9
View-based route-learning with self-organizing neural networks F. Hamze * , J.J. Clark McGill University, Center for Intelligent Machines, Montreal, Canada Accepted 10 December 2000 Abstract This paper describes a view-based mobile robot navigation system relying on self-organizing neural networks. Route navigation was presumed to consist of a chain of view±action associations. A sequence of view images from a test route was obtained, pre-processed, and used to train a system of self-organizing maps. The converged networks consisted of a set of weights representing the learned views and a set encoding the actions to be carried out at those views. A view presented to the trained networks can thus associatively elicit the action coupled to it, allowing autonomous execution of the route. The data were presented to the system of networks using a simple place-dependent scheme, and a context-sensitive decision-maker was used to minimize potential recognition ambiguity during the execution stage. q 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Robot navigation system; Self-organizing neural networks; Trained networks 1. Introduction Navigation and route-learning are two of the fundamental tasks of mobile robotics. In this work, we outline a system inspired by biological observations of this phenomenon and of learning in general. Many animals demonstrate a highly robust capacity to form internal maps of their surroundings and to navigate within them. In contrast, most arti®cially engineered systems, which rely heavily on a priori data and modeling techniques, show nowhere nearly the same ability to adapt and generalize to novel surroundings and conse- quences. The superior performance of biological systems in this respect stems from their parallel neural organization. We believe that using a similar strategy, allowing the so- called higher-level features to autonomously emerge from the early processing, will yield a system that is less situa- tion-speci®c than the constrained methods in fashion today. 1.1. Navigation in biological systems Much of our knowledge of navigation in animals comes from experiments done with rats in mazes. Tolman [1] postulated that rats navigate using cognitive maps, de®ned as ªa series of interconnected places that are systematically linked together through spatial transformation rulesº [1]. Rats in radial maze experiments exhibited behavior that suggested the occurrence of place-learning, where animals acted with the goal of moving to a certain location, rather than response-learning, in which rats simply output a motor action when presented with a sensory stimulus. O'Keefe and Nadel [3] distinguish between routes and maps in naviga- tion. A route is de®ned as a list of stimulus±response± stimulus S±R±S) associations which lead the navigator from one sensory input e.g. view) to another until a ®nal goal destination is reached. O'Keefe and Nadel point out that, in order to strictly follow a route, the cues must in¯ex- ibly appear in the correct order. Consequently, they are sensitive to error; an occluded, distorted, or unattended cue can wreak havoc on the accuracy of navigation. Maps, on the other hand, are representations of parts of space. They are free from the stimulus ordering constraints of routes; novel routes from between places can be computed. The ¯exibility that arises comes at the expense of a longer processing time and increased storage requirements. A brain structure known as the hippocampus has been found to be crucial to place-learning for mapmaking. The so-called hippocampal place-cells are neurons characterized by their responsiveness to particular environmental loca- tions called place ®elds. Place ®elds can overlap, and cells are known to be responsive to more than one place ®eld [3]. This is highly suggestive of a distributed approach to the encoding of place-cell data. In other words, it is unlikely that a place-cell or population) exists to encode every place experienced. Also, it is now believed that the hippocampus, rather than simply contain the map information, serves to Image and Vision Computing 19 2001) 753±761 0262-8856/01/$ - see front matter q 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII: S0262-885600)00106-2 www.elsevier.com/locate/imavis * Corresponding author.

View-based route-learning with self-organizing neural networks

  • Upload
    f-hamze

  • View
    213

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: View-based route-learning with self-organizing neural networks

��������� �� ��������� �� � �������������� ����� �� ����

�� ������� ���� ����

������ ������� � ��� �� ��������� �������� ������� ������

����� � ! "������ #!!!

��������

$��� ���� ������� � %�������� ������ ��� ��%��� ��� �&� �� ��&��� �� �������������� ����� �� ����� ���� ���������� ���

������ � ������ �� � ����� �� ���������� ������������� � ��'����� �� %��� ������ ��� � �� �� � ��� �� ����� ����������� ��

��� � ��� � �&� �� �� �������������� ����� $�� ���%��� �� ���� ������ � �� � �� �� ����� � ������ ��� �� ����� %���� �� � ��

������� �� �� ���� � �� ���� �� � ���� %����� � %��� ����� � � �� ���� �� ���� ��� ��� ������� �%��& ����� �� �� ��� ������

� � � �������� �� ������� �(��� ��� �� �� �� �� $�� � � ��� ����� � � �� �&� �� �� �� ���� ����� � ������ ������������ �������

�� � ��� �( ������ �%� ������������ ��� ��� � �������� �� �� ��� ������ ��� ������� & ���� �� �(��� ��� � ���� � #!! )���%��

