每次出行之前，我们都会打开地图APP进行路径规划和导航，不管是穿梭于繁华的城市还是跨国跨洋的旅行，总是离不开全球定位系统。但是在人类拥有GPS之前，我们没有多种多样的导航软件，人类是如何进行导航的呢？近些年的研究发现，哺乳动物大脑中有一种非常精巧的像GPS一样的定位导航系统，让我们无需借助外部力量，就可以从一个地点到另一个地点。大脑通过最小的努力完成这些计算，以至于我们几乎不用思考就能找到回家的路。

相比于其他动物，哺乳动物具有更加精密的导航系统。作为高等动物，哺乳动物的神经系统更加复杂，可以使用更多的策略进行导航。其中，有一种类似于GPS机制的方法叫做路径整合（Path Intergration），是在某动物出发后，其神经元根据其行进方向和速度计算其位置。

如果要完成导航工作，首先需要确定两个要素——位置和目标。简言之，就是需要确定我们在哪里和我们要去哪里。在之前的研究中，有类似于RatSLAM的仿生环境认知地图的构建方法和传统的SLAM方法，但是这些都缺乏充分的生理学依据，不能够反映出动物是如何实现导航的。多年来，关于大脑空间地图的研究也非常多。加利福尼亚大学伯克利分校心理学教授Edward C. Tolman在20世纪早期针对大脑空间地图进行了持续研究，并提出了“动物们会形成对应于外部世界中空间几何的心理地图”的构想。20世纪70年代，伦敦大学学院的John O’Keefe发现不同的位置细胞在大鼠处于盒子的不同位置时放电，共同形成盒子中的地图。

最近几十年的研究已经成功揭示了大脑中负责这部分计算的区域位于海马体中，该区域内存在着一些特化的细胞类型。它们在我们有意识或者无意识的状态下，持续计算着个体的位置、移动距离、移动方向、以及移动速度。这些细胞形成了一张本地位置的动态地图，不仅在当下工作着，也可被储存起来以备日后使用。

在哺乳动物进行自主导航的过程中，构建认知地图是一个必要的阶段。要实现准确高效的导航，导航系统必须具备构建认知地图和修正认知地图的能力。在现实世界中进行导航，周围环境并非是恒定不变的，那么哺乳动物就一定需要具备误差纠正以及更新认知地图的能力。因此，必须要提高构建和修正认知地图的准确度。

本文介绍了海马体内的头朝向细胞、条纹细胞、网格细胞以及位置细胞的生理放电现象以及建模方法。头朝向细胞和条纹细胞作为编码速度和方向的前向输入通过网格细胞的整合编码传递至位置细胞，使位置细胞生成对应的位置细胞位置野。结合RGB-D的视觉图像信息生成认知地图的经验节点，多个经验节点生成认知地图。该地图是拓扑结构，每个节点包括当前的位置信息，位置细胞放电信息，当前视界内的RGB-D信息以及与其他经验节点的关联信息。

基于海马结构空间细胞的认知机理构建环境地图，具有以下三个特点：

（1）通过构建统一的空间细胞吸引子计算模型对自运动线索进行路径积分；

（2）网格细胞和位置细胞对环境的表达来源于条纹细胞的前向驱动作用；

（3）通过环境的RGB-D图像进行闭环检测，对空间细胞路径积分进行误差修正，最终生成精确的环境认知地图。

引用格式：于乃功, 苑云鹤, 李倜, 蒋晓军, 罗子维. 一种基于海马认知机理的仿生机器人认知地图构建方法. 自动化学报, 2018, 44(1): 52-73.

链接：http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2018-1-52.htm

作者简介：

于乃功，北京工业大学信息学部自动化学院教授，1989年获哈尔滨工业大学学士学位， 1996年获上海交通大学硕士学位，2005年获北京工业大学博士学位。主要研究方向为计算智能与智能系统，机器人学与机器人技术, 机器视觉。E-mail：yunaigong@bjut.edu.cn

苑云鹤，北京工业大学信息学部硕士研究生，2015年获河北工程大学学士学位，主要研究方向为模式识别与智能系统，仿生机器人导航。E-mail：yyh_bjut@163.com

李倜，2013年获吉林农业大学学士学位，2016年获北京工业大学信息学部工学硕士学位，主要研究方向是模式识别与智能系统。E-mail：bgdliti@163.com

蒋晓军，北京工业大学信息学部硕士研究生，2014年获鲁东大学学士学位，主要研究方向为模式识别与智能系统, 仿生机器人导航。E-mail：jxj_bjut@163.com

罗子维，北京工业大学信息学部硕士研究生，2015年获济南大学学士学位，主要研究方向为模式识别与智能系统，仿生机器人导航。E-mail：luoziwei888@126.com