機(jī)器人沒有度量信息如何導(dǎo)航

0. 這篇文章干了啥？

機(jī)器人能否像人類一樣利用有限的度量和空間信息進(jìn)行導(dǎo)航呢？目前，大多數(shù)機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)依賴于詳細(xì)的幾何地圖和精確的度量定位。然而，人類通?？梢詰{借著抽象的、不準(zhǔn)確的環(huán)境表示（例如手繪草圖或基于語言的指示）以及對(duì)自己位置的近似語義概念，找到前往目的地的路線。這種技能的一個(gè)關(guān)鍵因素是我們能夠使用導(dǎo)航行為來表示和導(dǎo)航環(huán)境，這些行為是語義行動(dòng)抽象，如向左轉(zhuǎn)或沿走廊前進(jìn)。人類可以使用幾何不準(zhǔn)確的地圖或表示，因?yàn)檫@些地圖依然可以抽象地捕捉環(huán)境中的路徑，作為導(dǎo)航行為序列：例如，平面圖可以讓我們推斷出轉(zhuǎn)彎和沿走廊行動(dòng)的抽象序列，以達(dá)到給定房間的目的，盡管它們?nèi)狈ΜF(xiàn)實(shí)感。我們還可以感知導(dǎo)航機(jī)會(huì)，即在當(dāng)?shù)丨h(huán)境中執(zhí)行導(dǎo)航行為的潛力，并將它們用作我們位置的非度量、視覺線索：例如，觀察到附近的交叉口只能讓我們左轉(zhuǎn)和前進(jìn)，可以暗示我們?cè)诮ㄖ镏械奈恢谩Ｎ覀兗僭O(shè)使用導(dǎo)航行為來表示和遍歷環(huán)境賦予了機(jī)器人利用有限的度量和空間信息進(jìn)行導(dǎo)航的能力。

為了測(cè)試這一假設(shè)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于場(chǎng)景動(dòng)作地圖（SAM）的導(dǎo)航行為系統(tǒng)，SAM是一個(gè)由關(guān)鍵位置（節(jié)點(diǎn)）和導(dǎo)航行為（邊）連接而成的拓?fù)浔硎荆С址嵌攘恳?guī)劃和定位。特別是，我們提出了一個(gè)可學(xué)習(xí)的地圖閱讀管道，從各種現(xiàn)成的環(huán)境二維地圖中提取SAM，例如手繪草圖和平面圖。雖然許多系統(tǒng)難以使用這些地圖，因?yàn)樗鼈兇嬖诙攘可系牟粶?zhǔn)確和抽象性，但我們的系統(tǒng)利用了這些地圖中編碼的底層SAM，從而利用了這些豐富的現(xiàn)有地圖信息。

視覺導(dǎo)航的先前工作已經(jīng)證明了學(xué)習(xí)類人導(dǎo)航行為和與之相關(guān)的導(dǎo)航機(jī)會(huì)定位的實(shí)用性，并在此基礎(chǔ)上，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)使用SAM的行為導(dǎo)航棧，并將其部署到真實(shí)機(jī)器人上，以驗(yàn)證從地圖中提取的SAM對(duì)導(dǎo)航的有用性。具體來說，我們使用DECISION控制器的避障導(dǎo)航行為，并為基于導(dǎo)航機(jī)會(huì)的定位改進(jìn)了圖形定位網(wǎng)絡(luò)。我們從手繪地圖、平面圖和衛(wèi)星地圖中"讀取"SAM，并證明這些提取出的SAM可用于有效的實(shí)際導(dǎo)航。

下面一起來閱讀一下這項(xiàng)工作~

1. 論文信息

標(biāo)題：Scene Action Maps: Behavioural Maps for Navigation without Metric Information

作者：Joel Loo, David Hsu

機(jī)構(gòu)：新加坡國立大學(xué)

原文鏈接：http://arxiv.org/abs/2405.07948

代碼鏈接：https://scene-action-maps.github.io/

官方主頁：https://scene-action-maps.github.io/

2. 摘要

人類在沒有度量信息的情況下導(dǎo)航能力非凡。我們可以閱讀抽象的2D地圖，比如平面圖或手繪草圖，并利用它們?cè)谖匆娺^的豐富3D環(huán)境中導(dǎo)航，而無需先前的遍歷來詳細(xì)繪制這些場(chǎng)景。我們認(rèn)為，這是通過將環(huán)境抽象地表示為相互連接的導(dǎo)航行為來實(shí)現(xiàn)的，例如"沿走廊前進(jìn)"或"向右轉(zhuǎn)"，同時(shí)避免了在度量級(jí)別上詳細(xì)、準(zhǔn)確的空間信息。我們引入了場(chǎng)景行動(dòng)地圖（SAM），這是一個(gè)行為拓?fù)鋱D，并提出了一種可學(xué)習(xí)的地圖閱讀方法，將各種2D地圖解析成SAM。地圖閱讀從現(xiàn)有的、抽象的和不準(zhǔn)確的地圖中提取出關(guān)于導(dǎo)航行為的顯著信息，這些地圖從平面圖到草圖不等。我們通過在四足機(jī)器人上構(gòu)建和部署行為導(dǎo)航堆棧來評(píng)估SAM在導(dǎo)航中的性能。視頻和更多信息可在此網(wǎng)址獲得：https://scene-action-maps.github.io/。