*������ +��� ��� ��� � ���%��

� ����, -��� ��%��� ��� �&� ��. *������������� ����� �� ����. $���� �� ����

� ���� ������

/�%��� ��� �� �� ��������� �� �� �� �� ������� ��

���� �� ������ ��� ���� 0� ��� ���� �� �� ���� � �&� ��

������ �& ���������� ����%� ���� �� ��� ���������� ��

�� ������� �� ������� 1��& ������� ����� � � � �����&

���� ������ & � ��� �� ���� ���� �� ��� ���������

�� � ��%��� � �� ��� ���� 0� ��� �� � ��� � �2�����&

�������� �&� ���� ����� ��& ���%��& �� � ���� � � ��

������� �����'���� ���� ������ ����& �� ���� ����� &

� ��� �� ��������� � ��%�� ��������� �� ������

'������� $�� ������ ��������� �� ���������� �&� ��� ��

��� ����� � ��� ��� ��� ������ ���� ������������

3� �����%� �� ����� � ������ � � ��&� �������� �� ���

����� ��������%�� ��� ��� � �� ��������& ����� ���

�� ���& ���������� ���� &��� � �&� �� �� �� ���� �� ���

���������2� ��� �� ���� ���� �� ��� �� ������� ��&�

���� ��������� �� !��������� � ��"�

1��� �� �� �������� �� ��%��� ��� �� ������� �����

��� �(������ � ��� �� � � � �� ������ $����� 4 5

��� ��� � �� � � ��%��� � ����� �������� "���� �2��

�� 6� ����� �� �� ������� � ������ �� �� �&� ��� �����&

����� ��� �� ����� ��� ��� ������� ��� ����7 4 5�

-� � �� ���� ���� �(������ � �(���� � ����%�� ��

������ � �� �������� �� ����#������� ���� �������

�� � �� � �� ���� �� ��%��� � � �� ��� ���� ���� � ��

��� �����#������� �� ����� � � �����& �� �� � �� �

�� ��� ���� ����� � �� � � �����& � ������� 89:���� ��

/��� 4;5 �� ������� �� ���� ���� �� "��� �� ��%����

���� � �� � �� �2�� �� � ��� �� � ������<�������<

� ������ =*<-<*> ������� ���� ����� ��� �� ��%��� �

��� ��� �����& ���� =���� %���> � ��� �� �� �� � 2���

���� �� ��� ��� �� ������ 89:���� �� /��� ���� ��

�� � �� �� � � �� �& ������ � �� �� �� ���� ��� ��?�(�

���& ����� �� �� ���� ��� �����'��� �&� ��& ��

����� �%� � ��. �� ������� �� � �� � ��� ���

��� ��� ���� ��%�� �� �� ������& �� ��%��� ���� 1����

�� �� � �� ���� �� ������ � ���� �� �� � �� ������ $��&

�� ��� ��� �� � ������ ����� ���� ��� � �� �� ��.

��%�� �� �� ��� �� ���� ������ ��� �� ����� �� $��

?�(����� & �� ����� ����� � �� �(����� �� � �����

��������� ��� �� ������� � ���� �'������ ��

� ���� � �� �� ����� �� �� �������"��� ��� ����

���� � �� ������ � ������������� �� ���������� $��

�������� ����������� ����#���� �� ������ ����� ����

�& ��� �������%����� � �� ����� ��%������ �� �����

���� ����� ���� $���� @���� 2��� ��� �%����� �� �����

�� ����� � �� �������%� � ��� ��� ��� ����� 2�� 4;5�

$��� �� �����& ������ �%� �� � �����!��� ������� � ��

������� �� ���������� � �� 0� � �� ���� � �� �������&

�� � ���������� =� ������ ���> �(�� � � ����� �%�& �����

�(�������� ����� � �� ��� �����%� �� �� ������������

� �� ��� �����& ��� ��� �� ��� ������ ���� ��%�� �

0���� �� ������ ����� ��� A =#!! > BC;<BD

!#D#�EECDF! FG � ��� ��� �� � � #!! )���%�� *������ +��� ��� ��� � ���%��

@00, *!#D#�EECD=!!>!! !D�#

��������%������F���� �F���%��

� ���������� �� ���

Page 2: View-based route-learning with self-organizing neural networks

"������ ��� � ���� �� �� ���� ������ =����� �� ����#

������� ���%> 4H5�

0� ��� �� � ���������� �� ��������� ����� �� ����

���� � �� ���. �� ������ ������ �� ����� � ���& �

���� ��� �� �%���� �& �� ������� & �� � � � � �� ��

�������& ��� ������ ��� ��������� ���� � ������� 4C5�

/���� �� ��� ������ ���� ��������� �� �� � ��

��� �&� ��� ����� ��� ��%� ���� ���� �� �� � �����

��� �� � �� ��&���������� � �. �����2����&� �� ������

������ ������� ���� � ������� �� �� �� � �&� �� ��

��%��� ��� 4#5�

��&� '� ������ "��

1��& ������ ���� �� ���������� ������ �� ����� � ��

����� �� ��� ��� I���9 ���� ����� ���� ����� �� ��

I�����9 ��� �� �� � �� �����& ����� � � ����� �� ��

I������9� @��� � �� ���� ��� �0� �� �(������ ��� ����%�

�� �& ����� �� 3����� 4D5 � �� ������� �� � ������

��� ������ ������� �� ����� ��� � �����2� %����� ���

���� � ����� $�� �����"���� ���% =0$> �� ����

������� �� �������� �������� � ������( ������ 4B5�

3� ��� � ��%�� ������ �� 0$� �� �����9 ����� ������ ��

'�� � ������. ����� �������� ������ �� � ������ ������

�%� ��� �� �����

$�� ����� ������ ���� ������� ���%� �� ��� � ��

������������ �������� � ����� �� ��� ���� �� ��

������ � ������ � ��� ������� ��� �� �� ������ ���#

��������� "��=*81> 4E5� 0 � ��J�� �%� �� � ���� � �� �

���� ���������� �� ��� �� ��'����& �� �������� �� �

�� �� ������� ������ %( �� ����������� & � =���� %( �

�%( � %(#�)� %(��$� 0 ������ � �� �� ��& =������& ���

����������� �� ����� � ��� �� ��������> �� ��� � ����

�2�� �& � ����� "�� ���� �� � ��������� �"� ��"� �"�#�)�"����� "���� �������� �� ���� % �� ������

� ��� �� ��� � ��� �%� � ���� ����2�� ������� & �� ��.

