尽管腿部机器人运动取得了进展，但在未知环境中的自主导航仍然是一个空旷的问题。理想情况下，导航系统在不确定性下在安全限制内运行时，利用机器人的运动功能的全部潜力。机器人必须感知和分析周围地形的遍历性，这取决于硬件，运动控制和地形特性。它可能包含有关穿越地形所需的风险，能量或时间消耗的信息。为了避免手工制作的遍历成本功能，我们建议通过使用物理模拟器在随机生成的地形上模拟遍历的遍历策略，以收集有关机器人和运动策略的遍历性信息。在现实中使用的相同的运动策略并行控制了数千个机器人，以获得57年的现实运动体验。对于在Real机器人上的部署，培训了一个稀疏的卷积网络，以预测模拟的遍历性成本，该成本是根据已部署的运动策略量身定制的，它是从环境的完全几何表示，以3D素体占用图的形式。该表示避免了对常用的高程图的需求，在存在悬垂障碍物以及多层或低天花板方案的情况下，这些图形图很容易出错。在各种室内和自然环境中，为腿部机器人Anymal的路径计划证明了拟议的遍历性预测网络的有效性。
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2022-06-16
我们提出了一种基于学习的方法，以通过穿越城市环境的移动机器人来重建当地地形进行机车。使用板载摄像头和机器人轨迹的深度测量流，该算法估计机器人附近的地形。这些相机的原始测量值嘈杂，仅提供部分和遮挡的观察结果，在许多情况下，这些观察结果并未显示机器人所占据的地形。因此，我们提出了一个3D重建模型，该模型忠实地重建了场景，尽管嘈杂的测量和大量丢失的数据来自相机布置的盲点。该模型由点云上的4D完全卷积网络组成，该网络学习了几何先验，以从上下文中完成场景和自动回归反馈，以利用时空的一致性并使用过去的证据。该网络只能通过合成数据对网络进行训练，并且由于广泛的增强，它在现实世界中是强大的，如四足机器人（Anymal）验证中所示，Anymal，遍历具有挑战性的设置。我们使用有效的稀疏张量实现在机器人的机载低功率计算机上运行管道，并表明所提出的方法的表现优于经典地图表示。
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本文介绍了Cerberus机器人系统系统，该系统赢得了DARPA Subterranean挑战最终活动。出席机器人自主权。由于其几何复杂性，降解的感知条件以及缺乏GPS支持，严峻的导航条件和拒绝通信，地下设置使自动操作变得特别要求。为了应对这一挑战，我们开发了Cerberus系统，该系统利用了腿部和飞行机器人的协同作用，再加上可靠的控制，尤其是为了克服危险的地形，多模式和多机器人感知，以在传感器退化，以及在传感器退化的条件下进行映射以及映射通过统一的探索路径计划和本地运动计划，反映机器人特定限制的弹性自主权。 Cerberus基于其探索各种地下环境及其高级指挥和控制的能力，表现出有效的探索，对感兴趣的对象的可靠检测以及准确的映射。在本文中，我们报告了DARPA地下挑战赛的初步奔跑和最终奖项的结果，并讨论了为社区带来利益的教训所面临的亮点和挑战。
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While the capabilities of autonomous systems have been steadily improving in recent years, these systems still struggle to rapidly explore previously unknown environments without the aid of GPS-assisted navigation. The DARPA Subterranean (SubT) Challenge aimed to fast track the development of autonomous exploration systems by evaluating their performance in real-world underground search-and-rescue scenarios. Subterranean environments present a plethora of challenges for robotic systems, such as limited communications, complex topology, visually-degraded sensing, and harsh terrain. The presented solution enables long-term autonomy with minimal human supervision by combining a powerful and independent single-agent autonomy stack, with higher level mission management operating over a flexible mesh network. The autonomy suite deployed on quadruped and wheeled robots was fully independent, freeing the human supervision to loosely supervise the mission and make high-impact strategic decisions. We also discuss lessons learned from fielding our system at the SubT Final Event, relating to vehicle versatility, system adaptability, and re-configurable communications.
