Robotic Information Gathering (RIG) relies on the uncertainty of a probabilistic model to identify critical areas for efficient data collection. Gaussian processes (GPs) with stationary kernels have been widely adopted for spatial modeling. However, real-world spatial data typically does not satisfy the assumption of stationarity, where different locations are assumed to have the same degree of variability. As a result, the prediction uncertainty does not accurately capture prediction error, limiting the success of RIG algorithms. We propose a novel family of nonstationary kernels, named the Attentive Kernel (AK), which is simple, robust, and can extend any existing kernel to a nonstationary one. We evaluate the new kernel in elevation mapping tasks, where AK provides better accuracy and uncertainty quantification over the commonly used RBF kernel and other popular nonstationary kernels. The improved uncertainty quantification guides the downstream RIG planner to collect more valuable data around the high-error area, further increasing prediction accuracy. A field experiment demonstrates that the proposed method can guide an Autonomous Surface Vehicle (ASV) to prioritize data collection in locations with high spatial variations, enabling the model to characterize the salient environmental features.


翻译:机器人信息收集(RIG)依赖一种概率模型的不确定性,以确定高效数据收集的关键领域。在空间建模中,广泛采用了固定内核的Gossian过程(GPs),但现实世界空间数据通常不能满足静止假设,因为不同地点假定具有同样的可变性。因此,预测不确定性无法准确捕捉预测错误,限制了RIG算法的成功。我们提议建立一个非静止内核的新组合,称为“原子内核”(AK),它简单、稳健,可以将现有内核扩大到非静止内核。我们评估了升降式绘图任务中的新内核,其中AKK为常用的RBF内核和其他流行的非静止内核提供了更准确性和不确定性的量化。改进的不确定性量化指导下游RIG规划器收集在高危险区域周围更有价值的数据,进一步提高预测的准确性。一个实地实验表明,拟议的方法可以引导自主式地面飞行器(ASV)将高分辨率定位环境数据收集位置。

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