STEP: Stochastic Traversability Evaluation and Planning for Risk-Aware Off-road Navigation; Results from the DARPA Subterranean Challenge

要約

構造化され制御された環境での自律走行は広く普及しているが、未知の地形やオフロードでのロボットの自律走行は依然として困難な問題である。未開発の荒野、洞窟、瓦礫、その他の災害後の現場など、極端なオフロードや非構造化環境は、自律的なナビゲーションにとってユニークで困難な問題を提起しています。DARPA Subterranean Challengeへの参加に基づき、我々はSTEP (Stochastic Traversability Evaluation and Planning)と呼ばれるトラバーサビリティとプランニングのフレームワークを通して、知覚的に劣化し、完全に未知の地下環境におけるロボットの自律的トラバースを改善するアプローチを提案します。我々は、1）不確実性を考慮した迅速なマッピングとトラバサビリティ評価、2）CVaR（Conditional Value-at-Risk） を用いたテールリスク評価、3）逐次二次計画ベース（SQP）モデル予測制御（MPC）を用いたリスクと制約を考慮した効率の良いキノダイナミックモーションプランニング、4）故障を引き起こすかもしれない予想外のシナリオを考慮した高速回復動作、5）4足歩行ロボットに対するリスクベースの歩行適応、を示す。私たちは、カリフォルニア州バレンタインケーブ（洞窟環境）、ケンタッキー州アンダーグラウンド（鉱山環境）、ルイビルメガキャバーン（トンネル、都市、洞窟環境を含むDARPA Subterranean Challengeの最終競技場）でのフィールド調査において、車輪付きおよび脚付きロボットプラットフォームでの実験から得られた広範な結果を説明し、検証する。

要約(オリジナル)

Although autonomy has gained widespread usage in structured and controlled environments, robotic autonomy in unknown and off-road terrain remains a difficult problem. Extreme, off-road, and unstructured environments such as undeveloped wilderness, caves, rubble, and other post-disaster sites pose unique and challenging problems for autonomous navigation. Based on our participation in the DARPA Subterranean Challenge, we propose an approach to improve autonomous traversal of robots in subterranean environments that are perceptually degraded and completely unknown through a traversability and planning framework called STEP (Stochastic Traversability Evaluation and Planning). We present 1) rapid uncertainty-aware mapping and traversability evaluation, 2) tail risk assessment using the Conditional Value-at-Risk (CVaR), 3) efficient risk and constraint-aware kinodynamic motion planning using sequential quadratic programming-based (SQP) model predictive control (MPC), 4) fast recovery behaviors to account for unexpected scenarios that may cause failure, and 5) risk-based gait adaptation for quadrupedal robots. We illustrate and validate extensive results from our experiments on wheeled and legged robotic platforms in field studies at the Valentine Cave, CA (cave environment), Kentucky Underground, KY (mine environment), and Louisville Mega Cavern, KY (final competition site for the DARPA Subterranean Challenge with tunnel, urban, and cave environments).

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