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http://hdl.handle.net/11422/29996
| Type: | Tese |
| Title: | NeoSLAM: long-term visual SLAM using computational models of the brain |
| Other Titles: | NeoSLAM: localização e mapeamento simultâneos utilizando modelos computacionais do cérebro |
| Author(s)/Inventor(s): | Pizzino, Carlos Alexandre Pontes |
| Advisor: | Costa, Ramon Romankevicius |
| Co-advisor: | Vargas, Patricia Amâncio |
| Abstract: | Essa tese apresenta um modelo baseado na neurociência para a realização de Localização e Mapeamento Simultâneos (SLAM ) por robôs móveis que utilizam Reconhecimento Visual de Regiões em ambientes sujeitos às mudanças de aparência decorrentes da hora do dia, clima e estação do ano. O método proposto é um modelo computacional híbrido de funções cognitivas chamado NeoSLAM que integra modelos computacionais do neocórtex cerebral e do hipocampo-córtex entorrinal. O NeoSLAM é inspirado em modelos que representam os mecanismos cerebrais de primatas responsáveis por várias funções cognitivas, especialmente aquelas relacionadas à aprendizagem e memória espacial. O modelo computacional do neocórtex é inspirado na Memória Temporal Hierárquica (HTM) que tem como característica identificar sequências temporais de padrões espaciais usando representações distribuídas esparsas (SDR). Concomitantemente, o modelo computacional do hipocampo-córtex entorrinal é baseado em uma Rede Neural Atratora Contínua (CANN), semelhante à classe de neurônios de navegação encontrados em muitos mamíferos chamados células de grade. Ademais, é introduzido um detector de Fechamento de Loop baseado em Células de Visão Espacial, proporcionando uma maneira compacta e eficiente de codificar padrões complexos em dados. A principal contribuição desta tese, em comparação com o estado da arte, é o emprego de um mecanismo de aprendizagem e adaptação on-line que utiliza uma representação semelhante aos processos de codificação na memória de primatas. Este trabalho concentra-se em aplicações práticas, assegurando a relevância do desenvolvimento na robótica. Com esse propósito, o NeoSLAM foi avaliado em vários experimentos com robôs em cenários complexos. |
| Abstract: | This thesis proposes a novel and robust neuroscience-based model for visionbased Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) capable of taking into consideration variations in scene appearance which occur due to changing environmental conditions, such as time of day, weather and season. The proposed method is a hybrid cognitive computational model named NeoSLAM (Neocortex-based SLAM), which integrates computational models of the neocortex and hippocampalentorhinal. NeoSLAM is inspired by neuroscience findings on the brain’s mechanisms of primates responsible for dealing with various cognitive functions, particularly those related to learning and spatial memory. The computational model of neocortex is based on a Hierarchical Temporal Memory (HTM) model which has the potential to identify temporal sequences of spatial patterns using sparse distributed representations. Meanwhile the computational model of the hippocampal-entorhinal is based on Continuous Attractor Neural Network (CANN) similar to a class of navigation neurons found in many mammals called grid cells. Additionally, a Spatial View Cells-based loop closure detector is introduced, providing a compact and powerful way to encode complex patterns in data. The main contribution of this thesis compared to the state of the art is the usage of a neuroscience-based mechanism for online learning and adaptation, utilizing similar representation encoding processes as found in primate memory. This work is focused on real-world applications, ensuring the relevance of the findings to practical robotics. NeoSLAM has been thoroughly evaluated in terms of environmental complexity using robots deployed in the field. |
| Keywords: | SLAM Visual place recognition Brain inspired models Hierarchical temporal memory Reconhecimento visual de regiões Modelos inspirados no cérebro Memória temporal hierárquica |
| Subject CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::AUTOMACAO ELETRONICA DE PROCESSOS ELETRICOS E INDUSTRIAIS CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::METODOLOGIA E TECNICAS DA COMPUTACAO |
| Program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica |
| Production unit: | Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia |
| Publisher: | Universidade Federal do Rio de Janeiro |
| Issue Date: | Mar-2024 |
| Publisher country: | Brasil |
| Language: | eng |
| Right access: | Acesso Aberto |
| Citation: | PIZZINO, Carlos Alexandre Pontes. NeoSLAM: long-term visual SLAM using computational models of the brain. 2024. 132 f. Tese (Doutorado) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2024. |
| Appears in Collections: | Engenharia Elétrica |
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