 

autocorrelation dynamics. 

 

i



(t+1)= lim

0 r=1


L

e

(r)



i

m

(r)



t

1+log 1- +

m

(r)


t

2

 



   =

r=1


L

e

(r)



i

m

(r)



t =-

r=1


L

e

(r)



i

j=1


N

e

† (r)



j

s

j



(t) =

j=1


N

w

ij



s

j

(t) .



      

                 (11) 

 

 On  the  other  hand,   eq.(10)  results  in  eq.(9)  in  the  case  of  



1

.   Therefore  one 

may control the dynamics between the autocorrelation (

0

)  and the entropy 



based approach ( 

1

). 



Download 12.42 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   88




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling