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EIDA:学习执行接口模型提升机器人导航仿真到现实迁移

Yiwei Qian, Shanze Wang, Qingyuan Hu, Xinming Zhang, Wei Zhang
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本文提出执行接口动力学适配框架 EIDA,用目标平台数据拟合位姿增量和速度反馈模型,并将其嵌入轻量仿真器训练导航策略。在 100 个 BARN 环境中,EIDA 在有全局引导时成功率 89.33%,比基线高 8.55 个百分点;在真机 Unitree Go2 上 20 次静态场景试验全部无碰撞到达目标,基线仅 4 次成功。该预印本表明无需重建底层执行器动力学即可改善导航迁移。

研究问题

能否在不重建底层执行器动力学的情况下,让轻量仿真器中训练的导航策略迁移到物理机器人?

问题

仿真到现实的迁移差距包括执行不匹配:相同速度命令经过平台特定的底层控制器后,产生的运动和速度反馈与仿真不同,可能导致漂移、转向过冲或碰撞。现有方法如动力学随机化和详细物理仿真要么训练成本高,要么对特定平台适应性不足。

既有方法

此前方法包括动力学随机化和 SimOpt,通过采样或更新仿真参数分布增强鲁棒性;Grounded Action Transformation 和 Neural-Augmented Simulation 通过动作变换或学习仿真差异来修改模拟;Truong 等人证明用真实数据拟合简单运动模型能优于更详细的物理仿真。这些方法或未针对特定平台,或计算开销大,未系统建模策略可观测的速度反馈。

新方法

EIDA 从目标平台执行数据中拟合两个独立模型:身体坐标系位姿增量 MLP 直接更新仿真器几何,ARX 模型预测策略接收的速度反馈。策略输入包含当前及过去 5 个速度估计以捕捉时间依赖响应。训练在 GPU 并行仿真器中进行,部署时保留现有底层控制器,仿真模型不参与在线运行。

结果

模型验证:在 Jackal 验证集 5 秒预测时域,位置 RMSE 降低 71.3%,偏航 RMSE 降 41.3%;Go2 上分别降低 34.4% 和 34.9%。仿真评估:在 100 个 BARN 环境,每个策略 3 次重复,共 300 次试验,EIDA 无全局引导时成功率 81.33%(±0.58%),有全局引导时 89.33%(±2.33%),导航得分 0.4241,均高于 Nominal(71.22% 和 80.78%)及 RWM-U。消融显示移除拟合运动模型使成功率下降 9.34(无全局)和 16.00(有全局)个百分点,移除速度历史下降 8.34 和 10.67,用命令反馈替换 ARX 下降 5.67 和 8.00。真机测试:Unitree Go2 两个静态场景各 10 次试验,EIDA 全部 20 次无碰撞到达目标,基线仅 4 次成功;在成功试验中,路径缩短 7.2~11.9%,用时减少 20.2~25.4%。

局限

作者指出模型是确定性的,未建模定位误差或预测不确定性;在 Go2 部署指令范围内,拟合模型对位置精度提升不一致,仅偏航误差持续改善。未来工作关注长时域预测和不确定性建模。实机测试仅用一台 Go2、两个静态场景,样本有限。论文未报告代码开源情况。

产业影响

该方法适用于需要为特定移动机器人快速定制导航策略的公司,尤其是使用 Unitree Go2 等四足或轮式平台的企业。可在 1 至 3 年内落地,前提是能采集目标平台的执行数据并集成到现有仿真训练流程,且不追求重建复杂底层动力学。

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