EVORA: Deep Evidential Traversability Learning for Risk-Aware Off-Road Autonomy

要約

オフロードでの高速ナビゲーションを実現するには、良好なトラクションで地形を横断することが重要です。
既存の手法では、地形の特徴に基づいてコストを手動で設計するのではなく、自己監視を介してデータから直接地形の特性を学習し、望ましくない地形を移動する軌道に自動的にペナルティを課しますが、学習されたモデルの不確実性によるリスクを適切に定量化し、軽減するには課題が残っています。
この目的を達成するために、この研究では、不確実性を認識したトラクション モデルを学習し、リスクを認識した軌道を計画するための統一フレームワークを提案します。
不確実性の定量化では、離散トラクション分布とトラクション予測子の潜在特徴の確率密度を学習することで、偶然性と認識性の不確実性の両方を効率的にモデル化します。
証拠深層学習を活用して、ネットワーク出力を使用してディリクレ分布をパラメータ化し、学習精度とナビゲーション パフォーマンスを向上させる閉形式を使用した、不確実性を考慮した新しい二乗アース ムーバーの距離損失を提案します。
リスクを認識したナビゲーションの場合、提案されたプランナーは、偶然の不確実性を処理するために最悪の場合の予測牽引力で状態の軌道をシミュレートし、認識上の不確実性が高い地形を移動する軌道にペナルティを与えます。
私たちのアプローチは、シミュレーションや車輪付きロボットや四足ロボットで広範囲に検証されており、滑りがないことを前提としたり、予想されるトラクションを想定したり、最悪の場合の予想コストを最適化したりする方法と比較して、ナビゲーション パフォーマンスが向上していることが示されています。

要約(オリジナル)

Traversing terrain with good traction is crucial for achieving fast off-road navigation. Instead of manually designing costs based on terrain features, existing methods learn terrain properties directly from data via self-supervision to automatically penalize trajectories moving through undesirable terrain, but challenges remain to properly quantify and mitigate the risk due to uncertainty in learned models. To this end, this work proposes a unified framework to learn uncertainty-aware traction model and plan risk-aware trajectories. For uncertainty quantification, we efficiently model both aleatoric and epistemic uncertainty by learning discrete traction distributions and probability densities of the traction predictor’s latent features. Leveraging evidential deep learning, we parameterize Dirichlet distributions with the network outputs and propose a novel uncertainty-aware squared Earth Mover’s distance loss with a closed-form expression that improves learning accuracy and navigation performance. For risk-aware navigation, the proposed planner simulates state trajectories with the worst-case expected traction to handle aleatoric uncertainty, and penalizes trajectories moving through terrain with high epistemic uncertainty. Our approach is extensively validated in simulation and on wheeled and quadruped robots, showing improved navigation performance compared to methods that assume no slip, assume the expected traction, or optimize for the worst-case expected cost.

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