Vision-Based End-to-End Learning for UAV Traversal of Irregular Gaps via Differentiable Simulation

计算机科学 树遍历 人工智能 可微函数 算法 软件 计算机视觉 数学 特征(语言学) 钥匙(锁)
作者
Linzuo Zhang,Yun Hu,Feng Yu,Yang Deng,Wenxian Yu,D Zou
出处
期刊:IEEE robotics and automation letters [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:11 (7): 7748-7755
标识
DOI:10.1109/lra.2026.3685922
摘要

Navigation through narrow and irregular gaps is an essential skill in autonomous drones for applications such as inspection, search-and-rescue, and disaster response. However, traditional planning and control methods rely on explicit gap extraction and measurement, while recent end-to-end approaches often assume regularly shaped gaps, leading to poor generalization and limited practicality. In this work, we present a fully vision-based, end-to-end framework that maps depth images directly to control commands, enabling drones to traverse complex gaps within unseen environments. Operating in the Special Euclidean group $SE(3)$, where position and orientation are tightly coupled, the framework leverages differentiable simulation, a Stop-Gradient operator, and a Bimodal Initialization Distribution to achieve stable traversal through consecutive gaps. Two auxiliary prediction modules—a gap-crossing success classifier and a traversability predictor—further enhance continuous navigation and safety. Extensive simulation and real-world experiments demonstrate the approach's effectiveness, generalization capability, and practical robustness.
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