� ������ ��� �� �� *������� �������� $�� �������� �� ��

��� ������� � I�������9 "� �� �(�������� ��,

� � �� ����

�%� "�� � �

"���� ������� �� ������ �� ����� ������ ����� �� �

���� �� � �����2� ����!����� �� � � ��%� ��� ����� �

��� � �& �� ���,

"���� � � "����� �������%���� "����� �#����� � �� �� ���� �� ��� ��� �� �� ����� � ��� �� ����

%���� $�� ����� � �� �� ����� � ������ ��%� ��� I�����

����9 �� �� ��� �� ���� % ����� � I����9 J������ % �

�� �� ����� � $�� �� ��� �� ����� �� ����!�����

��������� 3� ��� � ����!����� ��� � ������ ��� �� ���� ��

����� ���� ��������� �� � ��� ��� �� ���� ��

������� ���� 8��& ����� � �� ��� �� �� �� ��� ��

$���� �� ��%�,

������ ����� �� � � �

! � ������

��;�

$�� ����� � ���� �� ����� �� ������ ��. � �� ���� �

�������� ���� ��� �� ������ ����

� ��� �������������� �� ��������� ������

3� ��� ������ �� ������ ������ ���� �� �������

��� �&� ��� ���� �� �(����� ��� � ���� ����,

� "������ ������ ���� �� %���� ��� � ����� �&� ���

#� $�� �� ���� ������� � �� � ���� %���� �� �� �

������ � �� ��

�� �����'��� �&� �� � ������� ��� � ���� I�����9 ��

�'��� �� ���� ��� � ����� �� %���� ����� ���� ���

�� ��������&�

3� ����� ���� �� ��� �� �� �� � �� ��& �������

�� �&� �� ��� �� ������� �� ���� ��� �� ��� ���� 8���

�� /������ 4A5� ��� �%����� �� �� � �� �������

����F0-����� *81 ��%��� ��� �&� ��� ��� ����& ��J��

�� ������ ��� �� �� ��� ���9� ������� %������� &

�� ��� �����& ���������� ����� ������ ���� 8� � �&�

����%�� ��� � ��������& �&� �� ������ � �� ��

��������� & �� ����� � *81 �� ���#!��� ��%��� ���� �

��� ���������& ��� ��2��� ��� ����� �� ����9�

��������������� & � �� ���������& �� � ����� �2���� ��%��

����� =���� �� ��� �� �� ������& ����� I��J�� �9>� 3�

������ � ������ ��� � �� �� �&� ��9� ������ & �

I��������9 � %��� �� ��� ��� �� � ��� � � ���� ���

�������� � ����

$�� ��� �� � ��� ����� �� ��2�� ������&

+� ,�"�� -�-� ���( . �"�� ��� /����� ��"������ �0 1&22�3 456�47�BCH

���� � $�� �� � ��� �� �� H � ?�� �� �� 1�K��� ��� � �� �� �������

��������� /� � �� �%����� �� � ��� I����9� ���� ������ ��� �� �����

���� �8-3�-" � $L-/ =*$8@ �� ��� ;> �� ���� �� ����� ���� �(����

���� =��� *�� ��� #�#>�

Page 3: View-based route-learning with self-organizing neural networks

��%������ � ����� �� ���� � $�� �� � �� ������ ����&

�%�� �� � ������ �����. ��� ���� �� ������� �� �� �

��'����� �� ������ ������ �� �� �� � ��� �� ���� �����

� %��� ����� ���� � �� � �������& �%�� ����&�

1������ �� ���� ���� ��� ��� ����� �� �� ?�� ��

����� � %����� ���� ���� � ����� �� ����& ���� �

���� ��� ��� �'���. �� � �� � �2���� ��� ������ ���

��� ������� ��%� ������� ������ ��� ������� �� � ��

����� � � � �� �� %��� ���� $�� ������ ��� �� �

������ ����� � ��&������ ���� ��� �� � ��� &� *���

�� ������ ��� �� ������ %������� � �� ���� ��

����� �� ���� #� ��%� ��� ������ ��� ���� 2��� � ������

�� �� ������� ��������� �� �� �&� ���

&��� �"�� �#��������

�� � �� ��'���� ��� �� ������ ������� � � � ���

��������� � ��� ���� �� ���� ����������� & �� ��

���� � � �� ���� &� ������ ����� $��� � ��� ���� �� �

�����%� � ���� �� ��%������ � ������� ���� �� ����

��� ������� �� %�� ����

$�� ��� ��� �� ����� ���� ��� DH! � HE! ��(���� ��%��� �

;!B�#!!������� %�� �� $��� ��� ���� � ;#! � #H!

