T E L K O M N I K A ,   V o l . 9 ,   N o . 3 ,   D e c e m b e r   2 0 1 1 ,   p p .   4 5 3 ~ 4 6 4   I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   a c c r e d i t e d   b y   D G H E   ( D I K T I ) ,   D e c r e e   N o :   5 1 / D i k t i / K e p / 2 0 1 0           4 5 3       R e c e i v e d   J u n e   1 6 th ,   2 0 1 1 ;   R e v i s e d   A u g u s t   2 2 th ,   2 0 1 1 ;   A c c e p t e d   A u g u s t   2 9 th ,   2 0 1 1   A   N e w   C l a s s i f i c a t i o n   T e c h n i q u e   i n   M o b i l e   R o b o t   N a v i g a t i o n       S i t i   N u r m a i n i ,   B a m b a n g   T u t u k o   C o m p u t e r   En g i n e e r i n g   D e p a r t m e n t ,   F a c u l t y   o f   C o m p u t e r   S c i e n c e ,   Sr i w i j a y a   U n i v e r s i t y   J l .   R a y a   Pa l e m b a n g - Pr a b u m u l i m   K m .   3 2   I n d r a l a y a ,   O g a n   I l i r   3 0 6 6 2 ,   Pa l e m b a n g ,   I n d o n e s i a   e - m a i l :   s i t i _ n u r m a i n i @ u n s r i . a c . i d ,   b a m b a n g _ t u t u k o @ u n s r i . a c . i d       A b s t r a k   M a k a l a h   i n i   m e n y a j i k a n   a l g o r i t m a   p e n g e n a l a n   p o l a   y a n g   b a r u   m e n g g u n a k a n   t e k n i k   w e i g h t l e s s   n e u r a l   n e t w o r k   ( W N N s ) . T e k n i k   i n i   b e r p e r a n   s e b a g a i   c l a s s i f i e r   u n t u k   m e n i l a i   s i t u a s i   d i   s e k i t a r   l i n g k u n g a n   m o b i l e   r o b o t   d a n   m e m b u a t   k e p u t u s a n   p e n g e n d a l i a n   d a l a m   n a v i g a s i   m o b i l e   r o b o t .   T e k n i k   W N N s   d i p i l i h   k a r e n a   m e m i l i k i   k e u n t u n g a n   y a n g   s i g n i f i k a n   d i b a n d i n g k a n   n e u r a l   n e t w o r k   k o n v e n s i o n a l ,   a n t a r a   l a i n   d a p a t   d e n g a n   m u d a h   d i i m p l e m e n t a s i k a n   m e n g g u n a k a n   p e r a n g k a t   k e r a s   R AM   s t a n d a r ,   l e b i h   c e p a t   d a l a m   t a h a p   p e l a t i h a n   d a n   m e n g h a s i l k a n   j u m l a h   k o m p u t a s i   y a n g   k e c i l .     M e n g g u n a k a n   a l g o r i t m a   k l a s i f i k a s i   s e d e r h a n a ,   d a t a   y a n g   s a m a   a k a n   d i k e l o m p o k k a n   d a l a m   s a t u   k e l a s   t e r t e n t u   d a n   j u g a   u n t u k   m e n y a t a k a n   k e l a s - k e l a s   y a n g   s a m a   u n t u k   s u a t u   l o k a s i   t e r t e n t u   d a l a m   l i n g k u n g a n   m o b i l e   r o b o t .   St r a t e g i   i n i   d i i m p l e m e n t a s i k a n   p a d a   m o b i l e   r o b o t   s e d e r h a n a   m e n g g u n a k a n   m i k r o k o n t r o l l e r   y a n g   m e m i l i k i   5 1 2   b y t e s   R AM   d a n   s e n s o r   y a n g   m u r a h .   H a s i l   e k s p e r i m e n t   m e n u n j u k k a n   k e t i k a   j u m l a h   n e u r o n   b e r t a m b a h   p e n g e n a l a n   p o l a   l i n g k u n g a n   r a t a - r a t a   m e n i n g k a t   d a r i   8 7 . 6 %   m e n j a d i   9 8 . 5 % .   T e k n i k   W N N s   m e m u n g k i n k a n   m o b i l e   r o b o t   u n t u k   m e n g e n a l i   s e t i a p   p o l a   l i n g k u n g a n   d a n   m e n g h i n d a r i   r i n t a n g a n   d i   l i n g k u n g a n   s e c a r a   r e a l   t i m e .   Se l a i n   i t u   d e n g a n   m e n g g u n a k a n   t e k n i k   W N N s   y a n g   d i u s u l k a n ,   m o b i l e   r o b o t   t e l a h   b e r h a s i l   m e n c a p a i   t a r g e t   p a d a   l i n g k u n g a n   y a n g   d i n a m i s   d i b a n d i n g k a n   d e n g a n   t e k n i k   l o g i k a   f u z z y   d a n   f u n g s i   l o g i k a ,   m a m p u   m e n a n g a n i   k e t i d a k p a s t i a n   d a l a m   p e m b a c a a n   s e n s o r ,   m e n c a p a i   k i n e r j a   y a n g   b a i k   d a l a m   m e l a k u k a n   k e g i a t a n   p e n g e n d a l i a n   d e n g a n   s u m b e r   k o m p u t a s i   y a n g   m i n i m a l   d e n g a n   r a t a - r a t a   e r r o r   k e c e p a t a n   0 . 5 6 %     K a t a   k u n c i :   k a s i f i k a s i   l i n g k u n g a n ,   m o b i l e   r o b o t ,   w e i g h t l e s s   n e u r a l   n e t w o r k       A b s t r a c t   T h i s   p a p e r   p r e s e n t s   a   n o v e l   p a t t e r n   r e c o g n i t i o n   a l g o r i t h m   t h a t   u s e   w e i g h t l e s s   n e u r a l   n e t w o r k   ( W N N s )   t e c h n i q u e . T h i s   t e c h n i q u e   p l a y s   a   r o l e   o f   s i t u a t i o n   c l a s s i f i e r   t o   j u d g e   t h e   s i t u a t i o n   a r o u n d   t h e   m o b i l e   r o b o t   e n v i r o n m e n t   a n d   m a k e s   c o n t r o l   d e c i s i o n   i n   m o b i l e   r o b o t   n a v i g a t i o n .   T h e   W N N s   t e c h n i q u e   i s   c h o o s e n   d u e   t o   s i g n i f i c a n t   a d v a n t a g e s   o v e r   c o n v e n t i o n a l   n e u r a l   n e t w o r k ,   s u c h   a s   t h e y   c a n   b e   e a s i l y   i m p l e m e n t e d   i n   h a r d w a r e   u s i n g   s t a n d a r d   R AM ,   f a s t e r   i n   t r a i n i n g   p h a s e   a n d   w o r k   w i t h   s m a l l   r e s o u r c e s .   U s i n g   a   s i m p l e   c l a s s i f i c a t i o n   a l g o r i t h m ,   t h e   s i m i l a r   d a t a   w i l l   b e   g r o u p e d   w i t h   e a c h   o t h e r   a n d   i t   w i l l   b e   p o s s i b l e   t o   a t t a c h   s i m i l a r   d a t a   c l a s s e s   t o   s p e c i f i c   l o c a l   a r e a s   i n   t h e   m o b i l e   r o b o t   e n v i r o n m e n t .   T h i s   s t r a t e g y   i s   d e m o n s t r a t e d   i n   s i m p l e   m o b i l e   r o b o t   p o w e r e d   b y   l o w   c o s t   m i c r o c o n t r o l l e r s   w i t h   5 1 2   b y t e s   o f   R AM   a n d   l o w   c o s t   s e n s o r s .   Ex p e r i m e n t a l   r e s u l t   s h o w s ,   w h e n   n u m b e r   o f   n e u r o n   i n c r e a s e s   t h e   a v e r a g e   e n v i r o n m e n t a l   r e c o g n i t i o n   r a t e h a s   r i s e n   f r o m   8 7 . 6 %   t o   9 8 . 5 % . T h e   W N N s   t e c h n i q u e   a l l o w s   t h e   m o b i l e   r o b o t   t o   r e c o g n i z e   m a n y   a n d   d i f f e r e n t   e n v i r o n m e n t a l   p a t t e r n s   a n d   a v o i d   o b s t a c l e s   i n   r e a l   t i m e .   M o r e o v e r ,   b y   u s i n g   p r o p o s e d   W N N s t e c h n i q u e   m o b i l e   r o b o t   h a s   s u c c e s s f u l l y   r e a c h e d   t h e   g o a l   i n   d y n a m i c   e n v i r o n m e n t   c o m p a r e   t o   f u z z y   l o g i c   t e c h n i q u e   a n d   l o g i c   f u n c t i o n ,   c a p a b l e   o f   d e a l i n g   w i t h   u n c e r t a i n t y   i n   s e n s o r   r e a d i n g ,   a c h i e v i n g   g o o d   p e r f o r m a n c e   i n   p e r f o r m i n g   c o n t r o l   a c t i o n s   w i t h   0 . 5 6 %   e r r o r   r a t e   i n   m o b i l e   r o b o t   s p e e d .     