Leaders do not look back, or do they?

We study the effect of adding to a directed chain of interconnected systems a directed feedback from the last element in the chain to the first. The problem is closely related to the fundamental question of how a change in network topology may influence the behavior of coupled systems. We begin the analysis by investigating a simple linear system. The matrix that specifies the system dynamics is the transpose of the network Laplacian matrix, which codes the connectivity of the network. Our analysis shows that for any nonzero complex eigenvalue $\lambda$ of this matrix, the following inequality holds: $\frac{|\Im \lambda |}{|\Re \lambda |} \leq \cot\frac{\pi}{n}$. This bound is sharp, as it becomes an equality for an eigenvalue of a simple directed cycle with uniform interaction weights. The latter has the slowest decay of oscillations among all other network configurations with the same number of states. The result is generalized to directed rings and chains of identical nonlinear oscillators. For directed rings, a lower bound $\sigma_c$ for the connection strengths that guarantees asymptotic synchronization is found to follow a similar pattern: $\sigma_c=\frac{1}{1-\cos\left( 2\pi /n\right)}$. Numerical analysis revealed that, depending on the network size $n$, multiple dynamic regimes co-exist in the state space of the system. In addition to the fully synchronous state a rotating wave solution occurs. The effect is observed in networks exceeding a certain critical size. The emergence of a rotating wave highlights the importance of long chains and loops in networks of oscillators: the larger the size of chains and loops, the more sensitive the network dynamics becomes to removal or addition of a single connection

Multiple chaotic central pattern generators with learning for legged locomotion and malfunction compensation

An originally chaotic system can be controlled into various periodic dynamics. When it is implemented into a legged robot's locomotion control as a central pattern generator (CPG), sophisticated gait patterns arise so that the robot can perform various walking behaviors. However, such a single chaotic CPG controller has difficulties dealing with leg malfunction. Specifically, in the scenarios presented here, its movement permanently deviates from the desired trajectory. To address this problem, we extend the single chaotic CPG to multiple CPGs with learning. The learning mechanism is based on a simulated annealing algorithm. In a normal situation, the CPGs synchronize and their dynamics are identical. With leg malfunction or disability, the CPGs lose synchronization leading to independent dynamics. In this case, the learning mechanism is applied to automatically adjust the remaining legs' oscillation frequencies so that the robot adapts its locomotion to deal with the malfunction. As a consequence, the trajectory produced by the multiple chaotic CPGs resembles the original trajectory far better than the one produced by only a single CPG. The performance of the system is evaluated first in a physical simulation of a quadruped as well as a hexapod robot and finally in a real six-legged walking machine called AMOSII. The experimental results presented here reveal that using multiple CPGs with learning is an effective approach for adaptive locomotion generation where, for instance, different body parts have to perform independent movements for malfunction compensation.Comment: 48 pages, 16 figures, Information Sciences 201

