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中科院无人机导航物流配送的智能变革！LogisticsVLN：基于无人机视觉语言导航的低空终端配送系统

news 来源：原创 2025/7/15 16:52:00

  • 作者：Xinyuan Zhang, Yonglin Tian, Fei Lin, Yue Liu, Jing Ma, Kornélia Sára Szatmáry, Fei-Yue Wang

  • 单位：中国科学院大学人工智能学院，中科院自动化研究所多模态人工智能系统国家重点实验室，澳门科技大学创新工程学院工程科学系，中国船舶科学研究中心，匈牙利欧拜达大学，中科院复杂系统管理与控制国家重点实验室

  • 论文标题：LogisticsVLN: Vision-Language Navigation For Low-Altitude Terminal Delivery Based on Agentic UAVs

  • 论文链接：https://arxiv.org/pdf/2505.03460

主要贡献

  • 提出LogisticsVLN系统：这是首个针对窗口级终端配送场景的基于无人机的视觉语言导航（VLN）系统，仅使用简单传感器和轻量级大型模型，无需事先了解环境或微调，即可在未见环境中高度部署。

  • 构建VLD数据集：创建了专注于终端配送的连续空中场景的视觉语言配送（VLD）数据集，填补了现有VLN基准测试的空白。该数据集在CARLA模拟器中构建，提供多样化的场景和任务，用于评估最后一公里无人机配送系统。

  • 应用多模态大型语言模型（MLLMs）：在空中配送环境中应用MLLMs，并评估其在每个子任务中的作用和局限性。并为在现实世界中部署基于基础模型的视觉语言配送系统提供见解。

研究背景

  • 随着电子商务和城市化的快速发展，物流已成为现代社会的关键组成部分，尤其是稳定、高效和以用户为中心的终端配送需求日益增长。终端配送是指将货物直接运输到最终用户的住所的最后一步。

  • 传统的终端配送主要依赖地面机器人，而现有的基于无人机的VLN任务大多关注长距离、粗粒度的目标，不适合精确的终端配送场景。

  • 为了克服这些挑战，作者提出了LogisticsVLN系统，旨在利用轻量级多模态大型语言模型（MLLMs）实现无人机在终端配送场景中的视觉语言导航，提供一个可扩展的解决方案，用于窗口级终端配送任务。

研究方法

任务定义

  • 无人机从靠近目标建筑的位置开始，仅根据自然语言请求到达用户的特定窗口，无需依赖预先构建的地图。

  • 目标是制定一个策略，将无人机在每个时间步的观测映射到一个动作，使得无人机的最终状态满足成功交付的条件，即到达目标窗口的邻近区域。

系统概述

  • 无人机配备了五对RGB-深度相机，用于捕捉周围环境的半全景图像。

  • 系统包括请求理解模块、楼层定位模块和目标探索模块，分别负责解释用户请求、引导无人机到达目标楼层和识别目标窗口。

请求理解

  • 使用DeepSeek-R1Distill-Qwen-14B模型和三步链式推理（CoT）提示来解析用户请求，提取目标楼层号和目标周围的独特物体信息。

楼层定位

  • 通过一个基于楼层计数的视觉语言模型（VLM），无人机从建筑底部开始，沿着垂直路径上升，根据相机的垂直视场角生成一系列不重叠的垂直航点。

  • 在每个航点，无人机捕获RGB图像并由VLM分析，以推断可见楼层数量并更新当前估计位置。通过比较当前楼层和目标楼层，决定是否上升到下一个航点或进行微调以达到目标楼层高度。

目标探索

  • 包括目标识别、视角选择和动作选择三个部分：

    • 目标识别：使用目标识别VLM处理RGB图像，判断目标窗口是否可见，若可见则返回其边界框，并通过深度助手计算安全接近轨迹。

    • 视角选择：若目标窗口不可见，则使用选择VLM和深度助手共同决定无人机的下一步动作。设计了一种基于深度的算法，通过计算每个视角的深度切片的平均值，寻找深度不连续性，选择最有希望的视角。

