Robots such as autonomous vehicles and assistive manipulators are increasingly operating in dynamic environments and close physical proximity to people. In such scenarios, the robot can leverage a human motion predictor to predict their future states and plan safe and efficient trajectories. However, no model is ever perfect -- when the observed human behavior deviates from the model predictions, the robot might plan unsafe maneuvers. Recent works have explored maintaining a confidence parameter in the human model to overcome this challenge, wherein the predicted human actions are tempered online based on the likelihood of the observed human action under the prediction model. This has opened up a new research challenge, i.e., \textit{how to compute the future human states online as the confidence parameter changes?} In this work, we propose a Hamilton-Jacobi (HJ) reachability-based approach to overcome this challenge. Treating the confidence parameter as a virtual state in the system, we compute a parameter-conditioned forward reachable tube (FRT) that provides the future human states as a function of the confidence parameter. Online, as the confidence parameter changes, we can simply query the corresponding FRT, and use it to update the robot plan. Computing parameter-conditioned FRT corresponds to an (offline) high-dimensional reachability problem, which we solve by leveraging recent advances in data-driven reachability analysis. Overall, our framework enables online maintenance and updates of safety assurances in human-robot interaction scenarios, even when the human prediction model is incorrect. We demonstrate our approach in several safety-critical autonomous driving scenarios, involving a state-of-the-art deep learning-based prediction model.

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。

这项工作研究了以下假设：与人类驾驶状态的部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP）计划可以显着提高自动高速公路驾驶的安全性和效率。我们在模拟场景中评估了这一假设，即自动驾驶汽车必须在快速连续中安全执行三个车道变化。通过观测扩大（POMCPOW）算法，通过部分可观察到的蒙特卡洛计划获得了近似POMDP溶液。这种方法的表现优于过度自信和保守的MDP基准，匹配或匹配效果优于QMDP。相对于MDP基准，POMCPOW通常将不安全情况的速率降低了一半或将成功率提高50％。

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。

安全可靠的自治解决方案是下一代智能运输系统的关键组成部分。这种系统中的自动驾驶汽车必须实时考虑复杂而动态的驾驶场景，并预测附近驾驶员的行为。人类驾驶行为非常细微，对个别交通参与者具有特殊性。例如，在合并车辆的情况下，驾驶员可能会显示合作或非合作行为。这些行为必须估算并纳入安全有效驾驶的计划过程中。在这项工作中，我们提出了一个框架，用于估计高速公路上驾驶员的合作水平，并计划将动作与驾驶员的潜在行为合并。潜在参数估计问题使用粒子滤波器解决，以近似合作级别的概率分布。包括潜在状态估算的部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP）在线解决，以提取合并车辆的政策。我们在高保真汽车模拟器中评估我们的方法，以对潜在状态不可知或依赖于$ \ textit {a先验{先验} $假设。

嘈杂的传感，不完美的控制和环境变化是许多现实世界机器人任务的定义特征。部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP）提供了一个原则上的数学框架，用于建模和解决不确定性下的机器人决策和控制任务。在过去的十年中，它看到了许多成功的应用程序，涵盖了本地化和导航，搜索和跟踪，自动驾驶，多机器人系统，操纵和人类机器人交互。这项调查旨在弥合POMDP模型的开发与算法之间的差距，以及针对另一端的不同机器人决策任务的应用。它分析了这些任务的特征，并将它们与POMDP框架的数学和算法属性联系起来，以进行有效的建模和解决方案。对于从业者来说，调查提供了一些关键任务特征，以决定何时以及如何成功地将POMDP应用于机器人任务。对于POMDP算法设计师，该调查为将POMDP应用于机器人系统的独特挑战提供了新的见解，并指出了有希望的新方向进行进一步研究。

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。

游戏理论运动计划者是控制多个高度交互式机器人系统的有效解决方案。大多数现有的游戏理论规划师不切实际地假设所有代理都可以使用先验的目标功能知识。为了解决这个问题，我们提出了一个容忍度的退缩水平游戏理论运动计划者，该计划者利用了与意图假设的可能性相互交流。具体而言，机器人传达其目标函数以结合意图。离散的贝叶斯过滤器旨在根据观察到的轨迹与传达意图的轨迹之间的差异来实时推断目标。在仿真中，我们考虑了三种安全至关重要的自主驾驶场景，即超车，车道交叉和交叉点，以证明我们计划者在存在通信网络中存在错误的传输情况下利用替代意图假设来产生安全轨迹的能力。