K e y w o r d s :   e n v i r o n m e n t a l   c l a s s i f i c a t i o n ,   m o b i l e   r o b o t ,   w e i g h t l e s s   n e u r a l   n e t w o r k       1 .     I n t r o d u c t i o n   I n   a u t o n o m o u s   n a v i g a t i o n ,   m o b i l e   r o b o t   i s   c a p a b l e   o f   s e n s i n g   e n v i r o n m e n t s ,   i n t e r p r e t i n g   t h e   i n f o r m a t i o n   t o   o b t a i n   t h e   k n o w l e d g e   o f   i t s   p o s i t i o n ,   a n d   p l a n n i n g   r e a l - t i m e   r o u t e s   f r o m   i n i t i a l   p o s i t i o n   t o   t a r g e t s   w i t h   o b s t a c l e   a v o i d a n c e ,   a n d   t a r g e t   r e a c h i n g   [ 1 ] - [ 4 ] .   F o r   a   m o b i l e   r o b o t   t o   n a v i g a t e   i n   a   c o m p l e t e l y   u n k n o w n   e n v i r o n m e n t ,   i t   h a s   t o   p e r c e i v e   i t s   e n v i r o n m e n t   l o c a l l y   o r   g l o b a l l y ,   r e a s o n   a b o u t   i t s   p e r c e p t i o n s ,   a n d   a c t   a c c o r d i n g l y .   T h e   u l t i m a t e   g o a l   o f   a n   a u t o n o m o u s   m o b i l e   r o b o t   i s   t o   n a v i g a t e   s a f e l y   t o   i t s   t a r g e t   [ 5 ] .   M a n y   m e t h o d s   h a v e   b e e n   i n t r o d u c e d   i n   t h e   f i e l d   o f   m o b i l e   r o b o t   n a v i g a t i o n   s u c h   a s   m o d e l - b a s e d ,   b e h a v i o r - b a s e d ,   a n d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   3 ,     D e c e m b e r   2 0 1 1   :     4 5 3     4 6 4   4 5 4 h y b r i d a p p r o a c h e s   [ 6 ] - [ 8 ] .   H o w e v e r ,   t h e s e   a p p r o a c h e s   l a c k   o f   a d a p t a t i o n   a n d   p e r c e p t i o n   c a p a b i l i t i e s . I n   m a n y   c a s e s ,   a u t o n o m o u s   m o b i l e   r o b o t   h a s   b e e n   r e q u i r e d   t o   n a v i g a t e   i n   m o r e   c o m p l e x   d o m a i n s ,   w h e r e   t h e   e n v i r o n m e n t   i s   u n c e r t a i n   a n d   d y n a m i c . A u t o n o m o u s   n a v i g a t i o n   i n   t h e s e   e n v i r o n m e n t s   d e m a n d s   a d a p t a t i o n   a n d   p e r c e p t i o n   c a p a b i l i t i e s .   O t h e r   a p p r o a c h   t h a t   h a s   r e c e i v e d   a t t e n t i o n   b y   s e v e r a l   r e s e a r c h e r s   i s   t h e   m a p - b a s e d   n a v i g a t i o n   [ 2 ] .   I n   t h i s   a p p r o a c h ,   t h e   m o b i l e   r o b o t   r e l i e s   o n   a   m a p   t h a t   m o d e l s   t h e   e n v i r o n m e n t .   W h e n   s u c h   m a p   i s   n o t   g i v e n   t o   t h e   m o b i l e   r o b o t   a   p r i o r i ,   i t   m u s t   b e   b u i l t   b y   t h e   m o b i l e   r o b o t   i t s e l f   u s i n g   a   s e n s o r y   s y s t e m   s u c h   a s   u l t r a s o n i c   a n d   i n f r a - r e d   s e n s o r s   [ 2 ] .   H o w e v e r ,   t h i s   a p p r o a c h   s u f f e r   f r o m   t h e   f a c t   t h a t t h e y   m u s t   b e   f i n e   e n o u g h   t o   c a p t u r e   t h e   d e t a i l s   o f   t h e   e n v i r o n m e n t a n d t h e   p o s i t i o n   o f   t h e   m o b i l e   r o b o t   m u s t   b e   p r e c i s e l y   d e t e r m i n e d   w h i c h   i s   a   d i f f i c u l t   t a s k   i n   t h e   p r e s e n c e   o f   s e n s o r y   u n c e r t a i n t y   a n d   i m p r e c i s i o n   [ 9 ] .   T o   o v e r c o m e   t h e   l i m i t a t i o n ,   s o m e   r e s e a r c h e r s   u t i l i z e   f u z z y   l o g i c   ( F L )   a n d   c o n v e n t i o n a l   n e u r a l   n e t w o r k s   ( C N N s )   t e c h n i q u e i n   m o b i l e   r o b o t   n a v i g a t i o n   [ 5 ] ,   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] .   T h e s e   t e c h n i q u e s   a r e   e m e r g i n g   a p p r o a c h e s   w h i c h   p a r a l l e l   t h e   r e m a r k a b l e   a b i l i t y   o f   t h e   h u m a n   m i n d   t o   r e a s o n   a n d   l e a r n   i n   a n   e n v i r o n m e n t   o f   u n c e r t a i n t y   a n d   i m p r e c i s i o n .   T h e y   b r i n g   e f f e c t i v e t e c h n i q u e   a n d   i m p r o v e   t h e   i n t e l l i g e n c e   i n   m o b i l e   r o b o t   n a v i g a t i o n   [ 1 0 ] .   H o w e v e r ,   t h e s e   a p p r o a c h e s   s u f f e r   f r o m   t h e   f o l l o w i n g   d r a w b a c k s ;   ( i )   d e r i v i n g   a n d   f i n e - t u n i n g   t h e   e n t i r e   r u l e   s e t   a n d   m e m b e r s h i p   f u n c t i o n s   ( M F s )   a r e   o f t e n   d i f f i c u l t   [ 1 2 ] ,   ( i i )     t h e   p e r f o r m a n c e   o f   N N   d e p e n d s   o n   c o n n e c t i n g   s y n a p t i c   w e i g h t s   w h e r e   t h e   b e s t   s e l e c t i o n   o f   t h e s e   c o u l d   b e   a   t e d i o u s   j o b   [ 1 3 ] ,   ( i i )   N N   t e c h n i q u e   o f t e n   n e e d s   a   l o n g   t i m e - c o n s u m i n g   t r a i n i n g   p r o c e s s ,   d u e   t o   r e a l - t i m e   f l o a t i n g   p o i n t   c a l c u l a t i o n s   i n v o l v e d   [ 1 4 ] ,   ( i v )   p a r t i c u l a r l y   i n   t h e   c a s e   o f   r e a l   t i m e   m o b i l e   r o b o t   a p p l i c a t i o n ,   w h i c h   l e a d   t o   l o w   s p e e d   p r o c e s s i n g   [ 1 5 ] .   H e n c e   a s   a   s o l u t i o n ,   t h e   n e u r a l   n e t w o r k   m o d e l   c a l l e d   t h e   w e i g h t l e s s n e u r a l   n e t w o r k   ( W N N s )   i s   p r o p o s e d .   W N N s   h a v e   s i n g l e   l a y e r   a r c h i t e c t u r e .   T h e s e   n e u r o n   c o m p u t i n g   m o d e l s   a r e   b a s e d   o n   b i n a r y   i n p u t s   a n d   o u t p u t s ,   a n d   n o   w e i g h t   b e t w e e n   n o d e s ,   w h i c h   c a n   b e   i m p l e m e n t e d   u s i n g   c o m m e r c i a l l y   a v a i l a b l e   r a n d o m   a c c e s s   m e m o r i e s   ( R A M ) .   I n   W N N s ,   t r a i n i n g   i s   t h u s   a   s i n g l e   e p o c h   p r o c e s s   w i t h   o n e   t r a i n i n g   s t e p   f o r   e a c h   i n p u t - o u t p u t   a s s o c i a t i o n   p r e s e r v i n g   t h e i r   h i g h   s p e e d   [ 1 6 ] - [ 1 9 ] .   T h i s   a l s o   m a k e s   a s s o c i a t i v e   m e m o r i e s   c o m p u t a t i o n a l l y   s i m p l e   a n d   t r a n s p a r e n t .   I n   c o n t r a s t ,   i n   m o s t   c o n v e n t i o n a l   n e u r a l   n e t w o r k s   ( C N N s )   u s e d   f o r   c l a s s i f i c a t i o n   s u c h   a s   m u l t i - l a y e r   p e r c e p t r o n   ( M L P )   o r   r a d i a l   b a s i s   f u n c t i o n   ( R B F ) ,     t r a i n i n g   t a k e s   t i m e   a n d   t h e   r e s u l t a n t   n e t w o r k   i s   e f f e c t i v e l y   a   b l a c k - b o x   [ 1 9 ] .   S t o r a g e   i s   e f f i c i e n t   i n   W N N s   d u e   t o   t h e i r   s i m p l e   m a t r i x   s t r u c t u r e .   