This paper presents CART, an analytical method to augment a learning-based, distributed motion planning policy of a nonlinear multi-agent system with real-time collision avoidance and robust tracking guarantees, independently of learning errors. We first derive an analytical form of an optimal safety filter for Lagrangian systems, which formally ensures a collision-free operation in a multi-agent setting in a disturbance-free environment, while allowing for its distributed implementation with minimal deviation from the learned policy. We then propose an analytical form of an optimal robust filter for Lagrangian systems to be used hierarchically with the learned collision-free target trajectory, which also enables distributed implementation and guarantees exponential boundedness of the trajectory tracking error for safety, even under the presence of deterministic and stochastic disturbance. These results are shown to extend further to general control-affine nonlinear systems using contraction theory. Our key contribution is to enhance the performance of the learned motion planning policy with collision avoidance and tracking-based robustness guarantees, independently of its original performance such as approximation errors and regret bounds in machine learning. We demonstrate the effectiveness of CART in motion planning and control of several examples of nonlinear systems, including spacecraft formation flying and rotor-failed UAV swarms.


翻译:摘要:本文提出CART,一种解析方法,用于增强基于学习的非线性多智能体系统分布式运动规划策略,使其在实时碰撞规避和鲁棒跟踪方面具有保障,且该保障独立于学习误差。首先,我们为拉格朗日系统推导出最优安全滤波器的解析形式,该滤波器能在无扰动环境中正式确保多智能体场景下的无碰撞运行,同时支持分布式实现,并最小化对学习策略的偏离。随后,我们提出拉格朗日系统的最优鲁棒滤波器的解析形式,该滤波器与学习得到的无碰撞目标轨迹分层结合,同样支持分布式实现,并确保即使在确定性和随机扰动存在下,轨迹跟踪误差仍呈指数有界以保证安全性。利用收缩理论,这些结果可进一步推广至一般控制仿射非线性系统。我们的核心贡献是:在不依赖机器学习原有性能(如逼近误差和遗憾界)的前提下,通过学习策略中引入碰撞规避和基于跟踪的鲁棒性保障,显著提升其性能。通过多个非线性系统(包括航天器编队飞行和转子故障无人机集群)的运动规划与控制实例,验证了CART的有效性。

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
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+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
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7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
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
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
1+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
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
Arxiv
18+阅读 · 2019年1月16日
Arxiv
17+阅读 · 2018年4月2日
VIP会员
最新内容
驱动军事决策变革的顶尖人工智能指挥系统
专知会员服务
9+阅读 · 8月11日
非对称防御中的自组织临界性:俄乌战争
专知会员服务
10+阅读 · 8月10日
《战争中的大语言模型监管》
专知会员服务
14+阅读 · 8月10日
《边缘计算关键技术分析及美军作战实践应用》
边缘计算的军事应用
专知会员服务
12+阅读 · 8月9日
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7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
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
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
1+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
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