低成本、高泛化能力的无人机自主飞行！VLM-Nav：基于单目视觉与视觉语言模型的无地图无人机导航

• 作者：Gobinda Chandra Sarker${}^1$, AKM Azad${}^2$, Sejuti Rahman${}^1$, Md Mehedi Hasan${}^1$
• 单位：${}^1$达卡大学，${}^2$伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学
• 论文标题：VLM-Nav: Mapless UAV-Navigation Using Monocular Vision Driven by Vision-Language Model
• 论文链接：https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=5231854
• 项目主页：https://gcsarker.github.io/vlmnav/
• 代码链接：https://github.com/gcsarker/vlm_nav

主要贡献

• 提出了无人机自主导航系统 VLM-Nav ，该系统仅依赖单目视觉输入，通过深度估计和视觉语言模型（VLM）实现高效避障和路径规划。
• 该系统无需预训练地图或外部人类指令，具有更好的泛化能力，能够在未见过的环境中自主导航。
• 与传统的基于强化学习（RL）或深度学习（DL）的无人机导航方法相比，VLM-Nav在未见环境中表现出更好的泛化能力，且对训练数据的需求更少。
• 通过在 AirSim 模拟器中进行的实验验证了系统的有效性，VLM-Nav 在复杂环境中实现了接近完美的任务完成率。

研究背景

• 无人机（UAV）在包裹递送、农业、监视和搜索救援等领域具有巨大的应用潜力，因此对安全、成本效益高且智能的导航系统的需求日益增长。
• 传统的无人机导航方法主要依赖于激光雷达（LiDAR）等昂贵传感器，且需要大量的训练数据和复杂的路径规划算法。这些方法在动态或未知环境中表现不佳，且成本较高。
• 近年来，视觉语言模型（VLM）和大型语言模型（LLM）在图像识别、目标检测和语义分割等任务中取得了显著进展，为无人机导航提供了新的思路。

导航任务

• 目标：VLM-Nav 系统的目标是引导多旋翼无人机（UAV）从初始位置 $(x_{\text{start}},y_{\text{start}})$ 自主飞行到目标位置 $(x_{\text{goal}},y_{\text{goal}})$。
• 飞行条件：无人机以恒定速度 $v$ 飞行，并保持初始高度 $h$，仅在需要避障时调整高度。

观测空间

• 观测空间定义：无人机需要从环境中获取状态信息以安全导航，即确定每个时间步应采取的动作。观测空间 $O$ 可以通过以下公式表示：
  O={Irgb,Ddepth,dleft,dright,ϕ} O = \{I_{\text{rgb}}, D_{\text{depth}}, d_{\text{left}}, d_{\text{right}}, \phi\} O={Irgb​,Ddepth​,dleft​,dright​,ϕ}
  其中：
  • $I_{\text{rgb}}$：通过单目相机捕获的 RGB 图像。
  • $D_{\text{depth}}$：通过深度估计模型从 RGB 图像生成的深度图。
  • $d_{\text{left}}$ 和 $d_{\text{right}}$：分别表示左侧和右侧距离传感器测量的距离。
  • $\varphi$：无人机前进方向与目标位置之间的夹角。

动作空间

• 动作定义：无人机在每个时间步观察周围环境后生成低级控制命令。动作空间包含以下五个离散动作：
  • Forward：向前飞行 1 秒。
  • Yaw Left：逆时针旋转 25°。
  • Yaw Right：顺时针旋转 25°。
  • Up：向上飞行 1 秒。
  • Down：向下飞行 1 秒。

模拟环境

• 环境选择：为了测试和优化导航算法，研究者使用了 AirSim 模拟器，它提供了逼真的 3D 环境，允许在安全、可控的条件下进行实验。

• 具体环境：
  • 环境 A：简单的单障碍环境，尺寸为 30 m × 30 m，障碍物的宽度和高度在每次导航轨迹中随机缩放 0.5 到 5 倍。
  • 环境 B：由 AirSim 提供的 Blocks 环境，包含多个不同形状的障碍物，尺寸约为 220 m × 100 m。
  • 环境 C：使用 Unreal Engine 市场中的 Downtown West 包创建的自定义环境，包含城市环境中的各种物体，如建筑、食品车、长椅、岩石、海报等。

