在本文中，我们开发了一种方法，该方法使自主机器人能够从点云数据构建和压缩语义环境表示。我们的方法从传感器数据中构建了环境的三维语义树表示，然后通过一种新型的信息理论树木修复方法来压缩。所提出的方法是概率的，并将其纳入现实世界中固有的语义分类中。此外，我们的方法允许机器人在生成压缩树时优先考虑单个语义类，以设计保留相关语义信息的多分辨率表示，同时丢弃不需要的语义类别。我们通过压缩大型户外，语义丰富，真实世界环境的语义OCTREE模型来演示方法。此外，我们还展示了如何使用OCTREE抽象来创建语义信息图以进行运动计划，并使用未知的图形构造方法（例如Halton序列）进行比较。
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在本章中，提出了用于获得与任务相关的，多分辨率的，环境抽象的问题的整数线性编程公式，用于资源受限的自主剂。该公式从信息理论信号压缩（特别是信息瓶颈（IB）方法）中利用概念来提出抽象问题，作为在多分辨率树的空间上的最佳编码器搜索。抽象以与任务相关的方式出现，作为代理信息处理约束的函数。我们详细介绍我们的配方，并展示如何以共同的主题统一信号压缩的层次结构结构，信号编码器和信息理论方法。提出了一个讨论来描述我们配方的好处和缺点的讨论，以及详细的解释，如何在为资源受限的自主系统生成抽象的背景下解释我们的方法。结果表明，在多分辨率树空间中所得的信息理论抽象问题可以作为整数线性编程（ILP）问题进行配合。我们在许多示例上演示了这种方法，并提供了与现有方法相比，详细说明所提出框架的差异的讨论。最后，我们考虑了ILP问题的线性程序放松，从而证明可以通过求解凸程序来获得多分辨率信息理论树抽象。
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由于廉价的传感和边缘计算解决方案，最近在非结构化和未知环境中对机器人勘探的需求最近已经成长。为了更接近完全自主权，机器人需要实时处理测量流，呼吁有效的探索策略。基于信息的探测技术，例如Cauchy-Schwarz二次互信息（CSQMI）和快速Shannon互信（FSMI），已成功实现了具有范围测量的主动二进制占用映射。然而，正如我们设想使用语义有意义的对象指定的复杂任务的机器人，因此必须在测量，地图表示和探索目标中捕获语义类别。在这项工作中，我们提出了一种利用范围类别测量的贝叶斯多级映射算法，以及用于多级地图和测量的Shannon互联信息的封闭形式的下限。该界限允许快速评估许多潜在机器人轨迹，用于自主勘探和映射。此外，我们通过基于OctREE数据结构的语义标签，开发3-D环境的压缩表示，每个体素维护对象类的分类分布。所提出的3-D表示有助于使用范围类别观察光线的跑步长度编码（RLE）在语义Octomap和测量之间快速计算Shannon互信息。我们比较我们对基于前沿和FSMI探索的方法，并在各种模拟和现实世界实验中应用它。
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Three-dimensional models provide a volumetric representation of space which is important for a variety of robotic applications including flying robots and robots that are equipped with manipulators. In this paper, we present an open-source framework to generate volumetric 3D environment models. Our mapping approach is based on octrees and uses probabilistic occupancy estimation. It explicitly represents not only occupied space, but also free and unknown areas. Furthermore, we propose an octree map compression method that keeps the 3D models compact. Our framework is available as an open-source C++ library and has already been successfully applied in several robotics projects. We present a series of experimental results carried out with real robots and on publicly available real-world datasets. The results demonstrate that our approach is able to update the representation efficiently and models the data consistently while keeping the memory requirement at a minimum.