=BD�E!! ������ �> �& ����������� �� �%������ �����

������� $�� ��( � �� ��� � ���%� �� ������9 ��������

� � �� ���� ��� �� ��� �� �� ���� $�� ���� �� ���

�� � �� � ������ I��J�� 9� +������ �� 3�(��� 4 !5

��%� ���� ��� ��� �����'�� �� ������ �� ��������

�����2����� �� ��� %�������� ��%��� ��� �&� ��� 3�

������ �� ��� �� �������� �� � � "�� $�� 4 5�

����� � �& �� ���%��� ��� �� � ��� �� � � K�������,

���� �� � �

� �#�(������� �#� ��

#�

� ��H�

���� � �� � ��� �%���� ��� ������ � �2��� �� ����#

��� �� �� #" K�������� � �����2�� �� ��� ����� �� ��

�� ���� ����������� ������ � �8�%# � #� $�� ���� ���

���%��� ��� ��� �� ����� �� I������9 �� ����

)�� � �� ��� ��� ��� ������. �� ��� �� �� ��

%�� ���� ����� ��� ��� ����� ���� � �� ���� �� ��

����� ������ 0� ����� � ��� ������ �� � ��� �� �� ���

��� � � �� ��� �� �"�� ��� �� �������� ��� �� �����

����� ����� ���� � �� %������ ���� ����

$�� ������ ��� ��� ���J�� � �� ���#���� �������

� ����#������ ������� �� ������ �� ����������

��� ����� � �� ��� ��� �� �� ���� � � ���� 0 ������ �

�� �������� �� ����� ����� � �&� �� �� ������ �� �(������

����& ��������� ����� 1� ���� �����&� �� ����� ����

��� �� �� ������� �� � � ���� ��� �� �� �� ��������

����� �&,

� � 8�9 9 � � �)� ���� �C�

� � ��� ��!

� � � �)� ��� �D�

���� � ! �� �� ���� �� �� ������� �������� �����. ���

�� �� �� �� ����� �� ������ �� ���� ����%�������

����� �%��&� ��� ������� �� � � ��� =� > �� ����� =�> ������� �� � ����� ���� �� �� �������� ������ $�� ������� ��

������ �� � � �� � � ���� ���� ����& ����� �� I� � ���

���� 9� ����� ���� � �� � %� �����& I���� �9 ����� �� ��

��� � ������ M�������� ������� �� ����� ��� �� � I���&�9 ��

� � ����� �� � ������ �� ����� ��� �� �������� ������ $��

����� ������9 �������� ��� ��� �� ��� ��� ���

����� �� ������� & �� � �� � ������ � ������&� �� ������

�� ���%��%� �� � � K������� ����� �� ���������� $��

+� ,�"�� -�-� ���( . �"�� ��� /����� ��"������ �0 1&22�3 456�47� BCC

���� #� � ������ �� �� �� ����� � � ��%�� �& �� ����� �� ��. =�>�

=�>� �� =�> �� %���� ��� ���� ���� ����� �����& ������� � ��

������ ���� � �� ���� � /� � �� %���� =�> �� =�> �� ������. ���

����%� ��� �� ����� � �� ����� �& �� �� ��� �� *�� ��� ;�#�

���� ;� $�� � ��� �� �� ������������� ������ �� �� �( �

Page 4: View-based route-learning with self-organizing neural networks

���� ��� I�����9 ���� �� D � E = #E> ������ �� � ������ ��

�����& �� �� ������������ � ��� �� ����� �� ���� ;�

&�&� '� :;� ��������

�� � �� ��'��� ������ ������ ��%� ���� �������� �

�� � � ������ ����� ��& �� ����� � � �� *81 �&� �� ��

������� /� � �� �� � ���� ��� �������� � ���� �� ��'���

�� ���F���������F ������ ���� �� ������ ������. �� ��

��������& � �&� �� �(��� � ���� � �� ����� ��&� 0�

�� � ����� �������& ����� �� *81 �� ��� � �������

�� �& ���� � %��� ������ ��� �� � ����� �� ����%���

�� ��� ���� �� � ��� �������& � ���� � ����� ���2�� ���

� �� :������ ����� ��� $��� ��� ��� �& ����� ��� ���

�� %��� %�� �� �� � �( �����& �� � � �� ��� ����� �

��������� �� ��� %�� � ��� ������ � �� ���

������� %��� � � ����� �& �� ��� � ���� 0�� ��

���%����� 4 #5 ��%� ������ � ������ ����� �� �� ����

�� ��� ������ ���� � %����� �� ����� �� ��� ���� ��

������ � ����� ��� �� �� ��?����� �� �� ���� �� ��

=%���> �� �� ����%��� ������� ��� ��� =�� ���� �� ��

����>� 1����� �� �� ��� �� � �� I���� 9 �& �������� � �

�� %��� � � ���� � �� �� �� ��� ���� ������� ����

������ ����� �� ���� ��%� ���� �2�� � ������ ��

������

"���� ��� ��� =�� � ������>� ���������� ��%��

%���� �� ������ � �� ����� ��� �� ���� �� ����

������� �������� $�� ����� �� ��� ����� �� �� �����

����� ��� ����� � ��� ������& �������� �� ��� ��

�����9�� $�� �� ��� �'��� �� ��� �( �� � ��� ��

�����9� �� ��� ����� �� 0� ����� � ��� �� � �����������&

������� ���������� ����(�

"���� ��������& �(������ �� � ������ #! � #! :����

��� ��� ��� ���� �� ��� �� � �. ���� � ��� '�� � ����

�� � ���& ���������2� �� ���� �� ���������� �����

���� ���� �� �� �� ����� ������� ���� �� � ������

��� � $�� ��� ���� �� �� ��� ��� ���2� �� �

������ ��� ��� �� ���� ��� 0$ ��� ������ ������������

��%� �������� �� ��� �� ���� ��� ���� � �� �� �� �

��� ���� ��� I����9� L�� �� ������ ��� �� %����

��� � ��%�� ��� ���� �� I������9� � ����� � :������ �����

�� ��� ��� �� �� �� ����� 3� ��� ���� *81

������ ���� I�� ���9 �� �� �( ������ �� �� �����������

�2�� ���� ������� $�� �&� ��9� ���� ��� ��� �%��

�� � ��� ������ = � �� ����2� ��� �&>,

� ������.

#� �� ����� � ���.