研究方法

深度估计

• 背景：由于单目相机无法直接感知深度信息，因此需要使用深度估计模型将RGB图像转换为深度图。

• 方法：研究中使用了 DepthAnything V2 模型，这是一个预训练的零样本深度估计模型，能够处理各种场景并生成高质量的深度图。
  • 模型架构：DepthAnything V2 采用编码器-解码器结构，编码器使用 Vision Transformer（ViT-L），解码器使用 DPT。
  • 训练方法：该模型使用了6200万张自动标注的无标签图像进行训练，并通过伪标签技术提升模型的泛化能力。
  • 输出处理：模型输出的深度图被缩放到 (0-255) 范围内，并转换为单通道图像。为了适应VLM的输入需求，深度图被反转，使得较近的物体具有较大的像素值。
• 性能优势：DepthAnything V2 在深度估计的准确性和泛化能力上优于其他模型，如 MiDaS，且计算效率更高。

视觉语言模型

• 背景：VLM在图像识别、目标检测和语义分割等任务中表现出色，研究中利用VLM的视觉问答（VQA）能力来指导无人机避障。

• 模型选择：研究中使用了两种VLM模型：Gemini-1.5-flash 和 GPT-4o。
  • Gemini-1.5-flash：由Google DeepMind开发，基于Transformer Decoder架构，能够处理多模态数据（如图像、文本和视频），具备强大的推理和规划能力。
  • GPT-4o：由OpenAI开发，是GPT架构的一个变体，具有更大的上下文窗口和更快的处理速度，适用于图像、文本和视频任务。
• 工作流程：
  • 将深度图和预设的提示（prompt）发送给VLM模型。
  • 提示内容是询问VLM无人机应采取的方向以避开障碍物。
  • VLM模型返回建议的方向，并附带详细的解释。
  • 通过关键词搜索从VLM的输出文本中提取方向（如左、右或任意方向）。

近物检测

• 背景：为了评估前方是否存在障碍物，需要对深度图进行分析。

• 方法：
  • 裁剪深度图：将深度图裁剪为 $i\times j$ 的形状，以排除地面并专注于前方障碍物。
  • 二值化处理：使用阈值 ${\sigma }_d$ 对深度图进行二值化处理，忽略超出一定距离的障碍物。
  • 连通组件分析：使用“spaghetti”算法进行连通组件分析，识别深度图中的障碍物。
  • 区域划分：将深度图划分为三个区域（P1、P2、P3），用于判断障碍物的位置和方向。
• 作用：
  • P1和P3区域帮助无人机判断是否安全转弯。
  • P2区域用于检测前方是否有障碍物，如果检测到障碍物，则向VLM请求反馈。

导航模块

• 背景：导航模块是一个全连接网络（FCN），用于综合VLM的反馈、距离传感器读数、航向角等信息，生成最终的导航动作。
• 输入参数：
  • POD模块的输出（三个区域的障碍物检测结果）。
  • 左侧和右侧距离传感器的读数。
  • 航向角 $\varphi$。
  • VLM模块的反馈（建议的动作方向）。
• 训练方法：
  • 在简单的环境A中，由人类操作员手动飞行无人机，记录飞行轨迹。
  • 收集10,000步的飞行数据，包括输入参数和人类操作员的动作。
  • 使用这些数据训练导航模块，使其能够模仿人类的飞行决策。

结果与讨论

实验设置

• 模拟环境：所有实验均在 AirSim 模拟器中进行，该模拟器与 Unreal Engine 4.27 集成，提供了逼真的 3D 环境。
• 硬件配置：实验使用了配备 Nvidia GeForce MX550 GPU 和 16 GB 内存的硬件平台，确保了 3D 环境的流畅渲染和实时数据处理。
• 环境配置：
  • 环境 A：简单的单障碍环境，尺寸为 30 m × 30 m，障碍物的宽度和高度在每次导航轨迹中随机缩放 0.5 到 5 倍。
  • 环境 B：由 AirSim 提供的 Blocks 环境，包含多个不同形状的障碍物，尺寸约为 220 m × 100 m。
  • 环境 C：使用 Unreal Engine 市场中的 Downtown West 包创建的自定义环境，包含城市环境中的各种物体，如建筑、食品车、长椅、岩石、海报等。

