Multiagent decision making for maritime traffic management

We address the problem of maritime traffic management in busy waterways to increase the safety of navigation by reducing congestion. We model maritime traffic as a large multiagent systems with individual vessels as agents, and VTS authority as the regulatory agent. We develop a maritime traffic simulator based on historical traffic data that incorporates realistic domain constraints such as uncertain and asynchronous movement of vessels. We also develop a traffic coordination approach that provides speed recommendation to vessels in different zones. We exploit the nature of collective interactions among agents to develop a scalable policy gradient approach that can scale up to real world problems. Empirical results on synthetic and real world problems show that our approach can significantly reduce congestion while keeping the traffic throughput high

Exploring Deep Reinforcement Learning Techniques for Autonomous Navigation

This paper contains research into efficient autonomous navigation algorithms powered by deep reinforcement learning. These algorithms enable a mobile robot to perform waypoint tracking in an indoor environment. The robot does not contain a map of the environment nor does it know the location of the waypoints. A reward function is used to encourage behaviors in the robot that lead it closer to the goal. This is an active area of research encouraged by recent advancements in neural networks applied to sequential decision making. The reinforcement learning algorithms utilize LiDAR and IMU sensors in order to navigate the unknown environment by calculating the robot’s current state and what its next action should be. At each step the action that is most likely to yield the maximum reward is sent to the robot in order to follow the sequential targets along the path to the final goal location. I use a low-fidelity custom simulator based on the Dubins Path along with a high-fidelity 3D simulator, Gazebo, to train various policies. The Dubins simulator is constructed from Python and executes very fast, while Gazebo requires more resources but is very advanced. After training is complete, ROS is used to deploy the RL policy onto the physical robot and convert the action commands into linear and angular velocities that can be understood by the robot’s hardware/motors. The TurtleBot3 Burger is the robot being used for evaluation in the real world. Often times, there is a severe drop in performance between the simulator and the real world so this is also monitored and factored into performance. Dense and sparse reward functions are explored in order to mimic various real-world scenarios where the reward is not always known at every step. Finally, Deep Q-Learning, Trust Region Policy Optimization, and a new RL algorithm called Learning Online with Guidance Offline are implemented and tested throughout the course of the research

Predictive Techniques for Scene Understanding by using Deep Learning in Autonomous Driving

