This paper proposes a novel safety specification tool, called the distributionally robust risk map (DR-risk map), for a mobile robot operating in a learning-enabled environment. Given the robot's position, the map aims to reliably assess the conditional value-at-risk (CVaR) of collision with obstacles whose movements are inferred by Gaussian process regression (GPR). Unfortunately, the inferred distribution is subject to errors, making it difficult to accurately evaluate the CVaR of collision. To overcome this challenge, this tool measures the risk under the worst-case distribution in a so-called ambiguity set that characterizes allowable distribution errors. To resolve the infinite-dimensionality issue inherent in the construction of the DR-risk map, we derive a tractable semidefinite programming formulation that provides an upper bound of the risk, exploiting techniques from modern distributionally robust optimization. As a concrete application for motion planning, a distributionally robust RRT* algorithm is considered using the risk map that addresses distribution errors caused by GPR. Furthermore, a motion control method is devised using the DR-risk map in a learning-based model predictive control (MPC) formulation. In particular, a neural network approximation of the risk map is proposed to reduce the computational cost in solving the MPC problem. The performance and utility of the proposed risk map are demonstrated through simulation studies that show its ability to ensure the safety of mobile robots despite learning errors.


翻译:本文提出了一个新的安全规格工具,称为分布强度风险图(DR-风险图),用于在学习环境中运行的移动机器人。考虑到机器人的位置,该地图旨在可靠地评估与高山进程回归(GPR)所推断的移动障碍碰撞的有条件风险值(CVaR),不幸的是,推断分布有误,因此难以准确评估碰撞的CVaR。为了克服这一挑战,该工具测量了在所谓“可允许分配错误”中最差情况分布的风险。为了解决DR风险图构建过程中固有的无限多维性问题,我们制定了一个可移植的半确定性方案,提供风险的上限,利用现代分布稳健的优化技术。作为运动规划的具体应用,使用风险图来准确评估碰撞的CVaRRT*算法,从而难以准确评估。此外,该工具还用基于学习的模型预测控制(MPC)中最差的风险图来测量最差的风险分布下的风险。为了解决在基于学习的模型的分布式预测控制(MPC)中固有的无穷度错误,我们得出了风险模型的模拟模型。具体地显示的模型风险。通过模拟模型的模型来显示模型的模型的模型的运行风险。

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