A Neural Network Approach for High-Dimensional Optimal Control Applied to Multiagent Path Finding

人工神经网络 路径(计算) 计算机科学 控制(管理) 人工智能 计算机网络
作者
Derek Onken,Levon Nurbekyan,Xingjian Li,Samy Wu Fung,Stanley Osher,Lars Ruthotto
出处
期刊:IEEE Transactions on Control Systems and Technology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:31 (1): 235-251 被引量:17
标识
DOI:10.1109/tcst.2022.3172872
摘要

We propose a neural network (NN) approach that yields approximate solutions for high-dimensional optimal control (OC) problems and demonstrate its effectiveness using examples from multiagent path finding. Our approach yields control in a feedback form, where the policy function is given by an NN. In particular, we fuse the Hamilton–Jacobi–Bellman (HJB) and Pontryagin maximum principle (PMP) approaches by parameterizing the value function with an NN. Our approach enables us to obtain approximately OCs in real time without having to solve an optimization problem. Once the policy function is trained, generating a control at a given space–time location takes milliseconds; in contrast, efficient nonlinear programming methods typically perform the same task in seconds. We train the NN offline using the objective function of the control problem and penalty terms that enforce the HJB equations. Therefore, our training algorithm does not involve data generated by another algorithm. By training on a distribution of initial states, we ensure the controls' optimality on a large portion of the state space. Our grid-free approach scales efficiently to dimensions where grids become impractical or infeasible. We apply our approach to several multiagent collision-avoidance problems in up to 150 dimensions. Furthermore, we empirically observe that the number of parameters in our approach scales linearly with the dimension of the control problem, thereby mitigating the curse of dimensionality.

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