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Safe Reinforcement Learning for Model-Reference Trajectory Tracking of Uncertain Autonomous Vehicles With Model-Based Acceleration

强化学习 加速度 弹道 避碰 计算机科学 二次规划 控制理论(社会学) 高斯过程 碰撞 数学优化 人工智能 高斯分布 数学 控制(管理) 物理 经典力学 天文 计算机安全 量子力学
作者
Yifan Hu,Junjie Fu,Guanghui Wen
出处
期刊:IEEE transactions on intelligent vehicles [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:8 (3): 2332-2344 被引量:24
标识
DOI:10.1109/tiv.2022.3233592
摘要

Applying reinforcement learning (RL) algorithms to control systems design remains a challenging task due to the potential unsafe exploration and the low sample efficiency. In this paper, we propose a novel safe model-based RL algorithm to solve the collision-free model-reference trajectory tracking problem of uncertain autonomous vehicles (AVs). Firstly, a new type of robust control barrier function (CBF) condition for collision-avoidance is derived for the uncertain AVs by incorporating the estimation of the system uncertainty with Gaussian process (GP) regression. Then, a robust CBF-based RL control structure is proposed, where the nominal control input is composed of the RL policy and a model-based reference control policy. The actual control input obtained from the quadratic programming problem can satisfy the constraints of collision-avoidance, input saturation and velocity boundedness simultaneously with a relatively high probability. Finally, within this control structure, a Dyna-style safe model-based RL algorithm is proposed, where the safe exploration is achieved through executing the robust CBF-based actions and the sample efficiency is improved by leveraging the GP models. The superior learning performance of the proposed RL control structure is demonstrated through simulation experiments.
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