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深度強化(hua)學習在(zai)自動(dong)駕(jia)駛(shi)路徑規劃(hua)中的動(dong)態決策機(ji)制 時間:2025-03-17      來源:華清(qing)遠見

自(zi)動駕(jia)駛技(ji)術已成為(wei)(wei)學(xue)(xue)術界(jie)與工業界(jie)共同矚(zhu)目的(de)(de)(de)(de)(de)焦點。作為(wei)(wei)自(zi)動駕(jia)駛核心技(ji)術之一的(de)(de)(de)(de)(de)路(lu)徑規劃,要求車輛(liang)具備實時、精準地處理復(fu)(fu)雜(za)(za)交通環境信息,并做出最優(you)決(jue)策的(de)(de)(de)(de)(de)能力,從(cong)而實現安全(quan)、高效、舒(shu)適的(de)(de)(de)(de)(de)行(xing)駛目標。深度(du)強化學(xue)(xue)習(xi)作為(wei)(wei)機器學(xue)(xue)習(xi)領(ling)域的(de)(de)(de)(de)(de)前沿(yan)技(ji)術,融(rong)合了深度(du)學(xue)(xue)習(xi)強大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)特(te)征提取能力與強化學(xue)(xue)習(xi)基于環境反(fan)饋(kui)進行(xing)決(jue)策優(you)化的(de)(de)(de)(de)(de)機制,為(wei)(wei)自(zi)動駕(jia)駛路(lu)徑規劃的(de)(de)(de)(de)(de)動態決(jue)策提供(gong)了極具潛(qian)力的(de)(de)(de)(de)(de)解決(jue)方案,其能夠(gou)有效應對傳統方法在處理復(fu)(fu)雜(za)(za)動態環境時的(de)(de)(de)(de)(de)局限性。

 

深度強化學習原理概述

深(shen)(shen)(shen)(shen)度(du)(du)(du)強化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)習(xi)本質上是深(shen)(shen)(shen)(shen)度(du)(du)(du)神(shen)經網(wang)絡(luo)與強化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)習(xi)算法的有(you)(you)機(ji)結合。深(shen)(shen)(shen)(shen)度(du)(du)(du)學(xue)(xue)(xue)習(xi)通(tong)過(guo)(guo)(guo)構建(jian)具有(you)(you)多個隱藏層(ceng)的神(shen)經網(wang)絡(luo)模型,如多層(ceng)感知(zhi)機(ji)(Multilayer Perceptron,MLP)、卷積神(shen)經網(wang)絡(luo)(Convolutional Neural Network,CNN)以及循(xun)環(huan)(huan)神(shen)經網(wang)絡(luo)(Recurrent Neural Network,RNN)及其(qi)(qi)變(bian)體(ti)長短期記憶網(wang)絡(luo)(Long Short-Term Memory,LSTM)和門控循(xun)環(huan)(huan)單元(Gated Recurrent Unit,GRU)等(deng),能夠(gou)對高(gao)維、復雜的原始數據(ju)進行(xing)自動(dong)特征提(ti)取(qu)與抽象表示(shi)。而強化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)習(xi)則遵循(xun)馬(ma)爾(er)可(ke)夫決策(ce)(ce)過(guo)(guo)(guo)程(Markov Decision Process,MDP),智(zhi)(zhi)能體(ti)(Agent)在環(huan)(huan)境中(zhong)通(tong)過(guo)(guo)(guo)不斷執行(xing)動(dong)作(Action),并(bing)根據(ju)環(huan)(huan)境反饋(kui)的獎(jiang)勵信號(Reward Signal)來學(xue)(xue)(xue)習(xi)最(zui)優策(ce)(ce)略(lve)(lve)(Policy),以最(zui)大化(hua)(hua)長期累積獎(jiang)勵(Long-Term Cumulative Reward)。在深(shen)(shen)(shen)(shen)度(du)(du)(du)強化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)習(xi)體(ti)系(xi)中(zhong),智(zhi)(zhi)能體(ti)借助(zhu)深(shen)(shen)(shen)(shen)度(du)(du)(du)學(xue)(xue)(xue)習(xi)模型將高(gao)維的環(huan)(huan)境觀測數據(ju)映(ying)射為低維的特征向量,作為決策(ce)(ce)依據(ju),然后依據(ju)強化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)習(xi)算法,如 Q 學(xue)(xue)(xue)習(xi)(Q-Learning)、深(shen)(shen)(shen)(shen)度(du)(du)(du) Q 網(wang)絡(luo)(Deep Q-Network,DQN)及其(qi)(qi)擴展(zhan)雙深(shen)(shen)(shen)(shen)度(du)(du)(du) Q 網(wang)絡(luo)(Double Deep Q-Network,DDQN)、優先(xian)經驗回放深(shen)(shen)(shen)(shen)度(du)(du)(du) Q 網(wang)絡(luo)(Prioritized Experience Replay Deep Q-Network,PER-DQN),以及策(ce)(ce)略(lve)(lve)梯度(du)(du)(du)算法(Policy Gradient Algorithm),包括香草策(ce)(ce)略(lve)(lve)梯度(du)(du)(du)(Vanilla Policy Gradient,VPG)、近端(duan)策(ce)(ce)略(lve)(lve)優化(hua)(hua)(Proximal Policy Optimization,PPO)等(deng),來選擇并(bing)執行(xing)動(dong)作,實現對動(dong)態(tai)環(huan)(huan)境的自適應決策(ce)(ce)。

