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歩行・バランス制御arXiv:2610.29142

状態依存的な目的調整による二輪倒立ロボットのバランスとナビゲーションの統合制御

State-Dependent Objective Coordination for End-to-End Balance and Navigation

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二輪倒立ロボットのバランス安定化とナビゲーションを、ピッチ角に応じて目的の重みを調整する軽量な手法で統合し、シミュレーション訓練から実機へゼロショット展開できる強化学習ポリシーを実現した。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 二輪倒立振子ロボットのような不安定プラットフォーム上で、navigation と balance を単一の end-to-end reinforcement learning ポリシーで統合する手法。 - mapping・planning・low-level control を分離する従来構成ではなく、オンボード観測から直接制御行動へ写像する compact な unified policy を目指す。 - pitch-conditioned な scalarization 係数 β(s)∈[0,1] で balance stabilization と navigation の相対寄与を訓練中に調整する lightweight な objective coordination 法。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 従来の cascaded modules は計算オーバーヘッドと累積レイテンシを生むが、本手法は end-to-end で統合しこれを回避。 - PID や LQR などの auxiliary attitude-stabilization controllers や追加の制御階層を必要としない点が特徴。 - 既存の reward-weighting・constraint・training・control-structure 戦略との比較で PPO+β(s) が優位であることを示す。 - 固定 obstacle map で 98%、ランダム高密度 map で 95% の成功率を小さな attitude excursion で達成。

3. 技術・手法の肝は?

- 状態依存の scalarization 係数 β(s) を導入し、balance と navigation の目的の相対的重みを訓練中に調整。 - β(s) は pitch に条件付けられ、[0,1] の範囲で目的間の寄与を連続的に変化させる。 - simulation training で execution delay、action hold、asynchronous かつ noisy な観測、dynamics uncertainty をモデル化し zero-shot 展開を支援。 - gradient analysis により目的間の持続的な directional interference と相対スケールの状態依存変動を明らかにする。

4. どうやって有効だと検証した?

- 固定 obstacle map とランダム生成の high-obstacle-density map の両方で評価。 - PPO+β(s) が 98% および 95% の成功率を小さな attitude excursion で達成。 - alternative な reward-weighting、constraint、training、control-structure 戦略との比較を実施。 - zero-shot hardware 実験で、オンボード観測のみを用いて bounded な attitude 挙動と一貫した obstacle avoidance を実証。

5. 議論はある?

- gradient analysis から目的間の directional interference と相対スケールの状態依存変動が示され、単純な固定重み付けの限界が示唆される。 - 追加の attitude-stabilization controller なしで balance と navigation を両立できる可能性を示す一方、詳細な限界や失敗事例は要旨からは不明。 - 訓練・評価コードは採択後に公開予定とされている。

6. 次に読むべき論文は?

- PPO (proximal policy optimization) の原論文。 - 比較対象として言及される reward-weighting、constraint-based、control-structure 系の手法(具体的名称は要旨からは不明)。 - PID や LQR などの classical attitude-stabilization controllers に関する基礎文献。 - end-to-end reinforcement learning による robot navigation の代表的先行研究(具体的名称は要旨からは不明)。

※ 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: Xuhao Huang, Xitao Xu, Yuxin Zheng, Yunfan Ren, Zheng Gong

分類: cs.RO

原文アブストラクト

Traditional robotic navigation systems separate mapping, planning, and low-level control through cascaded modules, introducing computational overhead and accumulated latency. End-to-end reinforcement learning offers a compact unified policy that maps onboard observations directly to control actions. However, on inherently unstable platforms such as two-wheeled inverted-pendulum robots, navigation progress and obstacle avoidance can conflict with attitude stabilization in a strongly state-dependent manner. We propose a lightweight state-dependent objective coordination method for integrated navigation and control. A pitch-conditioned scalarization coefficient $β(s)\in[0,1]$ adjusts the relative contributions of balance stabilization and navigation objectives during training, without extra control hierarchies or auxiliary attitude-stabilization controllers, such as proportional-integral-derivative (PID) or linear-quadratic regulator (LQR) controllers. To support zero-shot deployment, simulation training models execution delay, action hold, asynchronous and noisy observations, and dynamics uncertainty. Gradient analysis reveals persistent directional interference and state-dependent variation in the objectives' relative scales. Comparisons with alternative reward-weighting, constraint, training, and control-structure strategies show that PPO+$β(s)$, where PPO denotes proximal policy optimization, achieves 98% and 95% success rates with small attitude excursions on the fixed obstacle map and the randomly generated high-obstacle-density map, respectively. Zero-shot hardware experiments further demonstrate bounded attitude behavior and consistent obstacle avoidance using only onboard observations. Training and evaluation code will be made publicly available upon acceptance.

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