Real-time Whole-body Model Predictive Control for Bipedal Locomotion with a Novel Kino-dynamic Model and Warm-start Method

要約

最適化ソルバーとコンピューティングパワーの進歩により、全身モデル予測制御(WB-MPC)を二足歩行ロボットに適用することに関心が高まっています。
ただし、二足歩行ロボットの自由度と固有のモデルの複雑さは、リアルタイムのパフォーマンスのために高速で安定した制御サイクルを達成する上で大きな課題をもたらします。
このペーパーでは、Bipedal RobotsでのリアルタイムWB-MPCの新しいキノダイナミックモデルとウォームスタート戦略を紹介します。
提案されているKino-Dynamicモデルは、線形反転振り子に加えてフライホイールと全身の運動学モデルを組み合わせています。
コンタクトレンチの概念に依存する従来の全身モデルとは異なり、我々のモデルはゼロモーメントポイント(ZMP)を利用して、ベースラインの計算コストを削減し、接触状態の移行中に一貫して低遅延を確保します。
さらに、モジュール化された多層パーセプトロン(MLP)ベースのウォームスタート戦略が提案されており、軽量のニューラルネットワークを活用して、各コントロールサイクルに適切な初期推測を提供します。
さらに、インパルスとZMPを明示的に制御するために既存のWBCを拡張し、リアルタイムのWB-MPCフレームワークに統合するために既存のWBCを拡張するZMPベースの全身コントローラー(WBC)を提示します。
さまざまな比較実験を通じて、提案されたキノダイナミックモデルとウォームスタート戦略は、以前の研究よりも優れていることが示されています。
シミュレーションと実際のロボット実験により、提案されたフレームワークが摂動に対する堅牢性を示し、歩行中のリアルタイムの制御要件を満たすことをさらに検証します。

要約(オリジナル)

Advancements in optimization solvers and computing power have led to growing interest in applying whole-body model predictive control (WB-MPC) to bipedal robots. However, the high degrees of freedom and inherent model complexity of bipedal robots pose significant challenges in achieving fast and stable control cycles for real-time performance. This paper introduces a novel kino-dynamic model and warm-start strategy for real-time WB-MPC in bipedal robots. Our proposed kino-dynamic model combines the linear inverted pendulum plus flywheel and full-body kinematics model. Unlike the conventional whole-body model that rely on the concept of contact wrenches, our model utilizes the zero-moment point (ZMP), reducing baseline computational costs and ensuring consistently low latency during contact state transitions. Additionally, a modularized multi-layer perceptron (MLP) based warm-start strategy is proposed, leveraging a lightweight neural network to provide a good initial guess for each control cycle. Furthermore, we present a ZMP-based whole-body controller (WBC) that extends the existing WBC for explicitly controlling impulses and ZMP, integrating it into the real-time WB-MPC framework. Through various comparative experiments, the proposed kino-dynamic model and warm-start strategy have been shown to outperform previous studies. Simulations and real robot experiments further validate that the proposed framework demonstrates robustness to perturbation and satisfies real-time control requirements during walking.

arxiv情報

著者 Junhyung Kim,Hokyun Lee,Jaeheung Park
発行日 2025-05-26 06:01:25+00:00
arxivサイト arxiv_id(pdf)

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google

カテゴリー: cs.RO | Real-time Whole-body Model Predictive Control for Bipedal Locomotion with a Novel Kino-dynamic Model and Warm-start Method はコメントを受け付けていません

LF-GNSS: Towards More Robust Satellite Positioning with a Hard Example Mining Enhanced Learning-Filtering Deep Fusion Framework

