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순응적 날개를 가진 날갯짓 로봇 시뮬레이션을 위한 뉴로컨트롤의 진화연산 최적화
심윤식(Yoonsik Shim) 한국컴퓨터정보학회 2019 韓國컴퓨터情報學會論文誌 Vol.24 No.12
본 논문은 목표한 방향으로 자유롭게 기동할 수 있는 새 크기의 물리기반 날갯짓 비행로봇 시뮬레이션을 위한 동역학적 신경망 컨트롤러를 생성하는 통합적인 진화연산 방법을 제시한다. 제안된 진화로봇 시스템은 날갯짓 비행의 추가적인 민첩성과 안정성을 위하여 Morphological Computation 개념을 응용한 간단한 날개 순응성 모델과 그와 통합된 Mechanosensory 정보를 활용한다. 역학적으로 불안정한 날갯짓 기동의 안정성 개선을 위해 로봇의 날개는 회전스프링으로 팔의 골격에 연결된 여러개의 패널들로 모델링되어, 새의 깃털에서 영감을 받은 단순한 형태의 날개 유연성을 시뮬레이션 하도록 설계되었다. 신경망 컨트롤러 역시 생물학적으로 의미있는 좌우대칭적 연결구조를 가짐과 동시에 최대의 진화연산 탐색 가능성을 위해 두 개의 fully-connected 신경망 모듈로 이루어지며, 이를 위한 센서정보로서 항법센서와 더불어 각 날개패널의 움직임 정보들이 입력되어진다. 이러한 설계는 각 패널센서로 하여금 잠재적으로 신경망의 날갯짓 패턴 생성에 관여하게 함과 동시에, 날개에 가해지는 힘의 감지와 패널의 굽어짐으로 인한 날개 순응성으로부터 얻을 수 있는 비행의 민첩성과 안정성 향상을 동시에 유도할 수 있다. 본 시스템으로 진화된 날갯짓 로봇은 실시간으로 주어지는 목표방향으로의 효과적인 기동과 함께, 외부의 공기역학적 섭동에 대하여도 더욱 안정적인 비행을 유지함을 보여준다. This paper presents a novel evolutionary framework for optimizing a bio-inspired fully dynamic neurocontroller for the maneuverable flapping flight of a simulated bird-sized ornithopter robot which takes advantage of the morphological computation and mechansensory feedback to improve flight stability. In order to cope with the difficulty of generating robust flapping flight and its maneuver, the wing of robot is modelled as a series of sub-plates joined by passive torsional springs, which implements the simplified version of feathers attached to the forearm skeleton. The neural controller is designed to have a bilaterally symmetric structure which consists of two fully connected neural network modules receiving mirrored sensory inputs from a series of flight navigation sensors as well as feather mechanosensors to let them participate in pattern generation. The synergy of wing compliance and its sensory reflexes gives a possibility that the robot can feel and exploit aerodynamic forces on its wings to potentially contribute to the agility and stability during flight. The evolved robot exhibited target-following flight maneuver using asymmetric wing movements as well as its tail, showing robustness to external aerodynamic disturbances.
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Simulation of Sustainable Co-evolving Predator-Prey System Controlled by Neural Network
Taewoo Lee(이태우),Sookyun Kim(김수균),Yoonsik Shim(심윤식) 한국컴퓨터정보학회 2021 韓國컴퓨터情報學會論文誌 Vol.26 No.9
인공생명체 연구는 자연 생명과 관련된 시스템이나 그 과정들, 진화 등을 평가해 다양한 응용과학 분야에 활용된다. 이러한 인공생명체의 원활한 활동을 위해 물리적 신체 설계와 행동 제어전략을 진화시키는 연구가 활발히 진행되었다. 그러나 형태와 신경망을 공진화시키는 것은 어렵기에 최적화된 움직임을 가진 인공생명체는 한 가지 형태에 한 가지 움직임만을 가지며 주변 환경 상황은 고려하지 않는 것이 대부분이다. 본 논문에서는 포식자-피식자 모델을 이용하여 형태와 신경망을 공진화하는 인공생명체가 환경적응형 움직임을 갖게 한다. 그런 다음 포식자-피식자 계층 구조를 최상위 포식자-중간 포식자-최하위 피식자 3단계로 확장하여 초기 개체군 밀도에 따라 시뮬레이션의 안정성을 판별하며 형태 진화와 개체군 역학 간의 상관관계를 분석한다. Artificial life is used in various fields of applied science by evaluating natural life-related systems, their processes, and evolution. Research has been actively conducted to evolve physical body design and behavioral control strategies for the dynamic activities of these artificial life forms. However, since co-evolution of shapes and neural networks is difficult, artificial life with optimized movements has only one movement in one form and most do not consider the environmental conditions around it. In this paper, artificial life that co-evolve bodies and neural networks using predator-prey models have environmental adaptive movements. The predator-prey hierarchy is then extended to the top-level predator, medium predator, prey three stages to determine the stability of the simulation according to initial population density and correlate between body evolution and population dynamics.
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