Bionic navigation: From emergent retinal optic flow to locomotor ballistic corrections in humans, for robotics

Doktorsavhandling, 2025

Människans förmåga att kunna navigera i sin dynamiska omvärld är ett komplext ämne med många involverade processer från synintryck till rörelse. Med inspiration från människan kan man lösa liknande utmaningar inom robotiken, för navigering. När en människa befinner sig i rörelse skapas ett optiskt flödes-intryck på ögats retina, vilket kallas för retinalt optiskt flöde. Det har sedan länge funnits en hypotes om att människan nyttjar retinalt optiskt flöde för att lokalt navigera sig själv med kort tidshorisont och i hög hastighet, t.ex. vid vardaglig bilkörning. Detta tros ha gett upphov till varför man i körskolor intuitivt lär ut "titta dit man vill"-strategin.

Genom att internt uppskatta behovet av att agera via externa stimuli, såsom retinalt optiskt flöde, avfyras ballistiska styrkorrektioner för att tillfälligt minska behovet. Hastiga koordinerade rörelsekorrektioner i extremiteter, även kallat reaching-rörelser, karakteriseras rörelseavståndet som en logistik funktion (S-kurva) och dess hastighet som en klockformad kurva (Gauss-kurva). I detta arbete har det visat sig att dessa korrektioner inte kan avbrytas abrupt, men istället kan överlagras för att förstärka eller dämpa den befintliga rörelsen. På grund av sin grundläggande karaktär, uppvisas även dessa rörelser vid styrning av exempelvis ett fordon (via ratten) då människor utför koordinerade rörelsekorrektioner. I detta arbete, unifierades av flera teorier inom mänsklig perception, rörelsemönster och beteende, framkommer genom experiment att mänsklig responstid är ca 0,14 sekunder mätt från synintryck till initiering av rörelse.

Arbetet undersöker även hur dessa forskningsresultat kan överföras till robotiken, någon som visar sig möjligt. För att kunna effektivt återskapa retinalt optiskt flöde utvärderades ett urval av lämpliga beräkningsalgoritmer på ett systematiskt och rättvist sätt. Utvärderingskriterier inkluderade exekveringstid, pålitlighet och noggrannhet. En formaliserad metod, baseras på mikrotjänstarkitektur, arbetades fram för att kunna uppnå jämförbara prestandaresultat. En positiv biprodukt är kontinuerlig integration, kontinuerlig utrullning och kontinuerligt experimenterande vilket är önskvärt vid mjukvaruutveckling för forskning. Slutligen, fann detta arbete att mognadsgraden hos farkost för realtidsberäkning för moderna mjukvaruutveckling är tillräcklig vilket evolverat dem till mobila datacenter och kraftfulla robotar. För att delvis påvisa detta, koncepttestades och demonstrerades två optiskt flödes-baserade lokaliseringsalgoritmer för fartyg i kustnära vatten.