Autonomous driving has a natural bi-level structure. The goal of the upper behavioural layer is to provide appropriate lane change, speeding up, and braking decisions to optimize a given driving task. However, this layer can only indirectly influence the driving efficiency through the lower-level trajectory planner, which takes in the behavioural inputs to produce motion commands. Existing sampling-based approaches do not fully exploit the strong coupling between the behavioural and planning layer. On the other hand, end-to-end Reinforcement Learning (RL) can learn a behavioural layer while incorporating feedback from the lower-level planner. However, purely data-driven approaches often fail in safety metrics in unseen environments. This paper presents a novel alternative; a parameterized bi-level optimization that jointly computes the optimal behavioural decisions and the resulting downstream trajectory. Our approach runs in real-time using a custom GPU-accelerated batch optimizer, and a Conditional Variational Autoencoder learnt warm-start strategy. Extensive simulations show that our approach outperforms state-of-the-art model predictive control and RL approaches in terms of collision rate while being competitive in driving efficiency.

本文提出了一种模型预测控制（MPC）静态跟踪静态和动态障碍物的算法。我们的主要贡献在于提高了潜在的非凸轨道优化的计算途径和可靠性。结果是MPC算法，在笔记本电脑和嵌入式硬件设备（如Jetson TX2）上运行实时运行。我们的方法依赖于在由此产生的轨迹优化中引起多凸结构的跟踪，碰撞和遮挡约束的新颖重新装配。我们利用拆分Bregman迭代技术利用这些数学结构，最终将我们的MPC减少到几毫秒内可解决的一系列凸二次程序。即使考虑到目标轨迹和动态障碍物的简单恒定速度预测，我们的快速重新计划允许在复杂环境中遮挡和无碰撞跟踪。我们在现实物理发动机中进行广泛的台面标记，并表明我们的MPC在可视性，平滑度和计算时度量中表现出最先进的算法。

延迟在迅速变化的环境中运行的自主系统的危害安全性，例如在自动驾驶和高速赛车方面的交通参与者的非确定性。不幸的是，在传统的控制器设计或在物理世界中部署之前，通常不考虑延迟。在本文中，从非线性优化到运动计划和控制以及执行器引起的其他不可避免的延迟的计算延迟被系统地和统一解决。为了处理所有这些延迟，在我们的框架中：1）我们提出了一种新的过滤方法，而没有事先了解动态和干扰分布的知识，以适应，安全地估算时间变化的计算延迟； 2）我们为转向延迟建模驱动动力学； 3）所有约束优化均在强大的管模型预测控制器中实现。对于应用的优点，我们证明我们的方法适合自动驾驶和自动赛车。我们的方法是独立延迟补偿控制器的新型设计。此外，在假设无延迟作为主要控制器的学习控制器的情况下，我们的方法是主要控制器的安全保护器。

在自主驾驶的背景下，已知迭代线性二次调节器（ILQR）是在运动计划问题中处理非线性车辆模型的有效方法。特别是，受约束的ILQR算法在不同类型的一般限制下实现运动计划任务方面表现出了值得注意的计算效率结果。但是，受约束的ILQR方法需要在使用对数屏障函数时在第一次迭代时作为先决条件进行可行的轨迹。同样，该方法为纳入快速，高效和有效的优化方法开辟了可能性，以进一步加快优化过程，从而可以成功地满足实时实施的要求。在本文中，定义明确的运动计划问题是在非线性车辆动力学和各种约束下提出的，并利用了乘数的交替方向方法来确定利用ILQR的最佳控制动作。该方法能够在第一次迭代时规避轨迹的可行性要求。然后研究了自动驾驶汽车运动计划的说明性示例。拟议的开发实现了高度计算效率的值得注意的成就。与基于对数屏障函数的约束ILQR算法进行比较，我们提出的方法在三种驾驶场景中，平均计算时间降低了31.93％，38.52％和44.57％；与优化求解器IPOPT相比，我们提出的方法将平均计算时间降低了46.02％，53.26％和88.43％。结果，可以通过我们提出的框架实现实时计算和实施，因此它为公路驾驶任务提供了额外的安全性。

We present an approach for safe trajectory planning, where a strategic task related to autonomous racing is learned sample-efficient within a simulation environment. A high-level policy, represented as a neural network, outputs a reward specification that is used within the cost function of a parametric nonlinear model predictive controller (NMPC). By including constraints and vehicle kinematics in the NLP, we are able to guarantee safe and feasible trajectories related to the used model. Compared to classical reinforcement learning (RL), our approach restricts the exploration to safe trajectories, starts with a good prior performance and yields full trajectories that can be passed to a tracking lowest-level controller. We do not address the lowest-level controller in this work and assume perfect tracking of feasible trajectories. We show the superior performance of our algorithm on simulated racing tasks that include high-level decision making. The vehicle learns to efficiently overtake slower vehicles and to avoid getting overtaken by blocking faster vehicles.

