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FSUNav:一种用于快速、安全且通用的零样本目标导向导航的大脑-小脑架构
FSUNav: A Cerebrum-Cerebellum Architecture for Fast, Safe, and Universal Zero-Shot Goal-Oriented Navigation

作者: Mingao Tan, Yiyang Li, Shanze Wang 等5人
arXiv: 2604.03139v1
分类: cs.RO
📝 论文摘要
当前视觉语言导航方法在异构机器人兼容性、实时性能及导航安全性方面面临显著瓶颈,且难以支持开放词汇语义泛化与多模态任务输入。为应对这些挑战,本文提出FSUNav:一种基于大脑-小脑架构的快速、安全、通用零样本目标导向导航系统,创新性地将视觉语言模型与所提架构相融合。小脑模块作为高频端到端模块,开发了基于深度强化学习的通用局部规划器,可在异构平台(如仿人、四足、轮式机器人)上实现统一导航,在显著降低碰撞风险的同时提升导航效率。大脑模块构建三层推理模型,利用视觉语言模型建立端到端检测与验证机制,无需预定义标识即可实现零样本开放词汇目标导航,并在仿真与真实环境中均提升了任务成功率。此外,该框架支持多模态输入(如文本、目标描述、图像),进一步增强了泛化能力、实时性、安全性与鲁棒性。在MP3D、HM3D及OVON基准测试中的实验结果表明,FSUNav在物体导航、实例图像导航及任务导航中均达到最先进性能,显著优于现有方法。在多样化机器人平台上的实际部署进一步验证了其鲁棒性与实用价值。

📊 核心分析

🎯 研究动机
当前视觉语言导航(visual-language navigation)方法面临三大瓶颈: - 异构机器人兼容性差,难以统一部署于不同形态的机器人平台 - 实时性能不足,且导航安全性有待提升 - 无法支持开放词汇(open-vocabulary)语义泛化和多模态(multimodal)任务输入
🔧 核心方法
提出FSUNav框架,采用大脑-小脑(Cerebrum-Cerebellum)架构: - 小脑模块:高频端到端(end-to-end)模块,基于深度强化学习(deep reinforcement learning)开发通用局部规划器,实现跨异构平台的统一导航 - 大脑模块:构建三层推理模型,利用视觉语言模型(Vision-Language Models, VLMs)建立端到端检测与验证机制,支持零样本(zero-shot)开放词汇目标导航 - 支持多模态输入(文本、目标描述、图像)
💡 核心创新
核心创新在于大脑-小脑架构的提出与创新性整合: - 首次将视觉语言模型(VLMs)与仿生神经架构结合,实现功能分离与协同:小脑负责高频安全运动控制,大脑负责高层语义推理 - 通过通用局部规划器统一异构机器人导航接口,突破平台差异性限制 - 构建无需预定义ID的零样本开放词汇导航能力,支持未见过的语义目标 - 建立三层推理模型与端到端验证机制,显著提升任务成功率
🏆 总体贡献
论文的整体贡献包括: - 提出首个面向快速、安全、通用零样本目标导航的完整架构FSUNav - 在MP3D、HM3D、OVON等多个基准测试中实现最先进(state-of-the-art)性能,在物体、实例图像和任务导航上显著超越现有方法 - 通过真实世界多机器人平台部署验证了框架的鲁棒性和实际适用性 - 为视觉语言导航领域提供了同时解决效率、安全性和泛化能力的新范式