要約

グローバルナビゲーション衛星システム(GNSS)は、自動運転システム、無人車両、およびさまざまな位置ベースのテクノロジーに不可欠です。これは、ナビゲーションと状況認識に必要な正確な地理空間情報を提供するためです。
ただし、そのパフォーマンスは、特に都市環境では、視線のない(NLOS)およびマルチパス効果によって劣化することがよくあります。
最近、人工知能(AI)は多くの業界でイノベーションを促進しており、衛星ポジショニングの課題を軽減するための新しいソリューションを導入しています。
このペーパーでは、LF-GNSと呼ばれる衛星位置決めのための学習フィルタリングディープフュージョンフレームワークを紹介します。
このフレームワークは、ディープラーニングネットワークを利用して、衛星観測の信号特性をインテリジェントに分析し、カルマンフィルター入力の観測ノイズ共分散マトリックスと補償イノベーションベクトルの適応構造を可能にします。
動的なハード例マイニング技術は、トレーニング中に挑戦的な衛星信号に優先順位を付けることにより、モデルの堅牢性を高めるために組み込まれています。
さらに、精度の希釈(DOP)の寄与に基づいた新しい特徴表現を導入します。これは、個々の衛星の信号品質をより効果的に特徴付け、測定の重み付けを改善するのに役立ちます。
LF-GNSは、パブリックデータセットとプライベートデータセットの両方で検証されており、従来の方法やその他の学習ベースのソリューションと比較して優れた位置決めの精度を示しています。
AIおよびGNSSの研究のさらなる統合を奨励するために、https://github.com/garlanlou/lf-gnssでコードをオープンソースし、https://github.com/garlanlou/lf-gnssdatasetで都市のシナリオの衛星位置データセットのコレクションをリリースします。

要約(オリジナル)

Global Navigation Satellite System (GNSS) is essential for autonomous driving systems, unmanned vehicles, and various location-based technologies, as it provides the precise geospatial information necessary for navigation and situational awareness. However, its performance is often degraded by Non-Line-Of-Sight (NLOS) and multipath effects, especially in urban environments. Recently, Artificial Intelligence (AI) has been driving innovation across numerous industries, introducing novel solutions to mitigate the challenges in satellite positioning. This paper presents a learning-filtering deep fusion framework for satellite positioning, termed LF-GNSS. The framework utilizes deep learning networks to intelligently analyze the signal characteristics of satellite observations, enabling the adaptive construction of observation noise covariance matrices and compensated innovation vectors for Kalman filter input. A dynamic hard example mining technique is incorporated to enhance model robustness by prioritizing challenging satellite signals during training. Additionally, we introduce a novel feature representation based on Dilution of Precision (DOP) contributions, which helps to more effectively characterize the signal quality of individual satellites and improve measurement weighting. LF-GNSS has been validated on both public and private datasets, demonstrating superior positioning accuracy compared to traditional methods and other learning-based solutions. To encourage further integration of AI and GNSS research, we will open-source the code at https://github.com/GarlanLou/LF-GNSS, and release a collection of satellite positioning datasets for urban scenarios at https://github.com/GarlanLou/LF-GNSS-Dataset.

arxiv情報

著者 Jianan Lou,Rong Zhang
発行日 2025-05-26 06:22:28+00:00
arxivサイト arxiv_id(pdf)

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google

カテゴリー: cs.RO | LF-GNSS: Towards More Robust Satellite Positioning with a Hard Example Mining Enhanced Learning-Filtering Deep Fusion Framework はコメントを受け付けていません

