Lifelong topological visual navigation

Abstract

La possibilité pour un robot de naviguer en utilisant uniquement la vision est attrayante en raison de sa simplicité. Les approches de navigation traditionnelles basées sur la vision nécessitent une étape préalable de construction de carte qui est ardue et sujette à l'échec, ou ne peuvent que suivre exactement des trajectoires précédemment exécutées. Les nouvelles techniques de navigation visuelle basées sur l'apprentissage réduisent la dépendance à l'égard d'une carte et apprennent plutôt directement des politiques de navigation à partir des images. Il existe actuellement deux paradigmes dominants : les approches de bout en bout qui renoncent entièrement à la représentation explicite de la carte, et les approches topologiques qui préservent toujours une certaine connectivité de l'espace. Cependant, alors que les méthodes de bout en bout ont tendance à éprouver des difficultés dans les tâches de navigation sur de longues distances, les solutions basées sur les cartes topologiques sont sujettes à des défaillances dues à des arêtes erronées dans le graphe.

Dans ce document, nous proposons une méthode de navigation visuelle topologique basée sur l'apprentissage, avec des stratégies de mise à jour du graphe, qui améliore les performances de navigation sur toute la durée de vie du robot. Nous nous inspirons des algorithmes de planification basés sur l'échantillonnage pour construire des graphes topologiques basés sur l'image, ce qui permet d'obtenir des graphes plus épars et d'améliorer les performances de navigation par rapport aux méthodes de base. En outre, contrairement aux contrôleurs qui apprennent à partir d'environnements d'entraînement fixes, nous montrons que notre modèle peut être affiné à l'aide d'un ensemble de données relativement petit provenant de l'environnement réel où le robot est déployé. Enfin, nous démontrons la forte performance du système dans des expériences de navigation de robots dans le monde réel.

The ability for a robot to navigate using vision only is appealing due to its simplicity. Traditional vision-based navigation approaches require a prior map-building step that was arduous and prone to failure, or could only exactly follow previously executed trajectories. Newer learning-based visual navigation techniques reduce the reliance on a map and instead directly learn policies from image inputs for navigation. There are currently two prevalent paradigms: end-to-end approaches forego the explicit map representation entirely, and topological approaches which still preserve some loose connectivity of the space. However, while end-to-end methods tend to struggle in long-distance navigation tasks, topological map-based solutions are prone to failure due to spurious edges in the graph.

In this work, we propose a learning-based topological visual navigation method with graph update strategies that improves lifelong navigation performance over time. We take inspiration from sampling-based planning algorithms to build image-based topological graphs, resulting in sparser graphs with higher navigation performance compared to baseline methods. Also, unlike controllers that learn from fixed training environments, we show that our model can be finetuned using a relatively small dataset from the real-world environment where the robot is deployed. Finally, we demonstrate strong system performance in real world robot navigation experiments.