3. 效果展示

我們提出了一個(gè)可學(xué)習(xí)的地圖閱讀系統(tǒng)，該系統(tǒng)從現(xiàn)有的二維地圖中提取場(chǎng)景行動(dòng)地圖，用于行為導(dǎo)航。

4. 基本原理是啥？

我們考慮在機(jī)器人之前可能沒有見過或探索過的環(huán)境中導(dǎo)航到目標(biāo)的任務(wù)。這自然需要導(dǎo)航具有有限的度量和空間信息，因?yàn)槿狈ο惹暗臄?shù)據(jù)意味著規(guī)劃和定位可能無法獲得詳細(xì)的幾何地圖。然而，我們假設(shè)可以訪問到環(huán)境的現(xiàn)有的2D地圖，例如平面圖、手繪地圖和衛(wèi)星地圖。盡管它們可能是抽象的和不準(zhǔn)確的，但它們保留了有關(guān)環(huán)境的導(dǎo)航方面的信息，對(duì)規(guī)劃和定位是有用的。

這個(gè)任務(wù)的一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括指定目標(biāo)、使用一系列抽象、不準(zhǔn)確的地圖進(jìn)行規(guī)劃和定位。我們的方法是從地圖中提取環(huán)境的行為拓?fù)鋱D，即場(chǎng)景動(dòng)作圖（SAM），并用它導(dǎo)航。我們假設(shè)可以訪問一組像DECISION一樣的導(dǎo)航行為，它們能夠進(jìn)行局部障礙物避讓，并且足夠多樣化，可以讓我們到達(dá)目標(biāo)環(huán)境的大部分地方。我們的離線地圖閱讀系統(tǒng)是一個(gè)可學(xué)習(xí)的流水線，它可以根據(jù)特定的行為集從各種2D地圖中提取SAM。在線行為導(dǎo)航系統(tǒng)接收在SAM上指定的目標(biāo)，規(guī)劃SAM上的路徑并執(zhí)行它。由于我們不能依賴于準(zhǔn)確的度量信息，我們使用基于能力的定位和學(xué)習(xí)的導(dǎo)航行為。

將fep應(yīng)用于標(biāo)記為橙色的節(jié)點(diǎn)：1) 使用?_edge和Sinkhorn預(yù)測(cè)軟分配矩陣，2) 閾值處理以生成出射邊。

5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們收集了3種地圖類型的數(shù)據(jù)：手繪地圖（Hand）和校園建筑的平面圖（Flr），以及工業(yè)區(qū)域的衛(wèi)星地圖（SatMap）。對(duì)于Hand和Flr數(shù)據(jù)集中的地圖，我們進(jìn)行手動(dòng)注釋。對(duì)于SatMap地圖，我們使用OpenStreetMap的道路/交叉口信息進(jìn)行注釋。我們?yōu)槊糠N地圖類型訓(xùn)練了一個(gè)單獨(dú)的地圖閱讀模塊實(shí)例。為了回答Q1，我們?cè)诹舫龅臄?shù)據(jù)集上進(jìn)行測(cè)試：Hand/Flr各有4張地圖，每張地圖平均有27個(gè)節(jié)點(diǎn)和64條邊，SatMap有1張大型地圖，包含137個(gè)節(jié)點(diǎn)和414條邊。我們計(jì)算了3個(gè)任務(wù)的精度和召回率：（A）預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)/變點(diǎn)，（B）僅預(yù)測(cè)邊（忽略行為的正確性），以及（C）預(yù)測(cè)邊以及它們關(guān)聯(lián)的行為。直觀地說，（B）顯示了環(huán)境的結(jié)構(gòu)和連接性被捕捉的程度。（C）進(jìn)一步檢查每條邊的分配行為是否與人工注釋的地圖相符。結(jié)果見表I。