    • 动作选择：在每个时间步，使用选择VLM根据深度助手计算的安全移动距离和任务描述，选择最优的移动方向和距离。

实验

VLD数据集

目的：为了支持无人机在终端配送场景中的视觉语言导航（VLN）研究，构建了VLD数据集。该数据集专注于模拟无人机从建筑外部接近特定窗口的任务，填补了现有VLN基准测试在空中配送领域的空白。

构建内容：

  • 平台：基于CARLA 0.9.12模拟器构建，涵盖城市、住宅和农村环境。

  • 任务数量：共设计了300个VLD任务，分布在22栋不同类型的建筑中。

  • 目标对象：包括工具、容器、家居用品、食品、家具、海报、玩具和装饰品等。

  • 任务分布：

    • 建筑类型：低层住宅、高层建筑、小别墅和文化特色建筑。

    • 目标楼层：从低层到高层不等。

    • 任务难度：根据无人机完成任务所需的最小转弯次数，分为“简单”（少于2次转弯）、“中等”（2到3次转弯）和“困难”（超过3次转弯）三个级别。

  • 用户请求：使用GPT-4o生成多样化的自然语言请求，并由人类专家审核优化。

特点：

  • 多样化场景：涵盖多种建筑类型和目标对象。

  • 任务难度分级：提供不同复杂度的实验环境。

  • 语言多样性：模拟真实用户在不同情境下的语言表达。

用途：

  • 系统评估：用于评估LogisticsVLN系统的性能，包括成功率（SR）、按路径长度加权的成功率（SPL）和平均步骤数等指标。

  • 模型优化：帮助研究人员发现模型的不足之处，并针对性地进行优化。

评估指标和实施细节

  • 采用成功完成任务的百分比（SR）和按路径长度加权的成功率（SPL）作为评估指标，同时增加平均步骤数作为评估指标，反映完成VLD任务所需的时间和内存占用。

  • 在模拟器中使用四旋翼无人机模型，所有相机的分辨率为800×800像素，视场角为90°，安装在无人机下方以避免干扰感知。

实验结果

  • 使用三种轻量级VLMs进行评估，Qwen2-VL-7B模型在成功率和路径长度加权成功率方面表现最佳，成功完成超过一半的任务。

  • 分析发现，不同VLMs的性能差异主要来源于目标识别的准确性和楼层定位的可靠性。Yi-VL在楼层计数模块中频繁拒绝给出精确答案，而Llama-3.1在楼层定位准确性方面表现不如Qwen2-VL。

消融研究

  • 楼层定位方法的影响：与直接计数方法相比，提出的楼层定位方法将楼层定位失败率从61.6%降低到27.9%，显著提高了楼层定位性能。

  • 视角选择算法的影响：与随机选择和默认选择策略相比，提出的视角选择算法在成功率和路径长度加权成功率方面表现出色，证明了其有效性。

  • 选择VLM的影响：在选择VLM的情况下，系统性能略有下降，但在视角选择次优时，选择VLM的作用更为关键，能够有效避免碰撞并继续安全探索。

结论与未来工作

  • 本文提出了LogisticsVLN系统，这是一个可扩展的基于无人机的终端配送系统，利用基础模型的力量，无需针对特定任务的训练或预先构建的地图。

  • 构建的VLD数据集涵盖了CARLA模拟器中的多样化建筑类型、配送目标和指令风格，为评估该领域提供了有力支持。

  • 实验结果证明了所提系统的有效性，而子任务级别的分析为当前VLMs在VLD场景中的优势和局限性提供了宝贵的见解。

  • 未来的工作将集中在优化系统架构，以更好地利用MLLMs的能力，并将LogisticsVLN扩展到现实世界的空中配送应用中。

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