我们提出了一种算法，以（i）在线学习具有带有激光雷达的机器人的深度签名距离功能（SDF），以代表3D环境几何形状，以及（ii）鉴于此深度学习的地图，（ii）计划无碰撞轨迹。我们的算法采用了传入的激光扫描，并不断优化神经网络，以代表其当前附近环境的SDF。当SDF网络质量饱和时，我们将缓存网络的副本，以及学习的置信度指标，并初始化新的SDF网络以继续映射环境的新区域。然后，我们通过信心加权的计划来串联所有缓存的本地SDF，以提供全球SDF进行计划。为了计划，我们使用顺序凸模型预测控制（MPC）算法。 MPC规划师优化了机器人动态可行的轨迹，同时没有与全局SDF中映射的障碍物相撞。我们表明，与现有在线SDF培训的现有方法相比，我们的在线映射算法产生的地图更高。在Webots Simulator中，我们进一步展示了在线运行的组合映射器和计划者 - 自动导航，并且在未知环境中没有碰撞。

神经辐射场（NERF）最近被成为自然，复杂3D场景的代表的强大范例。 NERFS表示神经网络中的连续体积密度和RGB值，并通过射线跟踪从看不见的相机观点生成照片逼真图像。我们提出了一种算法，用于通过仅使用用于本地化的板载RGB相机表示为NERF的3D环境导航机器人。我们假设现场的NERF已经预先训练了离线，机器人的目标是通过NERF中的未占用空间导航到目标姿势。我们介绍了一种轨迹优化算法，其避免了基于NERF中的高密度区域的碰撞，其基于差分平整度的离散时间版本，其可用于约束机器人的完整姿势和控制输入。我们还介绍了基于优化的过滤方法，以估计单位的RGB相机中的NERF中机器人的6dof姿势和速度。我们将轨迹策划器与在线重新循环中的姿势过滤器相结合，以提供基于视觉的机器人导航管道。我们使用丛林健身房环境，教堂内部和巨石阵线导航的四轮车机器人，使用RGB相机展示仿真结果。我们还展示了通过教会导航的全向地面机器人，要求它重新定位以缩小差距。这项工作的视频可以在https://mikh3x4.github.io/nerf-navigation/找到。

尽管常规机器人系统中的每个不同任务都需要专用的场景表示形式，但本文表明，统一表示形式可以直接用于多个关键任务。我们提出了用于映射，进程和计划（LOG-GPIS-MOP）的log-gaussian过程隐式表面：基于统一表示形式的表面重建，本地化和导航的概率框架。我们的框架将对数转换应用于高斯过程隐式表面（GPIS）公式，以恢复全局表示，该表示可以准确地捕获具有梯度的欧几里得距离场，同时又是隐式表面。通过直接估计距离字段及其通过LOG-GPIS推断的梯度，提出的增量进程技术计算出传入帧的最佳比对，并在全球范围内融合以生成MAP。同时，基于优化的计划者使用相同的LOG-GPIS表面表示计算安全的无碰撞路径。我们根据最先进的方法验证了2D和3D和3D和基准测试的模拟和真实数据集的拟议框架。我们的实验表明，LOG-GPIS-MOP在顺序的音程，表面映射和避免障碍物中产生竞争结果。

在粗糙的地形上的动态运动需要准确的脚部放置，避免碰撞以及系统的动态不足的计划。在存在不完美且常常不完整的感知信息的情况下，可靠地优化此类动作和互动是具有挑战性的。我们提出了一个完整的感知，计划和控制管道，可以实时优化机器人所有自由度的动作。为了减轻地形所带来的数值挑战，凸出不平等约束的顺序被提取为立足性可行性的局部近似值，并嵌入到在线模型预测控制器中。每个高程映射预先计算了步骤性分类，平面分割和签名的距离场，以最大程度地减少优化过程中的计算工作。多次射击，实时迭代和基于滤波器的线路搜索的组合用于可靠地以高速率解决该法式问题。我们在模拟中的间隙，斜率和踏上石头的情况下验证了所提出的方法，并在Anymal四倍的平台上进行实验，从而实现了最新的动态攀登。

