Accurate disturbance estimation is essential for safe robot operations. The recently proposed neural moving horizon estimation (NeuroMHE), which uses a portable neural network to model the MHE's weightings, has shown promise in further pushing the accuracy and efficiency boundary. Currently, NeuroMHE is trained through gradient descent, with its gradient computed recursively using a Kalman filter. This paper proposes a trust-region policy optimization method for training NeuroMHE. We achieve this by providing the second-order derivatives of MHE, referred to as the MHE Hessian. Remarkably, we show that much of computation already used to obtain the gradient, especially the Kalman filter, can be efficiently reused to compute the MHE Hessian. This offers linear computational complexity relative to the MHE horizon. As a case study, we evaluate the proposed trust region NeuroMHE on real quadrotor flight data for disturbance estimation. Our approach demonstrates highly efficient training in under 5 min using only 100 data points. It outperforms a state-of-the-art neural estimator by up to 68.1% in force estimation accuracy, utilizing only 1.4% of its network parameters. Furthermore, our method showcases enhanced robustness to network initialization compared to the gradient descent counterpart.


翻译:精确的扰动估计对于机器人安全操作至关重要。最新提出的神经移动视界估计(NeuroMHE)方法通过便携式神经网络对MHE的权重进行建模,在进一步推动估计精度与效率边界方面展现出潜力。目前,NeuroMHE采用梯度下降法进行训练,其梯度通过卡尔曼滤波器递归计算。本文提出一种基于信任域策略优化(Trust-Region Policy Optimization)的NeuroMHE训练方法。我们通过提供MHE的二阶导数(即MHE海森矩阵)来实现这一目标。值得注意的是,我们发现用于获取梯度的大部分计算过程(尤其是卡尔曼滤波器)可被高效复用,以计算MHE海森矩阵。由此获得的线性计算复杂度与MHE时域长度成正比。作为案例研究,我们在真实四旋翼飞行器扰动估计数据上评估了所提出的信任域NeuroMHE方法。该方法仅需100个数据点即可在5分钟内完成高效训练,其力估计精度较当前最先进的神经估计器提升高达68.1%,而网络参数仅为其1.4%。此外,与梯度下降法相比,本方法展现出更强的网络初始化鲁棒性。

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