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運動計画arXiv:2611.13863

学習伝播による分布ロバスト運動計画:非線形不確実システムのための森林探索

Learn-To-Propagate: Distributionally Robust Motion Planning for Nonlinear Uncertain Systems

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未知の初期状態・過程ノイズ分布を持つ非線形確率システムに対し、最適輸送で曖昧さ集合を学習し、それを動力学に伝播させて安全検証する分布ロバストなサンプリングベース計画法を提案した論文。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 非線形かつ不確実な確率システムに対する motion planning 手法 - 初期状態と process noise の分布が未知の設定を扱う - 目標集合への到達と高確率での安全状態維持を目的とする - 提案手法は Learn-To-Propagate Distributionally-Robust Forest (L2P-DR-Forest) - distributionally-robust な sampling-based planning algorithm である

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 既存手法は線形 dynamics かつ分布を完全に既知と仮定するか、形式的な正しさの保証を欠く - 提案手法は非線形 stochastic systems と未知の初期状態・process noise 分布を扱う - optimal transport を用いて真の分布を高信頼で含む ambiguity sets を学習する - 返される全 plan が所定の信頼度で仕様を満たすことを証明 - 一定の feasibility・distributional 仮定の下で probabilistic completeness も示す

3. 技術・手法の肝は?

- optimal transport の最近の進展を利用し ambiguity sets を学習 - 真の system distributions を高い信頼度で含む集合を構成 - これらの集合を system dynamics を通して伝播する効率的な手法を開発 - 伝播した集合の安全性を検証する手法を開発 - 上記を新規の sampling-based planning algorithm に統合 - 状態空間に探索木の forest を成長させる - ambiguity-sets の半径の増大を考慮し緩和する

4. どうやって有効だと検証した?

- 複数の robotic benchmarks 上で評価を実施 - 既存手法と比較し、提案手法が significantly outperforms することを示す - 高い信頼度での formal guarantees を提供できることも確認 - 具体的なベンチマーク名や評価指標は要旨からは不明

5. 議論はある?

- アルゴリズムの正しさ(全 plan が所定信頼度で仕様を満たす)を証明 - 一部の feasibility・distributional 仮定の下で probabilistic completeness を証明 - 仮定が成立しない場合の挙動や限界は要旨からは不明 - ambiguity sets の半径増大への対処の詳細なトレードオフは要旨からは不明

6. 次に読むべき論文は?

- optimal transport を用いた ambiguity set 学習の関連研究 - distributionally robust optimization / distributionally robust planning の既存研究 - sampling-based motion planning の代表的手法(RRT 系など) - 非線形 stochastic systems の safety verification に関する研究 - 具体的な参照論文は要旨からは不明

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Eduardo Figueiredo, Adrien Banse, Qi Heng Ho, Raphael Jungers, Morteza Lahijanian, Luca Laurenti

分類: cs.RO, eess.SY

原文アブストラクト

Motion planning for stochastic systems aims to find a sequence of control inputs that drives a system to a goal set while avoiding unsafe states with high probability. Existing approaches, however, are either restricted to linear dynamics with perfect knowledge of the underlying distributions or lack formal correctness guarantees. To address these limitations, we propose \emph{Learn-To-Propagate Distributionally-Robust Forest (L2P-DR-Forest)}, a distributionally-robust sampling-based planning algorithm for \emph{nonlinear} stochastic systems with \emph{unknown} initial state and process noise distributions. Our approach leverages recent advances in optimal transport to learn ambiguity sets that contain the true system distributions with high confidence. We develop an efficient method for propagating these sets through the system dynamics and for verifying their safety. We then integrate these techniques into a novel sampling-based planning algorithm to grow a forest of search trees in the system's state space while accounting for and mitigating the growth of ambiguity-sets radii. We prove that the algorithm is correct, i.e., every returned plan satisfies the specifications with the prescribed confidence, and, under some feasibility and distributional assumptions, is probabilistically complete. Evaluations on several robotic benchmarks demonstrate that our algorithm significantly outperforms existing methods while providing formal guarantees with high confidence.

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