在本文中，我们基于非线性模型预测控制（NMPC）方法提出了一种分散的控制方法，该方法采用屏障证书在具有静态和/或动态障碍的未知环境中安全导航的多个非独立轮式移动机器人。该方法将学习的屏障功能（LBF）纳入NMPC设计中，以确保安全机器人导航，即防止机器人与其他机器人和障碍物的碰撞。我们将我们提出的控制方法称为NMPC-LBF。由于每个机器人都没有关于障碍物和其他机器人的先验知识，因此我们使用每个机器人实时运行的深神经网络（DEEPNN），仅从机器人的刺激镜头和探针测量中学习屏障功能（BF）。深文经过训练，可以学习分离安全和不安全地区的BF。在不同情况下，我们对模拟和实际Turtlebot3汉堡机器人实施了建议的方法。实施结果显示了NMPC-LBF方法在确保机器人安全导航方面的有效性。

Visual Teach and Repeat 3 (VT&R3), a generalization of stereo VT&R, achieves long-term autonomous path-following using topometric mapping and localization from a single rich sensor stream. In this paper, we improve the capabilities of a LiDAR implementation of VT&R3 to reliably detect and avoid obstacles in changing environments. Our architecture simplifies the obstacle-perception problem to that of place-dependent change detection. We then extend the behaviour of generic sample-based motion planners to better suit the teach-and-repeat problem structure by introducing a new edge-cost metric paired with a curvilinear planning space. The resulting planner generates naturally smooth paths that avoid local obstacles while minimizing lateral path deviation to best exploit prior terrain knowledge. While we use the method with VT&R, it can be generalized to suit arbitrary path-following applications. Experimental results from online run-time analysis, unit testing, and qualitative experiments on a differential drive robot show the promise of the technique for reliable long-term autonomous operation in complex unstructured environments.

自主机器人应在现实世界中的动态环境中运行，并与人类在紧密的空间中合作。允许机器人离开结构化实验室和制造设置的关键组成部分是他们与周围世界的在线和实时碰撞评估的能力。基于距离的约束是使机器人计划行动并安全采取行动，保护人类及其硬件的基础。但是，不同的应用需要不同的距离分辨率，从而导致各种启发式方法测量距离场W.R.T.障碍物在计算上很昂贵，并阻碍了他们在动态障碍避免用例中的应用。我们提出了正则签名的距离距离（REDSDF），这是一个单个神经隐式函数，可以在任何规模上计算平滑距离场，并在高维歧管上具有细粒度的分辨率和像人类这样的明确物体，这要归功于我们的有效数据生成和A训练过程中简单的感应偏置。我们证明了我们的方法在共享工作区中的全身控制（WBC）和安全的人类机器人相互作用（HRI）中的代表性模拟任务中的有效性。最后，我们在使用移动操纵器机器人的HRI移交任务中提供了现实世界应用的概念证明。

This paper presents a safety-critical locomotion control framework for quadrupedal robots. Our goal is to enable quadrupedal robots to safely navigate in cluttered environments. To tackle this, we introduce exponential Discrete Control Barrier Functions (exponential DCBFs) with duality-based obstacle avoidance constraints into a Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) with Whole-Body Control (WBC) framework for quadrupedal locomotion control. This enables us to use polytopes to describe the shapes of the robot and obstacles for collision avoidance while doing locomotion control of quadrupedal robots. Compared to most prior work, especially using CBFs, that utilize spherical and conservative approximation for obstacle avoidance, this work demonstrates a quadrupedal robot autonomously and safely navigating through very tight spaces in the real world. (Our open-source code is available at github.com/HybridRobotics/quadruped_nmpc_dcbf_duality, and the video is available at youtu.be/p1gSQjwXm1Q.)