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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。
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本文介绍了使用腿收割机进行精密收集任务的集成系统。我们的收割机在狭窄的GPS拒绝了森林环境中的自主导航和树抓取了一项挑战性的任务。提出了映射，本地化，规划和控制的策略，并集成到完全自主系统中。任务从使用定制的传感器模块开始使用人员映射感兴趣区域。随后，人类专家选择树木进行收获。然后将传感器模块安装在机器上并用于给定地图内的本地化。规划算法在单路径规划问题中搜索一个方法姿势和路径。我们设计了一个路径，后面的控制器利用腿的收割机的谈判粗糙地形的能力。在达接近姿势时，机器用通用夹具抓住一棵树。此过程重复操作员选择的所有树。我们的系统已经在与树干和自然森林中的测试领域进行了测试。据我们所知，这是第一次在现实环境中运行的全尺寸液压机上显示了这一自主权。
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对未知环境的探索是机器人技术中的一个基本问题，也是自治系统应用中的重要组成部分。探索未知环境的一个主要挑战是，机器人必须计划每个时间步骤可用的有限信息。尽管大多数当前的方法都依靠启发式方法和假设来根据这些部分观察来规划路径，但我们提出了一种新颖的方式，通过利用3D场景完成来将深度学习整合到探索中，以获取知情，安全，可解释的探索映射和计划。我们的方法，SC-explorer，使用新型的增量融合机制和新提出的分层多层映射方法结合了场景的完成，以确保机器人的安全性和效率。我们进一步提出了一种信息性的路径计划方法，利用了我们的映射方法的功能和新颖的场景完整感知信息增益。虽然我们的方法通常适用，但我们在微型航空车辆（MAV）的用例中进行了评估。我们仅使用移动硬件彻底研究了高保真仿真实验中的每个组件，并证明我们的方法可以使环境的覆盖范围增加73％，而不是基线，而MAP准确性的降低仅最少。即使最终地图中未包含场景的完成，我们也可以证明它们可以用于指导机器人选择更多信息的路径，从而加快机器人传感器的测量值35％。我们将我们的方法作为开源。
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机器人车使用成本图来规划无碰撞路径。与地图中的每个单元相关的成本表示感知的环境信息，这些信息通常是在经过几次反复试验后手动确定的。在越野环境中，由于存在几种类型的功能，将与每个功能相关的成本值进行手工制作是挑战。此外，不同手工制作的成本值可以导致相同环境的不同路径，而不可取的环境。在本文中，我们解决了从感知的稳健车辆路径计划中学习成本图值的问题。我们使用深度学习方法提出了一个名为“骆驼”的新颖框架，该方法通过演示来学习参数，从而为路径规划提供适应性和强大的成本图。骆驼已接受过多模式数据集的培训，例如Rellis-3D。骆驼的评估是在越野场景模拟器（MAV）和IISER-B校园的现场数据上进行的。我们还在地面流动站上执行了骆驼的现实实施。结果表明，在非结构化的地形上没有碰撞的情况下，车辆的灵活而强大的运动。
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我们提出了一种生成，预测和使用时空占用网格图（SOGM）的方法，该方法嵌入了真实动态场景的未来语义信息。我们提出了一个自动标记的过程，该过程从嘈杂的真实导航数据中创建SOGM。我们使用3D-2D馈电体系结构，经过训练，可以预测SOGM的未来时间步骤，并给定3D激光镜框架作为输入。我们的管道完全是自我监督的，从而为真正的机器人提供了终身学习。该网络由一个3D后端组成，该后端提取丰富的特征并实现了激光镜框架的语义分割，以及一个2D前端，可预测SOGM表示中嵌入的未来信息，从而有可能捕获房地产的复杂性和不确定性世界多代理，多未来的互动。我们还设计了一个导航系统，该导航系统在计划中使用这些预测的SOGM在计划中，之后它们已转变为时空风险图（SRMS）。我们验证导航系统在模拟中的能力，在真实的机器人上对其进行验证，在各种情况下对真实数据进行研究SOGM预测，并提供一种新型的室内3D LIDAR数据集，该数据集在我们的实验中收集，其中包括我们的自动注释。
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本文通过底层云的表面表示，在不平坦的环境中引入了一种新的机器人运动计划和导航的方法。所提出的方法通过将机器人的运动学和物理约束与标准运动计划算法（例如，来自开放运动计划库的机器人）纳入了最先进的导航方法的缺点，从而实现了有效的基于采样的计划者在原始点云图上挑战不平衡的地形导航。与基于数字高程图（DEMS）的技术不同，我们的新型基于表面的状态空间公式和实现是基于原始点云图，从而允许建模重叠的表面，例如桥梁，码头和隧道。实验结果证明了在真实和模拟的非结构化环境中提出的机器人导航方法的鲁棒性。拟议的方法还通过将基于我们基于Surfel的方法的机器人约束抽样策略提高其成功率的成功率，从而优化了计划者的表现。最后，我们提供了拟议方法的开源实施，以使机器人社区受益。