N e w   i n p u t   p a t t e r n s   d o   n o t   r e q u i r e   a d d i t i o n a l   m e m o r y   a l l o c a t i o n   a s   t h e y   a r e   o v e r l a i d   w i t h   e x i s t i n g   t r a i n e d   p a t t e r n s   [ 2 0 ] . U n l i k e   t h e   C N N s   s u c h   a s   M L P   o r   R B F ,   W N N s   a r e   a b l e   t o   p a r t i a l l y   m a t c h   r e c o r d s   d u r i n g   r e t r i e v a l ,   t h i s   p a r t i a l   m a t c h i n g   i s   a   c e n t r a l   c o n c e p t   f o r   t h i s   s t r a t e g y   [ 2 1 ] ,   [ 2 2 ] .   T h u s   W N N s   c a n   r a p i d l y   m a t c h   r e c o r d s   t h a t   a r e   c l o s e   t o   t h e   i n p u t   b u t   d o   n o t   m a t c h   e x a c t l y . T h e   W N N s - b a s e d   R A M   m e t h o d o l o g y   h a s   i n t r o d u c e d   a   l o o k - u p   t a b l e   f o r   t h r e s h o l d i n g   v a l u e   t h a t   c a n   r e t r i e v e   t h e   h i g h e s t n m a t c h e s   u n l i k e   t h e   o t h e r   R A M s   [ 2 1 ] .   T h i s   s t r a t e g y   p r o d u c e f a s t   t r a i n i n g ,   c o m p u t a t i o n a l   s i m p l i c i t y ,   n e t w o r k   t r a n s p a r e n c y   a n d   p a r t i a l   m a t c h   c a p a b i l i t y   m a k e   t h i s   a p p r o a c h   p e r f e c t   t o   p r o d u c e   b e t t e r   p e r f o r m a n c e   i n   m o b i l e   r o b o t   n a v i g a t i o n   a p p l i c a t i o n .   T h i s   p a p e r   p r e s e n t s   a   n o v e l   p a t t e r n   r e c o g n i t i o n   a l g o r i t h m   t h a t   u s e   W N N s   t e c h n i q u e   t o   c o n t r o l   m o b i l e   r o b o t   n a v i g a t i o n   i n   r e a l - t i m e .   T h e   W N N s   t e c h n i q u e   p l a y s   a   r o l e   o f   s i t u a t i o n   c l a s s i f i e r   t o   j u d g e   t h e   s i t u a t i o n   a r o u n d   t h e   m o b i l e   r o b o t   e n v i r o n m e n t   a n d   m a k e s   c o n t r o l   d e c i s i o n   i n   m o b i l e   r o b o t   n a v i g a t i o n .   U s i n g   a   s i m p l e   c l a s s i f i c a t i o n   a l g o r i t h m ,   t h e   s i m i l a r   d a t a   w i l l   b e   g r o u p e d   w i t h   e a c h   o t h e r   a n d   i t   w i l l   b e   p o s s i b l e   t o   a t t a c h   s i m i l a r   d a t a   c l a s s e s   t o   s p e c i f i c   l o c a l   a r e a s   i n   t h e   m o b i l e   r o b o t   e n v i r o n m e n t .   I n   t h e   e k s p e r i m e n t   w i t h   s e v e r a l   e n v i r o n m e n t a l   p a t t e r n s ,   t h e   p r o p o s e d   t e c h n i q u e   i s   c o m p a r e   t o   f u z z y   l o g i c   d a n   l o g i c   f u n g c t i o n   t o   p e r f o r m   n a v i g a t i o n   t a s k s .       2 .     P r o p o s e d   M e t h o d   2 . 1 . E n v i r o n m e n t a l   U n c e r t a i n t y   E v e r y   a u t o n o m o u s   r o b o t   n e e d s   s o m e   s e n s i n g   d e v i c e s   t o   g e t   f i r s t   a   p e r c e p t i o n   o f   i t s   e n v i r o n m e n t   a n d   t h e n   t o   b e   a b l e   t o   m o v e   i n   t h i s   e n v i r o n m e n t .   G e n e r a l l y ,   h i g h   q u a l i t y   a n d   h i g h   p r e c i s i o n   s e n s o r s   r a i s e   t h e   c o s t s   o f   a   r o b o t   s i g n i f i c a n t l y ,   w h i l e   t h e   a d v a n t a g e   o f   l o w   p r e c i s i o n   s e n s o r s ,   s u c h   a s ,   f o r   e x a m p l e ,   i n f r a r e d   o r   u l t r a s o n i c   s e n s o r s ,   i s   t h e i r   c o s t .   T h a t   i s   w h y   r e l i a b l e   n a v i g a t i o n   b a s e d   o n   l o w   c o s t   s e n s o r s   w o u l d   o p e n   t h e   p o s s i b i l i t y   o f   w i d e r   a p p l i c a t i o n   o f   a u t o n o m o u s ,   m o b i l e   r o b o t s .   H o w e v e r ,   l o w   c o s t   s e n s o r s   p r o v i d e   a n   i m p r e c i s e   p e r c e p t i o n   o f   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       A   N e w   C l a s s i f i c a t i o n   T e c h n i q u e   i n   M o b i l e   R o b o t   N a v i g a t i o n   ( S i t i   N u r m a i n i )   4 5 5   e n v i r o n m e n t ,   m a k i n g   n a v i g a t i o n   u s i n g   t h e s e s   s e n s o r s   a   n o n - t r i v i a l   t a s k ,   e s p e c i a l l y   i f   t h e   e n v i r o n m e n t   i s   u n s t r u c t u r e d ,   u n k n o w n   t o   t h e   r o b o t ,   a n d   c o n t a i n s   a n   u n k n o w n   n u m b e r   o f   o b s t a c l e s   o f   a r b i t r a r y   s h a p e   [ 2 ]   , [ 9 ] .   T h e   i m p r e c i s e   e n v i r o n m e n t a l   p e r c e p t i o n   o f   u l t r a s o n i c   s e n s o r s   i s   a   r e s u l t   o f   t h e   f a c t   t h a t   t h e s e   s e n s o r s   p r o v i d e   a   r e l a t i v e l y   a c c u r a t e   m e a s u r e m e n t   o f   t h e   d i s t a n c e   t o   a n   o b j e c t ,   b u t   p o o r   i n f o r m a t i o n   a b o u t   i t s   e x a c t   l o c a t i o n   d u e   t o   t h e   a n g u l a r   r e s o l u t i o n   [ 1 ] .   T h e   s a m e   p e r c e p t i o n   c a n   b e   o b t a i n e d   f r o m   a n   o b j e c t   p l a c e d   a t   d i f f e r e n t   l o c a t i o n s .   A n o t h e r   s o u r c e   o f   u n c e r t a i n t y   i s   a   c o n s e q u e n c e   o f   s p e c u l a r   r e f l e c t i o n   a n d   w e l l - k n o w n   p r o b l e m s   s u c h   a s   c r o s s   t a l k i n g   a n d   n o i s e .   A t   t h e   s a m e   t i m e ,   t h e   p r o b l e m   o f   b l i n d   s e c t o r s   b e t w e e n   t w o   u l t r a s o n i c   s e n s o r s   a n d   t h e   l a r g e   b l i n d   a r e a s   o f   a   m o b i l e   r o b o t   w i t h   f e w   s e n s o r s   m a y   n o t   b e   n e g l e c t e d   [ 9 ] .   S e v e r a l   p r o c e d u r e s   h a v e   b e e n   d e v e l o p e d   t o   o v e r c o m e   t h e   d i s a d v a n t a g e s   o f   l o w - c o s t   s e n s o r s   t o   m a p   f i r s t   t h e   m o b i l e   r o b o t s   e n v i r o n m e n t   a n d   t h e n   t o   g e n e r a t e   t h e   a p p r o p r i a t e   c o n t r o l   c o m m a n d s   [ 9 ] .   H o w e v e r ,   i t   s h o u l d   b e   n o t e d   t h a t   t h e s e   r e p r e s e n t a t i o n s   o f   t h e   e n v i r o n m e n t   s t i l l   p r e s e n t   s o m e   i n h e r e n t   i m p r e c i s i o n s   a n d   u n c e r t a i n t y .   M o r e o v e r ,   f o r   s o m e   o n - b o a r d   s e n s o r i a l   l a y o u t ,   t h e   c o m p u t a t i o n a l   c o s t   o f   b u i l d i n g   u p   a n y   o f   s u c h   r e p r e s e n t a t i o n s   c o u l d   b e   v e r y   h i g h   o r   t h e y   c o u l d   e v e n   b e   q u i t e   d i f f i c u l t   t o   o b t a i n   w h e n   c o n s i d e r i n g   a   m o b i l e   r o b o t   w i t h   f e w   s e n s o r s . I t   s h o w s   t h e   c o n v e n i e n c e   o f   c o n s i d e r i n g t h e   c o n s t r a i n t s   o n   t h e   m o b i l e   r o b o t   p e r c e p t i o n   w h e n   c o m p u t i n g   t h e   c o n t r o l   a c t i o n .     2 . 2 .   W e i g h t l e s s   N e u r a l   N e t w o r k       W N N s   a r e   a r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r k s   w i t h   r a n d o m   a c c e s s   m e m o r i e s   ( R A M )   d e v i c e s ,   w h i c h   i s   c o m p o s e d   o f   s e t s   o f   i n p u t s   a n d   o u t p u t s   [ 1 2 ] ,   [ 1 8 ] .   