一種用于高維機(jī)器人的機(jī)會(huì)約束運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)

麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室的研究人員最近開發(fā)了一種機(jī)會(huì)約束運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，該系統(tǒng)可應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)不確定性和不完美狀態(tài)信息情況下的高自由度(DOF)機(jī)器人。在arXiv上預(yù)先發(fā)表的論文中概述了他們的方法，可以找到滿足用戶指定的碰撞概率界限的可行軌跡。

“這項(xiàng)工作的主要靈感來自現(xiàn)有的機(jī)會(huì)限制運(yùn)動(dòng)規(guī)劃者的限制，”進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一Siyu Dai告訴TechXplore。“我發(fā)現(xiàn)許多最先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃師都需要將障礙物制成凸形，這對(duì)于高維領(lǐng)域的規(guī)劃來說是不可行的，例如機(jī)械手運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。其他主流機(jī)會(huì)約束運(yùn)動(dòng)規(guī)劃師都是基于快速的 - 探索隨機(jī)樹(RRT)方法，其中高維規(guī)劃任務(wù)的速度非常關(guān)注。“

為了解決現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)的局限性，戴和她的同事著手開發(fā)一種快速反應(yīng)和機(jī)會(huì)受限的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器。這樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器對(duì)于完成受到嚴(yán)重干擾和有限觀察的任務(wù)的機(jī)器人特別有用，例如水下操縱。

概率Chekov(p-Chekov)，他們創(chuàng)建的系統(tǒng)，是基于他們以前在確定性運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中的工作，它將軌跡優(yōu)化集成到稀疏的路線圖框架中。P-Chekov使用線性二次高斯運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法來估計(jì)機(jī)器人的狀態(tài)概率分布。然后，它將正交理論應(yīng)用于航路點(diǎn)碰撞風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)，并采用風(fēng)險(xiǎn)分配方法，為航路點(diǎn)分配允許的故障概率。

“我們論文中開發(fā)的機(jī)會(huì)約束運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)包括確定性規(guī)劃組件和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估組件，”戴解釋說。“確定性組件首先構(gòu)建一個(gè)路線圖，該路線圖由基于環(huán)境信息的可行無碰撞邊緣組成。在線規(guī)劃任務(wù)中，它然后從路線圖中搜索可行軌跡并使用軌跡優(yōu)化器對(duì)其進(jìn)行平滑處理。然后通過該軌跡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估部分，根據(jù)噪聲估計(jì)評(píng)估碰撞風(fēng)險(xiǎn)。“

如果由P-Chekov的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估組件計(jì)算的碰撞風(fēng)險(xiǎn)違反預(yù)定義的機(jī)會(huì)約束，則將軌跡返回到確定性規(guī)劃器并添加新約束，以便找到具有較低風(fēng)險(xiǎn)的軌跡。如果碰撞風(fēng)險(xiǎn)滿足機(jī)會(huì)約束，則系統(tǒng)簡(jiǎn)單地執(zhí)行所提出的軌跡。

與現(xiàn)有的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器相反，P-Chekov可以應(yīng)用于高自由度機(jī)器人規(guī)劃任務(wù)，而不必將障礙物制成凸形。在模擬測(cè)試中，系統(tǒng)有效地降低了碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，并在高維機(jī)器人通常遇到的實(shí)際規(guī)劃場(chǎng)景中滿足用戶指定的機(jī)會(huì)約束。

“我們建立了一個(gè)機(jī)會(huì)約束運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，可以結(jié)合高維運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)，”戴說。“這意味著機(jī)會(huì)約束的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃不再局限于駕駛型任務(wù)，而是現(xiàn)在可以應(yīng)用于帶有武器的移動(dòng)機(jī)器人，例如人類支持機(jī)器人和水下操縱器，它們可以根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)要求制定計(jì)劃“。

在未來，P-Chekov可以應(yīng)用于各種高維機(jī)器人，在不確定的情況下改進(jìn)其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。盡管其結(jié)果很有希望，但由于次優(yōu)風(fēng)險(xiǎn)分配和有限數(shù)量的正交節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)規(guī)劃階段的結(jié)果有時(shí)可能過于保守。

在初步測(cè)試中，研究人員已經(jīng)開始評(píng)估可以增強(qiáng)系統(tǒng)效用的技術(shù)。同時(shí)，他們還計(jì)劃改進(jìn)P-Chekov的碰撞概率估算算法，以進(jìn)一步提高其避免沖突的能力。

“我們下一步研究的主要方向是改進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估算法，以加快整個(gè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃過程，并使規(guī)劃人員快速反應(yīng)，”戴說。