然而，由于各种交通/道路结构方案以及人类驾驶员行为的长时间分布，自动驾驶的感应，感知和本地化取得了重大进展，因此，对于智能车辆来说，这仍然是一个持开放态度的挑战始终知道如何在有可用的传感 /感知 /本地化信息的道路上做出和执行最佳决定。在本章中，我们讨论了人工智能，更具体地说，强化学习如何利用运营知识和安全反射来做出战略性和战术决策。我们讨论了一些与强化学习解决方案的鲁棒性及其对自动驾驶驾驶策略的实践设计有关的具有挑战性的问题。我们专注于在高速公路上自动驾驶以及增强学习，车辆运动控制和控制屏障功能的整合，从而实现了可靠的AI驾驶策略，可以安全地学习和适应。

Traditional planning and control methods could fail to find a feasible trajectory for an autonomous vehicle to execute amongst dense traffic on roads. This is because the obstacle-free volume in spacetime is very small in these scenarios for the vehicle to drive through. However, that does not mean the task is infeasible since human drivers are known to be able to drive amongst dense traffic by leveraging the cooperativeness of other drivers to open a gap. The traditional methods fail to take into account the fact that the actions taken by an agent affect the behaviour of other vehicles on the road. In this work, we rely on the ability of deep reinforcement learning to implicitly model such interactions and learn a continuous control policy over the action space of an autonomous vehicle. The application we consider requires our agent to negotiate and open a gap in the road in order to successfully merge or change lanes. Our policy learns to repeatedly probe into the target road lane while trying to find a safe spot to move in to. We compare against two model-predictive control-based algorithms and show that our policy outperforms them in simulation.

作为自动驾驶系统的核心部分，运动计划已受到学术界和行业的广泛关注。但是，由于非体力学动力学，尤其是在存在非结构化的环境和动态障碍的情况下，没有能够有效的轨迹计划解决方案能够为空间周期关节优化。为了弥合差距，我们提出了一种多功能和实时轨迹优化方法，该方法可以在任意约束下使用完整的车辆模型生成高质量的可行轨迹。通过利用类似汽车的机器人的差异平坦性能，我们使用平坦的输出来分析所有可行性约束，以简化轨迹计划问题。此外，通过全尺寸多边形实现避免障碍物，以产生较少的保守轨迹，并具有安全保证，尤其是在紧密约束的空间中。我们通过最先进的方法介绍了全面的基准测试，这证明了所提出的方法在效率和轨迹质量方面的重要性。现实世界实验验证了我们算法的实用性。我们将发布我们的代码作为开源软件包，目的是参考研究社区。

交叉点是自主行驶中最复杂和事故的城市场景之一，其中制造安全和计算有效的决策是非微不足道的。目前的研究主要关注简化的交通状况，同时忽略了混合交通流量的存在，即车辆，骑自行车者和行人。对于城市道路而言，不同的参与者导致了一个非常动态和复杂的互动，从而冒着学习智能政策的困难。本文在集成决策和控制框架中开发动态置换状态表示，以处理与混合业务流的信号化交集。特别地，该表示引入了编码功能和总和运算符，以构建来自环境观察的驱动状态，能够处理不同类型和变体的交通参与者。构建了受约束的最佳控制问题，其中目标涉及跟踪性能，并且不同参与者和信号灯的约束分别设计以确保安全性。我们通过离线优化编码函数，值函数和策略函数来解决这个问题，其中编码函数给出合理的状态表示，然后用作策略和值函数的输入。禁止策略培训旨在重用从驾驶环境中的观察，并且使用时间通过时间来利用策略函数和编码功能联合。验证结果表明，动态置换状态表示可以增强IDC的驱动性能，包括具有大边距的舒适性，决策合规性和安全性。训练有素的驾驶政策可以实现复杂交叉口的高效和平滑通过，同时保证驾驶智能和安全性。

历史上，轨迹计划和控制已分为自动驾驶堆栈中的两个模块。轨迹计划的重点是更高级别的任务，例如避免障碍物并保持在路面上，而控制器则尽最大努力遵循有史以来不断变化的参考轨迹。我们认为，由于计划中的轨迹与控制器可以执行的内容不匹配，因此这种分离是有缺陷的，并且（2）由于模型预测性控制（MPC）范式的灵活性而不必要。取而代之的是，在本文中，我们提出了一个基于统一的MPC轨迹计划和控制计划，该计划可确保在道路边界，静态和动态环境方面的可行性，并实施乘客舒适性限制。在各种方案中，对该方案进行了严格的评估，这些方案旨在证明最佳控制问题（OCP）设计和实时解决方案方法的有效性。原型代码将在https://github.com/watonomous/control上发布。