D e p e n d i n g   o n   t h e   s e t s   o f   i n f o r m a t i o n   c o n t a i n e d   o n   i n p u t s ,   d i f f e r e n t   m e m o r y   l o c a t i o n s   i n   t h e   R A M   a r e   a c c e s s e d .   T h e   W N N s   s t r u c t u r e   h a s   t w o - l a y e r   f o r   p a t t e r n - c l a s s i f i c a t i o n   n e t w o r k   [ 1 9 ]   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 .   T h e   f i r s t   l a y e r   i s   f o r m e d   w i t h   K   n o d e s   e a c h   o f   w h i c h   i s   a   r a n d o m - a c c e s s   m e m o r y   ( R A M ) .   T h e   s e c o n d   l a y e r   c o n s i s t s   o f   a   s u m m a t i o n   d e v i c e   t h a t   a d d s   u p   t h e   o u t p u t   v a l u e s   o f   a l l   K   R A M   n o d e s .   A s   t h e r e   a r e   K   R A M   n o d e s ,   a n d   e a c h   R A M   h a s   N   i n p u t   v a r i a b l e s   ( s t o r i n g   2 N   m e m o r y   l o c a t i o n s ) ,   t h e   n e t w o r k   r e c e i v e s   a t   t h e   i n p u t   K N   o n e - b i t   v a r i a b l e s .   E a c h   R A M   s a m p l e s   a   d i f f e r e n t   p o r t i o n   o f   t h e   i n p u t   f i e l d   t h a t   h a s   K N   b i t - p o s i t i o n s .             F i g u r e   1 .   W N N s   S t r u c t u r e       N e u r o n   s t r u c t u r e   i s   u s e d   t o   c l a s s i f y   t h e   e n v i r o n m e n t a l   p a t t e r n   o f   m o b i l e   r o b o t   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   2 . T h e   W N N s   i n p u t s S   = ( S 1 , ,   S n )   a r e   c o n n e c t e d   t h r o u g h   t h e   R A M   a d d r e s s   l i n e   i n   g r o u p s   o f   d i s c r i m i n a t o r   t h a t   c o r r e s p o n d   t o   o n e   o f   t h e   p o s s i b l e   n e u r o n   c l a s s e s   m .   T h e   n e u r o n   c l a s s i f i e s a c c o r d i n g   t o   e n v i r o n m e n t a l   p a t t e r n ,   1   b y t e   d a t a   f o r   e a c h   s e n s o r   i s   u t i l i z e d   t o   p r o d u c e s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   3 ,     D e c e m b e r   2 0 1 1   :     4 5 3     4 6 4   4 5 6 n   g r o u p s   o f   n e u r o n .     F o r   e a c h   c l a s s   o f   i n p u t   p a t t e r n s   o n e   d i s c r i m i n a t o r   i s   n e e d e d ,   w h i c h   i s   t r a i n e d   s o l e l y   o n   t h e   i n p u t   d a t a   o f   i t s   o w n   c l a s s .   T h e   g r o u p s   a r e   c o n n e c t e d   t o   a n   o u t p u t   a d d e r   O   = ( o 1 , 1 ,   o 2 , 1 ,   , o n m , )   t h a t   c o u n t s   t h e   n u m b e r   o f   a c t i v e   n e u r o n s   i n   t h e   g r o u p ,     W N N s   h a v e   t w o   o p e r a t i o n a l   m o d e s :   t h e   l e a r n i n g   m o d e ,   i n   w h i c h   t h e   n e u r o n   a s s i g n s   t h e   v a l u e   o n   t h e   t e a c h   t e r m i n a l   t o   t h e   a d d r e s s e d   c o n t e n t   a n d   t h e   r e c a l l i n g   m o d e   i n   w h i c h   t h e   n e u r o n   p u t s   t h e   a d d r e s s e d   c o n t e n t   o n   t h e   o u t p u t   t e r m i n a l   [ 1 7 ] . I n   l e a r n i n g   m o d e   a   t e s t   p a t t e r n   p x   i s   p r e s e n t e d   t o   t h e   d i s c r i m i n a t o r ,   e a c h   d i s c r i m i n a t o r   f i r e s   a c c o r d i n g l y .   T h e   d i s c r i m i n a t o r   w i t h   t h e   h i g h e s t   o u t p u t   s u m ,   t h e r e f o r e ,   s h o u l d   r e p r e s e n t   t h e   c l a s s   o f   t h e   p r e s e n t e d   p a t t e r n .   F o r   t h j   d i s c r i m i n a t o r   t h e   o u t p u t   ( j z )   a r e   g i v e n   b y   [ 8 ] :     = = M 1 k k j j o z                   ( 1 )     w h e r e ,   k j o   i s   t h e   o u t p u t   o f   t h e   k th   R A M   o f   t h e   j th d i s c r i m i n a t o r .   T h e   n o r m a l i z e d   d i s c r i m i n a t o r s   o u t p u t   v e c t o r   f o r   a n   i n p u t   p a t t e r n   i s   g i v e n   b y :     ] , , . . . . . , , [ 2 1 n x x x x = 1 0 £ £ j x               ( 2 )     F o r   t h e   j th e l e m e n t   o f   t h e   r e s p o n s e   v e c t o r   x   t h a t   b e l o n g   t o   c l a s s   j   i s   e q u a l   t o   u n i t y .         F i g u r e   2 . N e u r o n s   S t r u c t u r e       I n   t h e   r e c a l l i n g   m o d e   e a c h   d i s c r i m i n a t o r   r e s p o n d s   w i t h   t h e   n u m b e r   o f   m a t c h i n g   s u b - p a t t e r n s   ( s u m   1 ,   ,   s u m   j ) .     T h e   p a t t e r n   i s   c l a s s i f i e d   a c c o r d i n g   t o   t h e   d i s c r i m i n a t o r   w i t h   t h e   h i g h e s t   r e s p o n s e   a n d   t h e   n e t w o r k   c o u l d   s e t   a   t h r e s h o l d   i n   l o o k   u p   t a b l e   ( L U T ) .     T h e   r e c o g n i t i o n   i s   a c c o m p l i s h e d   t h r o u g h   t h e   s u m   o f   a l l   n e u r o n s   o u t p u t   i n   R A M   d e c i s i o n   n e t w o r k ,   w h i c h   i s   a s s o c i a t e d   t h e   c o r r e s p o n d i n g   p a t t e r n   t o   i d e n t i f y   t h e   c u r r e n t   e n v i r o n m e n t   a n d   c h o o s e   t h e   w i n n e r   c l a s s .   T h e   p a t t e r n   i s   a c c e p t e d   a n d   r e c o g n i z e d   i f   t h e   o u t p u t   o f   a   d i s c r i m i n a t o r   i s   h i g h e r   t h a n   t h r e s h o l d   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   2 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       A   N e w   C l a s s i f i c a t i o n   T e c h n i q u e   i n   M o b i l e   R o b o t   N a v i g a t i o n   ( S i t i   N u r m a i n i )   4 5 7   W N N s   o p e r a t i o n   m u s t   a b l e   n o t   o n l y   o f   r e c a l l i n g   t h e   o u t p u t   v a l u e s   s t o r e d   f o r   t h e   t r a i n i n g   p a t t e r n s   b u t   a l s o   o f   o u t p u t t i n g   v a l u e s   f o r   n o n - t r a i n e d   p a t t e r n s   ( u n k n o w n   p a t t e r n s )   a s   w e l l   o r   g e n e r a l i z a t i o n   a b i l i t y .       G e n e r a l i z a t i o n   i s   a   v e r y   i m p o r t a n t   c h a r a c t e r i s t i c   a n d   r e l a t e s   t o   t h e   W N N s   a b i l i t y   t o   r e s p o n d   t o   a   n o v e l   i n p u t   ( w h i c h   c a n   b e   a   n o i s y   v e r s i o n   o f   a   l e a r n t   p a t t e r n )   a c c o r d i n g   t o   w h a t   w a s   p r e v i o u s l y   l e a r n t   [ 2 3 ] .   I n   t h i s   w o r k ,   d i s c r i m i n a t o r   r e s p o n s e   i s   c o n s i d e r e d   a s   a   m e a s u r e   t o   t h e   d e g r e e   o f   s i m i l a r i t y   o f   t h e   a p p l i e d   i n p u t   p a t t e r n   t o   i t s   c l a s s .   T h e   n o n - a c c e s s e d   m e m o r y   l o c a t i o n s   a r e   s e t   u p   i n   t e r m s   o f   h o w   s i m i l a r   t h e y   a r e   t o   m e m o r y   l o c a t i o n s   w h i c h   a r e   s e t   u p   d u r i n g   t r a i n i n g ,   s i m i l a r i t y   m e a s u r e   t o   b e   u s e d   w h i c h   c o n s i d e r s   i s   t h e   H a m m i n g   d i s t a n c e   [ 2 4 ] .   