基於風險感知模型預測路徑積分控制的隨機混合系統運動規劃

Основні поняття

本文提出了一種基於風險感知模型預測路徑積分控制（MPPI）的隨機混合系統運動規劃方法，透過結合非自我主體的混合動力學模型和基於Unscented Transform的狀態預測方法，實現更安全、高效的機器人導航。

Анотація

基於風險感知模型預測路徑積分控制的隨機混合系統運動規劃

本文針對隨機混合系統的運動規劃問題，提出了一種基於風險感知模型預測路徑積分控制（MPPI）的新方法。隨機混合系統由於其狀態相關的動態切換函數，在預測未來狀態分佈方面存在獨特挑戰。傳統方法在處理狀態相關干擾時，通常僅基於預測狀態的均值進行切換，而忽略了狀態的隨機性。
本文提出的方法利用了Unscented Transform（UT）技術，能夠更準確地捕捉狀態和狀態相關切換表面的隨機性。具體而言，該方法採用基於UT的粒子方法來傳播狀態分佈，並根據每個sigma粒子來確定動態切換，從而更全面地考慮了狀態的不確定性。
為了驗證所提方法的有效性，本文將其應用於移動機器人在動態環境中的導航問題。實驗結果表明，與忽略合作行為或假設恆定速度模型的規劃方法相比，考慮了非自我主體混合動力學特性的方法能夠更快地收斂到目標，同時避免碰撞，並有效降低成本和提高安全性。

提出了一種基於UT的MPPI變體，用於解決隨機混合系統的運動規劃問題。
利用加權粒子將狀態的隨機性映射到模式切換的隨機性，克服了僅基於預測狀態均值進行確定性切換的局限性。
將MPPI擴展到具有任意狀態相關干擾的系統。
通過模擬實驗驗證了所提方法在動態環境中導航任務中的有效性。

Ключові висновки, отримані з

Risk-aware MPPI for Stochastic Hybrid Systems

by Hardik Parwa... о arxiv.org 11-15-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.09198.pdf

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如何將該方法擴展到更複雜的混合動力學系統，例如具有多個操作模式和更復雜的切換邏輯的系統？

將該方法擴展到更複雜的混合動力系統，需要解決以下幾個方面：

多操作模式的處理: 對於具有多個操作模式的系統，需要對每個模式建立相應的隨機動態模型 (Dqj)。這可能需要更復雜的模型結構和更多的參數，例如神經網絡。同時，需要設計相應的激活函數 (gj,k) 來判斷當前處於哪個操作模式。對於複雜的切換邏輯，可以考慮使用決策樹、支持向量機等方法來構建激活函數。

狀態空間的劃分: 隨著操作模式的增加，狀態空間的劃分會變得更加複雜。簡單的基於距離的劃分方法可能不再適用，需要根據具體的應用場景設計更合理的劃分方法。例如，可以根據非自我主體的行為意圖、環境信息等因素進行狀態空間劃分。

計算效率: 隨著操作模式和狀態空間複雜度的增加，算法的計算效率會面臨更大的挑戰。可以考慮使用以下方法來提高計算效率：

降维: 通過特徵提取、主成分分析等方法降低狀態空間的維度，減少計算量。
并行计算: 利用GPU等并行计算设备加速算法的执行。
模型简化: 在保证一定精度的前提下，简化模型的复杂度，例如使用线性模型逼近非线性模型。

算法的泛化能力: 对于更复杂的混合动力系统，需要保证算法具有良好的泛化能力，能够适应不同的环境和任务。可以考虑使用基于学习的方法来提高算法的泛化能力，例如使用深度强化学习方法训练一个通用的导航策略。

在實際應用中，如何有效地獲取非自我主體的混合動力學模型？

在實際應用中，獲取非自我主體的混合動力學模型是一個 challenging 的問題。以下是一些可行的方法：

基于数据的学习: 可以利用大量的观测数据，例如摄像头、激光雷达等传感器数据，使用机器学习方法学习非自我主体的行为模型。常用的方法包括：

高斯过程: 可以用来学习非线性、非平稳的动态模型。
隐马尔可夫模型: 可以用来学习具有不同操作模式的混合动力系统。
循环神经网络: 可以用来学习具有时间序列特性的动态模型。

基于模型的辨识: 可以根据非自我主体的物理特性、运动学约束等先验知识，建立一个参数化的动力学模型，然后使用数据拟合模型参数。

结合先验知识和数据: 可以将先验知识和数据结合起来，例如使用贝叶斯方法，利用先验知识构建模型的先验分布，然后使用数据更新模型的后验分布。

人机交互: 对于某些应用场景，例如人机协作，可以 通过人机交互的方式获取非自我主体的行为意图，例如使用语音识别、手势识别等技术。

需要注意的是，在实际应用中，获取的模型往往是近似的，并且会存在一定的误差。因此，在设计导航算法时，需要考虑模型的不确定性，例如使用鲁棒优化、风险敏感控制等方法。

如何將該方法與其他機器人導航技術（例如，基於學習的方法）相結合，以進一步提高導航性能？

将 ECUT-MPPI 与其他机器人导航技术相结合，可以充分利用不同方法的优势，进一步提高导航性能。以下是一些可行的思路：

与基于学习的路径规划方法结合: 可以使用基于学习的方法，例如深度强化学习，训练一个全局路径规划器，为 ECUT-MPPI 提供初始路径或目标点。ECUT-MPPI 则作为局部路径规划器，根据当前环境信息和非自我主体的运动预测，对全局路径进行动态调整，从而实现更安全、高效的导航。

与基于语义地图的导航方法结合: 可以将语义信息融入到状态空间的划分和动态模型的构建中。例如，可以根据道路类型、交通规则等语义信息，对不同区域的非自我主体的行为进行建模，从而提高预测的准确性。

与多传感器融合技术结合: 可以利用多传感器融合技术，例如摄像头、激光雷达、毫米波雷达等，获取更丰富、准确的环境信息和非自我主体的运动信息，从而提高状态估计和预测的精度。

与人机交互技术结合: 可以利用人机交互技术，例如语音识别、手势识别等，获取用户的导航意图和对环境的理解，从而为导航算法提供更丰富的参考信息。

总而言之，将 ECUT-MPPI 与其他机器人导航技术相结合，是一个 promising 的研究方向，可以有效提高机器人在复杂环境中的导航性能。