我們的節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)在所有地圖類型上都能很好地預(yù)測(cè)變點(diǎn)。從質(zhì)量上來看，?node能夠可靠地捕捉地圖中的視覺特征，如交叉口或轉(zhuǎn)彎，在使用DECISION行為集時(shí)可以指示變點(diǎn)。失敗主要發(fā)生在環(huán)境結(jié)構(gòu)不夠明確的開放區(qū)域，導(dǎo)致更多的假陽性和假陰性。SatMap的相對(duì)較低的召回率分?jǐn)?shù)主要是由于交叉口等特征被高樓遮擋在密集建筑區(qū)域中，導(dǎo)致更多的假陰性。我們的邊緣預(yù)測(cè)在任務(wù)（B）上表現(xiàn)良好，特別是在SatMap上，因?yàn)樾l(wèi)星地圖中固有的豐富視覺信息。較低的召回率分?jǐn)?shù)表明fep的主要限制在于偶爾無法識(shí)別有效邊緣。與（B）相比，任務(wù)（C）的性能較低表明，雖然?edge能夠很好地學(xué)習(xí)節(jié)點(diǎn)之間的可達(dá)性，但學(xué)習(xí)正確的視覺特征來分配正確的行為要困難得多。這一觀察得到了支持，即大多數(shù)失敗都涉及將前進(jìn)行為錯(cuò)誤地分配為轉(zhuǎn)彎行為，反之亦然。我們連接節(jié)點(diǎn)和邊的預(yù)測(cè)，并在圖4中端到端生成SAMs。

我們的方法可以追蹤出捕捉地圖拓?fù)涞倪B接圖，相當(dāng)準(zhǔn)確。雖然預(yù)測(cè)的SAMs中存在一些噪音 - 如缺失的變點(diǎn)、標(biāo)記錯(cuò)誤的邊緣等 - 但我們證明這些SAMs仍然可以有效用于行為導(dǎo)航。我們通過展示，可以使用"嘈雜"的預(yù)測(cè)SAMs進(jìn)行有效的行為導(dǎo)航，這些SAMs可能包含諸如用錯(cuò)誤行為標(biāo)記的邊緣或缺少節(jié)點(diǎn)/邊緣等缺陷（見圖4）。我們?cè)u(píng)估了SLS和SLS-Aug在嘈雜的SAMs上，其中SLS-Aug使用了我們提出的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法訓(xùn)練的GLN，以提高噪聲魯棒性。我們從表II中得出兩個(gè)結(jié)論。首先，當(dāng)用預(yù)測(cè)的嘈雜SAMs替換人工注釋的SAMs時(shí)，導(dǎo)航性能幾乎沒有受到不利影響，這表明SLS系統(tǒng)在人工注釋和預(yù)測(cè)的SAMs之間最多只見到少量的PC下降。從經(jīng)驗(yàn)上看，SLS和SLS-Aug似乎對(duì)常見的噪聲模式 - 即在交叉口處缺失邊緣或混淆的前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎行為 - 具有魯棒性，并且通常能夠利用剩余的正確拓?fù)涮卣鱽矶ㄎ缓蛯?dǎo)航。其次，我們的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法提高了包含噪音和偽跡的預(yù)測(cè)SAMs的定位和導(dǎo)航性能。在預(yù)測(cè)的SAMs上，SLS-Aug通常優(yōu)于其他測(cè)試設(shè)置，甚至在人工注釋的SAMs上也優(yōu)于SLS?？偟膩碚f，即使在包含多個(gè)變點(diǎn)轉(zhuǎn)換的100米Hard路線上，SLS-Aug在預(yù)測(cè)2D地圖的SAMs上顯示出了有希望的性能，從而證實(shí)了從2D地圖預(yù)測(cè)SAMs以在現(xiàn)實(shí)世界中定位和導(dǎo)航的可行性。

6. 總結(jié) & 未來工作

我們引入了場(chǎng)景行為地圖，這是一種用于導(dǎo)航的行為拓?fù)浔硎?。我們認(rèn)識(shí)到，常見的預(yù)先存在的地圖，如平面圖，通常編碼了有關(guān)導(dǎo)航可供性和行為的信息，并提出了一個(gè)"地圖閱讀"系統(tǒng)，從這些地圖中提取SAMs。我們還展示了從草圖和平面圖中提取的SAMs進(jìn)行有效的現(xiàn)實(shí)世界導(dǎo)航。SAMs做出了一種權(quán)衡：通過受限于特定行為集（因此機(jī)器人動(dòng)力學(xué)）來減少對(duì)度量信息的依賴。相比之下，幾何地圖需要準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，不能從抽象輸入構(gòu)建，但足夠豐富地表示世界，以使得具有各種機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的導(dǎo)航成為可能。在未來的工作中，我們打算在室外環(huán)境中測(cè)試我們的系統(tǒng)，并將更豐富的信息源納入SAMs中。