为了确保用户接受自动驾驶汽车（AVS），正在开发控制系统以模仿人类驾驶员的驾驶行为。模仿学习（IL）算法达到了这个目的，但努力为由此产生的闭环系统轨迹提供安全保证。另一方面，模型预测控制（MPC）可以处理具有安全限制的非线性系统，但是用它来实现类似人类的驾驶需要广泛的域知识。这项工作表明，通过将MPC用作分层IL策略中的可区分控制层，将两种技术的无缝组合从所需驾驶行为的演示中学习安全的AV控制器。通过此策略，IL通过MPC成本，模型或约束的参数在闭环和端到端进行。鉴于人类在固定基准驾驶模拟器上进行了示范，分析了通过行为克隆（BCO）来学习的该方法的实验结果，用于通过行为克隆（BCO）学习的车道控制系统的设计。

具有许多移动代理的城市环境的运动计划可以看作是组合问题。通过在左右之后，左右或左后通过障碍物，自动驾驶汽车可以选择执行多个选项。这些组合方面需要在计划框架中考虑到。我们通过提出一种结合轨迹计划和操纵推理的新型计划方法来解决这个问题。我们定义了沿参考曲线的动态障碍的分类，使我们能够提取战术决策序列。我们将纵向和横向运动分开，以加快基于优化的轨迹计划。为了将获得的轨迹集绘制为操纵变体，我们定义了一种语义来描述它们。这使我们能够选择最佳轨迹，同时还可以确保随着时间的推移操纵的一致性。我们证明了我们的方法的能力，即仍被普遍认为是具有挑战性的场景。

本文提出了一种新的规划和控制策略，用于赛车场景中的多辆车竞争。所提出的赛车策略在两种模式之间切换。当没有周围的车辆时，使用基于学习的模型预测控制（MPC）轨迹策划器用于保证自助车辆更好地实现了更好的搭接定时。当EGO车辆与其他围绕车辆竞争以超车时，基于优化的策划器通过并行计算产生多个动态可行的轨迹。每个轨迹在MPC配方下进行优化，其具有不同的同型贝塞尔曲线参考路径，横向于周围的车辆之间。选择这些不同的同型轨迹之间的时间最佳轨迹，并使用具有障碍物避免约束的低级MPC控制器来保证系统的安全性能。所提出的算法具有能够生成无碰撞轨迹并跟踪它们，同时提高杠杆定时性能，稳定的低计算复杂性，优于汽车赛车环境的时序和性能中的现有方法。为了展示我们的赛车策略的表现，我们在轨道上模拟了多个随机生成的移动车辆，并测试自我车辆的超越机动。

对于自动驾驶汽车而言，遍历交叉点是一个具有挑战性的问题，尤其是当交叉路口没有交通控制时。最近，由于其成功处理自动驾驶任务，深厚的强化学习受到了广泛的关注。在这项工作中，我们解决了使用新颖的课程进行深入增强学习的问题的问题。拟议的课程导致：1）与未经课程训练的代理人相比，增强剂学习代理的更快的训练过程和2）表现更好。我们的主要贡献是两个方面：1）提供一个独特的课程，用于训练深入的强化学习者，2）显示了所提出的课程在未信号的交叉遍历任务中的应用。该框架期望自动驾驶汽车的感知系统对周围环境进行了处理。我们在Comonroad运动计划模拟器中测试我们的TTTERTIONS和四向交集的方法。

自主驾驶有可能彻底改变流动性，因此是一个积极的研究领域。实际上，自动驾驶汽车的行为必须是可以接受的，即高效，安全和可解释的。尽管香草钢筋学习（RL）找到了表现的行为策略，但它们通常是不安全且无法解释的。安全性是通过安全的RL方法引入的，但是它们仍然无法解释，因为学习的行为在没有分别进行建模的情况下共同优化了安全性和性能。可解释的机器学习很少应用于RL。本文提出了SAFEDQN，它允许在仍然有效的同时使自动驾驶汽车的行为安全可解释。 SAFEDQN在算法上透明的同时，在预期风险和效用的效用之间提供了可以理解的语义权衡。我们表明，SAFEDQN为各种场景找到了可解释且安全的驾驶政策，并展示了最先进的显着性技术如何帮助评估风险和实用性。