神经隐式表示最近引起了机器人界的广泛关注，因为它们具有表现力，连续和紧凑。然而，基于稀疏激光雷达输入​​的城市规模增量隐式密集映射仍然是一个不足的挑战。为此，我们成功地构建了第一个城市规模的增量神经映射系统，该系统具有由环境级别和实例级建模组成的全景表示。给定稀疏发光点云流，它维护了一个动态生成模型，该模型将3D坐标映射到签名的距离字段（SDF）值。为了解决城市规模空间中不同级别的几何信息的困难，我们提出了一种定制的三层抽样策略，以动态采样全球，本地和近乎表面的域。同时，为了实现高保真度映射，引入了特定于类别的先验，以更好地对几何细节进行建模，从而导致全景表示。我们使用定量和定性结果评估了公共Semantickitti数据集，并证明了新提出的三层抽样策略和泛型表示的重要性。代码和数据将公开可用。

在本文中，我们关注将基于能量的模型（EBM）作为运动优化的指导先验的问题。 EBM是一组神经网络，可以用合适的能量函数参数为参数的GIBBS分布来表示表达概率密度分布。由于其隐含性，它们可以轻松地作为优化因素或运动优化问题中的初始采样分布整合在一起，从而使它们成为良好的候选者，以将数据驱动的先验集成在运动优化问题中。在这项工作中，我们提出了一组所需的建模和算法选择，以使EBMS适应运动优化。我们调查了将其他正规化器在学习EBM中的好处，以将它们与基于梯度的优化器一起使用，并提供一组EBM架构，以学习用于操纵任务的可通用分布。我们提出了多种情况，可以将EBM集成以进行运动优化，并评估学到的EBM的性能，以指导模拟和真实机器人实验的指导先验。

为了实现成功的实地自主权，移动机器人需要自由适应环境的变化。视觉导航系统（如视觉教学和重复（VT＆R）通常会假设参考轨迹周围的空间是自由的，但如果环境受阻，则路径跟踪可能会失败，或者机器人可以与先前看不见的障碍物碰撞。在这项工作中，我们为VT＆R系统提供了一个局部反应控制器，允许机器人尽管对环境进行物理变化，但是尽管环境变化。我们的控制器使用本地高程映射来计算矢量表示，并输出10 Hz导航的Twist命令。它们组合在Riemannian运动策略（RMP）控制器中，该控制器需要<2 ms以在CPU上运行。我们将我们的控制器与VT＆R系统集成在内的ANYMAL COMOT，并在室内杂乱的空间和大规模地下矿井中进行了测试。我们表明，当发生诸如靠近墙壁，交叉门口或穿越狭窄的走廊时，当发生视觉跟踪时，我们的本地反应控制器保持机器人安全。视频：https://youtu.be/g_awnec5awu.

Designing a local planner to control tractor-trailer vehicles in forward and backward maneuvering is a challenging control problem in the research community of autonomous driving systems. Considering a critical situation in the stability of tractor-trailer systems, a practical and novel approach is presented to design a non-linear MPC(NMPC) local planner for tractor-trailer autonomous vehicles in both forward and backward maneuvering. The tractor velocity and steering angle are considered to be control variables. The proposed NMPC local planner is designed to handle jackknife situations, avoiding multiple static obstacles, and path following in both forward and backward maneuvering. The challenges mentioned above are converted into a constrained problem that can be handled simultaneously by the proposed NMPC local planner. The direct multiple shooting approach is used to convert the optimal control problem(OCP) into a non-linear programming problem(NLP) that IPOPT solvers can solve in CasADi. The controller performance is evaluated through different backup and forward maneuvering scenarios in the Gazebo simulation environment in real-time. It achieves asymptotic stability in avoiding static obstacles and accurate tracking performance while respecting path constraints. Finally, the proposed NMPC local planner is integrated with an open-source autonomous driving software stack called AutowareAi.

我们向连续状态马尔可夫决策过程（MDP）提出了一种扩散近似方法，该方法可用于解决非结构化的越野环境中的自主导航和控制。与呈现完全已知的状态转换模型的大多数决策定理计划框架相比，我们设计了一种方法，该方法消除了这种强烈假设，这些假设通常非常难以在现实中工程师。我们首先采用价值函数的二阶泰勒扩展。然后通过部分微分方程近似贝尔曼的最优性方程，其仅依赖于转换模型的第一和第二矩。通过组合价值函数的内核表示，然后设计一种有效的策略迭代算法，其策略评估步骤可以表示为特征的方程式的线性系统，其特征是由有限组支持状态。我们首先通过大量的仿真以2D美元的$ 2D $避让和2.5d $地形导航问题进行验证。结果表明，拟议的方法在几个基线上导致了卓越的性能。然后，我们开发一个系统，该系统将我们的决策框架整合，与船上感知，并在杂乱的室内和非结构化的户外环境中进行现实世界的实验。物理系统的结果进一步展示了我们在挑战现实世界环境中的方法的适用性。