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估计越野环境中的地形横穿性需要关于机器人和这些地形之间复杂相互作用动态的推理。但是，建立准确的物理模型，或创建有益的标签来以有监督的方式学习模型是有挑战性的。我们提出了一种方法，该方法通过将外部感受性的环境信息与本体感受性的地形相互作用反馈相结合，以自我监督的方式将遍历性成本映像结合在一起。此外，我们提出了一种将机器人速度纳入Costmap预测管道中的新型方法。我们在具有挑战性的越野地形上，在多个大型，自动的全地形车辆（ATV）上验证了我们的方法，并在单独的大型地面机器人上易于集成。我们的短尺寸导航结果表明，使用我们学到的Costmaps可以使整体航行更顺畅，并为机器人提供了对机器人与不同地形类型（例如草和砾石）之间相互作用的更细粒度的了解。我们的大规模导航试验表明，与基于占用率的导航基线相比，我们可以将干预措施的数量减少多达57％，这是在挑战400 m至3150 m不等的越野课程中。
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多年来，运动规划，映射和人类轨迹预测的单独领域显着提出。然而，在提供能够使移动操纵器能够执行全身运动并考虑移动障碍物的预测运动时，文献在提供实际框架方面仍然稀疏。基于以前的优化的运动计划方法，使用距离字段遭受更新环境表示所需的高计算成本。我们证明，与从头划痕计算距离场相比，GPU加速预测的复合距离场显着降低计算时间。我们将该技术与完整的运动规划和感知框架集成，其占据动态环境中的人类的预测运动，从而实现了包含预测动作的反应性和先发制人的运动规划。为实现这一目标，我们提出并实施了一种新颖的人类轨迹预测方法，该方法结合了基于轨迹优化的运动规划的意图识别。我们在现实世界丰田人类支持机器人（HSR）上验证了我们的由Onboard Camera的现场RGB-D传感器数据验证了我们的结果框架。除了在公开的数据集提供分析外，我们还释放了牛津室内人类运动（牛津-IHM）数据集，并在人类轨迹预测中展示了最先进的性能。牛津-IHM数据集是一个人类轨迹预测数据集，人们在室内环境中的兴趣区域之间行走。静态和机器人安装的RGB-D相机都观察了用运动捕获系统跟踪的人员。
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2021-12-03
我们利用了肢体机器人互动和预言的互补优势，实现了点球导航。腿系统能够穿过比轮式机器人更复杂的地形，而是为了充分利用这种能力，我们需要导航系统中的高级路径规划仪，了解在不同地形上的低级运动策略的步行能力。我们通过使用壁虎搜寻反馈来实现这一目标来估计行走政策的安全操作限制，并感知意外障碍和地形性质，如可能被视力错过的地面的平滑度或柔软度。导航系统使用车载相机来生成占用映射和相应的成本图以实现目标。然后，FMM（快速行进方法）规划器然后生成目标路径。速度命令生成器将此作为输入，以从安全顾问，意外障碍和地形速度限制生成作为输入附加约束的机车策略的所需速度。与轮式机器人（Logobot）基线（Logobot）基线和其他具有不相交的基调规划和低级控制的基线显示出卓越的性能。我们还在具有板载传感器和计算的Quadruped Robot上显示了我们系统的真实部署。 https://navigation-locomotion.github.io/camera-ready的视频
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机器人技术中的安全运动规划需要已验证的空间规划，这些空间没有障碍。但是，由于其深度测量值的稀疏性，使用LiDARS获得此类环境表示是具有挑战性的。我们提出了一个学习辅助的3D激光雷达重建框架，该框架借助重叠的摄像头图像来为稀疏的激光雷达深度测量，以生成比单独使用原始liDar测量值可以实现更明确的自由空间的较密集的重建。我们使用带有编码器解码器结构的神经网络来预测密集的深度图像以及使用体积映射系统融合的深度不确定性估计。我们在使用手持式传感设备和腿部机器人捕获的现实世界室外数据集上进行实验。我们使用来自16束束激光雷达映射建筑网络的输入数据，我们的实验表明，通过我们的方法，估计的自由空间的量增加了40％以上。我们还表明，我们在合成数据集通用上训练的方法非常适合现实世界户外场景，而无需进行其他微调。最后，我们演示了运动计划任务如何从这些密集的重建中受益。
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随着腿部机器人和嵌入式计算都变得越来越有能力，研究人员已经开始专注于这些机器人的现场部署。在非结构化环境中的强大自治需要对机器人周围的世界感知，以避免危害。但是，由于处理机车动力学所需的复杂规划人员和控制器，因此在网上合并在线的同时在线保持敏捷运动对腿部机器人更具挑战性。该报告将比较三种最新的感知运动方法，并讨论可以使用视觉来实现腿部自主权的不同方式。