;� �� ��(��� ����

$�� �� ��� ������ � �� %���� ������ ��� �� ���

�� �� I����9 � I$��9 ����� �� �� ���� ��(���

��� $�� �&� �� ����� �� ����%� � ����� �� ���� �� ���.

� �� ����2��� �� �(����� �� ��� ; ����� �� � ��� #� 0�

�� �&� �� I�����%��9 �� � �� �� ��� # �� ��� ����� � �

�� =���� ��� ������ �� � ��� ���>� ��� � ���� �(��� �

����� ����%��� � � ���������� � ��� ;�

&�&��� '������

$�� ������� ���� =���� H> ���� �� �������, �� ���

������� %��� � � %� �� ������ �� � �� �����2��

�� ��� %�� � %� 4 !5 �� I����9 =�> � 4! 5 �� I ��9

=*>� /� � �� �� 2��� I ��9 �� ��� ; �� �� ��� � I� ��9

������� �� ��� �� �����& �������� �& �� ��� �( ���

������������ ����� I�����9 �� �� �� ��� �� �� ��� �

$�� ��� ���� ������ �� I��� � � ��9 � �� ������

���������� ����� ��� � � � ���� ��� ��� �� � �����

�� %���<�� ��� %�� � � �� ���� �� &� $�� � � ��� ���

�� ���& ��� � ��� �� & � $�� ������ �� �� �������

4 #5,

� 8� %��� %�� � %% � � #E �� �� ��� %�� � %� � �#

����& �� ��� �� ������� %�� �� � � ;!� $�� "� ��

� �� �� �� "%� � � #E� �� I%���9 �������� � �� ��

����� ��� ��� �� "�� � �#� ��� I�� ���9 �������� ��

$�� �� ���� ��,

�� �

�"%� � %%� #E

�"�� � %��#

�B�

$�� ����� � ��� ��� �� I��������9 �� %��� ��

�� ��� �������� � �� �� �� ������� 3� ����� � �

��%� �� %��� �� �� ��� �'��� ����� �

#� �� �� �� � ��� :������ ����� ��� �� �������

+� ,�"�� -�-� ���( . �"�� ��� /����� ��"������ �0 1&22�3 456�47�BCD

���� H� *����� �� �� �� �� ���&� ��%��%� �� ������� �� �� ���� $�� %��� ���� % �� ����� ��� � �� � �� �� ��� ��� �� ������ �� �� �( � $�� I���

� � ��9 �� � ����%��� ���� �� ������ �� �� ���� �� �%� ������ �� �� ����� �� �� $��� ��� � �� ������ � � � �� ��� *81. ���� �� ��� #� ��

�(������ *81 �� & # �� � �����

Page 5: View-based route-learning with self-organizing neural networks

����� � �� ���� �&,

� � �� ������ �E�

;� $�� ���2�� ��� �� �� ����� � "%� �� "�� �� ���

���%�����& ����� �� ���� :������ �� �� ������

���%�,

"%���� � � "%����� �������%%���� "%����� �A�

"����� � � "������ �������%����� "������ � !�$�� I������ �����9 � ����� J��� �& �& %% �� %� ��

�� ��� � �� ��� ��� � � �������� � ��� ��

H� $��� ��'����� �� ���� � �� ��� %���<�� ��� � � �� ��

������ �� �

� � �� �� #;CE ������ ��� ��� �� ������� $�� �� ���

��� #! � #! �'��� ���2��� ���� �� � �����& ��� ���

���� ����� �� C!�!!! ����� ��� �� ��� ������

����� �� ������ �� � � �'��� ���������� �� ������� ������. �� ���� �������� � �� � ������ ����

$�� ������� � � � ������� �� ������ ������& ������ �

����

+� ,�"�� -�-� ���( . �"�� ��� /����� ��"������ �0 1&22�3 456�47� BCB

���� C� $�� ���� � ��� �&� ��� $�� %��� ���� % �� �� � ���� *81. �� ����� ������9 �%�� ��� ��� �� ���� ����� � � I2��� �������9 �� �� ���

������ $�� *81 ����� ��� �� ���� ��%���� �� ������ ���� �� � � ����� ����� � ����

���� D� $�� �� �� ������%� � ������ �� �� � ���� �� �&� �� ��� ����� �� ���� � ��� ����� �� � �� �� I���� �� 0N9 $��� �� ��� �� �� ���� � �

��� �� ��� ������ ������� �� � � � �� �� ���� $�� ���� � ��� ���� �� ��� � ��������� �� �� ��� � �� ���� �� &� �� �� � �� � � �� �� �� �� � �� ����

�� ������ � ������� ��� $�� IN9 �� �� �� �� ���%�� �� I����������%9 ������ � �� �� ��� ��� ��� ���� % �� �� ��� ������ $�� 2��� ��������� ���� � ��

