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ナビゲーションarXiv:2601.16686

適応的強化学習とモデル予測制御の切替による安全な人間-ロボット協調ナビゲーション

Adaptive Reinforcement and Model Predictive Control Switching for Safe Human-Robot Cooperative Navigation

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強化学習とモデル予測制御を状況に応じて切り替えるハイブリッド手法を提案し、混雑環境での移動ロボットの人間誘導ナビゲーションの安全性と成功率を向上させた。

詳しい要約

1. どんなもの?

本論文は、移動協調ロボットが人間をガイドするナビゲーションにおいて、近接規制と安全制約を同時に満たす課題に取り組む。提案手法ARMS(Adaptive Reinforcement and Model Predictive Control Switching)は、強化学習とモデル予測制御を組み合わせたハイブリッド学習・制御フレームワークである。PPOで訓練された強化学習フォロワーと、二次計画問題として定式化された解析的な1ステップMPC安全フィルタを統合する。部分的観測可能性と非定常な人間動作に対応するため、LSTM時系列エンコーダと360度LiDARスキャン用の空間エンコーダを備えた分離センシングアーキテクチャを採用する。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

従来手法であるPure Pursuit、Dynamic Window Approach(DWA)、RLのみのベースラインと比較して、ARMSは高度に混雑した環境で82.5%の成功率を達成し、DWAとRLのみをそれぞれ7.1%と3.1%上回った。また、マルチステップMPCベースラインと比べて平均計算レイテンシを33%削減し5.2ミリ秒を実現した。さらにGazeboでのシミュレーション転移と初期の実世界展開結果も示され、実用性と堅牢性が確認されている。

3. 技術・手法の肝は?

ARMSの核心は、学習された適応的ニューラルスイッチャーである。これは2つのコントローラ間で文脈に応じたソフトな行動融合を行い、低リスク領域では保守的で制約を考慮したQPベース制御を優先し、混雑・制約の厳しい操縦性が重要な状況では学習フォロワーに制御権を段階的に移行する。QPが実行不可能になった場合はフォロワーの行動に戻る。知覚にはLSTM時系列エンコーダと空間エンコーダを分離して用いる。

4. どうやって有効だと検証した?

Pure Pursuit、DWA、RLのみのベースラインとの広範な評価を実施し、高度に混雑した環境での成功率82.5%を達成した。DWAとRLのみをそれぞれ7.1%、3.1%上回り、マルチステップMPCベースラインと比較して平均計算レイテンシを33%削減して5.2ミリ秒とした。さらにGazeboでのシミュレーション転移と初期の実世界展開結果が示されている。

5. 議論はある?

要旨からは不明。

6. 次に読むべき論文は?

Pure Pursuit、Dynamic Window Approach(DWA)、RLのみのベースライン、マルチステップMPCベースライン。関連手法としてProximal Policy Optimization(PPO)、Long Short-Term Memory(LSTM)、Model Predictive Control(MPC)、二次計画問題(QP)が挙げられる。

※ 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: Ning Liu, Sen Shen, Zheng Li, Matthew D'Souza, Jen Jen Chung, Thomas Braunl

分類: cs.RO

原文アブストラクト

This paper addresses the challenge of human-guided navigation for mobile collaborative robots under simultaneous proximity regulation and safety constraints. We introduce Adaptive Reinforcement and Model Predictive Control Switching (ARMS), a hybrid learning-control framework that integrates a reinforcement learning follower trained with Proximal Policy Optimization (PPO) and an analytical one-step Model Predictive Control (MPC) formulated as a quadratic program safety filter. To enable robust perception under partial observability and non-stationary human motion, ARMS employs a decoupled sensing architecture with a Long Short-Term Memory (LSTM) temporal encoder for the human-robot relative state and a spatial encoder for 360-degree LiDAR scans. The core contribution is a learned adaptive neural switcher that performs context-aware soft action fusion between the two controllers, favoring conservative, constraint-aware QP-based control in low-risk regions while progressively shifting control authority to the learned follower in highly cluttered or constrained scenarios where maneuverability is critical, and reverting to the follower action when the QP becomes infeasible. Extensive evaluations against Pure Pursuit, Dynamic Window Approach (DWA), and an RL-only baseline demonstrate that ARMS achieves an 82.5 percent success rate in highly cluttered environments, outperforming DWA and RL-only approaches by 7.1 percent and 3.1 percent, respectively, while reducing average computational latency by 33 percent to 5.2 milliseconds compared to a multi-step MPC baseline. Additional simulation transfer in Gazebo and initial real-world deployment results further indicate the practicality and robustness of ARMS for safe and efficient human-robot collaboration. Source code and a demonstration video are available at https://github.com/21ning/ARMS.git.

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