本文提出了一种新颖的方法，用于在具有复杂拓扑结构的地下领域的搜索和救援行动中自动合作。作为CTU-Cras-Norlab团队的一部分，拟议的系统在DARPA SubT决赛的虚拟轨道中排名第二。与专门为虚拟轨道开发的获奖解决方案相反，该建议的解决方案也被证明是在现实世界竞争极为严峻和狭窄的环境中飞行的机上实体无人机的强大系统。提出的方法可以使无缝模拟转移的无人机团队完全自主和分散的部署，并证明了其优于不同环境可飞行空间的移动UGV团队的优势。该论文的主要贡献存在于映射和导航管道中。映射方法采用新颖的地图表示形式 - 用于有效的风险意识长距离计划，面向覆盖范围和压缩的拓扑范围的LTVMAP领域，以允许在低频道通信下进行多机器人合作。这些表示形式与新的方法一起在导航中使用，以在一般的3D环境中可见性受限的知情搜索，而对环境结构没有任何假设，同时将深度探索与传感器覆盖的剥削保持平衡。所提出的解决方案还包括一条视觉感知管道，用于在没有专用GPU的情况下在5 Hz处进行四个RGB流中感兴趣的对象的板上检测和定位。除了参与DARPA SubT外，在定性和定量评估的各种环境中，在不同的环境中进行了广泛的实验验证，UAV系统的性能得到了支持。

内部计算模型的物理体是机器人和动物的能力来规划和控制行动的基础。这些“自我模型”允许机器人考虑多种可能的未来行动的结果，而不会在物理现实中尝试。最近的完全数据驱动自建模中的进展使机器能够直接从任务 - 不可行的交互数据学习自己的前瞻性运动学。然而，前进kinema \ -tics模型只能预测形态的有限方面，例如关节和肿块的最终效果或速度的位置。一个关键的挑战是模拟整个形态和运动学，而无需先验知识的形态的哪些方面与未来的任务相关。在这里，我们建议，而不是直接建模前瞻性，更有用的自我建模形式是一个可以回答空间占用查询的形式，而是在机器人的状态下调节空间占用疑问。这种查询驱动的自模型在空间域中是连续的，内存高效，完全可分辨：运动感知。在物理实验中，我们展示了视觉自我模型是如何准确到工作空间的百分比，使机器人能够执行各种运动规划和控制任务。视觉自我建模还可以让机器人从真实世界损坏中检测，本地化和恢复，从而提高机器弹性。我们的项目网站是：https://robot-morphology.cs.columbia.edu/

本文着重于影响弹性的移动机器人的碰撞运动计划和控制的新兴范式转移，并开发了一个统一的层次结构框架，用于在未知和部分观察的杂物空间中导航。在较低级别上，我们开发了一种变形恢复控制和轨迹重新启动策略，该策略处理可能在本地运行时发生的碰撞。低级系统会积极检测碰撞（通过内部内置的移动机器人上的嵌入式霍尔效应传感器），使机器人能够从其内部恢复，并在本地调整后影响后的轨迹。然后，在高层，我们提出了一种基于搜索的计划算法，以确定如何最好地利用潜在的碰撞来改善某些指标，例如控制能量和计算时间。我们的方法建立在A*带有跳跃点的基础上。我们生成了一种新颖的启发式功能，并进行了碰撞检查和调整技术，从而使A*算法通过利用和利用可能的碰撞来更快地收敛到达目标。通过将全局A*算法和局部变形恢复和重新融合策略以及该框架的各个组件相结合而生成的整体分层框架在模拟和实验中都经过了广泛的测试。一项消融研究借鉴了与基于搜索的最先进的避免碰撞计划者（用于整体框架）的链接，以及基于搜索的避免碰撞和基于采样的碰撞 - 碰撞 - 全球规划师（对于更高的较高的碰撞 - 等级）。结果证明了我们的方法在未知环境中具有碰撞的运动计划和控制的功效，在2D中运行的一类撞击弹性机器人具有孤立的障碍物。

