Probabilistic Traversability Model for Risk-Aware Motion Planning in Off-Road Environments

概率逻辑 地形 计算机科学 牵引(地质) 估计员 人工智能 机器学习 牵引力 运动规划 模拟 机器人 工程类 数学 统计 机械工程 生态学 结构工程 生物
作者
Xiaoyan Cai,Michael Everett,Lakshay Sharma,Philip R. Osteen,Jonathan P. How
标识
DOI:10.1109/iros55552.2023.10341350
摘要

A key challenge in off-road navigation is that even visually similar terrains or ones from the same semantic class may have substantially different traction properties. Existing work typically assumes no wheel slip or uses the expected traction for motion planning, where the predicted trajectories provide a poor indication of the actual performance if the terrain traction has high uncertainty. In contrast, this work proposes to analyze terrain traversability with the empirical distribution of traction parameters in unicycle dynamics, which can be learned by a neural network in a self-supervised fashion. The probabilistic traction model leads to two risk-aware cost formulations that account for the worst-case expected cost and traction. To help the learned model generalize to unseen environment, terrains with features that lead to unreliable predictions are detected via a density estimator fit to the trained network's latent space and avoided via auxiliary penalties during planning. Simulation results demonstrate that the proposed approach outperforms existing work that assumes no slip or uses the expected traction in both navigation success rate and completion time. Furthermore, avoiding terrains with low density-based confidence score achieves up to 30% improvement in success rate when the learned traction model is used in a novel environment.
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