Situationally-Aware Dynamics Learning

要約

複雑で構造化されていない環境で動作する自律的なロボットは、内部状態と外界の両方の理解を曖昧にする潜在的で観察されていない要因のために、重大な課題に直面しています。
この課題に対処することで、ロボットは運用上のコンテキストをより深く把握できるようになります。
これに取り組むために、隠された状態表現をオンラインで学習するための新しいフレームワークを提案します。ロボットは、そうでなければ曖昧であり、最適ではない動作または誤った行動をもたらす不確実かつ動的な条件にリアルタイムで適応できます。
私たちのアプローチは、一般化された隠されたパラメーターマルコフ決定プロセスとして形式化されており、遷移ダイナミクスと報酬構造の両方に対する観察されていないパラメーターの影響を明示的にモデル化します。
私たちのコアイノベーションは、潜在的な自我および環境ファクターの表現力のある表現として機能する州の移行の共同分布をオンラインで学習することにあります。
この確率的アプローチは、さまざまな運用状況の特定と適応をサポートし、堅牢性と安全性を向上させます。
ベイジアンオンラインチェンジポイント検出の多変量拡張を通じて、メソッドセグメントは、ロボットのダイナミクスを管理する基礎となるデータ生成プロセスの変化をセグメントします。
その後、ロボットの遷移モデルは、最新の状態遷移の共同分布から導き出された現在の状況の象徴的な表現で通知され、適応的およびコンテキスト認識の意思決定を可能にします。
現実世界の有効性を紹介するために、モデル化されていない未測定の地形特性がロボットの動きに大きな影響を与える可能性のある、構造化されていない地形ナビゲーションの挑戦的なタスクでのアプローチを検証します。
シミュレーションと現実の両方の世界での広範な実験により、データの効率、政策パフォーマンス、およびより安全で適応性のあるナビゲーション戦略の出現の大幅な改善が明らかになりました。

要約(オリジナル)

Autonomous robots operating in complex, unstructured environments face significant challenges due to latent, unobserved factors that obscure their understanding of both their internal state and the external world. Addressing this challenge would enable robots to develop a more profound grasp of their operational context. To tackle this, we propose a novel framework for online learning of hidden state representations, with which the robots can adapt in real-time to uncertain and dynamic conditions that would otherwise be ambiguous and result in suboptimal or erroneous behaviors. Our approach is formalized as a Generalized Hidden Parameter Markov Decision Process, which explicitly models the influence of unobserved parameters on both transition dynamics and reward structures. Our core innovation lies in learning online the joint distribution of state transitions, which serves as an expressive representation of latent ego- and environmental-factors. This probabilistic approach supports the identification and adaptation to different operational situations, improving robustness and safety. Through a multivariate extension of Bayesian Online Changepoint Detection, our method segments changes in the underlying data generating process governing the robot’s dynamics. The robot’s transition model is then informed with a symbolic representation of the current situation derived from the joint distribution of latest state transitions, enabling adaptive and context-aware decision-making. To showcase the real-world effectiveness, we validate our approach in the challenging task of unstructured terrain navigation, where unmodeled and unmeasured terrain characteristics can significantly impact the robot’s motion. Extensive experiments in both simulation and real world reveal significant improvements in data efficiency, policy performance, and the emergence of safer, adaptive navigation strategies.

arxiv情報

著者 Alejandro Murillo-Gonzalez,Lantao Liu
発行日 2025-05-26 06:40:11+00:00
arxivサイト arxiv_id(pdf)

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google

カテゴリー: cs.AI, cs.LG, cs.RO, math.OC | Situationally-Aware Dynamics Learning はコメントを受け付けていません

Whole-body Multi-contact Motion Control for Humanoid Robots Based on Distributed Tactile Sensors

要約

閉じ込められた環境でヒューマノイドロボットが堅牢に動作できるようにするために、手や足などの四肢だけでなく、膝や肘などの手足の中間領域でも接触を作る多接触運動が不可欠です。
ヒューマノイドロボットによる中間領域での接触を含むこのような全身マルチコンタクトモーションを実現する方法を開発します。
変形可能なシート型分布触覚センサーは、ロボットの手足の表面に取り付けられ、ロボットの体型を大幅に変えることなく接触力を測定します。
四肢での接触専用のマルチコンタクトモーションコントローラーは、中間領域での接触を処理するために拡張されており、ロボットの動きは、力/トルクセンサーだけでなく分布した触覚センサーを使用してフィードバック制御によって安定します。
ダイナミクスシミュレーションの検証を通じて、開発された触覚フィードバックが、障害や環境エラーに対する全身の多接触運動の安定性を改善することを示します。
さらに、等身大のヒューマノイドRHP Kaleidoは、前腕の接触で身体を支えながら体を支え、太ももの接触と座っている姿勢でバランスをとるなど、全身マルチコンタクト運動を示しています。