为了实现安全的自动驾驶汽车（AV）操作，至关重要的是，AV的障碍检测模块可以可靠地检测出构成安全威胁的障碍物（即是安全至关重要的）。因此，希望对感知系统的评估指标捕获对象的安全性 - 临界性。不幸的是，现有的感知评估指标倾向于对物体做出强烈的假设，而忽略了代理之间的动态相互作用，因此不能准确地捕获现实中的安全风险。为了解决这些缺点，我们通过考虑自我车辆和现场障碍之间的闭环动态相互作用来引入互动障碍感知障碍检测评估度量指标。通过从最佳控制理论借用现有理论，即汉密尔顿 - 雅各比的可达性，我们提出了一种可构造``安全区域''的计算障碍方法：一个国家空间中的一个区域，该区域定义了安全 - 关键障碍为了定义安全目的的位置指标。我们提出的安全区已在数学上完成，并且可以轻松计算以反映各种安全要求。使用Nuscenes检测挑战排行榜的现成检测算法，我们证明我们的方法是计算轻量级，并且可以更好地捕获与基线方法更好地捕获关键的安全感知错误。

Autonomous vehicles must often contend with conflicting planning requirements, e.g., safety and comfort could be at odds with each other if avoiding a collision calls for slamming the brakes. To resolve such conflicts, assigning importance ranking to rules (i.e., imposing a rule hierarchy) has been proposed, which, in turn, induces rankings on trajectories based on the importance of the rules they satisfy. On one hand, imposing rule hierarchies can enhance interpretability, but introduce combinatorial complexity to planning; while on the other hand, differentiable reward structures can be leveraged by modern gradient-based optimization tools, but are less interpretable and unintuitive to tune. In this paper, we present an approach to equivalently express rule hierarchies as differentiable reward structures amenable to modern gradient-based optimizers, thereby, achieving the best of both worlds. We achieve this by formulating rank-preserving reward functions that are monotonic in the rank of the trajectories induced by the rule hierarchy; i.e., higher ranked trajectories receive higher reward. Equipped with a rule hierarchy and its corresponding rank-preserving reward function, we develop a two-stage planner that can efficiently resolve conflicting planning requirements. We demonstrate that our approach can generate motion plans in ~7-10 Hz for various challenging road navigation and intersection negotiation scenarios.

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.

我们研究了覆盖的阶段 - 避免多个代理的动态游戏，其中多个代理相互作用，并且每种希望满足不同的目标条件，同时避免失败状态。 Reach-避免游戏通常用于表达移动机器人运动计划中发现的安全关键最优控制问题。虽然这些运动计划问题存在各种方法，但我们专注于找到时间一致的解决方案，其中计划未来的运动仍然是最佳的，尽管先前的次优行动。虽然摘要，时间一致性封装了一个非常理想的财产：即使机器人早期从计划发出的机器人的运动发散，即，由于例如内在的动态不确定性或外在环境干扰，即使机器人的运动分歧，时间一致的运动计划也保持最佳。我们的主要贡献是一种计算 - 避免多种代理的算法算法，避免呈现时间一致的解决方案。我们展示了我们在两位和三位玩家模拟驾驶场景中的方法，其中我们的方法为所有代理商提供了安全控制策略。

Reasoning about human motion is an important prerequisite to safe and socially-aware robotic navigation. As a result, multi-agent behavior prediction has become a core component of modern human-robot interactive systems, such as self-driving cars. While there exist many methods for trajectory forecasting, most do not enforce dynamic constraints and do not account for environmental information (e.g., maps). Towards this end, we present Trajectron++, a modular, graph-structured recurrent model that forecasts the trajectories of a general number of diverse agents while incorporating agent dynamics and heterogeneous data (e.g., semantic maps). Trajectron++ is designed to be tightly integrated with robotic planning and control frameworks; for example, it can produce predictions that are optionally conditioned on ego-agent motion plans. We demonstrate its performance on several challenging real-world trajectory forecasting datasets, outperforming a wide array of state-ofthe-art deterministic and generative methods.