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对于一个合作探索未知环境的多机器人团队，至关重要的是，收集的信息可以在机器人之间有效共享，以支持勘探和导航任务。无线通道的实际限制（例如有限的带宽和位率）敦促机器人仔细选择要传输的信息。在本文中，我们考虑了使用3D场景图对环境信息进行建模的情况，这是一个层次模型，描述了环境的几何和语义方面。然后，我们利用图理论工具，即图形跨度，以设计有效压缩3D场景图的启发式策略，以在带宽约束下启用通信。我们的压缩策略以导航为导向，因为它们旨在在感兴趣的位置之间近乎保留最短的路径，同时满足用户指定的通信预算约束。通过广泛的数值分析和现实模拟器中的合成实验证明了所提出的算法的有效性。
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本文在具有部分未知语义的环境中解决了多机器人规划问题。假设环境具有已知的几何结构（例如，墙壁），并且由具有不确定位置和类的静态标记的地标占用。这种建模方法引发了语义SLAM算法生成的不确定语义地图。我们的目标是为配备有嘈杂感知系统的机器人设计控制策略，以便他们可以完成全局时间逻辑规范捕获的协同任务。为了指定考虑环境和感知不确定性的任务，我们采用了线性时间逻辑（LTL）的片段，称为CO-Safe LTL，定义了基于感知的原子谓性建模概率满意度要求。基于感知的LTL规划问题产生了通过新型采样的算法解决的最佳控制问题，它产生了在线更新的开环控制策略，以适应连续学习的语义地图。我们提供广泛的实验，以证明拟议的规划架构的效率。
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机器人通常需要解决路径规划问题，而环境的基本和离散方面则可以观察到。这引入了多模式，机器人必须能够观察并推断其环境状态。为了解决这个问题，我们介绍了计划在信仰空间中的路径树的路径优化（PTO）算法。路径树是一种类似树状的运动，具有分支点，机器人会收到可导致信仰状态更新的观察结果。机器人取决于收到的观察结果。该算法有三个主要步骤。首先，在状态空间上生长了快速探索的随机图（RRG）。其次，通过查询观察模型，将RRG扩展到信仰空间图。在第三步中，在信仰空间图上执行动态编程以提取路径树。最终的路径树结合了探索与剥削，即它平衡了获得有关环境的知识的需求，并需要达到目标。我们在导航和移动操作任务上演示了算法功能，并在最佳和运行时使用任务和运动计划方法（TAMP）表现出比基线的优势。
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We propose a path planning methodology for a mobile robot navigating through an obstacle-filled environment to generate a reference path that is traceable with moderate sensing efforts. The desired reference path is characterized as the shortest path in an obstacle-filled Gaussian belief manifold equipped with a novel information-geometric distance function. The distance function we introduce is shown to be an asymmetric quasi-pseudometric and can be interpreted as the minimum information gain required to steer the Gaussian belief. An RRT*-based numerical solution algorithm is presented to solve the formulated shortest-path problem. To gain insight into the asymptotic optimality of the proposed algorithm, we show that the considered path length function is continuous with respect to the topology of total variation. Simulation results demonstrate that the proposed method is effective in various robot navigation scenarios to reduce sensing costs, such as the required frequency of sensor measurements and the number of sensors that must be operated simultaneously.