要約(オリジナル)

To enable humanoid robots to work robustly in confined environments, multi-contact motion that makes contacts not only at extremities, such as hands and feet, but also at intermediate areas of the limbs, such as knees and elbows, is essential. We develop a method to realize such whole-body multi-contact motion involving contacts at intermediate areas by a humanoid robot. Deformable sheet-shaped distributed tactile sensors are mounted on the surface of the robot’s limbs to measure the contact force without significantly changing the robot body shape. The multi-contact motion controller developed earlier, which is dedicated to contact at extremities, is extended to handle contact at intermediate areas, and the robot motion is stabilized by feedback control using not only force/torque sensors but also distributed tactile sensors. Through verification on dynamics simulations, we show that the developed tactile feedback improves the stability of whole-body multi-contact motion against disturbances and environmental errors. Furthermore, the life-sized humanoid RHP Kaleido demonstrates whole-body multi-contact motions, such as stepping forward while supporting the body with forearm contact and balancing in a sitting posture with thigh contacts.

arxiv情報

著者 Masaki Murooka,Kensuke Fukumitsu,Marwan Hamze,Mitsuharu Morisawa,Hiroshi Kaminaga,Fumio Kanehiro,Eiichi Yoshida
発行日 2025-05-26 06:53:26+00:00
arxivサイト arxiv_id(pdf)

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google

カテゴリー: cs.RO | Whole-body Multi-contact Motion Control for Humanoid Robots Based on Distributed Tactile Sensors はコメントを受け付けていません

An Efficient Learning Control Framework With Sim-to-Real for String-Type Artificial Muscle-Driven Robotic Systems

要約

人工筋肉によって駆動されるロボットシステムは、アクチュエーターの非線形ダイナミクスと機械構造の複雑な設計により、独自の課題を提示します。
従来のモデルベースのコントローラーは、多くの場合、このようなシステムで望ましい制御性能を達成するのに苦労しています。
ロボット制御に広く採用されているトレンド機械学習技術であるディープ補強学習(DRL)は、有望な代替手段を提供します。
ただし、これらのロボットシステムにDRLを統合すると、大量のトレーニングデータの要件や、実際のロボットに展開されたときの避けられないSIMからリアルギャップなど、重要な課題に直面しています。
このペーパーでは、これらの課題に対処するために、SIMから現実的な転送を備えた効率的な強化学習制御フレームワークを提案しています。
ブートストラップと増強の強化は、ベースラインDRLアルゴリズムのデータ効率を改善するように設計されていますが、SIMからリアルへの転送手法、つまり筋肉のダイナミクスのランダム化が採用され、シミュレーションと現実世界の展開とのギャップを埋めるために採用されます。
広範な実験とアブレーション研究は、2つのフリードームのロボットの眼と並列ロボットリストを含む2つの弦型の人工筋肉駆動型ロボットシステムを使用して実施されます。

要約(オリジナル)

Robotic systems driven by artificial muscles present unique challenges due to the nonlinear dynamics of actuators and the complex designs of mechanical structures. Traditional model-based controllers often struggle to achieve desired control performance in such systems. Deep reinforcement learning (DRL), a trending machine learning technique widely adopted in robot control, offers a promising alternative. However, integrating DRL into these robotic systems faces significant challenges, including the requirement for large amounts of training data and the inevitable sim-to-real gap when deployed to real-world robots. This paper proposes an efficient reinforcement learning control framework with sim-to-real transfer to address these challenges. Bootstrap and augmentation enhancements are designed to improve the data efficiency of baseline DRL algorithms, while a sim-to-real transfer technique, namely randomization of muscle dynamics, is adopted to bridge the gap between simulation and real-world deployment. Extensive experiments and ablation studies are conducted utilizing two string-type artificial muscle-driven robotic systems including a two degree-of-freedom robotic eye and a parallel robotic wrist, the results of which demonstrate the effectiveness of the proposed learning control strategy.