一般而言，融合是人类驱动因素和自治车辆的具有挑战性的任务，特别是在密集的交通中，因为合并的车辆通常需要与其他车辆互动以识别或创造间隙并安全合并。在本文中，我们考虑了强制合并方案的自主车辆控制问题。我们提出了一种新的游戏 - 理论控制器，称为领导者跟随者游戏控制器（LFGC），其中自主EGO车辆和其他具有先验不确定驾驶意图的车辆之间的相互作用被建模为部分可观察到的领导者 - 跟随游戏。 LFGC估计基于观察到的轨迹的其他车辆在线在线，然后预测其未来的轨迹，并计划使用模型预测控制（MPC）来同时实现概率保证安全性和合并目标的自我车辆自己的轨迹。为了验证LFGC的性能，我们在模拟和NGSIM数据中测试它，其中LFGC在合并中展示了97.5％的高成功率。

我们解决了由具有不同驱动程序行为的道路代理人填充的密集模拟交通环境中的自我车辆导航问题。由于其异构行为引起的代理人的不可预测性，这种环境中的导航是挑战。我们提出了一种新的仿真技术，包括丰富现有的交通模拟器，其具有与不同程度的侵略性程度相对应的行为丰富的轨迹。我们在驾驶员行为建模算法的帮助下生成这些轨迹。然后，我们使用丰富的模拟器培训深度加强学习（DRL）策略，包括一组高级车辆控制命令，并在测试时间使用此策略来执行密集流量的本地导航。我们的政策隐含地模拟了交通代理商之间的交互，并计算了自助式驾驶员机动，例如超速，超速，编织和突然道路变化的激进驾驶员演习的安全轨迹。我们增强的行为丰富的模拟器可用于生成由对应于不同驱动程序行为和流量密度的轨迹组成的数据集，我们的行为的导航方案可以与最先进的导航算法相结合。

Motion planning is challenging for autonomous systems in multi-obstacle environments due to nonconvex collision avoidance constraints. Directly applying numerical solvers to these nonconvex formulations fails to exploit the constraint structures, resulting in excessive computation time. In this paper, we present an accelerated collision-free motion planner, namely regularized dual alternating direction method of multipliers (RDADMM or RDA for short), for the model predictive control (MPC) based motion planning problem. The proposed RDA addresses nonconvex motion planning via solving a smooth biconvex reformulation via duality and allows the collision avoidance constraints to be computed in parallel for each obstacle to reduce computation time significantly. We validate the performance of the RDA planner through path-tracking experiments with car-like robots in simulation and real world setting. Experimental results show that the proposed methods can generate smooth collision-free trajectories with less computation time compared with other benchmarks and perform robustly in cluttered environments.

连续空间中有效有效的探索是将加固学习（RL）应用于自主驾驶的核心问题。从专家演示或为特定任务设计的技能可以使探索受益，但是它们通常是昂贵的，不平衡/次优的，或者未能转移到各种任务中。但是，人类驾驶员可以通过在整个技能空间中进行高效和结构性探索而不是具有特定于任务的技能的有限空间来适应各种驾驶任务。受上述事实的启发，我们提出了一种RL算法，以探索所有可行的运动技能，而不是一组有限的特定于任务和以对象为中心的技能。没有演示，我们的方法仍然可以在各种任务中表现出色。首先，我们以纯粹的运动角度构建了一个任务不合时宜的和以自我为中心的（TAEC）运动技能库，该运动技能库是足够多样化的，可以在不同的复杂任务中重复使用。然后，将运动技能编码为低维的潜在技能空间，其中RL可以有效地进行探索。在各种具有挑战性的驾驶场景中的验证表明，我们提出的方法TAEC-RL在学习效率和任务绩效方面的表现显着优于其同行。

Although extensive research in planning has been carried out for normal scenarios, path planning in emergencies has not been thoroughly explored, especially when vehicles move at a higher speed and have less space for avoiding a collision. For emergency collision avoidance, the controller should have the ability to deal with complicated environments and take collision mitigation into consideration since the problem may have no feasible solution. We propose a safety controller by using model predictive control and artificial potential function. A new artificial potential function inspired by line charge is proposed as the cost function for our model predictive controller. The new artificial potential function takes the shape of all objects into consideration. In particular, the artificial potential function that we proposed has the flexibility to fit the shape of the road structures such as the intersection, while the artificial potential function in most of the previous work could only be used in a highway scenario. Moreover, we could realize collision mitigation for a specific part of the vehicle by increasing the quantity of the charge at the corresponding place. We have tested our methods in 192 cases from 8 different scenarios in simulation. The simulation results show that the success rate of the proposed safety controller is 20% higher than using HJ-reachability with system decomposition. It could also decrease 43% of collision that happens at the pre-assigned part.