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。

离线强化学习（RL）为从离线数据提供学习决策的框架，因此构成了现实世界应用程序作为自动驾驶的有希望的方法。自动驾驶车辆（SDV）学习策略，这甚至可能甚至优于次优数据集中的行为。特别是在安全关键应用中，作为自动化驾驶，解释性和可转换性是成功的关键。这激发了使用基于模型的离线RL方法，该方法利用规划。然而，目前的最先进的方法往往忽视了多种子体系统随机行为引起的溶液不确定性的影响。这项工作提出了一种新的基于不确定感知模型的离线强化学习利用规划（伞）的新方法，其解决了以可解释的基于学习的方式共同的预测，规划和控制问题。训练有素的动作调节的随机动力学模型捕获了交通场景的独特不同的未来演化。分析为我们在挑战自动化驾驶模拟中的效力和基于现实世界的公共数据集的方法提供了经验证据。

不确定性下的实时计划对于在复杂的动态环境中运行的机器人至关重要。例如，考虑一下，汽车，摩托车，公共汽车等不受监管的城市交通不受监管的自动机器人车辆驾驶。机器人车辆必须在短期和长时间内计划，以便与许多具有不确定意图和不确定意图的交通参与者互动有效驾驶。然而，在很长一段时间内明确规划会产生过度的计算成本，并且在实时限制下是不切实际的。为了实现大规模计划的实时性能，这项工作从树木搜索驾驶（Lets-Drive）中引入了一种新的算法学习，该算法将计划和学习集成到封闭的循环中，并将其应用于拥挤的城市交通中的自动驾驶在模拟中。具体而言，让我们驱动器从在线规划者提供的数据中学习策略及其价值函数，该数据搜索了稀疏采样的信念树；在线规划师依次使用学习的策略和价值功能作为启发式方法来扩展其运行时性能，以实现实时机器人控制。重复这两个步骤以形成一个封闭的循环，以便计划者和学习者相互通知并同步改进。该算法以自我监督的方式自行学习，而无需人工努力明确的数据标记。实验结果表明，让驱动器的表现优于计划或学习，以及计划和学习的开环集成。

相应地预测周围交通参与者的未来状态，并计划安全，平稳且符合社会的轨迹对于自动驾驶汽车至关重要。当前的自主驾驶系统有两个主要问题：预测模块通常与计划模块解耦，并且计划的成本功能很难指定和调整。为了解决这些问题，我们提出了一个端到端的可区分框架，该框架集成了预测和计划模块，并能够从数据中学习成本函数。具体而言，我们采用可区分的非线性优化器作为运动计划者，该运动计划将神经网络给出的周围剂的预测轨迹作为输入，并优化了自动驾驶汽车的轨迹，从而使框架中的所有操作都可以在框架中具有可观的成本，包括成本功能权重。提出的框架经过大规模的现实驾驶数据集进行了训练，以模仿整个驾驶场景中的人类驾驶轨迹，并在开环和闭环界面中进行了验证。开环测试结果表明，所提出的方法的表现优于各种指标的基线方法，并提供以计划为中心的预测结果，从而使计划模块能够输出接近人类的轨迹。在闭环测试中，提出的方法表明能够处理复杂的城市驾驶场景和鲁棒性，以抵抗模仿学习方法所遭受的分配转移。重要的是，我们发现计划和预测模块的联合培训比在开环和闭环测试中使用单独的训练有素的预测模块进行计划要比计划更好。此外，消融研究表明，框架中的可学习组件对于确保计划稳定性和性能至关重要。

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.

人类行为的不确定性对拥挤的城市环境中的自动驾驶构成了重大挑战。部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP）为不确定性下的计划提供了一个原则的框架，通常利用蒙特卡洛抽样来实现在线绩效进行复杂的任务。但是，抽样还通过潜在缺失关键事件引起了安全问题。为了解决这个问题，我们提出了一种新的算法，学习对驾驶行为（领导者）的关注，这些算法在计划过程中学习了批判性人类行为。领导者学习了一个神经网络生成器，以实时情况下对人类行为的关注。它将注意力集成到信仰空间计划者中，使用重要性抽样来偏向关键事件。为了训练该算法，我们让注意力生成器和计划者组成了最小游戏。通过解决Min-Max游戏，领导者学会了无需人类标签即可执行风险意识的计划。

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。