arxiv情報

著者 Jiyue Tao,Yunsong Zhang,Sunil Kumar Rajendran,Feitian Zhang
発行日 2025-05-26 07:03:25+00:00
arxivサイト arxiv_id(pdf)

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google

カテゴリー: cs.RO | An Efficient Learning Control Framework With Sim-to-Real for String-Type Artificial Muscle-Driven Robotic Systems はコメントを受け付けていません

MOON: Multi-Objective Optimization-Driven Object-Goal Navigation Using a Variable-Horizon Set-Orienteering Planner

要約

Object-Goal Navigation(on)により、自動運転ロボットは、以前は未知の環境でユーザー指定のオブジェクトを見つけて到達でき、支援や災害対応などのドメインで有望なアプリケーションを提供できます。
トレーニングなしのアプローチ、強化学習、ゼロショットプランナーなどの方法に存在する – 一般に、ランドマークオブジェクト(キッチンやデスクなど)を特定するためのアクティブな探索に依存し、その後、意味的に関連するターゲット(特定のマグカップなど)へのナビゲーションが続きます。
ただし、これらの方法は戦略的計画を欠いていることが多く、複数の目標間のトレードオフに適切に対処しません。
これらの課題を克服するために、多目的最適化問題(MOO)として定式化する新しいフレームワークを提案し、フロンティアベースの知識探索と以前に観察されたランドマーク上の知識の搾取とのバランスを取ります。
このフレームワークの月を呼び出します(Moo-driven on)。
3つの主要なコンポーネントを統合するプロトタイプムーンシステムを実装します。(1)QOM [IROS05]の建物は、ターゲットとの意味関連に基づいてコンパクトで差別的にエンコードするシステム上のクラシックです。
(2)ナビゲーションパイプラインを強化するために、最近提案されたトレーニングなしのプランナーであるstructnav [RSS23]を統合します。
(3)探索戦略と搾取戦略の両方にわたってグローバルな最適化を可能にするために、可変ホーデンセットのオリエンテーリング問題の定式化を導入する。
この作業は、グローバルに最適化された次世代のオブジェクトゴールナビゲーションシステムの開発に向けた重要な第一歩を表しています。

要約(オリジナル)

Object-goal navigation (ON) enables autonomous robots to locate and reach user-specified objects in previously unknown environments, offering promising applications in domains such as assistive care and disaster response. Existing ON methods — including training-free approaches, reinforcement learning, and zero-shot planners — generally depend on active exploration to identify landmark objects (e.g., kitchens or desks), followed by navigation toward semantically related targets (e.g., a specific mug). However, these methods often lack strategic planning and do not adequately address trade-offs among multiple objectives. To overcome these challenges, we propose a novel framework that formulates ON as a multi-objective optimization problem (MOO), balancing frontier-based knowledge exploration with knowledge exploitation over previously observed landmarks; we call this framework MOON (MOO-driven ON). We implement a prototype MOON system that integrates three key components: (1) building on QOM [IROS05], a classical ON system that compactly and discriminatively encodes landmarks based on their semantic relevance to the target; (2) integrating StructNav [RSS23], a recently proposed training-free planner, to enhance the navigation pipeline; and (3) introducing a variable-horizon set orienteering problem formulation to enable global optimization over both exploration and exploitation strategies. This work represents an important first step toward developing globally optimized, next-generation object-goal navigation systems.

arxiv情報

著者 Daigo Nakajima,Kanji Tanaka,Daiki Iwata,Kouki Terashima
発行日 2025-05-26 07:08:01+00:00
arxivサイト arxiv_id(pdf)

