Safe Path Planning of UAV Based on Reinforcement Learning in Probabilistic Environments

概率逻辑 强化学习 避碰 计算机科学 概率路线图 碰撞 运动规划 路径(计算) 约束(计算机辅助设计) 模拟 人工智能 实时计算 机器人 工程类 计算机安全 机械工程 程序设计语言
作者
James W. Gault,Jun Xiang,Jun Chen
标识
DOI:10.2514/6.2023-2677
摘要

Safety is a critical concern for flights in probabilistic environments of autonomous Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). The traditional model-based path planning methods for probabilistic environments are often computationally demanding. When using model-free Reinforcement Learning (RL), an action with a higher risk could be chosen if the performance to the long-term goal is high enough. This paper will incorporate a probabilistic safety constraint to the model with Q-Learning that will dynamically adjust the collision penalty to achieve the required collision probability threshold. To train and test the proposed safe-RL model in an uncertain environment, a probabilistic collision space map is introduced where the collision areas are determined from a data-driven distribution. With the probabilistic environments, the goal of RL is to maximize the expected reward while maintaining an expected low collision chance. This model is then further tested on a realistic city map with a flow simulation around a group of urban buildings, where areas of high velocity are considered as probabilistic collision spaces and will be safety-critical for urban flights.

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