Mixtures of Gaussian Processes for Robot Motion Planning Using Stochastic Trajectory Optimization

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作者
Luka Petrović,Ivan Marković,Ivan Petrović
出处
期刊:IEEE transactions on systems, man, and cybernetics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:52 (12): 7378-7390 被引量:23
标识
DOI:10.1109/tsmc.2022.3155378
摘要

Robot motion planning methods based on trajectory optimization can efficiently generate feasible and optimal trajectories by minimizing a suitable cost function, even in high-dimensional spaces. However, the main drawback of these methods lies in their proneness to infeasible local minima, especially in complex environments. To mitigate this issue, we propose a novel motion planning method that represents trajectories as samples from a mixture of continuous-time Gaussian processes (MGP) and employs stochastic optimization in order to update the MGP parameters in a cost-minimizing manner. The contributions of the proposed trajectory optimization method arise from the introduced mixture representation and stochastic gradient estimation, dominantly enabling better exploration of the trajectory space and including nondifferentiable optimizing costs. We evaluated the proposed method in multiple simulation benchmarks featuring 7 degree-of-freedom (DOF) robot arms and a 10DOF mobile manipulator. We also conducted a real-world experiment with a 14DOF dual-arm robot. The experimental results demonstrated that the proposed method achieves higher success rate than several state-of-the-art methods, while the advantages stemming from MGPs and stochastic optimization, like trajectory smoothness, support of nondifferentiable cost functions, multiple trajectory solutions, and the ability to tackle high-dimensional planning problems, are inherently kept.
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