� *$8@ �������

Page 6: View-based route-learning with self-organizing neural networks

&�&�&� '��#���������

$�� 2� � �� �� ��������� � �� � �� � ��� ��& &��

���� ���� ���� $�� ��� ��� ��� �2�� ��� �� �� ��� �� ��

��������� �&� �� ����� �� ���� C�

L��� � � ��� �� ��%�� ���������� ����� %�� � %��� ����� � � ��� ��� �� ���� $�� ������ �� ��

�� ���� � ���� �� �� ��� �������� "%� �� �� ����

�� ���� �� &� $�� �� ����� ���������� � ����

I��������������9 ��� ����� � � I�� �����������

��������9� �� � �� �������� ����� �� ������� ��

�� ��� �� & ������� �� ������ $�� ��� 9� ���� ���

�� ��� � �����. �� ������ �� ����%��� ������� &

������ ����� � ����� ��� �� ���������2�� =8� �����

����� ������� � ��� � ���� � I���� �� 9 �� ���

������ �� ��%�� ��O> 3� ���� �� �� ����& ��������

��� �&� �� ����� �� � �� ��%� ���� ��� � � ��� ���

��� �� �� �� ��� �%�������. I������ ���9 �� ��� ��

����& ������������ �� ���� ������ � ��� �& *����

�� 3�(��� 4 ;5� �� � ��& �� ��� ���� %���� �� ��

����� ��������� ���� ���� �� ���� �� %���� �

������ � � ������ �� ��������������� � ����#

�" ""� ����� �� � ��%�� ������ ��& !� ��

�������������� �� � ���� ����� �� ��� �� �� ��

I�������9 � I���������9 � � �� 8��� � �� ��� �����

�� ���� �& �2�� %���� ���� ���� ��%� ����

�(��� �� �� ��� �� �� �� ���2�� ���#%������

����� =*�� ��� #�#�;>� 3���� �� ��� �� ��������

����%�� � �� ��� I�(���� �&9 2(���� ��� �� �� ��

�������& � & � I�� ��9 � ���� �& �����������

%����

&�&�6� '��#%������

8��� �� � � ��� ���� ��� ��� ���� ���� �& ��� �2��

�� ������ �� �� �� � ������� �� ����� �� ������

�� ��� ��� ���� �� ����� �� ���� D� $�� ���� I3��� �� 0N9

������ �� ����� �� & �� �� � ���� � � ��� �� ��� �

�� ��( ���������� ����� � � �

��� ��� ��� �� ���� � ��� ��������� �� �����%�. ��

��� �( ������� �� �� �� �� �&� �� ���� �%� �� ����

���� ������ �� �������,

� 3� ��� �� ���� ��� �� &� �� ������ �� ����� %���

%�� � "%� � �� ����� %%� �� � �����. �� ��������

��� �� ��� %�� � �� ��� � �� ��� �(��� ��

#� $�� ������ ��� ����� �� ��� I���������9 ������� �� ��

�� �� ��� "�� �� � �� � �� =� ��� ����� ��&� ��

I���������9>� $�� ��� �� �&� �� ������ �� �'���

�� ��� ��� ������� �� �� ����%�� ���� ���� �� &�

0� �� ����� �� ���� �� �� � �� 2� ���� � ��� � �� ��

�'���� �� �� �� � �� �� ������ � �� �� � ��

������ ��

;� �� � �(��� ��� �� I ��9� �� �&� �� I�(��� �9 � ����%�

���� ���������� ���& � �� ��( �� & �� �� ��'������

3� ����%� �� ��� �� �� ���� ���� � ?�� �� �

�8������� ������������ "����

H� 0� �� 2��� = �� �� ��> �� &� �� I ��9 ������ ��

�&���&���� �� � I� ��9�

3� ������ �� �� ������� �� ���� � ��� �&� ���

�� �� ���� �����������& ����� �� ��� �� ������2�� ���

�� ������� �� ���. ��& �� ����%�� �����������

������� �� ��������� �� ����� ����� ���������

�� ��� ��� �( �� �� �� ��� ����� ��� ��&��� ����.

�� �(������ � %��� �� � ��2� ���� �� � �� ��� � ��

���� ���� �� ����� ��������� �� ����� ��������

���� J�� ������� ��� ��2� ���� � ���� ������� $��

�������� ����%� �� I���� �� 09 ����� �� ��������

��?������ �� %����� � ����� ��� ��%� �� �������������

���� $�� ������������ ����� � �� ������ ��� ��

���������� ������ �%��

+� ,�"�� -�-� ���( . �"�� ��� /����� ��"������ �0 1&22�3 456�47�BCE

���� B� $�� ���%��� � � � �� *81 �� & � $�� ���%���� ������ �� �� �� ��� ����. ���� �� � D � E ����� �� ������ $�� ��� �� �� ��� � ��� � �� ���

������� ���� � �� /� � ��� �� �%���� ������� ��� �� �� ��� ����� � ������ ������& ����� �� �����. ��� �� �� ��� �� :������9� ���� ����� 0�

�� ���� E� �� ������ �� ���������� ������� & ���� & �� ���

Page 7: View-based route-learning with self-organizing neural networks

� ���������� �������

3� ��� ����� %����� �(������ �� 2������ $��

�� ��� ���� ��� �� ������� �� �� ��������� ������,

� *81 ������.

#� *81 �� , ��� ��� ���� � ���.

;� *81 �� , ��� ����� � ��� �(��� ����

6��� :;� �������

���� B ����� �� ���%��� � � � �� �� #! � #! �� & .

���� E ����� �� C � C �� ��� ���� �� �� ��� �� ���� &�

$�� �� ��� ���� �� �� I��� �2 9 ���������� %����

�� �� ����� � ���%��� � ���� ������� /� � ��� ��

���� B� �� ���� ���� � �� I�����9 � ��%� �� �����

�� ��� � ����� �� �%���� ��. ��� �� �� ����������

������� ��� �� �� ����

6�&� :;� ���< ������� ���������

3� ��� �(����� �� ��������� �� �� *81 �� ��

������ �� �� �� �� � )��� �� ����� ��� �� � �� �����

� ��� �� �� �&� �� ���%�����&. �� �� � � ������� ��

���� ��� �� �� �� �� $���� �� ����� �� $���� �

$� ���� ���� �� �� ��2��� & ������ �� ���� �����

� ���� �� ����%� �� ������2�� ��� ������� � �� ������

�� �� �� = � �� ����� �� ������, BC �� B!>� $���

����� ��� ���� ��%� ����� �� �� �� � ���� ��� ��

�� � ��� �� ���� ��� =%������� >� 0� ���� A� �� � ����

�������� �� �� ���� ���� ��� �� ��� � ������ ��

������ ���� � ��� ������� �� !��� �� ��� 0 �� �� � �� ���

�� ���� �� ; ��� ��� ��'��� �& �������. %���� ���

���& ���������2� �� �� �� ������& ��������� � # �

��������� ��������� ����� �� ����& �� #� =$�� �� ������

���� � �� !P �� ���O> 3� �&�� ������ �� ��� �� �

�����'����� �� �� ������ ��������� �� �� � ���� �� ;