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google

カテゴリー: cs.RO | MOON: Multi-Objective Optimization-Driven Object-Goal Navigation Using a Variable-Horizon Set-Orienteering Planner はコメントを受け付けていません

Indoor Air Quality Detection Robot Model Based on the Internet of Things (IoT)

要約

このペーパーでは、屋内空気の質をマッピングおよび監視するためのIoTベースのロボットシステムの設計、実装、および評価を紹介します。
主な目的は、閉じた環境を自律的にマッピングできるモバイルロボットを開発し、CO $ _2 $、揮発性有機化合物(VOC)、煙、温度、湿度、およびリアルタイムデータをWebインターフェイスに送信できるモバイルロボットを開発することでした。
システムは、センサーのセット(SGP30、MQ-2、DHT11、VL53L0X、MPU6050)をESP32マイクロコントローラーと統合します。
空間データ収集にマッピングアルゴリズムを採用し、大気質分類のためにMamdani Fuzzyロジックシステムを利用しています。
モデルルームの経験的テストでは、すべてのモダリティで12ドルの\%$未満のアクチュエータモーションエラー、およびセンサー測定エラーが12ドル以下のセンサー測定エラーを示しました。
この作業の貢献には、次のものが含まれます。(1)同時マッピングと大気質検出のための低コストの統合IoTロボットプラットフォーム。
(2)リアルタイムの視覚化と制御のためのWebベースのユーザーインターフェイス。
(3)実験室条件下でのシステム精度の検証。

要約(オリジナル)

This paper presents the design, implementation, and evaluation of an IoT-based robotic system for mapping and monitoring indoor air quality. The primary objective was to develop a mobile robot capable of autonomously mapping a closed environment, detecting concentrations of CO$_2$, volatile organic compounds (VOCs), smoke, temperature, and humidity, and transmitting real-time data to a web interface. The system integrates a set of sensors (SGP30, MQ-2, DHT11, VL53L0X, MPU6050) with an ESP32 microcontroller. It employs a mapping algorithm for spatial data acquisition and utilizes a Mamdani fuzzy logic system for air quality classification. Empirical tests in a model room demonstrated average localization errors below $5\%$, actuator motion errors under $2\%$, and sensor measurement errors within $12\%$ across all modalities. The contributions of this work include: (1) a low-cost, integrated IoT robotic platform for simultaneous mapping and air quality detection; (2) a web-based user interface for real-time visualization and control; and (3) validation of system accuracy under laboratory conditions.

arxiv情報

著者 Anggiat Mora Simamora,Asep Denih,Mohamad Iqbal Suriansyah
発行日 2025-05-26 07:10:18+00:00
arxivサイト arxiv_id(pdf)

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google

カテゴリー: cs.RO | Indoor Air Quality Detection Robot Model Based on the Internet of Things (IoT) はコメントを受け付けていません

Software Engineering for Self-Adaptive Robotics: A Research Agenda

要約

自己適応ロボットシステムは、動的で不確実な環境で自律的に動作するように設計されており、その動作をリアルタイムで監視、分析、適応させるための堅牢なメカニズムが必要です。
事前定義されたロジックに続く従来のロボットソフトウェアとは異なり、自己適応ロボットは人工知能、機械学習、モデル駆動型エンジニアリングを活用して、信頼性、安全性、パフォーマンスを確保しながら、運用条件の変化に継続的に適応します。
このペーパーでは、自己適応ロボット工学におけるソフトウェアエンジニアリングの研究アジェンダを紹介し、2つの重要な側面にわたる重要な課題に対処します。(1)要件エンジニアリング、ソフトウェア設計、共産、および適応ロボットシステムに合わせたテスト方法を含む開発段階、および(2)デジタルツイン、モデル型エンジニアリング、AI-Drivented centipatiate、AI-Drivented centipationなどの主要なテクノロジー、
意思決定。
不確実性の下での適応行動の検証、適応性、パフォーマンス、安全性のトレードオフのバランスをとること、Mape-Kなどの自己適応フレームワークの統合など、オープンな研究の課題について説明します。
構造化されたロードマップを提供することにより、この作業は、自己適応ロボットシステムのソフトウェアエンジニアリング基盤を前進させ、実世界の複雑さを処理できることを保証することを目的としています。