T h e   c o n v e n t i o n a l   H a m m i n g   d i s t a n c e   ( C H D )   t h a t   i s   t h e   n u m b e r   o f   b i t s   i n   w h i c h   t w o   b i n a r y   v e c t o r s   a r e   d i f f e r e n t .   I t   c a n   b e   u s e d   a s   t h e   m e a s u r e   o f   d i s t a n c e   b e t w e e n   t h e   a d d r e s s e s .   H o w e v e r ,   t h e   d r a w b a c k   o f   t h e   C H D   i s   t h a t   i t   m e a s u r e   a b s o l u t e   d i f f e r e n c e s   i n   b i t   w i t h o u t   i n d i c a t i n g   t h e   s i m i l a r i t y   m e a s u r e   [ 2 4 ] ,   [ 2 5 ] .   I t   d o e s   n o t   r e c o g n i z e   t h e   n o t i o n   o f   a p p r o x i m a t e   s i m i l a r i t y ,   b e c a u s e   i t   m e a s u r e s   o n l y   t h e   e x a c t   e x t e n t   t o   w h i c h   t h e   c o r r e s p o n d i n g   b i t s   i n   t w o   b i t   v e c t o r s   a g r e e   [ 2 4 ] .   F o r   o v e r c o m e   t h e   l i m i t a t i o n ,   t h i s   s t u d y   u s e s ,   E x t e n d e d   H a m m i n g   d i s t a n c e   ( E H D ) .   T h e   d i s t a n c e   v a l u e   g i v e s   i n t e r v a l   f o r   b e i n g   c l o s e .   T h e   H D   v a l u e     D i j   m e a s u r e   b e t w e e n   i n p u t   b i t   p a t t e r n   i x a n d   t e s t   b i t   p a t t e r n   p x ,     t h e n   o u t p u t   v e c t o r   O = [ 1 o ,   . ,   D o ]   b e   a   b i t   v e c t o r   o f   d i m e n s i o n   D   a n d   N ( O )   b e   t h e   n u m b e r   o f   1   b i t   i n   O .   T o   c o m p u t e   t h e   s i m i l a r i t y   m e a s u r e   a   c o s t   i s   a s s o c i a t e d   r e l a t i v e   t o   t h e   d i s t a n c e   v a l u e D s ( x ) .   T o   i n d i c a t e   t h e   n e a r e s t   n e i g h b o r   d i s t a n c e s   b e t w e e n   i x   a n d   p x   e q u a t i o n   ( 3 )   i s   u s e d   [ 2 6 ] ,     T h e   s i m i l a r i t y   d i s t a n c e   D s ( x )   = D i j -   m i n   d i s t a n c e / m a x   d i s t a n c e   ( r e f e r e n c e )   ( 3 )     E a c h   d i s c r i m i n a t o r   o u t p u t   j z i s   f r o m   b e i n g   t h e   w i n n e r   g i v e n   i n p u t   v e c t o r i x ,   a   s i m i l a r i t y   d i s t a n c e   d e g r e e   D s ( x )   c a n   b e   s p e c i f i e d ,   y i e l d i n g   t h e   d e g r e e   t o   w h i c h   x   s a t i s f i e s   t h e   c o r r e s p o n d i n g   p a t t e r n .         3 .     R e s e a r c h   M e t h o d s   3 . 1   S e n s o r s   D i r e c t i o n       I n   o r d e r   t o   a c q u i r e   t h e   i n f o r m a t i o n   a b o u t   t h e   e n v i r o n m e n t   a r o u n d   t h e   m o b i l e   r o b o t ,   8   u l t r a s o n i c   s e n s o r s   m o u n t e d   o n   t h e   f r o n t   o f   m o b i l e   r o b o t   a r e   u s e d t o   r e c o g n i z e   t h e   e n v i r o n m e n t   a n d   t o   a v o i d   o b s t a c l e .   U l t r a s o n i c   s e n s o r   h a s   b e e n   u s e d   e x t e n s i v e l y   i n   m o b i l e   r o b o t   f o r   o b s t a c l e   d e t e c t i o n ,   r a n g i n g ,   a n d   m a p p i n g   [ 2 3 ] ,   [ 2 7 ] .   T h e   W N N s ,   w h o s e   i n p u t s   a r e   p r e p r o c e s s e d   b y   u l t r a s o n i c   s e n s o r s   r e a d i n g s ,   i n f o r m s   t h e   m o b i l e   r o b o t   o f   t h e   e n v i r o n m e n t a l   s i t u a t i o n .   T h e   o p e r a t i n g   f r e q u e n c y   o f   t h e   s e n s o r   i s   4 0   k H z .   T h e   m a x i m u m   e f f e c t i v e   e x a m i n a t i o n   d i s t a n c e s   u n d e r   s h o r t   d i s t a n c e   p a t t e r n   a n d   l o n g   d i s t a n c e   p a t t e r n   a r e   1 0   c m   a n d   3   m   r e s p e c t i v e l y .   S e n s o r   m e a s u r e m e n t   o f   t h e   s h o r t   d i s t a n c e   p a t t e r n   i s   u s e d .   I n   o r d e r   t o   r e d u c e   t h e   c o m p u t i n g   d a t a   t h e n   8   s e n s o r s   a r e   d i v i d e d   i n t o   4   g r o u p s   t o   a r r a n g e   a t   t h e   f o u r   c o r n e r s   a n d   f o u r   s i d e s   o f   m o b i l e   r o b o t   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   3 .         F i g u r e   3 .   A r r a n g e m e n t   o f   u l t r a s o n i c   s e n s o r s   i n s t a l l e d   i n   m o b i l e   r o b o t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   3 ,     D e c e m b e r   2 0 1 1   :     4 5 3     4 6 4   4 5 8 T h e   g r o u p s   a r e   l e f t   o b s t a c l e ,   f r o n t   o b s t a c l e ,   r i g h t   o b s t a c l e   a n d   b a c k   o b s t a c l e   r e s p e c t i v e l y .   T h e   s e n s o r   u l t r a s o n i c   p o s i t i o n s   i n   a l l   a r r a y s   i n   t h e   m o b i l e   r o b o t   a r e   f i x e d ;   o n e   o n   b a c k   s i d e ,   a n d   s e v e n   f a c i n g   o u t w a r d s   a t   3 0   d e g r e e   i n t e r v a l s   s t a r t i n g   f r o m   s e n s o r   1   u p   t o   s e n s o r   7 .   T h e   p l a c e m e n t   o f   t h e   s e n s o r s   p e r m i t s   t h e   d e t e c t i o n   o f   a n   o b s t a c l e   i n   d i f f e r e n t   p o s i t i o n s ,   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   3 .     S e n s o r   8   i s   u s e d   i f   t h e   m o b i l e   r o b o t   i s   i n   e m e r g e n c y   c o n d i t i o n   t o   d e t e c t   o b s t a c l e   a t   t h e   b a c k   o f   t h e   m o b i l e   r o b o t   f o r   b a c k w a r d   m o v e m e n t .   S e n s o r   m o d u l e   i s   c o n f i g u r e d   u s i n g   8   m i c r o c o n t r o l l e r s   P I C 1 6 F 8 4   w h e r e   i t   c o n t r o l s   t h e   e i g h t   u l t r a s o n i c   a n d   o n e   i n f r a r e d   r a n g e   f i n d e r   p u l s e   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   3 .   I t   c a l c u l a t e s   t h e   s e n s o r   r e a d i n g s ,   a n d   s e l e c t s   w h i c h   s e n s o r s   a r e   a c t i v e   a c c o r d i n g   t o   t h e i r   p o s i t i o n   i n   t h e   r o b o t   p e r i p h e r y . H o w e v e r ,   t y p i c a l   a p p l i c a t i o n s   d o   n o t   e x p l o i t   t h e   f u l l   r a n g e   o f   i n f o r m a t i o n   c a r r i e d   b y   u l t r a s o n i c   e c h o e s ,   f o c u s i n g   o n l y   o n   t h e   t i m e   o f   a r r i v a l   o f   t h e   f i r s t   d e t e c t e d   e c h o   [ 2 8 ] .         3 . 2   E n v i r o n m e n t a l   C l a s s i f i c a t i o n     T h e   p a t t e r n   o f   s e n s o r   d a t a   b a s e   r e p r e s e n t i n g   a   v a r i e t y   o f   p o s s i b l e   s i t u a t i o n s   o f   t h e   e n v i r o n m e n t   s h o u l d   b e   b u i l t   b e f o r e h a n d   t o   c l a s s i f y   t h e   w h o l e   e n v i r o n m e n t   i n t o   o n e   o f   t h e   p r o t o t y p e   p a t t e r n . T h e n   f o r   e v e r y   p r o t o t y p e   e n v i r o n m e n t   i s   t r a i n e d   b y   t h e   a p p r o p r i a t e   m o d u l e   c o n t a i n e d   i n   t h e   p r o p o s e d   R A M   n e t w o r k   a r c h i t e c t u r e .   