On the Power of Manifold Samples in Exploring Configuration Spaces and the Dimensionality of Narrow Passages

We extend our study of Motion Planning via Manifold Samples (MMS), a general algorithmic framework that combines geometric methods for the exact and complete analysis of low-dimensional configuration spaces with sampling-based approaches that are appropriate for higher dimensions. The framework explores the configuration space by taking samples that are entire low-dimensional manifolds of the configuration space capturing its connectivity much better than isolated point samples. The contributions of this paper are as follows: (i) We present a recursive application of MMS in a six-dimensional configuration space, enabling the coordination of two polygonal robots translating and rotating amidst polygonal obstacles. In the adduced experiments for the more demanding test cases MMS clearly outperforms PRM, with over 20-fold speedup in a coordination-tight setting. (ii) A probabilistic completeness proof for the most prevalent case, namely MMS with samples that are affine subspaces. (iii) A closer examination of the test cases reveals that MMS has, in comparison to standard sampling-based algorithms, a significant advantage in scenarios containing high-dimensional narrow passages. This provokes a novel characterization of narrow passages which attempts to capture their dimensionality, an attribute that had been (to a large extent) unattended in previous definitions.Comment: 20 page

Component-based synthesis of motion planning algorithms

Combinatory Logic Synthesis generates data or runnable programs according to formal type specifications. Synthesis results are composed based on a user-specified repository of components, which brings several advantages for representing spaces of high variability. This work suggests strategies to manage the resulting variations by proposing a domain-specific brute-force search and a machine learning-based optimization procedure. The brute-force search involves the iterative generation and evaluation of machining strategies. In contrast, machine learning optimization uses statistical models to enable the exploration of the design space. The approaches involve synthesizing programs and meta-programs that manipulate, run, and evaluate programs. The methodologies are applied to the domain of motion planning algorithms, and they include the configuration of programs belonging to different algorithmic families. The study of the domain led to the identification of variability points and possible variations. Proof-of-concept repositories represent these variability points and incorporate them into their semantic structure. The selected algorithmic families involve specific computation steps or data structures, and corresponding software components represent possible variations. Experimental results demonstrate that CLS enables synthesis-driven domain-specific optimization procedures to solve complex problems by exploring spaces of high variability.Combinatory Logic Synthesis (CLS) generiert Daten oder lauffähige Programme anhand von formalen Typspezifikationen. Die Ergebnisse der Synthese werden auf Basis eines benutzerdefinierten Repositories von Komponenten zusammengestellt, was diverse Vorteile für die Beschreibung von Räumen mit hoher Variabilität mit sich bringt. Diese Arbeit stellt Strategien für den Umgang mit den resultierenden Variationen vor, indem eine domänen-spezifische Brute-Force Suche und ein maschinelles Lernverfahren für die Untersuchung eines Optimierungsproblems aufgezeigt werden. Die Brute-Force Suche besteht aus der iterativen Generierung und Evaluation von Frässtrategien. Im Gegensatz dazu nutzt der Optimierungsansatz statistische Modelle zur Erkundung des Entwurfsraums. Beide Ansätze synthetisieren Programme und Metaprogramme, welche Programme bearbeiten, ausführen und evaluieren. Diese Methoden werden auf die Domäne der Bewegungsplanungsalgorithmen angewendet und sie beinhalten die Konfiguration von Programmen, welche zu unterschiedlichen algorithmischen Familien gehören. Die Untersuchung der Domäne führte zur Identifizierung der Variabilitätspunkte und der möglichen Variationen. Entsprechende Proof of Concept Implementierungen in Form von Repositories repräsentieren jene Variabilitätspunkte und beziehen diese in ihre semantische Struktur ein. Die gewählten algorithmischen Familien sehen bestimmte Berechnungsschritte oder Datenstrukturen vor, und entsprechende Software Komponenten stellen mögliche Variationen dar. Versuchsergebnisse belegen, dass CLS synthese-getriebene domänenspezifische Optimierungsverfahren ermöglicht, welche komplexe Probleme durch die Exploration von Räumen hoher Variabilität lösen