机器学习的最近进步已经创造了利用一类基于坐标的神经网络来解决视觉计算问题的兴趣，该基于坐标的神经网络在空间和时间跨空间和时间的场景或对象的物理属性。我们称之为神经领域的这些方法已经看到在3D形状和图像的合成中成功应用，人体的动画，3D重建和姿势估计。然而，由于在短时间内的快速进展，许多论文存在，但尚未出现全面的审查和制定问题。在本报告中，我们通过提供上下文，数学接地和对神经领域的文学进行广泛综述来解决这一限制。本报告涉及两种维度的研究。在第一部分中，我们通过识别神经字段方法的公共组件，包括不同的表示，架构，前向映射和泛化方法来专注于神经字段的技术。在第二部分中，我们专注于神经领域的应用在视觉计算中的不同问题，超越（例如，机器人，音频）。我们的评论显示了历史上和当前化身的视觉计算中已覆盖的主题的广度，展示了神经字段方法所带来的提高的质量，灵活性和能力。最后，我们展示了一个伴随着贡献本综述的生活版本，可以由社区不断更新。

许多机器人任务需要高维传感器，如相机和激光雷达，以导航复杂的环境，但是在这些传感器周围开发认可的安全反馈控制器仍然是一个具有挑战性的公开问题，特别是在涉及学习时的开放问题。以前的作品通过分离感知和控制子系统并对感知子系统的能力做出强烈的假设来证明了感知反馈控制器的安全性。在这项工作中，我们介绍了一种新的启用学习的感知反馈混合控制器，在那里我们使用控制屏障函数（CBF）和控制Lyapunov函数（CLF）来显示全堆叠感知反馈控制器的安全性和活力。我们使用神经网络直接在机器人的观察空间中学习全堆栈系统的CBF和CLF，而无需承担基于感知的状态估计器。我们的混合控制器称为基因座（使用切换启用了学习的观察反馈控制），可以安全地导航未知的环境，始终如一地达到其目标，并将安全性安全地概括为培训数据集之外的环境。我们在模拟和硬件中展示了实验中的轨迹，在那里它使用LIDAR传感器的反馈成功地导航变化环境。

为了安全操作，机器人必须能够避免在不确定的环境中发生碰撞。现有的不确定性运动计划方法通常会对高斯和障碍几何形状做出保守的假设。尽管视觉感知可以对环境提供更准确的表示，但其用于安全运动计划的使用受到神经网络的固有错误校准的限制以及获得足够数据集的挑战。为了解决这些模仿，我们建议采用经过系统增强数据集训练的深层语义分割网络的合奏，以确保可靠的概率占用信息。为了避免在运动计划中进行保守主义，我们通过基于场景的路径计划方法直接采用了概率感知。速度调度方案被应用于路径上，以确保跟踪不准确的情况。我们证明了系统数据增强与深层合奏结合的有效性以及与最新方法相比的基于方案的计划方法，并在涉及人手的实验中验证了我们的框架。

室内运动计划的重点是解决通过混乱环境导航代理的问题。迄今为止，在该领域已经完成了很多工作，但是这些方法通常无法找到计算廉价的在线路径计划和路径最佳之间的最佳平衡。除此之外，这些作品通常证明是单一启动单目标世界的最佳性。为了应对这些挑战，我们为在未知室内环境中进行导航的多个路径路径计划者和控制器堆栈，在该环境中，路点将目标与机器人必须在达到目标之前必须穿越的中介点一起。我们的方法利用全球规划师（在任何瞬间找到下一个最佳航路点），本地规划师（计划通往特定航路点的路径）以及自适应模型预测性控制策略（用于强大的系统控制和更快的操作） 。我们在一组随机生成的障碍图，中间航路点和起始目标对上评估了算法，结果表明计算成本显着降低，具有高度准确性和可靠的控制。