=��� ���� #>� � ����� ��%��� � ��� ����%� ��� ��������&

���� �� �������� ��� ��� ��������� 0 �� '�� � �������

%���� �� �� ��� ��� � I���� ��9 �� �� �� ��� � ;� ����

��������� ���� ���� ��� ��� ��� ����& �� ����� . �� � ����

��& �� �� � ���� ������&� �� � ��� �� �� ����O *�����

'��� �& ������� ���� �� ������� ����%�� �� ��� �

8� �&� �� ����� �� ���� ������� & ���� � � ��� I�����

��9. ����� �� � � � ��� �� �� �(���� �& �&� ��� /����

������� �� ��������� �� ��� �&� �� �� ��������

=����� � ��� ����� �� �� EP>�

6�6� :;� ���< ����#��������� %������

������&� �� �(����� ��� ���� �� �� ���� ����� �����

��� � �� ���� ������ �� ���� ��� �� �� ���� 8��� ������

�� �%���� ���� � ���� �� ����� �� ����� ��� �� ��

���� ����� � ���� �� � ��� ������ �� � �(��� ���� ���� ��

��������

$���� # ����� �� ����� ��� �� �� ���� �� ��

��� ��� �� ���� ��� �� ��� ���� �& ������� �� �� ����

)���� �� ������� �� %�� �� 4 !5 �� 4! 5 � ������

I����9 �� I ��9� ����� �%��&� @�� � ������2�� ���� ��

�� ��� �� �� ������ � "��9� 9 � � #� ��� ������� ��

�������,

"��9 �! �� ! � "��9 � !�#C

�� !�BC � "��9 �

"��9 � ������

������� � �

+� ,�"�� -�-� ���( . �"�� ��� /����� ��"������ �0 1&22�3 456�47� BCA

���� E� ���� �� ���� � �����2�� ��� �� � C � C ������ �� ��� �� ���� B�

8���%� ��� ������ �� ������� %�� �� ����. ���� �� �� �� ��

��� �� � ���� ������ � $��� ���� � ���� ��� �� �� ������� �� ��

���� �� ������ � �������� � �� ������& �������� %��� �� ���� ��

��� ������ ��� �� �� ��

$����

@�������� �� �� ��� ��� ���� � ��� �&� ��� $�� ������ ������ ����

�� ���� �� ��� ���� ��� �� ��� �� �� �� �� I+�9 ������ �� ���� ��

�� ������2� ������ �� ��� �� ��� �� &

$�� ��, ���� � ��� �&� ��

$�� ���� ��� $� �� ����� +� �������� P )�

��� �

CC # ;�DH

# C H B�EH

; CC H B�#B

H #B C E�C

C CC D !�A

��� &

CC ! !�!!

# CH �EC

; CC ! !�!!

H CH ; C�CD

C C# �A#

��� 6

DC C B�DA

# D; ; H�BD

; D! A C�!!

H CA B �ED

C DH D A�;E

Page 8: View-based route-learning with self-organizing neural networks

+� ,�"�� -�-� ���( . �"�� ��� /����� ��"������ �0 1&22�3 456�47�BD!

���� A� @�������� �� �� ���� � ��� �&� �� �� �� �� �� ��� =�> �� =�> �� �� ���� ���� � ��� ���� � =���� �� ������ ���� ��� �� �� ��� ����� �� ��

��� ������> �� �� �� ������. =�>� => �� �� I�����%�9 ������� �� �� �&� ��� I*�����9 ���� ���� ������& ������2� ������ ��� �� ����. �� � ���

��� ������ �� ��� ��� � ; �� %��� %���. ���� ������ � �� �� �� � ����� �������

���� !� �� �%� ��� ��2��� �� *81 �� & �� �� �� ������ �� �� �� �. ���� ���� ��������� �� �� ��� �(�� � ����� �� �� �� � �� �������� /� �

�� �� �� �� ��� �� '�� � ����� ��

Page 9: View-based route-learning with self-organizing neural networks

/� � �� �� ��� �� �� ����� ���� �& �� ���%� �����

���� �� �� ��� ������ � ����� �� ����� �� � ����������

2�� ��� �����'��� �& ���� �� $�� ����� ��� ���� ��

������2�� ��� �� �� �������� �� ����� /� � �� �� ���

������ � �� ����� ������� & � ������� & �� ���� �� �� ��

���& ������ %���� �� ��%�� ���������2�� ����

$�� ������� �� �� � �� ��� ���� ������ �����������

�� ��� ���� =���� �� 4! !5 � 4 5� ����� ���� ���� �

���%��� �>� M�� ��� �� ��� I���������9 �� �� ���.