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主动同时定位和映射（SLAM）是规划和控制机器人运动以构建周围环境中最准确，最完整的模型的问题。自从三十多年前出现了积极感知的第一项基础工作以来，该领域在不同科学社区中受到了越来越多的关注。这带来了许多不同的方法和表述，并回顾了当前趋势，对于新的和经验丰富的研究人员来说都是非常有价值的。在这项工作中，我们在主动大满贯中调查了最先进的工作，并深入研究了仍然需要注意的公开挑战以满足现代应用程序的需求。为了实现现实世界的部署。在提供了历史观点之后，我们提出了一个统一的问题制定并审查经典解决方案方案，该方案将问题分解为三个阶段，以识别，选择和执行潜在的导航措施。然后，我们分析替代方法，包括基于深入强化学习的信念空间规划和现代技术，以及审查有关多机器人协调的相关工作。该手稿以讨论新的研究方向的讨论，解决可再现的研究，主动的空间感知和实际应用，以及其他主题。
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即使机器学习算法已经在数据科学中发挥了重要作用，但许多当前方法对输入数据提出了不现实的假设。由于不兼容的数据格式，或数据集中的异质，分层或完全缺少的数据片段，因此很难应用此类方法。作为解决方案，我们提出了一个用于样本表示，模型定义和培训的多功能，统一的框架，称为“ Hmill”。我们深入审查框架构建和扩展的机器学习的多个范围范式。从理论上讲，为HMILL的关键组件的设计合理，我们将通用近似定理的扩展显示到框架中实现的模型所实现的所有功能的集合。本文还包含有关我们实施中技术和绩效改进的详细讨论，该讨论将在MIT许可下发布供下载。该框架的主要资产是其灵活性，它可以通过相同的工具对不同的现实世界数据源进行建模。除了单独观察到每个对象的一组属性的标准设置外，我们解释了如何在框架中实现表示整个对象系统的图表中的消息推断。为了支持我们的主张，我们使用框架解决了网络安全域的三个不同问题。第一种用例涉及来自原始网络观察结果的IoT设备识别。在第二个问题中，我们研究了如何使用以有向图表示的操作系统的快照可以对恶意二进制文件进行分类。最后提供的示例是通过网络中实体之间建模域黑名单扩展的任务。在所有三个问题中，基于建议的框架的解决方案可实现与专业方法相当的性能。
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嘈杂的传感，不完美的控制和环境变化是许多现实世界机器人任务的定义特征。部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP）提供了一个原则上的数学框架，用于建模和解决不确定性下的机器人决策和控制任务。在过去的十年中，它看到了许多成功的应用程序，涵盖了本地化和导航，搜索和跟踪，自动驾驶，多机器人系统，操纵和人类机器人交互。这项调查旨在弥合POMDP模型的开发与算法之间的差距，以及针对另一端的不同机器人决策任务的应用。它分析了这些任务的特征，并将它们与POMDP框架的数学和算法属性联系起来，以进行有效的建模和解决方案。对于从业者来说，调查提供了一些关键任务特征，以决定何时以及如何成功地将POMDP应用于机器人任务。对于POMDP算法设计师，该调查为将POMDP应用于机器人系统的独特挑战提供了新的见解，并指出了有希望的新方向进行进一步研究。
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这封信涉及地形重建未知障碍环境的3D报道路径规划（CPP）问题。由于感测局限性，所提出的方法称为CT-CPP，执行3D区域的分层扫描以收集地形数据，其中使用覆盖树（CT）的概念与TSP启发的树遍历遍历策略进行优化。。CT-CPP方法在高保真水下模拟器上验证，结果与CPP方法后的现有地形进行了比较。结果表明，CT-CPP在轨迹长度，能量消耗和重建误差产生显着降低。
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感知，规划，估算和控制的当代方法允许机器人在不确定，非结构化环境中的远程代理中稳健运行。此进度现在创造了机器人不仅在隔离，而且在我们的复杂环境中运行的机器人。意识到这个机会需要一种高效且灵活的媒介，人类可以与协作机器人沟通。自然语言提供了一种这样的媒体，通过对自然语言理解的统计方法的重大进展，现在能够解释各种自由形式命令。然而，大多数当代方法需要机器人环境的详细，现有的空间语义地图，这些环境模拟了话语可能引用的可能引用的空间。因此，当机器人部署在新的，先前未知或部分观察到的环境中时，这些方法发生故障，特别是当环境的心理模型在人类运营商和机器人之间不同时。本文提供了一种新的学习框架的全面描述，允许现场和服务机器人解释并正确执行先验未知，非结构化环境中的自然语言指令。对于我们的方法而不是我们的语言作为“传感器” - 在话语中隐含的“传感器” - 推断的空间，拓扑和语义信息，然后利用这些信息来学习在潜在环境模型上的分布。我们将此分布纳入概率，语言接地模型中，并在机器人的动作空间的象征性表示中推断出分布。我们使用模仿学习来确定对环境和行为分布的原因的信仰空间政策。我们通过各种导航和移动操纵实验评估我们的框架。
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全根树的递归和分层结构适用于在各个领域代表统计模型，例如数据压缩，图像处理和机器学习。在大多数情况下，全根树不是随机变量;因此，避免过度装备的模型选择变得有问题。解决这个问题的方法是假设全根树上的先前分发。这使得基于贝叶斯决策理论可以避免过度装备。例如，通过将低的先前概率分配给复杂模型，最大后验估计器可防止过度拟合。此外，可以通过平均由其后后索加权的所有模型来避免过烧。在本文中，我们提出了一组全根树的概率分布。其参数表示适用于使用递归函数计算我们分发的性质，例如模式，期望和后部分布。尽管在以前的研究中已经提出了这种分布，但它们仅适用于特定应用。因此，我们提取他们的数学基本的组件，并推出了新的广义方法来计算期望，后部分布等。