定量分析

深度估计算法比较

• 方法：研究中比较了四种深度估计方法：MiDaS (DPT)、MiDaS (Swin V2)、DepthAnything V1 和 DepthAnything V2。
• 评估指标：
  • Delta (𝛿)：计算深度预测值在一定阈值内的比例，通常使用多个阈值（如 𝛿1 < 1.25, 𝛿2 < 1.25², 𝛿3 < 1.25³）。
  • 绝对相对误差：计算预测深度值与真实深度值之间的绝对误差，归一化到真实深度值。
  • 结构相似性指数：衡量预测深度图与真实深度图在结构、亮度和对比度上的相似性。
  • 推理时间：计算从单张场景图像生成深度图所需的时间。
  • 参数数量：模型训练权重的数量，单位为百万。
• 结果：
  • DepthAnything V2 在所有指标上均优于其他方法，具有更高的 Delta 值、更低的 AbsRel 值和更高的 SSIM 值，同时计算效率更高。
  • DepthAnything V1 和 DepthAnything V2 的性能接近，但 V2 在环境 B 和 C 中表现略好。

导航模块性能

• 评估指标：
  • 精确率：正确预测的动作数量与总预测数量的比值。
  • 召回率：正确预测的动作数量与应预测为正确的总动作数量的比值。
  • F1分数：精确率和召回率的调和平均值。
• 结果：
  • Gemini 和 GPT-4o 模型在未见环境（环境 B 和 C）中均表现出高精度和高召回率，F1 分数接近 90%。
  • Gemini 模型在导航新环境时表现略优于 GPT-4o。

整体导航性能

• 评估指标：
  • 任务完成率：无人机成功到达目标位置（距离目标小于 3 米）的轨迹百分比。
  • 碰撞率：无人机与障碍物碰撞的次数占飞行总距离的百分比。
  • 轨迹长度比：无人机飞行路径长度与人类操作路径长度的比值。
• 结果：
  • VLM-Nav 在所有测试环境中均实现了接近完美的任务完成率（0.98），碰撞率极低，轨迹长度比接近 1。
  • DepthAnything V2 的碰撞率低于 DepthAnything V1，表明其深度估计更准确。

定性分析

• 飞行路径可视化：
  • 环境 A、B 和 C：展示了在三个不同环境中生成的飞行路径，无人机成功避开了所有障碍物并到达目标位置。
  • 路径比较：将 VLM-Nav 生成的飞行路径与人类操作的飞行路径进行比较，结果表明 VLM-Nav 生成的路径与人类操作路径非常接近。

• VLM 输出的一致性：
  • 复杂指令问题：当给 VLM 提供复杂指令时，其输出可能不一致。研究中通过使用更简单的提示来减少这种不一致性，确保更可靠的输出。

消融研究

• 深度估计的重要性：深度估计模块帮助 VLM 更好地理解场景中的障碍物距离，从而选择最优动作。
• 近物检测模块的局限性：仅依赖 POD 模块进行导航在某些情况下是不够的，VLM 的全局分析能力在复杂场景中至关重要。
• VLM 输出的一致性问题：复杂的指令可能导致 VLM 输出不一致，简单的提示和导航模块的结合可以提高系统的可靠性和一致性。

结论与未来工作

• 结论：
  • VLM-Nav 通过结合深度估计和视觉语言模型，实现了在复杂未知环境中的高效自主导航。
  • 该方法具有成本低、泛化能力强、对训练数据需求少等优点。
• 未来工作：
  • 探索开发专门针对无人机导航的 VLM，使其能够直接处理 RGB 图像而无需深度估计。
  • 研究动态障碍物的避障能力，例如通过时空图神经网络等方法预测障碍物的运动模式。
  • 在实际场景中进行测试，验证系统的鲁棒性和实时性。