Gaussian Processes for Machine Learning in Robotics

Mención Internacional en el título de doctorNowadays, machine learning is widely used in robotics for a variety of tasks such as perception, control, planning, and decision making. Machine learning involves learning, reasoning, and acting based on the data. This is achieved by constructing computer programs that process the data, extract useful information or features, make predictions to infer unknown properties, and suggest actions to take or decisions to make. This computer program corresponds to a mathematical model of the data that describes the relationship between the variables that represent the observed data and properties of interest. The aforementioned model is learned based on the available training data, which is accomplished using a learning algorithm capable of automatically adjusting the parameters of the model to agree with the data. Therefore, the architecture of the model needs to be selected accordingly, which is not a trivial task and usually depends on the machine-learning engineer’s insights and past experience. The number of parameters to be tuned varies significantly with the selected machine learning model, ranging from two or three parameters for Gaussian processes (GP) to hundreds of thousands for artificial neural networks. However, as more complex and novel robotic applications emerge, data complexity increases and prior experience may be insufficient to define adequate mathematical models. In addition, traditional machine learning methods are prone to problems such as overfitting, which can lead to inaccurate predictions and catastrophic failures in critical applications. These methods provide probabilistic distributions as model outputs, allowing for estimating the uncertainty associated with predictions and making more informed decisions. That is, they provide a mean and variance for the model responses. This thesis focuses on the application of machine learning solutions based on Gaussian processes to various problems in robotics, with the aim of improving current methods and providing a new perspective. Key areas such as trajectory planning for unmanned aerial vehicles (UAVs), motion planning for robotic manipulators and model identification of nonlinear systems are addressed. In the field of path planning for UAVs, algorithms based on Gaussian processes that allow for more efficient planning and energy savings in exploration missions have been developed. These algorithms are compared with traditional analytical approaches, demonstrating their superiority in terms of efficiency when using machine learning. Area coverage and linear coverage algorithms with UAV formations are presented, as well as a sea surface search algorithm. Finally, these algorithms are compared with a new method that uses Gaussian processes to perform probabilistic predictions and optimise trajectory planning, resulting in improved performance and reduced energy consumption. Regarding motion planning for robotic manipulators, an approach based on Gaussian process models that provides a significant reduction in computational times is proposed. A Gaussian process model is used to approximate the configuration space of a robot, which provides valuable information to avoid collisions and improve safety in dynamic environments. This approach is compared to conventional collision checking methods and its effectiveness in terms of computational time and accuracy is demonstrated. In this application, the variance provides information about dangerous zones for the manipulator. In terms of creating models of non-linear systems, Gaussian processes also offer significant advantages. This approach is applied to a soft robotic arm system and UAV energy consumption models, where experimental data is used to train Gaussian process models that capture the relationships between system inputs and outputs. The results show accurate identification of system parameters and the ability to make reliable future predictions. In summary, this thesis presents a variety of applications of Gaussian processes in robotics, from trajectory and motion planning to model identification. These machine learning-based solutions provide probabilistic predictions and improve the ability of robots to perform tasks safely and efficiently. Gaussian processes are positioned as a powerful tool to address current challenges in robotics and open up new possibilities in the field.El aprendizaje automático ha revolucionado el campo de la robótica al ofrecer una amplia gama de aplicaciones en áreas como la percepción, el control, la planificación y la toma de decisiones. Este enfoque implica desarrollar programas informáticos que pueden procesar datos, extraer información valiosa, realizar predicciones y ofrecer recomendaciones o sugerencias de acciones. Estos programas se basan en modelos matemáticos que capturan las relaciones entre las variables que representan los datos observados y las propiedades que se desean analizar. Los modelos se entrenan utilizando algoritmos de optimización que ajustan automáticamente los parámetros para lograr un rendimiento óptimo. Sin embargo, a medida que surgen aplicaciones robóticas más complejas y novedosas, la complejidad de los datos aumenta y la experiencia previa puede resultar insuficiente para definir modelos matemáticos adecuados. Además, los métodos de aprendizaje automático tradicionales son propensos a problemas como el sobreajuste, lo que puede llevar a predicciones inexactas y fallos catastróficos en aplicaciones críticas. Para superar estos desafíos, los métodos probabilísticos de aprendizaje automático, como los procesos gaussianos, han ganado popularidad. Estos métodos ofrecen distribuciones probabilísticas como salidas del modelo, lo que permite estimar la incertidumbre asociada a las predicciones y tomar decisiones más informadas. Esto es, proporcionan una media y una varianza para las respuestas del modelo. Esta tesis se centra en la aplicación de soluciones de aprendizaje automático basadas en procesos gaussianos a diversos problemas en robótica, con el objetivo de mejorar los métodos actuales y proporcionar una nueva perspectiva. Se abordan áreas clave como la planificación de trayectorias para vehículos aéreos no tripulados (UAVs), la planificación de movimientos para manipuladores robóticos y la identificación de modelos de sistemas no lineales. En el campo de la planificación de trayectorias para UAVs, se han desarrollado algoritmos basados en procesos gaussianos que permiten una planificación más eficiente y un ahorro de energía en misiones de exploración. Estos algoritmos se comparan con los enfoques analíticos tradicionales, demostrando su superioridad en términos de eficiencia al utilizar el aprendizaje automático. Se presentan algoritmos de recubrimiento de áreas y recubrimiento lineal con formaciones de UAVs, así como un algoritmo de búsqueda en superficies marinas. Finalmente, estos algoritmos se comparan con un nuevo método que utiliza procesos gaussianos para realizar predicciones probabilísticas y optimizar la planificación de trayectorias, lo que resulta en un rendimiento mejorado y una reducción del consumo de energía. En cuanto a la planificación de movimientos para manipuladores robóticos, se propone un enfoque basado en modelos gaussianos que permite una reducción significativa en los tiempos de cálculo. Se utiliza un modelo de procesos gaussianos para aproximar el espacio de configuraciones de un robot, lo que proporciona información valiosa para evitar colisiones y mejorar la seguridad en entornos dinámicos. Este enfoque se compara con los métodos convencionales de planificación de movimientos y se demuestra su eficacia en términos de tiempo de cálculo y precisión de los movimientos. En esta aplicación, la varianza proporciona información sobre zonas peligrosas para el manipulador. En cuanto a la identificación de modelos de sistemas no lineales, los procesos gaussianos también ofrecen ventajas significativas. Este enfoque se aplica a un sistema de brazo robótico blando y a modelos de consumo energético de UAVs, donde se utilizan datos experimentales para entrenar un modelo de proceso gaussiano que captura las relaciones entre las entradas y las salidas del sistema. Los resultados muestran una identificación precisa de los parámetros del sistema y la capacidad de realizar predicciones futuras confiables. En resumen, esta tesis presenta una variedad de aplicaciones de procesos gaussianos en robótica, desde la planificación de trayectorias y movimientos hasta la identificación de modelos. Estas soluciones basadas en aprendizaje automático ofrecen predicciones probabilísticas y mejoran la capacidad de los robots para realizar tareas de manera segura y eficiente. Los procesos gaussianos se posicionan como una herramienta poderosa para abordar los desafíos actuales en robótica y abrir nuevas posibilidades en el campo.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Juan Jesús Romero Cardalda.- Secretaria: María Dolores Blanco Rojas.- Vocal: Giuseppe Carbon