T h e   p a t t e r n   o f   e n v i r o n m e n t s   f o r m e d   b y   s e n s o r   m e a s u r e m e n t s   g i v e s   t h e   i n f o r m a t i o n   w i t h   r e f e r e n c e   t o   t h e   e n v i r o n m e n t   s i t u a t i o n .   V a r i e t y   o f   e n v i r o n m e n t   s i t u a t i o n   m a y   a r i s e   i n   f r o n t   o f   m o b i l e   r o b o t   w h e n   m o b i l e   r o b o t   g o e s   t h r o u g h   t h e   e n v i r o n m e n t .   I n   t h i s   w o r k ,   7   u l t r a s o n i c   s e n s o r   v a l u e s   a r e   i n p u t   t o   t h e   W N N s   t o   g e n e r a t e   o n e   o f   t h e   c l a s s i f i e d   e n v i r o n m e n t s .     T h e   r e s u l t   i s   u s e d   t o   i d e n t i f y   d i f f e r e n t   p a t t e r n s   o f   o b s t a c l e   f e a t u r e   i n c l u d e   c y l i n d e r ,   p l a n e ,   a n d   c o r r i d o r   f e a t u r e ,   a l s o   e n v i r o n m e n t s   f e a t u r e   w i t h   d i f f e r e n t   a n g l e   s u c h   a s ,   c o n c a v e ,   c o n v e x   a n d   o t h e r s .     T r a i n i n g   c o n s i s t   o f   p l a c i n g   e a c h   o b j e c t   a t   v a r i o u s   d i s t a n c e s   f r o m   t h e   u l t r a s o n i c   b e a m ,   c o l l e c t i n g   t h e   e c h o e s   f o r   e a c h   o b j e c t   a t   e a c h   p o s i t i o n   a n d   t r a i n   t h e   W N N s   f o r   e a c h   o b j e c t   a t   e a c h   p o s i t i o n .           F i g u r e   4 .   S e n s o r y   p a t t e r n   f o r   2 0   f e a t u r e   o f     e n v i r o n m e n t       T o   n a v i g a t e   e f f i c i e n t l y   t h e   W N N s   i s   t r a i n e d   w i t h   5 0   p a t t e r n s   r e p r e s e n t i n g   t y p i c a l   s c e n a r i o s ,   s o m e   o f   w h i c h   a r e   d e p i c t e d   i n   F i g u r e   4 .   T h e   e x a m p l e   o f   s o m e   s e n s o r y   p a t t e r n s   r e g i s t e r e d   f o r   2 0   e n v i r o n m e n t a l   e n t i r e   p r o t o t y p e s . U l t r a s o n i c   s e n s o r s   d i s t a n c e   i s   s e t   i n   r a n g e   1 0   c m   t o   3 0 0   c m   a p p r o p r i a t e   t o   d a t a   b a s e s   o f   s e n s o r s   m e a s u r e .     A l t h o u g h   a   s e t   o f   c o r r i d o r   p a t t e r n s   h a s   b e e n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       A   N e w   C l a s s i f i c a t i o n   T e c h n i q u e   i n   M o b i l e   R o b o t   N a v i g a t i o n   ( S i t i   N u r m a i n i )   4 5 9   u s e d   t o   t r a i n   W N N s ,   b u t   t h e   t r a i n i n g   p r o c e s s   m u s t   b e   g e n e r a l i z e d   i n t o   a l l   k i n d s   o f   e n v i r o n m e n t s ,   i n c l u d i n g   s c a t t e r e d   o b s t a c l e   i n   t h e   e n v i r o n m e n t   t h a t   m a y   b e   e n c o u n t e r e d   b y   a   m o b i l e   r o b o t   d u r i n g   n a v i g a t i o n a l   t a s k s .   H e n c e ,   t h e   o u t p u t   o f   t h e   e n v i r o n m e n t a l   c l a s s i f i c a t i o n   n e t w o r k   c a n   b e   u s e d   t o   b u i l d   a   t o p o l o g y   m a p   t o   d e t e r m i n e   t h e   m o b i l e   r o b o t   h i g h - l e v e l   b e h a v i o r .     3 . 3   S i m p l e   W N N s   A l g o r i t h m     W N N s   m u s t   b e   t r a i n e d   t o   r e c o g n i z e   t h e   c o r r e c t   p a t t e r n s   f r o m   i n c o r r e c t   o n e s   a n d   i t   w o r k s   b y   g e n e r a t i n g   a l l   t h e   p o s s i b l e   i n p u t   c o m b i n a t i o n .   T h i s   a l l o w s   t h e   n e t w o r k   t o   g e n e r a l i z e   p r e v i o u s l y   u n s e e n   c a s e s ,   a s   w e l l   a s   m a k e   c o r r e c t   a p p r o x i m a t i o n .   T r a i n i n g   i s   a   s i n g l e - p a s s   p r o c e s s   i n   w h i c h   e a c h   d i s c r i m i n a t o r   i s   t r a i n e d   i n d i v i d u a l l y   o n   a   s e t   o f   p a t t e r n s   t h a t   b e l o n g s   t o   i t .   I n   t h e   t r a i n i n g   p r o c e s s   a l l   t h e   s i t e s   o f   d i s c r i m i n a t o r   t h a t   a r e   a d d r e s s e d   b y   t h i s   p a t t e r n   a r e   s e t   t o   1 .   T h i s   p r o c e s s   i s   r e p e a t e d   u n t i l   a l l   p a t t e r n   o f   s e t   a r e   t r a i n e d   a n d   w h e n   t h e   p r o c e s s   i s   c o m p l e t e ,   t h e   W N N s   h a s   e n c o d e s   t h e   i n f o r m a t i o n   i n   i t s   m e m o r y   r e g i s t e r   a b o u t   t h e   t r a i n i n g   s u b s e t .   D u r i n g   l e a r n i n g ,   t h e   i n p u t   v e c t o r ,   w h i c h   i s   a n   n - b i t   b i n a r y   n u m b e r ,   a c t s   l i k e   a n   a d d r e s s   g e n e r a t o r ,   w h e r e   n   d e f i n e s   t h e   l e n g t h   o f   t h e   i n p u t   v e c t o r ,   a n d   0   < n   < ¥ .   E v e r y   l o c a t i o n   a d d r e s s e d   i s   a   s i g n e d   r e g i s t e r ,   a n d   a l l   o f   t h e   r e g i s t e r s   i n   t h e   n e t w o r k   l o c a t i o n s   a r e   i n i t i a l l y   s e t   t o   z e r o   i n t e r p r e t e d   a s   a n   u n d e f i n e d   v a l u e .   W h e n   a l l   t r a i n i n g   p a t t e r n   a r e   p r e s e n t e d   t o   t h e   W N N s ,   t h e   d a t a   s t o r e d   t o   a l l   t h e   a d d r e s s e d   r e g i s t e r   o f   R A M   w h i c h   i s   i n   w r i t e   m o d e   a n d   t h e   n e t w o r k s   i s   c o u n t i n g   t h e   f r e q u e n c y   o f   a   b i t   p a t t e r n   s e q u e n c e   e n c o u n t e r e d   i n   t h e   b i n a r y   m a t r i x .           F i g u r e   5 . L e a r n i n g   a l g o r i t h m   o f   W N N s       S h o w n   i n   F i g u r e   5   i s   t h e   l e a r n i n g   a l g o r i t h m ,   i n i t i a l l y   a l l   R A M   r e g i s t e r   s t o r e s   0 .   T h e   t r a i n i n g   s e t   c o n s i s t s   o f   a n   e q u a l   n u m b e r   o f   p a t t e r n s   f r o m   e a c h   c l a s s .   E a c h   n e u r o n   h a s   n   a d d r e s s   l i n e s   o f   m e m o r y   a n d   2 n   s i n g l e   b i t   s t o r a g e   l o c a t i o n s .   T h e   W N N s   w i l l   g e n e r a t e   a   f e a t u r e   v e c t o r   ( x )   w h e n   a n   u n k n o w n   p a t t e r n   i s   d e t e c t e d   t o   t h e   n e t w o r k s   t h a t   d e s c r i b e s   t h e   c l a s s   o f   t h e   i n p u t   v e c t o r .     T h e   o u t p u t s   o f   a l l   d i s c r i m i n a t o r   a r e   s u m m e d   t o g e t h e r   t o   g i v e   i t s   r e s p o n s e .   T h e   d a t a   i s   s t o r e d   i n   t h e   d i s c r i m i n a t o r   a f t e r   a l l   t r a i n i n g   p a t t e r n s   a r e   p r e s e n t e d   t o   t h e   n e t w o r k   a n d   g i v e   t h e   g e n e r a l i z a t i o n   a b i l i t y .   