要約(オリジナル)

Self-adaptive robotic systems are designed to operate autonomously in dynamic and uncertain environments, requiring robust mechanisms to monitor, analyse, and adapt their behaviour in real-time. Unlike traditional robotic software, which follows predefined logic, self-adaptive robots leverage artificial intelligence, machine learning, and model-driven engineering to continuously adjust to changing operational conditions while ensuring reliability, safety, and performance. This paper presents a research agenda for software engineering in self-adaptive robotics, addressing critical challenges across two key dimensions: (1) the development phase, including requirements engineering, software design, co-simulation, and testing methodologies tailored to adaptive robotic systems, and (2) key enabling technologies, such as digital twins, model-driven engineering, and AI-driven adaptation, which facilitate runtime monitoring, fault detection, and automated decision-making. We discuss open research challenges, including verifying adaptive behaviours under uncertainty, balancing trade-offs between adaptability, performance, and safety, and integrating self-adaptation frameworks like MAPE-K. By providing a structured roadmap, this work aims to advance the software engineering foundations for self-adaptive robotic systems, ensuring they remain trustworthy, efficient, and capable of handling real-world complexities.

arxiv情報

著者 Shaukat Ali,Ana Cavalcanti,Cláudio Ângelo Gonçalves Gomes,Peter Gorm Larsen,Hassan Sartaj,Anastasios Tefas,Jim Woodcock,Houxiang Zhang
発行日 2025-05-26 07:47:50+00:00
arxivサイト arxiv_id(pdf)

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google

カテゴリー: cs.RO, cs.SE | Software Engineering for Self-Adaptive Robotics: A Research Agenda はコメントを受け付けていません

Autonomous Flights inside Narrow Tunnels

要約

マルチローターは通常、検査、捜索、救助などを含むさまざまな用途で人間がほとんどアクセスできない閉じ込められた狭いトンネルに入るために望まれます。
このタスクは、幾何学的な特徴と照明が不足しているため、限られた視野とともに、知覚に問題を引き起こすため、非常に困難です。
制限されたスペースと重大なエゴ気流障害は、制御の問題を引き起こします。
このペーパーでは、直径0.5 mの狭いトンネルをナビゲーション用に設計した自律航空システムを紹介します。
リアルタイムおよびオンラインシステムには、ミッションに合わせて調整された仮想オムニ方向性認識モジュールと、それぞれカメラ投影と計算流体ダイナミクス分析を使用してモデル化された知覚およびエゴ気流乱れ因子を組み込んだ新しいモーションプランナーが含まれます。
カスタム設計された象限での広範な飛行実験は、複数の現実的な狭いトンネルで実施され、システムの優れたパフォーマンスを検証し、人間のパイロットを超えて、実際のアプリケーションの可能性を証明しています。
さらに、他のマルチロータープラットフォームの展開パイプラインの概要が概説されており、将来の開発のためにオープンソースパッケージが提供されています。

要約(オリジナル)

Multirotors are usually desired to enter confined narrow tunnels that are barely accessible to humans in various applications including inspection, search and rescue, and so on. This task is extremely challenging since the lack of geometric features and illuminations, together with the limited field of view, cause problems in perception; the restricted space and significant ego airflow disturbances induce control issues. This paper introduces an autonomous aerial system designed for navigation through tunnels as narrow as 0.5 m in diameter. The real-time and online system includes a virtual omni-directional perception module tailored for the mission and a novel motion planner that incorporates perception and ego airflow disturbance factors modeled using camera projections and computational fluid dynamics analyses, respectively. Extensive flight experiments on a custom-designed quadrotor are conducted in multiple realistic narrow tunnels to validate the superior performance of the system, even over human pilots, proving its potential for real applications. Additionally, a deployment pipeline on other multirotor platforms is outlined and open-source packages are provided for future developments.

