onde 𝛿𝑤𝑖𝑗𝑘𝑙𝑓 𝑔 é a mudança dos pesos sinápticos,𝑟𝑖𝑝 a taxa de ativação da place cell i, 𝑟−𝑝𝑗 é o valor correspondente da trajetória e calculado através da Equação 4.30, 𝑟𝑓 a taxa de head direction cell do robô,𝑟𝑔a taxa daforward velocity cell do robô,𝑟𝑊 𝐶𝑘 ahead direction cell da correnteza, 𝑟𝑊 𝐶𝑙 forward velocity cell da correnteza e 𝑘2 a taxa de aprendizado.
é responsável por definir a sua contribuição. NaFigura 33 apresenta-se o comportamento da rede quando o neurônio central da rede é o mais ativo.
0 10
20 30
40 50
0 10 20 30 40 50
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08
Neuronio Neuronio
Peso sinaptico
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Neuronio
Neuronio
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
Figura 33 – Pacote de ativação das ligações recorrentes sem a adição da informação das ligações idiotéticas
NaFigura 33 é possível perceber que os neurônios próximos ao de maior ativação possuem ligações recorrentes fortes quando comparados com os mais distantes. Outra característica encontrada é a simetria dos pesos recorrente em relação ao nodo central o que é importante para manter a estabilidade da rede quando o robô encontra-se parado.
Após o treinamento das ligações recorrentes é realizado o treinamento das ligações idiotéticas (𝑤𝑖𝑗𝑘𝑙𝑓) da CANN. A proposta deste tipo de ligação é que na ausência de correspondência entre os locais previamente visitados, o pacote de energia desloca-se a partir do comportamento previamente treinado. No caso proposto neste trabalho, na
direção em que a correnteza está afetando o veículo.
O treinamento das ligações idiotéticas envolve o cálculo de todos os pesos sinápticos (𝑤𝑖𝑗𝑘𝑙𝑓) utilizando a combinação das place cells 𝑖 e 𝑗, das head direction cells e forward velocity cells. Nessa etapa, o robô se move por todo o ambiente, calculando os pesos conforme aplace cell que está mais ativa, a orientação do robô, e a orientação e velocidade da correnteza. Nesta etapa os pesos sinápticos iniciais são definidos como zero, e a etapa de treinamento é repetida por 100 vezes para calcular os pesos sinápticos das ligações idiotéticas.
Para apresentar o perfil dos pesos sinápticos aprendidos pela rede é definido o neurônio central da rede como aplace cell mais ativa e apresentando os pesos dos neurônios com variação no eixo𝑌. Essa variação é demonstrada pela linha pontilhada naFigura 34.
Y
X Área demonstrada
Figura 34 – Perfil dos pesos das conexões recorrentes e sinápticos.
Na Figura 35 é apresentado o comportamento dos pesos sinápticos da rede no intervalo pontilhado após o treinamento das ligações idiotéticas. É realizado um com-parativo entre os pesos das ligações recorrentes e idiotéticas, utilizando a orientação da correnteza para o norte.
No gráfico percebe-se que as ligações recorrentes possuem maior peso sináptico que as ligações idiotéticas. Também nas ligações recorrentes (𝑤𝑖𝑗) o peso é maior no neurônio central enquanto que nas ligações idiotéticas (𝑤𝑖𝑗𝑘𝑙𝑓) o peso maior encontra-se deslocado do neurônio central e também possui um comportamento assimétrico. O comportamento assimétrico e o peso sináptico maior estar deslocado do neurônio central é importante para o modelo, uma vez que isso permitirá o deslocamento da atividade da rede neural no sentido da correnteza treinada neste modelo.
Na Figura 36 é apresentado o comportamento dos pesos das ligações idiotéticas quando a correnteza encontra-se para as outras direções, para tal assumimos as quatro principais direções: Norte, Sul, Leste e Oeste.
Como apresentado na Figura 36, os pesos para as direções oeste e leste são iguais uma vez que o movimento esperado é em relação ao eixo𝑋e a área plotada possui variação no eixo𝑌. Os pesos para a direção norte e sul são assimétricos onde o peso mais ativo para
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08
Y
Peso sinaptico
Ligacoes recorrentes Ligacoes idiotetica
Figura 35 – Perfil dos pesos das conexões recorrentes e idiotéticas.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035
Y
Peso sinaptico
Sul Oeste Norte Leste
Figura 36 – Perfil dos pesos das conexões idiotéticas nas diferentes orientações.
a região norte encontra-se nos neurônios ao norte do neurônio central, enquanto para a direção sul o neurônio encontra-se ao sul do neurônio central. A orientação da correnteza com a maior taxa de ativação será responsável por determinar a direção em que o robô será deslocado.
NaFigura 37são apresentados os comportamentos dos pesos das ligações conforme a orientação em que a correnteza está afetando o robô.
No quadrante superior da esquerda apresenta-se os pesos para a correnteza com a direção norte, no quadrante inferior da esquerda para o sul. Os dois pesos possuem característica assimétrica porém com a direção correspondente. O gráfico superior da direita representa a direção oeste e o da inferior a direita a direção leste. Devido à área plotada possuir variação no eixo 𝑌 os pesos apresentados possuem um comportamento simétrico. Porém, se modificar à área plotada para a variação no eixo𝑋, o comportamento dos pesos da direção oeste e leste serão assimétricos com a maior ativação na direção das mesmas.
Neste capítulo foram apresentados os efeitos que a correnteza influi no desloca-mento de um robô no ambiente subaquático. Também apresentou-se a modificação no modelo bioinspirado para a CANN, com os tipos de neurônios utilizados no experimento e o equacionamento que os regem e posteriormente o treinamento utilizado. No próximo capítulo serão apresentados os resultados encontrados utilizando o modelo proposto.
Neuronio
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Peso das ligações idiotéticas
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
sul sudoeste oeste nordeste norte noroeste leste sudeste
Neuronio
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Peso das ligações idiotéticas
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
sul sudoeste oeste nordeste norte noroeste leste sudeste
Neuronio
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Peso das ligações idiotéticas
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
sul sudoeste oeste nordeste norte noroeste leste sudeste
Neuronio
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Peso das ligações idiotéticas
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
sul sudoeste oeste nordeste norte noroeste leste sudeste
Figura 37 – Exemplo dos pesos sinápticos das ligações idiotéticas para a correnteza nas diferentes direções.
6 Experimentos
Neste capítulo serão apresentados os diferentes tipos de experimentos utilizados para a validação da abordagem proposta. Nas etapas de treinamento realizadas pelo mo-delo proposto, utilizou-se os dados da correnteza fornecidas pelo simulador utilizado, para a aplicação em datasetsreais, a orientação e velocidade da correnteza será fornecida atra-vés de um ADCP. Outra característica utilizado em todos os experimentos, é o uso da correnteza com uma velocidade e direção constante.
No primeiro cenário utilizado o robô não exerce movimento, sendo só a correnteza responsável pelo seu deslocamento. No segundo cenário, o robô exerce movimento em um ambiente simulado utilizando o simulador gazebo. Por último, o modelo é avaliado em uma trajetória mais extensa e utilizando o cenário do segundo experimento.