確率的モデリングと逐次的意思決定を連成した天体探査ロボットの自律移動の実現

随机建模与序列决策耦合实现天文探测机器人自主运动

• 批准号: 22KJ2725
• 负责人: 遠藤 正文
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2725/
• 关键词: 自律移動システム; 経路計画; 環境理解; 確率的モデリング; 機械学習; 月惑星探査; ロボティクス

本研究では、軟弱地盤でローバに生じる車輪スリップを逐次的に学習しながら環境に潜在するリスクへの頑健性を向上する、未知環境適応型自律移動システムを構築することを目的とする。この実現に向けて、本年度は以下の研究課題に取り組んだ。まず、ローバの走行不能状態（スタック）を引き起こす車輪スリップを予測対象として、スリップモデルの学習を行うための能動的環境探索手法を構築した。ガウス過程回帰で予測される同モデルの予測精度向上を目的とした環境探索を情報量最大化経路計画問題として定式化した。そして同問題において、スタックに陥らずスリップが生じうる地形を探索するという条件を確率的制約に基づき適用し、連続空間上で情報量が最大となる経路を探索するプランナーを実装した。シミュレーション環境にて、提案手法に基づきローバが安全かつ効果的にスリップの逐次学習を行うことを確認し、能動的なスリップモデル学習の有効性を明らかにした。また上記に加えて、火星など複数地形が散在する不整地環境下における、機械学習と経路計画を融合したアルゴリズムの研究を実施した。決定論的な学習モデルに生じる予測誤りに対処するため、スリップの予測結果を確率的に表現し、確率分布から統計的指標を算出して経路計画のコストを推定した。シミュレーション環境において実験を行い、提案手法が既存のアプローチと比較してより安全かつ効率的なナビゲーションを実現することを示した。

本研究的目的是构建一个自主移动系统，该系统能够适应未知环境，并通过顺序学习流动站在松软地面上发生的车轮打滑来提高其针对环境中潜在风险的鲁棒性。为此，今年我们开展了以下研究课题。首先，我们构建了一种主动环境搜索方法来训练滑移模型，以预测会导致流动站卡住的车轮滑移。旨在提高高斯过程回归预测模型的预测精度的环境搜索被表述为信息最大化路径规划问题。对于同样的问题，我们实现了一个规划器，通过应用基于概率约束搜索可能导致滑倒而不被卡住的地形的条件来搜索在连续空间中最大化信息量的路线。在仿真环境中，我们证实流动站能够基于所提出的方法安全有效地顺序学习滑移，证明了主动滑移模型学习的有效性。除此之外，我们还针对火星等多地形分散的崎岖地形环境，进行了机器学习与路线规划相结合的算法研究。为了处理确定性学习模型中出现的预测误差，我们以概率方式表达滑移预测结果，并根据概率分布计算统计指标来估计路线规划的成本。我们在模拟环境中进行了实验，结果表明，与现有方法相比，所提出的方法可以实现更安全、更高效的导航。

项目成果

Active Traversability Learning via Risk-aware Information Gathering for Planetary Exploration Rovers

通过行星探索漫游车的风险意识信息收集进行主动可穿越性学习

• DOI: 10.1109/lra.2022.3207554
• 发表时间: 2022
• 期刊: IEEE Robotics and Automation Letters
• 影响因子: 5.2
• 作者: Masafumi Endo;Genya Ishigami
• 通讯作者: Genya Ishigami

Risk-aware Path Planning via Probabilistic Fusion of Traversability Prediction for Planetary Rovers on Heterogeneous Terrains

通过概率融合可穿越性预测的行星漫游器在异质地形上的风险感知路径规划

• 发表时间: 2023
• 期刊: Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation
• 作者: Masafumi Endo;Tatsunori Taniai;Ryo Yonetani;Genya Ishigami
• 通讯作者: Genya Ishigami