G e n e r a l i z a t i o n   i s   o n e   i m p o r t a n t   c h a r a c t e r i s t i c   a n d   i n   W N N s   a n d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   3 ,     D e c e m b e r   2 0 1 1   :     4 5 3     4 6 4   4 6 0 e n a b l e s   i t   t o   r e s p o n d   t o   a   c u r r e n t   i n p u t   w h i c h   c a n   b e   a   n o i s y   v e r s i o n   o f   a   l e a r n t   p a t t e r n   a c c o r d i n g   t o   w h a t   w a s   p r e v i o u s l y   l e a r n t .   T h i s   a l l o w s   t h e   n e t w o r k   n o t   o n l y   t o   p e r f o r m   c o n t e n t   a d d r e s s a b i l i t y   b u t   a l s o   t o   p e r f o r m   d e f a u l t   a s s i g n m e n t   [ 2 2 ] .   T h i s   m e a n s   t h a t   i t   i s   p o s s i b l e   t o   e x t r a c t   t h e   g e n e r a l   f e a t u r e s   o f   a   g i v e n   c o n c e p t   b a s e d   o n   t h e   i n p u t   i n f o r m a t i o n .     I n   t h i s   w o r k ,   g e n e r a l i z a t i o n   i s   i n t r o d u c e d   b y   c o n s i d e r i n g   t h e   h a m m i n g   d i s t a n c e   f r o m   t r a i n i n g   p a t t e r n s .     T h e   H a m m i n g   d i s t a n c e   b e t w e e n   t w o   b i n a r y   p a t t e r n s i s   t h e   n u m b e r   o f   b i t   p o s i t i o n s   i n   w h i c h   t h e y   d i f f e r .   I t   i s   s i m p l y   d e f i n e d   a s   t h e   n u m b e r   o f   b i t   t h a t   i s   d i f f e r e n t   b e t w e e n   t w o   b i t   v e c t o r s   a n d   t h i s   g i v e s   a   r o u g h   i d e a   o f   h o w   s i m i l a r   t h e t w o   p a t t e r n s   a r e   [ 2 9 ] .       4 .     R e s u l t s   a n d   D i s c u s s i o n   I n   o r d e r   t o   v e r i f y   t h e   f e a s i b i l i t y   o f   t h e   t e c h n i q u e   p r e s e n t e d   i n   t h i s   p a p e r ,   a   n a v i g a t i o n a l   e x p e r i m e n t   o f   t h e   m o b i l e   r o b o t   i s   d o n e . T h e   p r o p o s e d   W N N s   c o n t a i n s   s e v e r a l   m i c r o c o n t r o l l e r s   t o   a v o i d   r e q u i r e   l a r g e   m e m o r y   t h a t   l e a d   t o   t h e   r o b u s t   i m p l e m e n t a t i o n .   I t   c o u l d   a l s o   i m p r o v e   t h e   s y s t e m   f l e x i b i l i t y   b y   u s i n g   m u l t i - p r o c e s s o r .   I n   p e r f o r m i n g   n a v i g a t i o n a l   t a s k s ,     a l l   t h e   d a t a   d e t e c t i o n     f r o m   u l t r a s o n i c   s e n s o r   a r e   i n p u t   t o   W N N s ,     w h i c h   t e l l   t o   W N N s   t h e   o b s t a c l e - s c e n a r i o s   i n   t h e   e n v i r o n m e n t .   T h u s   W N N s   o u t p u t s   a r e   t h e   e n v i r o n m e n t a l   a n d   t h e   o b s t a c l e   p a t t e r n . D e p e n d i n g   o n   t h e   p a t t e r n ,   a   d e c i s i o n   i s   m a d e   b y   t h e   W N N s   s e n t   t o   t h e   a c t u a t o r   t o   p r o d u c e   s u i t a b l e   c o m m a n d s   f o r   m o b i l e   r o b o t   a c t i o n .     A s   W N N s   i s   m e m o r y - b a s e d   i t   r e q u i r e s   a   n u m b e r   o f   R A M   a n d   R O M   i n s i d e   a   m i c r o c o n t r o l l e r .   I n   t h i s   w o r k ,   t h e   n e u r o n s   a r e   r e a l i z e d   i n   R A M .   T h e   s i z e   o f   R A M   u s e d   i s   8   x   1 2 8   b y t e   f o r   s e n s o r   a r r a y ,   2   x   5 1 2   b y t e   f o r   n a v i g a t i o n   m o d u l e   w i t h   s i z e   o f   R O M   i s   2 0   K   x   8   b i t   f o r   p r o c e s s i n g   t h e   c o n t r o l l e r .   T h i s   s i z e   p r o v i d e s   p l e n t y   o f   s t o r a g e   t o   i n v e s t i g a t e   a n y   c h a n g e s   i n   t h e   s t r u c t u r e ,   s i z e   a n d   n u m b e r   o f   n e u r o n s . T o   i d e n t i f y   h o w   t h e   n e u r o n s   a r e   o r g a n i z e d   i n   R A M ,   T a b l e   1 ,   s h o w s   W N N s   w i t h   7   c l a s s e s   a n d   8   n e u r o n s   b e l o n g   t o   e a c h   c l a s s   i s   c o n s i d e r e d ,   t h u s   t h e   n u m b e r   o f   n e u r o n s   a r e   5 6 .   E a c h   n e u r o n   ( n )   r e p r e s e n t s   s p e c i f i c   p a t t e r n   i n   t h e   e n v i r o n m e n t .         T a b l e   1 . A   t y p i c a l   W N N s   w i t h   e i g h t   a d d r e s s   l i n e s   A d d r e s s   c l a s s   1   c l a s s   2   c l a s s   3   c l a s s   4   c l a s s   5   c l a s s   6   c l a s s   7   L i n e   1   n 1 1   n 2 1   n 3 1   n 4 1   n 5 1   n 6 1   n 7 1   L i n e   2   n 1 2   n 2 2   n 3 2   n 4 2   n 5 2   n 6 2   n 7 2   L i n e   3   n 1 3   n 2 3   n 3 3   n 4 3   n 5 3   n 6 3   n 7 3   L i n e   4   n 1 4   n 2 4   n 3 4   n 4 4   n 5 4   n 6 4   n 7 4   L i n e   5   n 1 5   n 2 5   n 3 5   n 4 5   n 5 5   n 6 5   n 7 5   L i n e   6   n 1 6   n 2 6   n 3 6   n 4 6   n 5 6   n 6 6   n 7 6   L i n e   7   n 1 7   n 2 7   n 3 7   n 4 7   n 5 7   n 6 7   n 7 7   L i n e   8   n 1 8   n 2 8   n 3 8   n 4 8   n 5 8   n 6 8   n 7 8       A l l   n e u r o n s   t h a t   a r e   c o n n e c t e d   w i t h   d i f f e r e n t   a d d r e s s   l i n e ,   w h i c h   c o n n e c t s   e a c h   p a t t e r n   t o   t h e   a d d r e s s   i n p u t   o f   t h e   n e u r o n s . I n   t h i s   w o r k ,   a l l   n e u r o n s   a r e   p l a c e d   i n   8   R A M s   w i t h   a   d i f f e r e n t   m e m o r y   l o c a t i o n . 1   n e u r o n   i s   p l a c e d   i n   1   b l o c k   o f   m e m o r y   a d d r e s s ,   1   b l o c k   c o m p r i s e s   o f   8   m e m o r y   l o c a t i o n s   w i t h   1   m e m o r y   l o c a t i o n   i s   e q u i v a l e n t   t o   8   b i t ,   t h u s   1   b l o c k   h a s   6 4   b i t   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   6 .           F i g u r e   6 . E a c h   n e u r o n   h a s   e i g h t   c o u n t i n g   s t a t e s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       A   N e w   C l a s s i f i c a t i o n   T e c h n i q u e   i n   M o b i l e   R o b o t   N a v i g a t i o n   ( S i t i   N u r m a i n i )   4 6 1   H e n c e ,   l o o k - u p   t a b l e s   a r e   a p p l i e d   t o   i m p l e m e n t   t h e   n a v i g a t i o n   c o n t r o l   c i r c u i t .     T h e   n e t w o r k   u s e s   8   b i n a r y   i n p u t s   f r o m   s e n s o r   a r r a y s   a r e   r e p r e s e n t e d   b y   a   b l a c k   b o x   s t r u c t u r e .   T h e   n e u r o n s   c o n n e c t i o n   i s   s p e c i f i e d .     I t   c a n   g e n e r a t e   m a n y   b i n a r y   v e c t o r s   a s   e n v i r o n m e n t a l   p a t t e r n s   a n d   a l l   p a t t e r n s   d a t a   s t o r e d   i n   l o o k - u p   t a b l e .   T h i s   s t r a t e g y   i s   u s e d   a s   t h e   n a v i g a t i o n a l   c o n t r o l   o f   t h e   m o b i l e   r o b o t .       T h i s   r e s e a r c h   c o n s i d e r s   W N N s   t e c h n i q u e   i n   m o b i l e   r o b o t   n a v i g a t i o n   t o   b e   a p p l i e d   t o   c o m p l e x   r e a l   e n v i r o n m e n t .   T h e   c o n t r o l l e r   r e c e i v e s   t h e   i n p u t s   c o n n e c t e d   t o   t h e   a d d r e s s   l i n e s   o f   R A M   d e v i c e .   