Autonomous Pilot of Unmanned Surface Vehicles: Bridging Path Planning and Tracking

运动规划 平滑的 桥接(联网) 强化学习 监督人 计算机科学 控制理论(社会学) 工程类 控制工程 数学优化 人工智能 控制(管理) 机器人 数学 计算机视觉 计算机网络 政治学 法学
作者
Ning Wang,Yuhang Zhang,Choon Ki Ahn,Qingyang Xu
出处
期刊:IEEE Transactions on Vehicular Technology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71 (3): 2358-2374 被引量:83
标识
DOI:10.1109/tvt.2021.3136670
摘要

Autonomous pilot is crucial in integrally promoting the autonomy of an unmanned surface vehicle (USV). However, the integration mechanism of decision and control is still unclear within the entire autonomy. In this paper, by organically bridging path planning and tracking, an autonomous pilot framework with waypoints generation, path smoothing and policy guidance of a USV in congested waters is established, for the first time. Incorporating elite and diversity operations into the genetic algorithm (GA), an elite-duplication GA (EGA) strategy is devised to optimally generate sparse waypoints in a constrained space. The B-spline technique is further deployed to make flexibly smooth interpolation facilitating path smoothing supported by optimal sparse-waypoints. Seamlessly bridged by the parametric smooth path, deep reinforcement learning (DRL) technique is resorted to continuously extract in-depth pilotage policies, i.e., mappings from path tracking errors, collision risks and control constraints to continuous control forces/torques. Eventually, the entire spline-bridged EGA-DRL (SED) framework merits autonomous global-pilotage and local-reaction in an organically modular manner. Comprehensive validations and comparisons in various real-world geographies demonstrate the effectiveness and superiority of the proposed SED autonomous pilot framework.
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