自動駕駛路徑規劃中的應用架構

基于(yu)深(shen)度強化(hua)學習(xi)(xi)的(de)自(zi)動(dong)(dong)駕駛(shi)路徑規劃系(xi)統通(tong)常(chang)由緊密協作的(de)環境感(gan)知(zhi)模(mo)(mo)(mo)(mo)塊、決(jue)策(ce)(ce)模(mo)(mo)(mo)(mo)塊和執行(xing)(xing)模(mo)(mo)(mo)(mo)塊構(gou)成。環境感(gan)知(zhi)模(mo)(mo)(mo)(mo)塊利用多種(zhong)傳(chuan)感(gan)器,如(ru)(ru)攝像(xiang)頭(tou)、毫米波雷達、激光雷達(Light Detection and Ranging,LiDAR)等(deng),獲(huo)取(qu)車(che)輛周圍的(de)全方位環境信(xin)息(xi),包括(kuo)道(dao)路拓撲結構(gou)、交(jiao)通(tong)標(biao)志與標(biao)線、其他交(jiao)通(tong)參(can)與者的(de)狀(zhuang)態(tai)(位置、速度、加(jia)速度、行(xing)(xing)駛(shi)意圖等(deng))。這些原始感(gan)知(zhi)數(shu)據(ju)經過(guo)預處理后,輸入到基于(yu)深(shen)度學習(xi)(xi)的(de)感(gan)知(zhi)模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)中,如(ru)(ru)基于(yu) CNN 的(de)目標(biao)檢測模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)(如(ru)(ru) You Only Look Once,YOLO 系(xi)列(lie);Single Shot MultiBox Detector,SSD 等(deng))用于(yu)檢測交(jiao)通(tong)目標(biao),基于(yu)語(yu)義(yi)分割網絡(如(ru)(ru) Fully Convolutional Network,FCN;U-Net 等(deng))進行(xing)(xing)道(dao)路場景理解,從而(er)提取(qu)出對決(jue)策(ce)(ce)有價值的(de)特征信(xin)息(xi)。決(jue)策(ce)(ce)模(mo)(mo)(mo)(mo)塊以感(gan)知(zhi)模(mo)(mo)(mo)(mo)塊輸出的(de)特征信(xin)息(xi)作為輸入,通(tong)過(guo)深(shen)度強化(hua)學習(xi)(xi)算法(fa)求解最優決(jue)策(ce)(ce)。執行(xing)(xing)模(mo)(mo)(mo)(mo)塊則(ze)將決(jue)策(ce)(ce)模(mo)(mo)(mo)(mo)塊輸出的(de)控(kong)制(zhi)(zhi)指令(如(ru)(ru)油門、剎車(che)、轉向角度等(deng))轉化(hua)為車(che)輛的(de)實際控(kong)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)作,通(tong)過(guo)車(che)輛動(dong)(dong)力(li)學模(mo)(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)實現車(che)輛的(de)精確(que)操控(kong)。