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多路径定向问题询问机器人团队的路径最大化收集的总奖励，同时满足路径长度上的预算约束。这个问题模拟了许多多机器人路由任务，例如探索未知的环境和环境监控信息。在本文中，我们专注于如何使机器人团队在对抗环境中运行时对故障的强大。我们介绍了强大的多路径定向事问题（RMOP），在那里我们寻求最糟糕的案例保证，反对能够在大多数$ \ Alpha $机器人处攻击的对手。我们考虑两个问题的两个版本：RMOP离线和RMOP在线。在离线版本中，当机器人执行其计划时，没有通信或重新扫描，我们的主要贡献是一种具有界限近似保证的一般近似方案，其取决于$ \ alpha $和单个机器人导向的近似因子。特别是，我们表明该算法在成本函数是模块化时产生（i）恒因子近似; （ii）在成本函数是子模具时，$ \ log $因子近似; （iii）当成本函数是子模块时的恒因子近似，但是允许机器人通过有界金额超过其路径预算。在在线版本中，RMOP被建模为双人顺序游戏，并基于蒙特卡罗树搜索（MCT），以后退地平线方式自适应解决。除了理论分析之外，我们还对海洋监测和隧道信息收集应用进行仿真研究，以证明我们的方法的功效。
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本文解决了不确定和动态环境中的新语义多机器人计划问题。特别是，环境被不合作，移动，不确定的标记目标占据。这些目标受随机动力学的控制，而它们的当前和未来位置及其语义标签尚不确定。我们的目标是控制移动传感机器人，以便他们可以完成根据这些目标的当前/未来位置和标签定义的协作语义任务。我们使用线性时间逻辑（LTL）表达这些任务。我们提出了一种基于抽样的方法，该方法探讨了机器人运动空间，任务规范空间以及标记目标的未来配置，以设计最佳路径。这些路径在线修订以适应不确定的感知反馈。据我们所知，这是解决不确定和动态语义环境中语义任务计划问题的第一项工作。我们提供了广泛的实验，以证明该方法的效率
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行为树（BT）是一种在自主代理中（例如机器人或计算机游戏中的虚拟实体）之间在不同任务之间进行切换的方法。 BT是创建模块化和反应性的复杂系统的一种非常有效的方法。这些属性在许多应用中至关重要，这导致BT从计算机游戏编程到AI和机器人技术的许多分支。在本书中，我们将首先对BTS进行介绍，然后我们描述BTS与早期切换结构的关系，并且在许多情况下如何概括。然后，这些想法被用作一套高效且易于使用的设计原理的基础。安全性，鲁棒性和效率等属性对于自主系统很重要，我们描述了一套使用BTS的状态空间描述正式分析这些系统的工具。借助新的分析工具，我们可以对BTS如何推广早期方法的形式形式化。我们还显示了BTS在自动化计划和机器学习中的使用。最后，我们描述了一组扩展的工具，以捕获随机BT的行为，其中动作的结果由概率描述。这些工具可以计算成功概率和完成时间。
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结构分解方法，例如普遍的高树木分解，已成功用于解决约束满意度问题（CSP）。由于可以重复使用分解以求解具有相同约束范围的CSP，因此即使计算本身很难，将资源投资于计算良好的分解是有益的。不幸的是，即使示波器仅略有变化，当前方法也需要计算全新的分解。在本文中，我们迈出了解决CSP $ P $分解的问题的第一步，以使其成为由$ P $修改产生的新CSP $ P'$的有效分解。即使从理论上讲问题很难，我们还是提出并实施了一个有效更新GHD的框架。我们算法的实验评估强烈提出了实际适用性。
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行为树（BT）在机器人界变得越来越流行。BT工具非常适合决策应用程序，允许机器人执行复杂的行为，同时也可以向人类解释。验证使用的BT在安全性和可靠性要求方面已经很好地构建是必不可少的，尤其是对于在关键环境中运行的机器人。在这项工作中，我们建议对行为树的形式规范和一种证明已经使用过的树的不变性的方法，同时使最终用户的树木形式化的复杂性保持简单。允许在行为树的特定实例中测试行为树的特定实例，而无需了解更抽象的形式化级别。
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这篇简短的评论旨在使读者熟悉与计划，调度和学习有关的最新作品。首先，我们研究最先进的计划算法。我们简要介绍神经网络。然后，我们更详细地探索图形神经网络，这是一种适合处理图形结构输入的神经网络的最新变体。我们简要描述了强化学习算法和迄今为止设计的一些方法的概念。接下来，我们研究了一些成功的方法，结合了用于路径规划的神经网络。最后，我们专注于不确定性的时间计划问题。
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