Coverage path planning (CPP) is the problem of finding a path that covers the entire free space of a confined area, with applications ranging from robotic lawn mowing and vacuum cleaning, to demining and search-and-rescue tasks. While offline methods can find provably complete, and in some cases optimal, paths for known environments, their value is limited in online scenarios where the environment is not known beforehand. In this case, the path needs to be planned online while mapping the environment. We investigate how suitable reinforcement learning is for this challenging problem, and analyze the involved components required to efficiently learn coverage paths, such as action space, input feature representation, neural network architecture, and reward function. Compared to existing classical methods, this approach allows for a flexible path space, and enables the agent to adapt to specific environment dynamics. In addition to local sensory inputs for acting on short-term obstacle detections, we propose to use egocentric maps in multiple scales based on frontiers. This allows the agent to plan a long-term path in large-scale environments with feasible computational and memory complexity. Furthermore, we propose a novel total variation reward term for guiding the agent not to leave small holes of non-covered free space. To validate the effectiveness of our approach, we perform extensive experiments in simulation with a 2D ranging sensor on different variations of the CPP problem, surpassing the performance of both previous RL-based approaches and highly specialized methods.


翻译:覆盖路径规划(CPP)是指在受限区域内寻找一条能够遍历整个自由空间的路径,其应用涵盖机器人割草、真空清洁、排雷及搜索救援等任务。离线方法虽能为已知环境提供可证明完备乃至最优的路径,但在环境信息未知的在线场景中其价值有限——此时需在构建环境地图的同时在线规划路径。本研究探索强化学习对该挑战性问题的适用性,深入分析高效学习覆盖路径所需的关键组件(如动作空间、输入特征表示、神经网络架构及奖励函数)。与现有经典方法相比,该方法具备灵活的路径空间,且能使智能体适应特定环境动态特性。除基于局部传感器输入进行短期障碍物探测外,我们提出采用基于前沿的多尺度自我定位地图,使智能体能够以可行的计算与内存复杂度在大型环境中规划长期路径。此外,我们创新性地提出全变分奖励项,引导智能体避免遗留未覆盖自由空间中的小型空洞。为验证方法有效性,我们在二维测距传感器环境下对CPP问题的多种变体进行了大规模仿真实验,性能超越此前基于强化学习的方法及高度专业化方法。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
综述 | 从问答到任务完成:Agent系统与Harness设计
专知会员服务
0+阅读 · 59分钟前
Agentic RL:框架、实践与长程智能体训练
专知会员服务
0+阅读 · 今天16:52
重新思考无人机时代的生存能力
专知会员服务
5+阅读 · 今天7:44
装甲突击旅:现代战争思考、战斗与组织
专知会员服务
4+阅读 · 今天7:28
在人工智能加速决策环境中拓展OODA循环
专知会员服务
4+阅读 · 今天7:18
军事欺骗:供作战战术指挥官使用的工具
专知会员服务
4+阅读 · 今天7:03
综述 | 世界动作模型:少做梦,多行动
专知会员服务
6+阅读 · 6月23日
美以伊冲突:无人机与人工智能的运用
专知会员服务
10+阅读 · 6月23日
《特种部队在透明战场中的生存力》最新报告
专知会员服务
5+阅读 · 6月23日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员