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Safe Reinforcement Learning With Stability Guarantee for Motion Planning of Autonomous Vehicles

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作者
Lixian Zhang,Ruixian Zhang,Tong Wu,Rui Weng,Minghao Han,Ye Zhao
出处
期刊:IEEE transactions on neural networks and learning systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:32 (12): 5435-5444 被引量:77
标识
DOI:10.1109/tnnls.2021.3084685
摘要

Reinforcement learning with safety constraints is promising for autonomous vehicles, of which various failures may result in disastrous losses. In general, a safe policy is trained by constrained optimization algorithms, in which the average constraint return as a function of states and actions should be lower than a predefined bound. However, most existing safe learning-based algorithms capture states via multiple high-precision sensors, which complicates the hardware systems and is power-consuming. This article is focused on safe motion planning with the stability guarantee for autonomous vehicles with limited size and power. To this end, the risk-identification method and the Lyapunov function are integrated with the well-known soft actor–critic (SAC) algorithm. By borrowing the concept of Lyapunov functions in the control theory, the learned policy can theoretically guarantee that the state trajectory always stays in a safe area. A novel risk-sensitive learning-based algorithm with the stability guarantee is proposed to train policies for the motion planning of autonomous vehicles. The learned policy is implemented on a differential drive vehicle in a simulation environment. The experimental results show that the proposed algorithm achieves a higher success rate than the SAC.

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