arxiv情報

著者 Luqi Wang,Yan Ning,Hongming Chen,Peize Liu,Yang Xu,Hao Xu,Ximin Lyu,Shaojie Shen
発行日 2025-05-26 08:18:11+00:00
arxivサイト arxiv_id(pdf)

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google

カテゴリー: cs.RO | Autonomous Flights inside Narrow Tunnels はコメントを受け付けていません

GeoPF: Infusing Geometry into Potential Fields for Reactive Planning in Non-trivial Environments

要約

リアクティブインテリジェンスは、散らかった、動的、および人間中心の環境で動作する多用途のロボット工学の基礎の1つです。
反応的なアプローチの中で、潜在的なフィールド(PF)は、そのシンプルさとリアルタイムの適用性のために引き続き広く採用されています。
ただし、既存のPFメソッドは通常、等方性、点、または球ベースの障害物近似に依存することにより、環境表現を単純化しすぎます。
人間中心の設定では、この単純化は、過度に保守的なパス、面倒な調整、および計算オーバーヘッドをもたらし、リアルタイムの要件を破ります。
これに応じて、幾何学的なプリミティブ(ポイント、ライン、平面、立方体、シリンダー)に明示的にリアルタイム計画に注入する反応性モーションプランニングフレームワークである幾何学的電位フィールド(GEOPF)を提案します。
正確なクローズドフォーム距離関数を活用することにより、GEOPFは計算の複雑さとパラメーターチューニングの取り組みを大幅に削減します。
広範な定量分析では、GEOPFの成功率が高いことを一貫して示し、複雑さのチューニング(実験全体で単一のパラメーターセット)、および従来のPFメソッドと比較して大幅に低い計算コスト(最大2桁)を示しています。
実際の実験では、GEOPFの堅牢性と実際的な展開の容易さをさらに検証します。
GEOPFは、現代のロボットアプリケーションに適した柔軟で低遅延のモーションプランニングを可能にする、幾何学的に認識された時間運動生成を促進するリアクティブ計画の問題に関する新たな視点を提供します。

要約(オリジナル)

Reactive intelligence remains one of the cornerstones of versatile robotics operating in cluttered, dynamic, and human-centred environments. Among reactive approaches, potential fields (PF) continue to be widely adopted due to their simplicity and real-time applicability. However, existing PF methods typically oversimplify environmental representations by relying on isotropic, point- or sphere-based obstacle approximations. In human-centred settings, this simplification results in overly conservative paths, cumbersome tuning, and computational overhead — even breaking real-time requirements. In response, we propose the Geometric Potential Field (GeoPF), a reactive motion-planning framework that explicitly infuses geometric primitives – points, lines, planes, cubes, and cylinders – into real-time planning. By leveraging precise closed-form distance functions, GeoPF significantly reduces computational complexity and parameter tuning effort. Extensive quantitative analyses consistently show GeoPF’s higher success rates, reduced tuning complexity (a single parameter set across experiments), and substantially lower computational costs (up to 2 orders of magnitude) compared to traditional PF methods. Real-world experiments further validate GeoPF’s robustness and practical ease of deployment. GeoPF provides a fresh perspective on reactive planning problems driving geometric-aware temporal motion generation, enabling flexible and low-latency motion planning suitable for modern robotic applications.

arxiv情報

著者 Yuhe Gong,Riddhiman Laha,Luis Figueredo
発行日 2025-05-26 08:49:06+00:00
arxivサイト arxiv_id(pdf)

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google

カテゴリー: cs.RO | GeoPF: Infusing Geometry into Potential Fields for Reactive Planning in Non-trivial Environments はコメントを受け付けていません