基于视觉的具身导航

背景

什么是（视觉的？）具身导航

输入机器人观测的当前图像$o_t$和目标图像$o_G$，输出当前时间步的控制动作$u_t$，最终到达指定地点的算法流程。

通用的评价指标

• 性能指标，目标的到达率，越高越好
• 安全指标，人工干预（碰撞等）的出现率，越低越好

一些其它指标：

• 距离加权的成功率（SPL），将成功率除以“实际距离与最短距离之比”

（有篇综述论文专门提到）

具身导航模型的能力

（层次从低到高）

• 控制，给定当前图像和局部的下一个路径节点的图像，输出控制动作
• 局部规划，给定当前图像，估计通往（较近的）下一个路径节点的可行性
• 全局规划，给定当前图像和目标图像，规划出全局的路径

主要的技术路线

• 基于局部规划的导航，学习一个局部可通过性（traversability）度量，从而根据已有的图像建立一个拓扑图（在可相互到达的图像之间连边），在导航图上执行路径规划（Dijkstra，如果有启发式也可以用A*）算法，在路径点之间执行局部的控制策略
• 端到端的全局导航，将导航直接建模为一个决策过程，用RL的框架直接学习一个全局的控制策略

公开的机器人平台

【我不太了解这些机器人的控制方式的区别，这部分需要补充】

• 无人地面车辆(unmanned ground vehicle, UGV)，包括Jackal、Warthog等
• 全地形车(all terrain vehicle, ATV)
• 机器狗，如Spot等
• 其它机器人平台，如TurtleBot、LoCoBot等
• 汽车

公开的数据集

	数据集	机器人平台	规模	环境
1	GoStanford	TurtleBot2	14h	室内
2	RECON	Jackal	25h	野外
3	SCAND	Spot / Jackal	9h	人行道
4	Seattle	Warthog	1h	野外
5	TartanDrive	ATV	5h	野外
6	NeBula	ATV	10h	野外
7	HuRoN	TurtleBot2	75h	室内
8	BDD	Car	10h	公路

另外还有仿真环境：Habitat-Matterport 3D Semantics Dataset，包含了216个室内场景下的3,100个房间及对应物体的标注

研究点1：具有通用性和泛化性的具身导航模型

迁移学习 / 多任务学习 / 泛化性。训练能适用于多种机器人平台和多种环境的导航策略；

ViNG

ViNG: Learning Open-World Navigation with Visual Goals [ICRA 2021]

主要创新点：（不知道是不是开创这个框架的方法），另外使用了从不同的轨迹间构造负样本对的方法，提高了可通过性学习的效率。

局限：1）在新环境下需要微调（few-shot）；2）不能用于其它机器人平台。

ExAug

ExAug: Robot-Conditioned Navigation Policies via Geometric Experience Augmentation. [ICRA 2023]

主要创新点：通过构建点云对环境进行3D建模，然后根据新机器人的尺寸和速度作为condition生成图像，在多视角的图像上训练策略。

局限：1）文中只改变了机器人的尺寸和速度，并没有改变底层的控制方式（比如差速驱动和油门刹车驱动的区别）；2）没有体现对新环境的泛化能力。

GNM

GNM: A General Navigation Model to Drive Any Robot [ICRA 2023]

主要创新点：建立了统一的state空间、action空间和traversability；用前k帧的图像隐式建模机器人的context，泛化性更强，支持多种环境多种平台（zero-shot），也可以处理机器人部分失能的情形。

局限：1）模型不够大；2）需要事先建立拓扑图

ViNT

ViNT: A Foundation Model for Visual Navigation [Preprint]

主要创新点：1）大；2）将observation和goal提前进行融合，以建模二者的相关性；3）可以根据下游任务进行多模态的微调；4）具有全局规划能力（下面会讲）

研究点2：全局的规划能力

现有的局部规划方法即使是大模型也只能建模局部的，短距离的可通过性。在全新的环境中不一定有机会事先建立拓扑图，这时候局部规划无法发挥作用，需要更高层次的规划能力

ViKiNG

ViKiNG: Vision-Based Kilometer-Scale Navigation with Geographic Hints [RSS 2022]

主要创新点：训练一个生成式模型生成一些虚拟的sub-goal（路径节点），用启发式评估sub-goal的质量，然后引入了A*算法，利用示意图、卫星地图、GPS等信息学习一个启发函数，提高寻路效率

ViNT中的全局规划

基本沿用了ViKiNG的规划框架，使用了diffusion model作为sub-goal的生成模型

PIRLNav

PIRLNav: Pretraining with Imitation and RL Finetuning for ObjectNav [CVPR 2023]

其实就是一个基于模仿学习（逆向强化学习）的端到端方法，针对导航任务本身用了一些比较tricky的方法所以分比较高。

局限：基本在全局的视角下开展研究，缺乏多模态的对齐（约25%的失败案例）和局部可通过性建模（约12%的失败案例），这些可以由上述的导航大模型所解决的

注：这个数据集有自然语言目标的版本，也有图像目标的版本

研究点3：与自然语言的对齐

LM-Nav

LM-Nav: Robotic Navigation with Large Pre-Trained Models of Language, Vision, and Action [CVPR 2023]

• 首先用ViNG建立导航图
• 用一个LLM将自然语言转换成landmark，实现了高层次的路径规划
• 用CLIP实现landmark文本与图像路径点的对齐
• 用ViNG执行低层次的导航