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

地形 不确定度量化 人工智能 计算机科学 侧风 机器学习 牵引(地质) 工程类 机械工程 生态学 生物 航空航天工程
作者
Xiaoyi Cai,Siddharth Ancha,Lakshay Sharma,Philip R. Osteen,Bernadette Bucher,Stephen Phillips,Jiuguang Wang,Michael Everett,Nicholas Roy,Jonathan P. How
出处
期刊:IEEE Transactions on Robotics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:40: 3756-3777 被引量:5
标识
DOI:10.1109/tro.2024.3431828
摘要

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 in properly quantifying and mitigating the risk due to uncertainty in the learned models. To this end, we present evidential off-road autonomy (EVORA), 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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