POMDP-based Object Search with Growing State Space and Hybrid Action Domain

TL;DR

本文提出了一种基于POMDP的对象搜索方法GNPF-kCT,显著提升了目标定位速度。

cs.RO 🔴 高级 2026-04-16 25 次浏览
Yongbo Chen Hesheng Wang Shoudong Huang Hanna Kurniawati
POMDP 对象搜索 混合动作域 蒙特卡洛树搜索 机器人

核心发现

方法论

本文提出了一种新颖的在线POMDP求解器,称为GNPF-kCT。该方法结合了蒙特卡洛树搜索(MCTS)和神经过程网络,用于过滤无用的原始动作,并通过k-中心聚类超球体离散化来高效细化高维动作空间。此外,使用修改的上置信界(UCB)来指导MCTS扩展。

关键结果

  • 在Gazebo模拟中,Fetch和Stretch机器人在相同计算约束和感知系统下,目标定位速度比基于POMDP的基线方法快20%。
  • 与最新的非POMDP求解器相比,尤其是基于大语言模型的方法,表现出更高的可靠性。
  • 在真实办公环境测试中,验证了方法的实用性。

研究意义

本研究在学术界和工业界具有重要意义。它解决了移动机器人在复杂室内环境中快速定位目标对象的长期难题,尤其是在存在视觉遮挡和定位误差的情况下。该方法不仅提高了搜索效率,还为机器人在动态和不确定环境中的应用提供了新的可能性。

技术贡献

本文的技术贡献在于提出了一种新的在线POMDP求解器,能够处理不断增长的状态空间和混合动作域。通过引入神经过程过滤和k-中心聚类,显著提高了求解效率和性能。此外,理论分析验证了方法的收敛性和性能潜力。

新颖性

该方法首次将神经过程网络用于POMDP求解中的动作过滤,与现有方法相比,显著提高了高维动作空间的处理能力。与传统方法不同,本文的方法能够动态适应状态空间的增长。

局限性

  • 在信息或奖励有限的情况下,方法的性能可能会下降,因为猜测目标对象的策略在某些情况下可能不够准确。
  • 在非常复杂的环境中,计算成本可能会增加。

未来方向

未来的研究方向包括优化计算效率,扩展方法以处理更复杂的环境,以及在更多类型的机器人平台上进行测试。

AI 总览摘要

在复杂的室内环境中,移动机器人面临着定位目标对象的挑战,尤其是在存在视觉遮挡和定位误差的情况下。现有的方法在处理高维状态空间和混合动作域时存在局限性。

本文提出了一种基于POMDP的对象搜索方法,称为GNPF-kCT。该方法结合了蒙特卡洛树搜索和神经过程网络,用于过滤无用的原始动作,并通过k-中心聚类超球体离散化来高效细化高维动作空间。修改的上置信界用于指导MCTS扩展,理论分析验证了方法的收敛性和性能潜力。

在Gazebo模拟中,Fetch和Stretch机器人在相同计算约束和感知系统下,目标定位速度比基于POMDP的基线方法快20%。与最新的非POMDP求解器相比,尤其是基于大语言模型的方法,表现出更高的可靠性。在真实办公环境测试中,验证了方法的实用性。

深度解读

原文摘要

Efficiently locating target objects in complex indoor environments with diverse furniture, such as shelves, tables, and beds, is a significant challenge for mobile robots. This difficulty arises from factors like localization errors, limited fields of view, and visual occlusion. We address this by framing the object-search task as a highdimensional Partially Observable Markov Decision Process (POMDP) with a growing state space and hybrid (continuous and discrete) action spaces in 3D environments. Based on a meticulously designed perception module, a novel online POMDP solver named the growing neural process filtered k-center clustering tree (GNPF-kCT) is proposed to tackle this problem. Optimal actions are selected using Monte Carlo Tree Search (MCTS) with belief tree reuse for growing state space, a neural process network to filter useless primitive actions, and k-center clustering hypersphere discretization for efficient refinement of high-dimensional action spaces. A modified upper-confidence bound (UCB), informed by belief differences and action value functions within cells of estimated diameters, guides MCTS expansion. Theoretical analysis validates the convergence and performance potential of our method. To address scenarios with limited information or rewards, we also introduce a guessed target object with a grid-world model as a key strategy to enhance search efficiency. Extensive Gazebo simulations with Fetch and Stretch robots demonstrate faster and more reliable target localization than POMDP-based baselines and state-of-the-art (SOTA) non-POMDP-based solvers, especially large language model (LLM) based methods, in object search under the same computational constraints and perception systems. Real-world tests in office environments confirm the practical applicability of our approach. Project page: https://sites.google.com/view/gnpfkct.

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