La conducción autónoma es considerada uno de los más grandes retos tecnológicos de la actualidad. Cuando los coches autónomos conquisten nuestras carreteras, los accidentes se reducirán notablemente, hasta casi desaparecer, ya que la tecnología estará testada y no incumplirá las normas de conducción, entre otros beneficios sociales y económicos. Uno de los aspectos más críticos a la hora de desarrollar un vehículo autónomo es percibir y entender la escena que le rodea. Esta tarea debe ser tan precisa y eficiente como sea posible para posteriormente predecir el futuro de esta misma y ayudar a la toma de decisiones. De esta forma, las acciones tomadas por el vehículo garantizarán tanto la seguridad del vehículo en sí mismo y sus ocupantes, como la de los obstáculos circundantes, tales como viandantes, otros vehículos o infraestructura de la carretera. En ese sentido, esta tesis doctoral se centra en el estudio y desarrollo de distintas técnicas predictivas para el entendimiento de la escena en el contexto de la conducción autónoma. Durante la tesis, se observa una incorporación progresiva de técnicas de aprendizaje profundo en los distintos algoritmos propuestos para mejorar el razonamiento sobre qué está ocurriendo en el escenario de tráfico, así como para modelar las complejas interacciones entre la información social (distintos participantes o agentes del escenario, tales como vehículos, ciclistas o peatones) y física (es decir, la información geométrica, semántica y topológica del mapa de alta definición) presente en la escena. La capa de percepción de un vehículo autónomo se divide modularmente en tres etapas: Detección, Seguimiento (Tracking), y Predicción. Para iniciar el estudio de las etapas de seguimiento y predicción, se propone un algoritmo de Multi-Object Tracking basado en técnicas clásicas de estimación de movimiento y asociación validado en el dataset KITTI, el cual obtiene métricas del estado del arte. Por otra parte, se propone el uso de un filtro inteligente basado en información contextual de mapa, cuyo objetivo es monitorizar los agentes más relevantes de la escena en el tiempo, representando estos agentes filtrados la entrada preliminar para realizar predicciones unimodales basadas en un modelo cinemático. Para validar esta propuesta de filtro inteligente se usa CARLA (CAR Learning to Act), uno de los simuladores hiperrealistas para conducción autónoma más prometedores en la actualidad, comprobando cómo al usar información contextual de mapa se puede reducir notablemente el tiempo de inferencia de un algoritmo de tracking y predicción basados en métodos físicos, prestando atención a los agentes realmente relevantes del escenario de tráfico. Tras observar las limitaciones de un modelo de predicción basado en cinemática para la predicción a largo plazo de un agente, los distintos algoritmos de la tesis se centran en el módulo de predicción, usando los datasets Argoverse 1 y Argoverse 2, donde se asume que los agentes proporcionados en cada escenario de tráfico ya están monitorizados durante un cierto número de observaciones. En primer lugar, se introduce un modelo basado en redes neuronales recurrentes (particularmente redes LSTM, Long-Short Term Memory) y mecanismo de atención para codificar las trayectorias pasadas de los agentes, y una representación simplificada del mapa en forma de posiciones finales potenciales en la carretera para calcular las trayectorias futuras unimodales, todo envuelto en un marco GAN (Generative Adversarial Network), obteniendo métricas similares al estado del arte en el caso unimodal. Una vez validado el modelo anterior en Argoverse 1, se proponen distintos modelos base (sólo social, incorporando mapa, y una mejora final basada en Transformer encoder, redes convolucionales 1D y mecanismo de atención cruzada para la fusión de características) precisos y eficientes basados en el modelo de predicción anterior, introduciendo dos nuevos conceptos. Por un lado, el uso de redes neuronales gráficas (particularmente GCN, Graph Convolutional Network) para codificar de una forma potente las interacciones de los agentes. Por otro lado, se propone el preprocesamiento de trayectorias preliminares a partir de un mapa con un método heurístico. Gracias a estas entradas y una arquitectura más potente de codificación, los modelos base serán capaces de predecir distintas trayectorias futuras multimodales, es decir, cubriendo distintos posibles futuros para el agente de interés. Los modelos base propuestos obtienen métricas de regresión del estado del arte tanto en el caso multimodal como unimodal manteniendo un claro compromiso de eficiencia con respecto a otras propuestas. El modelo final de la tesis, inspirado en los modelos anteriores y validado en el más reciente dataset para algoritmos de predicción en conducción autónoma (Argoverse 2), introduce varias mejoras para entender mejor el escenario de tráfico y decodificar la información de una forma precisa y eficiente. Se propone incorporar información topológica y semántica de los carriles futuros preliminares con el método heurístico antes mencionado, codificación de mapa basada en aprendizaje profundo con redes GCN, ciclo de fusión de características físicas y sociales, estimación de posiciones finales en la carretera y agregación de su entorno circundante con aprendizaje profundo y finalmente módulo de refinado para mejorar la calidad de las predicciones multimodales finales de un modo elegante y eficiente. Comparado con el estado del arte, nuestro método logra métricas de predicción a la par con los métodos mejor posicionados en el Leaderboard de Argoverse 2, reduciendo de forma notable el número de parámetros y operaciones de coma flotante por segundo. Por último, el modelo final de la tesis ha sido validado en simulación en distintas aplicaciones de conducción autónoma. En primer lugar, se integra el modelo para proporcionar predicciones a un algoritmo de toma de decisiones basado en aprendizaje por refuerzo en el simulador SMARTS (Scalable Multi-Agent Reinforcement Learning Training School), observando en los estudios como el vehículo es capaz de tomar mejores decisiones si conoce el comportamiento futuro de la escena y no solo el estado actual o pasado de esta misma. En segundo lugar, se ha realizado un estudio de adaptación de dominio exitoso en el simulador hiperrealista CARLA en distintos escenarios desafiantes donde el entendimiento de la escena y predicción del entorno son muy necesarios, como una autopista o rotonda con gran densidad de tráfico o la aparición de un usuario vulnerable de la carretera de forma repentina. En ese sentido, el modelo de predicción ha sido integrado junto con el resto de capas de la arquitectura de navegación autónoma del grupo de investigación donde se desarrolla la tesis como paso previo a su implementación en un vehículo autónomo real

