Multi-rate predictive control scheme for a robotic eye/head system integrating visual and self-motion cues

• Main Author: Abou Zeid, Elias
• Other Authors: Henrietta L Galiana (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2009
• Subjects: Engineering - Biomedical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=40801

In primates, the vestibular-ocular reflex (VOR) is known to stabilize gaze during head perturbations. Also, the internal brain circuits controlling eye movements are found to operate with neural delays much smaller than delays in visual processing pathways (~2 ms vs. 150 ms). Based on these biological findings, we present a unified multi-rate biomimetic gaze controller integrating VOR mechanisms (self-motion cues) with tracking (pursuit and saccades) for a robotic head with two cameras. The controller uses automatic parametric switching in shared premotor circuits to alternate between two movements types: slow phase (smooth pursuit) relying on visual feedback, and fast phase (blind corrective jumps) producing nystagmus. Similar to the mammalian gaze system, in the absence of a visual target (in dark), the controller generates vestibular nystagmus in response to sinusoidal passive head inputs. During fixation or tracking of a target (slow phase), a head-motion sensor (VOR) detects head rotation direction and drives the cameras in the opposite direction so that gaze in space remains on the visual target. A multi-rate scheme coupled with input prediction is used to allow the internal controller to operate at 600 Hz, while the visual system is limited to a 30 Hz frame rate. Since the saccade circuit is effectively blind, the higher rate controller operation allows increasing saccade bandwidths without ringing to over 30 Hz. Adding slip and memory (PDI control) in the visual feedback overcomes inherent delays in the visual system, increases the tracking response bandwidth to around 5 Hz, and improves steady state tracking gain. === Chez les primates, le réflexe oculovestibulaire (ROV) sert à stabiliser le regard durant les perturbations de la tête. Aussi, les circuits cérébrals internes qui contrôllent les mouvements des yeux opèrent avec des délais beaucoup plus courts que les délais dans les régions de traitement visuels (~2 ms vs. 150 ms). En se basant sur ces faits biologiques, nous présentons un contrôleur de regard biomimétic, unifié, et multi-rate, intégrant les mécanismes du ROV et poursuite (pursuit et saccade) pour un système robotique d’une tête surmontée par deux caméras. Le contrôleur change automatiquement les paramètres dans les circuits prémoteurs partagés affin d’altérner entre deux types de mouvements : phase lente (poursuite lisse) dépendant sur un feed-back visuel, et phase rapide (sauts correctifs aveugles) produisant le nystagmus. Comme le système de regard chez les mammifères, en absence d’une cible visuelle, le contrôleur produit un mouvement nystagmus vestibulaire en réponse à des perturbations de la tête. Durant la fixation ou la poursuite (phase lente) d’une cible, un détecteur de mouvement de la tête (ROV) détecte la direction de la rotation et conduit les caméras dans la direction opposée, ainsi le regard reste sur la cible. Un procédé multirate couplé avec prévision (extrapolation) des signaux d’entrée (le système visuel étant limité à 30 Hz) est utilisé pour permettre d’opérer le contrôleur interne à 600 Hz. Comme le circuit de saccade est effectivement aveugle, l’opération du controlleur interne à cette fréquence élevée permette d’augmenter la bande passante des saccades jusqu’à plus que 30 Hz sans sonneries. L’ajout de dérivée et intégration (contrôle PDI) dans le feed-back visuel surmonte les délais dans le système visuel, augmente la bande passante de la réponse jusqu’à ~5 Hz, et améliore le gain de la poursuite à l’état d’équilibre.