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我们提出了Terrapn，这是一种新颖的方法，它可以通过自我监督的学习直接从机器人 - 泰林相互作用中了解复杂室外地形的表面特性（牵引力，颠簸，可变形等），并将其用于自动驾驶机器人导航。我们的方法使用地形表面和机器人的速度的RGB图像作为输入，以及机器人作为自我选择的标签所经历的IMU振动和探测错误。我们的方法计算了一个表面成本图，该图将平滑，高吸收表面（低导航成本）与颠簸，滑水，可变形表面（高导航成本）区分开。我们通过检测表面之间的边界来计算从输入RGB图像的非均匀采样贴片来计算成本图，从而与均匀的采样和现有分割方法相比，导致推理时间较低（低47.27％）。我们提出了一种新颖的导航算法，该算法可以说明表面成本，计算机器人的基于成本的加速度限制以及动态可行的无碰撞轨迹。 Terrapn的表面成本预测可以在约25分钟内进行五个不同的表面进行训练，而先前基于学习的分割方法数小时。在导航方面，我们的方法在成功率（高达35.84％），轨迹的振动成本（降低21.52％）方面优于先前的工作，并在颠簸，可变形的表面上放慢机器人（最高46.76％）在不同的情况下较慢）。
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对地形信息有良好的了解对于改善复杂地形上各种下游任务的执行至关重要，尤其是对于腿部机器人的运动和导航。我们为神经城市地形重建提供了一个新颖的框架，并进行了不确定性估计。它通过稀疏的激光雷达观察结果在线生成密集的以机器人为中心的高程图。我们设计了一种新颖的预处理和点特征表示方法，可确保在整合多点云帧时确保高鲁棒性和计算效率。然后，贝叶斯gan模型恢复了详细的地形结构，同时提供了像素重建不确定性。我们通过广泛的模拟和现实世界实验评估了提议的管道。它在移动平台上展示了具有高质量和实时性能的有效地形重建，这进一步使腿部机器人的下游任务受益。 （有关更多详细信息，请参见https://kin-zhang.github.io/ndem/。）
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我们提出了一种新颖的户外导航算法，以生成稳定，有效的动作，以将机器人导航到目标。我们使用多阶段的训练管道，并表明我们的模型产生了政策，从而在复杂的地形上导致稳定且可靠的机器人导航。基于近端政策优化（PPO）算法，我们开发了一种新颖的方法来实现户外导航任务的多种功能，即：减轻机器人的漂移，使机器人在颠簸的地形上保持稳定，避免在山丘上攀登，并具有陡峭的山坡，并改变了山坡，并保持了陡峭的高度变化，并使机器人稳定在山坡上，并避免了攀岩地面上的攀登，并避免了机器人的攀岩地形，并避免了机器人的攀岩地形。避免碰撞。我们的培训过程通过引入更广泛的环境和机器人参数以及统一模拟器中LIDAR感知的丰富特征来减轻现实（SIM到现实）差距。我们使用Clearphith Husky和Jackal在模拟和现实世界中评估我们的方法。此外，我们将我们的方法与最先进的方法进行了比较，并表明在现实世界中，它在不平坦的地形上至少提高了30.7％通过防止机器人在高梯度的区域移动，机器人在每个运动步骤处的高程变化。
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森林中自主冬季导航所固有的挑战包括缺乏可靠的全球导航卫星系统（GNSS）信号，低特征对比度，高照明变化和变化环境。这种类型的越野环境是一个极端的情况，自治车可能会在北部地区遇到。因此，了解对自动导航系统对这种恶劣环境的影响非常重要。为此，我们介绍了一个现场报告分析亚曲率区域中的教导和重复导航，同时受到气象条件的大变化。首先，我们描述了系统，它依赖于点云注册来通过北方林地定位移动机器人，同时构建地图。我们通过在教学和重复模式下在自动导航中进行了在实验中评估了该系统。我们展示了密集的植被扰乱了GNSS信号，使其不适合在森林径中导航。此外，我们突出了在森林走廊中使用点云登记的定位相关的不确定性。我们证明它不是雪降水，而是影响我们系统在环境中定位的能力的积雪。最后，我们从我们的实地运动中揭示了一些经验教训和挑战，以支持在冬季条件下更好的实验工作。
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2022-03-22
我们提出了一种自我监督的方法，用于预测需要良好牵引力才能导航的轮式移动机器人的可穿越路径。我们的算法称为Wayfast（无路线自动驾驶系统用于遍历性），使用RGB和深度数据以及导航经验，自主在室外非结构化环境中自主生成可遍历的路径。我们的主要灵感是，可以使用动力动力学模型估算滚动机器人的牵引力。使用在线退化的视野估计器提供的牵引力估计值，我们能够以自我监督的方式训练遍历性预测神经网络，而无需以前的方法使用的启发式方法。我们通过在各种环境中进行广泛的现场测试来证明Wayfast的有效性，从沙滩到森林檐篷和积雪覆盖的草田不等。我们的结果清楚地表明，Wayfast可以学会避免几何障碍物以及不可传输的地形，例如雪，这很难避免使用仅提供几何数据（例如LiDAR）的传感器。此外，我们表明，基于在线牵引力估计的培训管道比其他基于启发式的方法更有效率。
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