We present BioSLAM, a lifelong SLAM framework for learning various new appearances incrementally and maintaining accurate place recognition for previously visited areas. Unlike humans, artificial neural networks suffer from catastrophic forgetting and may forget the previously visited areas when trained with new arrivals. For humans, researchers discover that there exists a memory replay mechanism in the brain to keep the neuron active for previous events. Inspired by this discovery, BioSLAM designs a gated generative replay to control the robot's learning behavior based on the feedback rewards. Specifically, BioSLAM provides a novel dual-memory mechanism for maintenance: 1) a dynamic memory to efficiently learn new observations and 2) a static memory to balance new-old knowledge. When combined with a visual-/LiDAR- based SLAM system, the complete processing pipeline can help the agent incrementally update the place recognition ability, robust to the increasing complexity of long-term place recognition. We demonstrate BioSLAM in two incremental SLAM scenarios. In the first scenario, a LiDAR-based agent continuously travels through a city-scale environment with a 120km trajectory and encounters different types of 3D geometries (open streets, residential areas, commercial buildings). We show that BioSLAM can incrementally update the agent's place recognition ability and outperform the state-of-the-art incremental approach, Generative Replay, by 24%. In the second scenario, a LiDAR-vision-based agent repeatedly travels through a campus-scale area on a 4.5km trajectory. BioSLAM can guarantee the place recognition accuracy to outperform 15\% over the state-of-the-art approaches under different appearances. To our knowledge, BioSLAM is the first memory-enhanced lifelong SLAM system to help incremental place recognition in long-term navigation tasks.


翻译:我们提出了一个毕生SLAM框架,用于学习各种新的外观,并不断对以前访问过的地区进行准确的识别。与人类不同,人工神经网络遭受灾难性的遗忘,在接受新抵达者培训时可能会忘记以前访问过的地区。对于人类来说,研究人员发现大脑中存在一个记忆回放机制,以保持神经对以前事件的积极性。受这一发现启发,BioSLAM设计了一个封闭式的基因重播,以基于反馈的回报来控制机器人的学习行为。具体地说,BioSLAM提供了一个新的双重维护机制:1)动态记忆,以有效学习新的观测,2)静态的记忆,以平衡新到来的知识。当与基于视觉/LiDAR的SLMM系统相结合时,完整的管道可以帮助代理人逐步更新位置的识别能力,以更复杂的长期定位识别。我们在两种递增的SLISM的情景中,基于LiOARMSAR的代理机构不断在城市环境上行走下去,一个120公里的轨迹,并体验到不同类型的递增变变变的智能系统。

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