A Comprehensive Review on Autonomous Navigation

The field of autonomous mobile robots has undergone dramatic advancements over the past decades. Despite achieving important milestones, several challenges are yet to be addressed. Aggregating the achievements of the robotic community as survey papers is vital to keep the track of current state-of-the-art and the challenges that must be tackled in the future. This paper tries to provide a comprehensive review of autonomous mobile robots covering topics such as sensor types, mobile robot platforms, simulation tools, path planning and following, sensor fusion methods, obstacle avoidance, and SLAM. The urge to present a survey paper is twofold. First, autonomous navigation field evolves fast so writing survey papers regularly is crucial to keep the research community well-aware of the current status of this field. Second, deep learning methods have revolutionized many fields including autonomous navigation. Therefore, it is necessary to give an appropriate treatment of the role of deep learning in autonomous navigation as well which is covered in this paper. Future works and research gaps will also be discussed

Deep Learning for Safe Autonomous Driving: Current Challenges and Future Directions

[EN] Advances in information and signal processing technologies have a significant impact on autonomous driving (AD), improving driving safety while minimizing the efforts of human drivers with the help of advanced artificial intelligence (AI) techniques. Recently, deep learning (DL) approaches have solved several real-world problems of complex nature. However, their strengths in terms of control processes for AD have not been deeply investigated and highlighted yet. This survey highlights the power of DL architectures in terms of reliability and efficient real-time performance and overviews state-of-the-art strategies for safe AD, with their major achievements and limitations. Furthermore, it covers major embodiments of DL along the AD pipeline including measurement, analysis, and execution, with a focus on road, lane, vehicle, pedestrian, drowsiness detection, collision avoidance, and traffic sign detection through sensing and vision-based DL methods. In addition, we discuss on the performance of several reviewed methods by using different evaluation metrics, with critics on their pros and cons. Finally, this survey highlights the current issues of safe DL-based AD with a prospect of recommendations for future research, rounding up a reference material for newcomers and researchers willing to join this vibrant area of Intelligent Transportation Systems.This work was supported by Institute of Information & Communications Technology Planning & Evaluation (IITP) Grant funded by the Korea Government (MSIT) (2019-0-00136, Development of AI-Convergence Technologies for Smart City Industry Productivity Innovation); The work of Javier Del Ser was supported by the Basque Government through the EMAITEK and ELKARTEK Programs, as well as by the Department of Education of this institution (Consolidated Research Group MATHMODE, IT1294-19); VHCA received support from the Brazilian National Council for Research and Development (CNPq, Grant #304315/2017-6 and #430274/2018-1).Muhammad, K.; Ullah, A.; Lloret, J.; Del Ser, J.; De Albuquerque, VHC. (2021). Deep Learning for Safe Autonomous Driving: Current Challenges and Future Directions. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. 22(7):4316-4336. https://doi.org/10.1109/TITS.2020.30322274316433622

Nachweislich sichere Bewegungsplanung für autonome Fahrzeuge durch Echtzeitverifikation

This thesis introduces fail-safe motion planning as the first approach to guarantee legal safety of autonomous vehicles in arbitrary traffic situations. The proposed safety layer verifies whether intended trajectories comply with legal safety and provides fail-safe trajectories when intended trajectories result in safety-critical situations. The presented results indicate that the use of fail-safe motion planning can drastically reduce the number of traffic accidents.Die vorliegende Arbeit führt ein neuartiges Verifikationsverfahren ein, mit dessen Hilfe zum ersten Mal die verkehrsregelkonforme Sicherheit von autonomen Fahrzeugen gewährleistet werden kann. Das Verifikationsverfahren überprüft, ob geplante Trajektorien sicher sind und generiert Rückfalltrajektorien falls diese zu einer unsicheren Situation führen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung des Verfahrens zu einer deutlichen Reduktion von Verkehrsunfällen führt

Alleviating Traffic Congestion: Developing and Evaluating Novel Multi-Agent Reinforcement Learning Traffic Light Coordination Techniques

Contract # 69A3551747111Traffic congestion costs American cities tens of billions of dollars per year, not to mention its negative impact on the environment or people\u2019s mental health. Novel Markov game models and advanced reinforcement learning algorithms hold the promise of drastically alleviating congestion through dynamic coordination of traffic signals and adaptive techniques to dynamically re-route traffic. This project involves a collaboration with Econolite, a leading provider of traffic management systems