������ �� ���� �� �� ���� �� =�� ����� ��� ������

����> %��� ���� ��� � �� I ��9 ����� ���� � �� ���

��� � M��� # �� ; �� � ����& ���� �2�� ��� � �� �� &

�� ��� I� ��9 ������ ������ ������ ������ �� � � ��� �

�� ����&����� ���2���� �&� �� �� ����� �� ���

��� ��� ����� � �(��� � �� �'����

�� �� ��� ��� ����� �� �� �&� �� � ���� � �� �� �� ��

%� ��� ��'����� �� �� ��� � �� ��� �� �����������& ���

*81�� ���� ! ����� �� ������� ��'����� �� �� ��

������ �� �� �� ���� A �� �� & � $�� ���� ���� ��

���� ��� �� ���� ��� �� �� ������� ����� �� �� %���

��'����� ����� �� �� � ������. ���� ����������

� �� � � �� �� ���� ���� �� ������ I*9 �� I)9� ������

�%��&� �� ���� �� ����%� ��� � �� ��� �� �� �

����� �� ��� ��� �� ���� �� ���� � �� ����� ��� ���

�� ��� �"�� ���� �� ������ ���� ! ���� �� ��

:;�. �� ��� ����������� ������ I����� ����&9

������ =�������� �� �� )������� ��� �� � ����� ���

������O> ���� ����� ����� �� ������ �(��� ���� �� ��

�� � ��%� ���� �� ����& ������ �� �%� & ��2��� ���� � ��

��� �� �� %���� �� ���� �� ������ ���� %�& ������O

� �����������

$��� ���� ��� ����� � � ����� %�������� �� �������

��� ���������� 0 ��� ������ �& �� ���� ��������� ��

���������� ��%��� ���� $�� ��������& ���� � �����

��������� ���� � � ��� ����������� ������� � �� �

�� �'��� �� ����� �� �� � �� *81 �� ��� �� ����

������� %���<�� ��� ���� ����� *����'��� �&� �� ���� �����

��������� �� �� � �� ��������& � %������� � ����� �

���� �� �� � � �& �� �&� ��� $�� ���������

�� �� �� �� �� ��� �(���� � �� �� ����� �� �� *81

���� �� ��� � I� � ���9 ���� � ��� �&� �� ��� ��� �

���� �(��� ��� �� �� �� � ��� ��& ���� �

����������

4 5 )��� $������ ����� �%� ������� �� � � �� ���� @�&������& -�%���

CC = A;#> EA<#!E�

4#5 /� *����J��� �� $������ �� +���� 1���� �� ��� �� �� ���������

���, � ����� �� ��� �������� ����������� ; =;> = AA;> ;EB<H!!�

4;5 �� 89:����� M� /���� $�� ����������� �� � ����� �%� 1��� ����

���� @���� 8(��� ABE�

4H5 /� *����J��� -��� �� �� ����������� �� ������ �� ��� ��� ��%��

�� ���, �� ��� �%� ����� �� ���� +���%���� +��� -������ ;A

= AA!> #!C<##A�

4C5 1�K� @����� ��M� 1�K����� "����� ������� ��� �� ����( ��

���� � ������� ������� �� ��'���� ��� �� �� �� � ���� ����,

�� �� �%����� �� ��� ���� ����& �&� ���� +���%����

/���������� !D = AA#> H;A<HHD�

4D5 "� ������ $� 3������ -���� �%� 2��� �� ���� ����� ���� �� �� ��

�����& � �� � �� �(� ������ �� @�&������& AC = ADE> # C<#H;�

4B5 0� ��J� �� :� $������ ������� �� %����� ��� ��� �� ��J�� � �� �����&

����� ������ �� �(� /� �� ;D! = AA#> ;H;<;HD�

4E5 $� :������� *����8�������� 1���� *������ +����� AAC�

4A5 �� 8���� L� /������� -�� ��������� �� ������ ��� � ����� �����

������� ���� @�������� �� )���� AD 3������ �� �%����

1����� -��� ���� 0))) ����� � *���� &� AAD�

4 !5 0� +������� �� 3�(���� � %�������� ��������� � ����� �&� ��

�� ��� ����� ���������� �� ��%��� ��� �� %����� ��%������ ��

-��� ��� �� �� ������� *&� ��� D = AAC> #DB<#EA�

4 5 ��+� 3� ���� $�� �� �( ������, ��� ����� � ��� �� ������ �

����� ������� ����� � ������� K������� �� 0���� @�������� ;A

=;> = AEB> ; <;#B�

4 #5 Q� 0��� -� ���%������ ����� �� ��� � ������ ��� �& � ����%���

:����������� ������� ����� ��� AA 0))) ���� ��������� ��

/���� /� ����� %��� CBD� AA � �� CE �

4 ;5 1� *���� � �� 3�(���� ��� �%� ;" ��J�� ������ ��� ��� ��� ��

��� %����� 0))) $����� ���� �� @� �� ����&��� �� 1������ 0� ���

������� H =#> = AA#> !B< #;�

+� ,�"�� -�-� ���( . �"�� ��� /����� ��"������ �0 1&22�3 456�47� BD

$���� #

-���� � �� �� ������#%������ �&� ��� ����� ��� �� � �� ��� �� ���

�� ���%���� �� � ������ �� ���� &� 0� ��� ����� �� ������ ����� ��

����� ��� ������ ������ � ���� ��� ���

$�� ��, �(��� ��� �&� ��

$�� ���� ��� $� �� ����� +� �������� P )�

��� �

CC A D�;D

# C �AD

; CC E H�CH

H #B ; �

C CC # ;�D;

��� &

CC ; C�HC

# CH �EC

; CC �E#

H CH # ;�B!

C C# # ;�EC

��� 6

DC # ;�!E

# D; # ;� B

; D! # ;�;;

H CA ; C�!E

C DH ; H�DA