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.

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。

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。

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。

基于神经网络的驾驶规划师在改善自动驾驶的任务绩效方面表现出了巨大的承诺。但是，确保具有基于神经网络的组件的系统的安全性，尤其是在密集且高度交互式的交通环境中，这是至关重要的，但又具有挑战性。在这项工作中，我们为基于神经网络的车道更改提出了一个安全驱动的互动计划框架。为了防止过度保守计划，我们确定周围车辆的驾驶行为并评估其侵略性，然后以互动方式相应地适应了计划的轨迹。如果在预测的最坏情况下，即使存在安全的逃避轨迹，则自我车辆可以继续改变车道；否则，它可以停留在当前的横向位置附近或返回原始车道。我们通过广泛而全面的实验环境以及在自动驾驶汽车公司收集的现实情况下进行了广泛的模拟，定量证明了计划者设计的有效性及其优于基线方法的优势。

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。

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。

在本文中，我们提出了针对无人接地车辆（UGV）的新的控制屏障功能（CBF），该功能有助于避免与运动学（非零速度）障碍物发生冲突。尽管当前的CBF形式已经成功地保证了与静态障碍物的安全/碰撞避免安全性，但动态案例的扩展已获得有限的成功。此外，借助UGV模型，例如Unicycle或自行车，现有CBF的应用在控制方面是保守的，即在某些情况下不可能进行转向/推力控制。从经典的碰撞锥中汲取灵感来避免轨迹规划，我们介绍了其新颖的CBF配方，并具有对独轮车和自行车模型的安全性保证。主要思想是确保障碍物的速度W.R.T.车辆总是指向车辆。因此，我们构建了一个约束，该约束确保速度向量始终避开指向车辆的向量锥。这种新控制方法的功效在哥白尼移动机器人上进行了实验验证。我们将其进一步扩展到以自行车模型的形式扩展到自动驾驶汽车，并在Carla模拟器中的各种情况下证明了避免碰撞。

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。

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。

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。

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。

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.

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。

本文介绍了一种新的方法，为入境驾驶场景的自动车辆产生最佳轨迹。该方法使用两相优化过程计算轨迹。在第一阶段中，优化过程产生具有不同的曲率的闭形驾驶导向线。在第二阶段，该过程将驱动导向线作为输入输出，输出沿着导向线驾驶的车辆的动态可行，混蛋和时间最佳轨迹。该方法对于在弯曲道路上产生轨迹特别有用，其中车辆需要频繁加速和减速以适应离心机加速限制。

由于交通环境的复杂性和波动性，自主驾驶中的决策是一个显着难的问题。在这个项目中，我们使用深度Q-network，以及基于规则的限制来使车道变化的决定。可以通过将高级横向决策与基于低级规则的轨迹监视相结合来获得安全高效的车道改变行为。预计该代理商在培训中，在实际的UDAcity模拟器中进行了适当的车道更换操作，总共100次发作。结果表明，基于规则的DQN比DQN方法更好地执行。基于规则的DQN达到0.8的安全速率和47英里/小时的平均速度

路径规划是自治车辆运动规划中的关键组成部分。路径指定车辆将旅行的几何形状，因此，对安全和舒适的车辆运动至关重要。对于城市驾驶场景，自治车辆需要能够在杂乱的环境中导航，例如，道路部分被侧面挡住的车辆/障碍物。如何生成运动学上可行和平滑的路径，可以避免复杂环境中的碰撞，使路径规划有挑战性的问题。在本文中，我们提出了一种新型二次编程方法，可以产生分辨率完全碰撞避免能力的最佳路径。

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.

Prior work has looked at applying reinforcement learning and imitation learning approaches to autonomous driving scenarios, but either the safety or the efficiency of the algorithm is compromised. With the use of control barrier functions embedded into the reinforcement learning policy, we arrive at safe policies to optimize the performance of the autonomous driving vehicle. However, control barrier functions need a good approximation of the model of the car. We use probabilistic control barrier functions as an estimate of the model uncertainty. The algorithm is implemented as an online version in the CARLA (Dosovitskiy et al., 2017) Simulator and as an offline version on a dataset extracted from the NGSIM Database. The proposed algorithm is not just a safe ramp merging algorithm but a safe autonomous driving algorithm applied to address ramp merging on highways.