I m p l e m e n t a t i o n   o f   W N N s t e c h n i q u e   i n   t h i s   w o r k   i s   l i m i t e d   b y   t h e   a m o u n t   o f   a v a i l a b l e   m e m o r y   s i n c e   t h e   n e u r o n s   a r e   a s s e m b l e d   a s   b i n a r y   v e c t o r s   a n d   s t o r e d   a l l   i n p u t   p a t t e r n   i n t o   1 1   c o m m e r c i a l   R A M   a s   a   l o o k - u p   t a b l e   i n   p y r a m i d a l   s h a p e .   T h e   r e s u l t   o f   t h e   p r o p o s e d   s o l u t i o n   i s   s h o w n   i n   T a b l e   2 ,   i n d i c a t e s   t h e   a m o u n t   o f   m e m o r y   r e q u i r e d   b y   a d o p t e d   W N N s .     I m p l e m e n t a t i o n   o f   t h e   p r o p o s e d   d e s i g n   s t r a t e g y   i s   t o   f i n d   W N N s   s t r u c t u r e s   i n c l u d i n g   n e u r o n   n u m b e r s   a n d   i n p u t   n u m b e r s   t h a t   s h o w   t h e   b e s t   r e s u l t s   f o r   t h e   e n v i r o n m e n t a l   r e c o g n i t i o n   p r o b l e m .   W N N s   t o p o l o g i e s   a r e   a n a l y z e d   i n   o r d e r   t o   s p e c i f y   w h i c h   n e u r o n   a r c h i t e c t u r e   p r e s e n t s   t h e   b e s t   r e c o g n i t i o n   l e v e l .   I t   i s   n o t i c e d   t h a t   t h e   W N N s   c a n   s a t u r a t e   i f   t h e   n u m b e r   o f   p r e s e n t e d   p a t t e r n s   i s   h i g h ,   i n s t e a d   o f   i m p r o v i n g   i t s   r e c o g n i t i o n   r a t e   [ 2 9 ] ,   [ 3 0 ] .   T h i s   r e s e a r c h   i n v e s t i g a t e s   t h e   e r r o r   r a t e   o f   r e c o g n i t i o n   p r o d u c e d   b y   t h e   a p p r o a c h   a f t e r   t r a i n i n g   p r o c e s s .   T a b l e   3   s h o w s   s u m m a r y   o f   p e r c e n t a g e   o f   W N N s   r e c o g n i t i o n   l e v e l ,   t h e   t a b l e   s h o w s   t h a t   t h e   p e r f o r m a n c e   t e s t   u s i n g   m a x i m u m   9   i n p u t   n e u r o n s   p r o d u c e   r e j e c t i o n   a n d   r e c o g n i t i o n   l e v e l   w h i c h   g i v e s   p a t t e r n   s i m i l a r i t y   o f   t h e   W N N s .   T h e   a v e r a g e   r e c o g n i t i o n   r a t e   b a s e d   o n   t h a t   t e c h n i q u e   h a s   r i s e n   f r o m   8 7 . 6 %   t o   9 8 . 5 % .       T a b l e   2 . M e m o r y   u s e d   i n   p r o p o s e d   a r c h i t e c t u r e   I n p u t   n u m b e r   N e u r o n   n u m b e r   P a t t e r n   n u m b e r   M e m o r y   ( b i t )   M e m o r y   ( b y t e )   3   6 0   3 0   1 2 , 2 8 8   1 , 2 8 0   4   6 0   3 0   1 2 , 2 0 8   1 , 5 3 6   5   4 0   3 0   1 6 , 3 8 4   2 , 0 4 8   6   4 0   3 0   1 6 , 3 8 4   2 , 0 4 8   7   4 0   5 0   2 2 , 5 2 8   2 , 8 1 6   8   3 2   5 0   2 4 , 5 7 6   3 , 0 7 2   9   2 4   5 0   2 8 , 6 7 2   3 , 5 8 4     T a b l e   3 . W N N s   r e c o g n i t i o n   l e v e l   u s i n g   p r o p o s e d   a r c h i t e c t u r e   I n p u t   N e u r o n   P a t t e r n   R e c o g n i t i o n   ( % )   E r r o r     ( % )   R e j e c t i o n   ( % )   3   6 0   3 0   8 7 . 6   1 . 1   1 1 . 3   4   6 0   3 0   9 0 . 0   1 . 2   8 . 8   5   4 0   3 0   9 4 . 0   0 . 8   5 . 2   6   4 0   3 0   9 5 . 3   0 . 8   3 . 9   7   4 0   5 0   9 5 . 5   1 . 1   3 . 4   8   3 2   5 0   9 6 . 7   1 . 0   2 . 3   9   2 4   5 0   9 8 . 5   0 . 9   1 . 3       T o   v a l i d a t e   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   m o b i l e   r o b o t   t o   p e r f o r m   n a v i g a t i o n   t a s k s ,   t h e   e x p e r i m e n t a l   i s   c o n d u c t e d   t o   s e e   c h a n g e s   i n   m o t o r   s p e e d   i n   d e a l i n g   w i t h   c h a n g i n g   e n v i r o n m e n t a l   p a t t e r n s .   P r e v i o u s l y   m e n t i o n e d ,   t h a t   t h e r e   a r e   5 0   p a t t e r n s   o f   t h e   e n v i r o n m e n t   h a s   b e e n   e n t e r e d   o n   t h e   l o o k - u p   t a b l e   i n   W N N s .   W h e n   t h e   m o b i l e   r o b o t   m o v e s ,   t h e   e n v i r o n m e n t   c h a n g e s   d y n a m i c a l l y   a n d   i t   m u s t   b e   s o l v e d   b y   a   m o b i l e   r o b o t .   F r o m   g r a p h   i n   F i g u r e   7   s h o w s   t h a t   t h e   s p e e d   o f   m o b i l e   r o b o t   m o v e m e n t   i s   r e l a t i v e l y   s t a b l e   a l t h o u g h   t h e   e n v i r o n m e n t a l   c h a n g e s .   E r r o r   r a t e   o f   t h e   m o t o r   s p e e d   w h e n   t h e   m o b i l e   r o b o t   m o v e m e n t   i s   o n l y   0 . 5 6   %   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   8 ,   t h i s   o c c u r r e d   b e c a u s e   o f   t h e   p r e s e n c e   o f   c r o s s   t a l k   i n   u l t r a s o n i c   s e n s o r   a n d   p r o d u c e   n o i s e   i n   t h e   s p e e d   d a t a   w h e n   i t   d e t e c t s   e v e r y   p a t t e r n s   o f   t h e   e n v i r o n m e n t .   T h e   e x p e r i m e n t a l   r e s u l t s   s h o w n   b y   t h e   p r o p o s e d   t e c h n i q u e   h a s   y i e l d e d   p r o m i s i n g   r e s u l t s   t h a t   i n d i c a t e t h e   m o b i l e   r o b o t   i s   a b l e   t o   r e c o g n i z e   t h e   e n v i r o n m e n t a l   p a t t e r n   a n d   a c h i e v e   r o b u s t   p e r f o r m a n c e   w i t h   l e s s   c o m p u t a t i o n a l   c o s t .   F u r t h e r m o r e ,   i t   h a s   s u c c e s s f u l l y   p e r f o r m e d   i n   s e v e r a l   m o b i l e   r o b o t e n v i r o n m e n t   o u t p e r f o r m   o t h e r   c o n t r o l l e r s   i n c l u d i n g   l o g i c   f u n c t i o n   a n d   f u z z y   l o g i c   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   9 .   F r o m   a l l   e x p e r i m e n t a l   r e s u l t s ,   t h i s   t e c h n i q u e   c o u l d   i m p r o v e   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   3 ,     4 6 2 f l e x i b i l i t y ,   s i n c e   i t   a l l o w s   f a s t   p r o c e s s i n g ,   d e c r e a s e s   c o m p u t a t i o n a l   c o s t   a n d   i m p r o v e s   p e r f o r m a n c e   i n   m o b i l e   r o b o t   n a v i g a t i o n .         F i g u r e   7 .   R e s p o n s e   o f   m o t o r   s p e e d   w h e n   e n v i r o n m e n t a l   c h a n g e s     F i g u r e   8 .   E r r o r   ,     D e c e m b e r   2 0 1 1   :     4 5 3     4 6 4   s i n c e   i t   a l l o w s   f a s t   p r o c e s s i n g ,   d e c r e a s e s   c o m p u t a t i o n a l   c o s t   a n d   i m p r o v e s   p e r f o r m a n c e   i n   m o b i l e   r o b o t   n a v i g a t i o n .     R e s p o n s e   o f   m o t o r   s p e e d   w h e n   e n v i r o n m e n t a l   c h a n g e s   r r o r   r a t e   f o r   m o t o r   s p e e d   i n   m o b i l e   r o b o t   m o v e m e n t I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   s i n c e   i t   a l l o w s   f a s t   p r o c e s s i n g ,   d e c r e a s e s   c o m p u t a t i o n a l   c o s t   a n d   i m p r o v e s   R e s p o n s e   o f   m o t o r   s p e e d   w h e n   e n v i r o n m e n t a l   c h a n g e s     i n   m o b i l e   r o b o t   m o v e m e n t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.