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不確実性定量化arXiv:2512.10294

不正確な確率動力学下での行動不確実性を等角非ホロノミックLie群で定量化する

Lies We Can Trust: Quantifying Action Uncertainty with Inaccurate Stochastic Dynamics through Conformalized Nonholonomic Lie Groups

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Lie群の対称性を考慮した等角予測により、不正確な動力学モデルでも行動後のシステム構成を指定確率で含む予測集合を構築する手法を提案し、SE(2)ロボットで検証した。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 提案手法 CLAPS は、与えられた行動に対して結果のシステム構成がユーザー定義の確率で含まれることを保証する予測集合を構築する、対称性を考慮した conformal prediction ベースのアルゴリズム。 - aleatoric と epistemic の両不確実性の下で、非漸近的に保証を提供し、真のシステムダイナミクスや不確実性源、近似ダイナミクスモデルの品質に関する強い仮定を必要としない。 - ロボットを Euclidean 点として扱う既存の conformal 手法に対し、非 Euclidean 構成(例:SE(2))を持つシステムに拡張。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 従来の不確実性定量化は誤差分布や大きさに強い仮定を置くか、頻度論的確率と結びつかない未校正の不確実性推定に依存し、安全制御には不十分だった。 - 既存の conformal 手法はロボットを Euclidean 点として扱うが、本手法は Lie groups を用いて構成誤差を厳密に分析し、Euclidean 空間の理論保証を SE(2) に拡張。 - 構成空間の構造を考慮した対称性情報に基づく nonconformity score により、既存手法より体積効率の良い予測領域を実現し、不確実性をより良く表現。

3. 技術・手法の肝は?

- Lie groups を用いて構成誤差を厳密に分析し、Euclidean 空間の理論保証を SE(2) に拡張。 - 対称性を考慮した nonconformity score を設計し、conformal prediction により分布不要の確率的保証を提供。 - ユーザー定義の確率で結果の構成を含む予測集合を構築し、aleatoric と epistemic の両不確実性の下で非漸近的保証を実現。

4. どうやって有効だと検証した?

- シミュレーション上の JetBot と実機の MBot での実験を実施。 - 構成空間の構造を考慮することで、対称性情報に基づく nonconformity score が既存手法より体積効率の良い予測領域を生成し、基礎となる不確実性をより良く表現することを示唆。

5. 議論はある?

- 要旨からは不明。

6. 次に読むべき論文は?

- 要旨で参照/比較されている研究は明示されていないが、関連手法として conformal prediction の既存手法(Euclidean 空間を扱うもの)や、Lie groups を用いたロボティクスにおける不確実性定量化の研究が挙げられる。同分野の定番として、conformal prediction の基礎論文や SE(2) 上の確率ロボティクスに関する文献が次に読むべき候補。

※ 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: Luís Marques, Maani Ghaffari, Dmitry Berenson

分類: cs.RO, cs.SY, eess.SY

原文アブストラクト

We propose Conformal Lie-group Action Prediction Sets (CLAPS), a symmetry-aware conformal prediction-based algorithm that constructs, for a given action, a set guaranteed to contain the resulting system configuration at a user-defined probability. Our assurance holds under both aleatoric and epistemic uncertainty, non-asymptotically, and does not require strong assumptions about the true system dynamics, the uncertainty sources, or the quality of the approximate dynamics model. Typically, uncertainty quantification is tackled by making strong assumptions about the error distribution or magnitude, or by relying on uncalibrated uncertainty estimates - i.e., with no link to frequentist probabilities - which are insufficient for safe control. Recently, conformal prediction has emerged as a statistical framework capable of providing distribution-free probabilistic guarantees on test-time prediction accuracy. While current conformal methods treat robots as Euclidean points, many systems have non-Euclidean configurations, e.g., some mobile robots have SE(2). In this work, we rigorously analyze configuration errors using Lie groups, extending previous Euclidean Space theoretical guarantees to SE(2). Our experiments on a simulated JetBot, and on a real MBot, suggest that by considering the configuration space's structure, our symmetry-informed nonconformity score leads to more volume-efficient prediction regions which represent the underlying uncertainty better than existing approaches.

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