Contribution to Efficient Use of Narrowband Radio Channel

Předkládaná práce se soustředí na problematiku využívání úzkopásmového rádiového kanálu rádiovými modemy, které jsou určené pro průmyslové aplikace pozemní pohyblivé rádiové služby, specifikované v dominantní míře Evropským standardem ETSI EN 300 113. Tato rádiová zařízení se používají v kmitočtových pásmech od 30 MHz do 1 GHz s nejčastěji přidělovanou šířkou pásma 25 kHz a ve většině svých instalací jsou využívána ve fixních nebo mobilních bezdrátových sítích. Mezi typické oblasti použití patří zejména datová telemetrie, aplikace typu SCADA, nebo monitorování transportu strategických surovin. Za hlavní znaky popisovaného systému lze označit komunikační pokrytí značných vzdáleností, dané především vysokou výkonovou účinnosti datového přenosu a využívaní efektivních přístupových technik na rádiový kanál se semiduplexním komunikačním režimem. Striktní požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu umožňují těmto zařízením využívat spektrum i v oblastech kmitočtově blízkým jiným komunikačním systémům bez nutnosti vkládání dodatečných ochranných frekvenčních pásem. Úzkopásmové rádiové komunikační systémy, v současnosti používají převážně exponenciální digitální modulace s konstantní modulační obálkou zejména z důvodů velice striktních omezení pro velikost výkonu vyzářeného do sousedního kanálu. Dosahují tak pouze kompromisních hodnot komunikační účinnosti. Úpravy limitů příslušných rádiových parametrů a rychlý rozvoj prostředků číslicového zpracování signálu v nedávné době, dnes umožňují ekonomicky přijatelné využití spektrálně efektivnějších modulačních technik i v těch oblastech, kde je prioritní využívání úzkých rádiových kanálů. Cílem předkládané disertační práce je proto výzkum postupů směřující ke sjednocení výhodných vlastností lineárních a nelineárních modulací v moderní konstrukci úzkopásmového rádiového modemu. Účelem tohoto výzkumu je efektivní a „ekologické“ využívání přidělené části frekvenčního spektra. Mezi hlavní dílčí problémy, jimiž se předkládaná práce zabývá, lze zařadit zejména tyto: Nyquistova modulační filtrace, navrhovaná s ohledem na minimalizaci nežádoucích elektromagnetických interferencí, efektivní číslicové algoritmy frekvenční demodulace a rychlé rámcové a symbolové synchronizace. Součástí práce je dále analýza navrhovaného řešení z pohledu celkové konstrukce programově definovaného rádiového modemu v rovině simulací při vyšetřování robustnosti datového přenosu rádiovým kanálem s bílým Gaussovským šumem nebo kanálem s únikem v důsledku mnohacestného šíření signálu. Závěr práce je pak zaměřen na prezentování výsledků praktické části projektu, v níž byly testovány, měřeny a analyzovány dvě prototypové konstrukce rádiového zařízení. Tato finální část práce obsahuje i praktická doporučení, vedoucí k vyššímu stupni využitelnosti spektrálně efektivnějších komunikačních režimů v oblasti budoucí generace úzkopásmových zařízení pozemní pohyblivé rádiové služby.he industrial narrowband land mobile radio (LMR) devices, as considered in this dissertation project, has been subject to European standard ETSI EN 300 113. The system operates on frequencies between 30 MHz and 1 GHz, with channel separations of up to 25 kHz, and is intended for private, fixed, or mobile, radio packet switching networks. Data telemetry, SCADA, maritime and police radio services; traffic monitoring; gas, water, and electricity producing factories are the typical system applications. Long distance coverage, high power efficiency, and efficient channel access techniques in half duplex operation are the primary advantages the system relays on. Very low level of adjacent channel power emissions and robust radio receiver architectures, with high dynamic range, enable for a system’s coexistence with various communication standards, without the additional guard band frequency intervals. On the other hand, the strict limitations of the referenced standard as well as the state of the technology, has hindered the increase in communication efficiency, with which the system has used its occupied bandwidth. New modifications and improvements are needed to the standard itself and to the up-to-date architectures of narrowband LMR devices, to make the utilization of more efficient modes of system operation practically realizable. The main objective of this dissertation thesis is therefore to find a practical way how to combine the favorable properties of the advanced nonlinear and linear digital modulation techniques in a single digital modem solution, in order to increase the efficiency of the narrowband radio channel usage allocated to the new generation of the industrial LMR devices. The main attention is given to the particular areas of digital modem design such as proposal of the new family of the Nyquist filters minimizing the adjacent channel interference, design and analysis of the efficient algorithms for frequency discrimination, fast frame and symbol

Evolutionary robotics and neuroscience

No description supplie

Chaotic exploration and learning of locomotion behaviours

We present a general and fully dynamic neural system, which exploits intrinsic chaotic dynamics, for the real-time goal-directed exploration and learning of the possible locomotion patterns of an articulated robot of an arbitrary morphology in an unknown environment. The controller is modeled as a network of neural oscillators that are initially coupled only through physical embodiment, and goal-directed exploration of coordinated motor patterns is achieved by chaotic search using adaptive bifurcation. The phase space of the indirectly coupled neural-body-environment system contains multiple transient or permanent self-organized dynamics, each of which is a candidate for a locomotion behavior. The adaptive bifurcation enables the system orbit to wander through various phase-coordinated states, using its intrinsic chaotic dynamics as a driving force, and stabilizes on to one of the states matching the given goal criteria. In order to improve the sustainability of useful transient patterns, sensory homeostasis has been introduced, which results in an increased diversity of motor outputs, thus achieving multiscale exploration. A rhythmic pattern discovered by this process is memorized and sustained by changing the wiring between initially disconnected oscillators using an adaptive synchronization method. Our results show that the novel neurorobotic system is able to create and learn multiple locomotion behaviors for a wide range of body configurations and physical environments and can readapt in realtime after sustaining damage

Synchronization in complex networks

Synchronization processes in populations of locally interacting elements are in the focus of intense research in physical, biological, chemical, technological and social systems. The many efforts devoted to understand synchronization phenomena in natural systems take now advantage of the recent theory of complex networks. In this review, we report the advances in the comprehension of synchronization phenomena when oscillating elements are constrained to interact in a complex network topology. We also overview the new emergent features coming out from the interplay between the structure and the function of the underlying pattern of connections. Extensive numerical work as well as analytical approaches to the problem are presented. Finally, we review several applications of synchronization in complex networks to different disciplines: biological systems and neuroscience, engineering and computer science, and economy and social sciences.Comment: Final version published in Physics Reports. More information available at http://synchronets.googlepages.com