Autonomous aerial navigation in dense natural environments remains challenging due to limited visibility, thin and irregular obstacles, GNSS-denied operation, and frequent perceptual degradation. This work presents an improved deep learning-based navigation framework that integrates semantically enhanced depth encoding with neural motion-primitive evaluation for robust flight in cluttered forests. Several modules are incorporated on top of the original sevae-ORACLE algorithm to address limitations observed during real-world deployment, including lateral control for sharper maneuvering, a temporal consistency mechanism to suppress oscillatory planning decisions, a stereo-based visual-inertial odometry solution for drift-resilient state estimation, and a supervisory safety layer that filters unsafe actions in real time. A depth refinement stage is included to improve the representation of thin branches and reduce stereo noise, while GPU optimization increases onboard inference throughput from 4 Hz to 10 Hz. The proposed approach is evaluated against several existing learning-based navigation methods under identical environmental conditions and hardware constraints. It demonstrates higher success rates, more stable trajectories, and improved collision avoidance, particularly in highly cluttered forest settings. The system is deployed on a custom quadrotor in three boreal forest environments, achieving fully autonomous completion in all flights in moderate and dense clutter, and 12 out of 15 flights in highly dense underbrush. These results demonstrate improved reliability and safety over existing navigation methods in complex natural environments.


翻译:在密集自然环境中实现自主空中导航仍面临诸多挑战,包括视野受限、细长且不规则的障碍物、GNSS信号缺失以及频繁的感知退化。本研究提出一种改进的基于深度学习的导航框架,该框架将语义增强的深度编码与神经运动基元评估相结合,以实现杂乱森林环境中的鲁棒飞行。我们在原有seva-ORACLE算法基础上整合了多个模块,以解决实际部署中观察到的局限性:包括用于实现更敏捷机动的横向控制模块、抑制振荡规划决策的时间一致性机制、基于立体视觉-惯性里程计的漂移抑制状态估计方案,以及实时过滤不安全动作的监督安全层。系统还包含深度优化阶段以改善细枝的几何表征并降低立体视觉噪声,同时通过GPU优化将机载推理吞吐率从4Hz提升至10Hz。在相同环境条件与硬件约束下,本研究方法与多种现有基于学习的导航方法进行了对比评估。结果表明,该方法在成功率、轨迹稳定性及避障性能方面均表现更优,尤其在高度杂乱的森林场景中效果显著。该系统在定制四旋翼飞行器上于三种北方森林环境中进行了部署测试,在中度及密集杂乱环境中所有飞行均实现完全自主完成,在高度密集的下层灌丛环境中15次飞行成功完成12次。这些结果证明,在复杂自然环境中,本方法相较于现有导航方案具有更高的可靠性与安全性。

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