動態決策機制解析

狀態空間定義

自動駕駛的(de)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)(tai)(tai)空(kong)間是一(yi)個高維、復雜的(de)空(kong)間,其準確合理的(de)定義對(dui)于深度強化學習算法(fa)(fa)的(de)性能(neng)至關重要。狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)(tai)(tai)空(kong)間不僅涵蓋車輛自身的(de)運動學狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)(tai)(tai),如位置(zhi)(x, y 坐標或(huo)經(jing)緯度)、速(su)(su)(su)度(線速(su)(su)(su)度、角速(su)(su)(su)度)、加(jia)(jia)速(su)(su)(su)度(線性加(jia)(jia)速(su)(su)(su)度、角加(jia)(jia)速(su)(su)(su)度)、航向角等,還(huan)包(bao)括(kuo)周(zhou)圍環境的(de)動態(tai)(tai)(tai)(tai)與(yu)靜態(tai)(tai)(tai)(tai)信息(xi)。動態(tai)(tai)(tai)(tai)信息(xi)包(bao)括(kuo)其他車輛的(de)相對(dui)位置(zhi)、速(su)(su)(su)度、加(jia)(jia)速(su)(su)(su)度、行(xing)(xing)駛方(fang)向、意圖(tu)(如變道意圖(tu)、轉彎意圖(tu)等),可通過多目標跟蹤算法(fa)(fa)(如 SORT、DeepSORT 等)獲(huo)取;靜態(tai)(tai)(tai)(tai)信息(xi)包(bao)括(kuo)道路的(de)幾何形狀(zhuang)(zhuang)(曲率(lv)、坡度等)、交通規(gui)則(ze)(限(xian)速(su)(su)(su)、禁行(xing)(xing)區域等)。為了降低狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)(tai)(tai)空(kong)間的(de)維度,提高算法(fa)(fa)效率(lv),常(chang)采用主(zhu)成分分析(Principal Component Analysis,PCA)、自編碼器(qi)(Autoencoder)等降維技術對(dui)原(yuan)始(shi)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)(tai)(tai)信息(xi)進(jin)行(xing)(xing)特征壓縮與(yu)提取。

動作空間設計

動(dong)(dong)作空(kong)間(jian)定義了(le)車(che)(che)輛(liang)(liang)在(zai)(zai)行(xing)駛(shi)過程中可(ke)執行(xing)的(de)所有(you)可(ke)能動(dong)(dong)作集(ji)合。考慮到車(che)(che)輛(liang)(liang)的(de)物理(li)約束和實(shi)際行(xing)駛(shi)需(xu)(xu)求,動(dong)(dong)作空(kong)間(jian)通(tong)常包括連續動(dong)(dong)作和離散動(dong)(dong)作。連續動(dong)(dong)作如(ru)油門開度(du)(du)、剎車(che)(che)力(li)度(du)(du)、轉向角(jiao)度(du)(du)等,可(ke)通(tong)過 PID 控制(zhi)、模型(xing)預測控制(zhi)(Model Predictive Control,MPC)等方法實(shi)現精(jing)確控制(zhi);離散動(dong)(dong)作如(ru)加速、減速、保(bao)(bao)持(chi)當前速度(du)(du)、向左或向右變道(dao)、轉彎(wan)等,用于高(gao)層決策(ce)。在(zai)(zai)設計動(dong)(dong)作空(kong)間(jian)時,需(xu)(xu)綜(zong)合考慮車(che)(che)輛(liang)(liang)的(de)動(dong)(dong)力(li)學特性(xing)、交通(tong)規則以及行(xing)駛(shi)安全性(xing),確保(bao)(bao)動(dong)(dong)作的(de)可(ke)執行(xing)性(xing)和有(you)效(xiao)性(xing)。

獎勵函數構建

獎(jiang)(jiang)勵(li)(li)函數是(shi)引(yin)導智能體學習最(zui)優行(xing)駛(shi)策略的(de)(de)關鍵要素,其設(she)計需綜合(he)權衡安(an)全性(xing)、高效性(xing)、舒適(shi)性(xing)等多方面(mian)因(yin)素。安(an)全性(xing)是(shi)首要考慮因(yin)素,發生碰(peng)撞(zhuang)、違反交通規則或進(jin)入(ru)危險區域應給(gei)予較大的(de)(de)負(fu)獎(jiang)(jiang)勵(li)(li),可(ke)通過(guo)碰(peng)撞(zhuang)檢測(ce)算法、交通規則檢查模(mo)塊來判斷;高效性(xing)體現在快速到達目的(de)(de)地,可(ke)根據行(xing)駛(shi)距離、行(xing)駛(shi)時間、與最(zui)優路徑(jing)的(de)(de)偏差(cha)等指標(biao)給(gei)予正(zheng)獎(jiang)(jiang)勵(li)(li);舒適(shi)性(xing)則關注行(xing)駛(shi)過(guo)程中的(de)(de)平(ping)穩性(xing),如(ru)加速度(du)(du)變(bian)化率(lv)(lv)(jerk)、轉向角(jiao)度(du)(du)變(bian)化率(lv)(lv)等,過(guo)大的(de)(de)變(bian)化應給(gei)予負(fu)獎(jiang)(jiang)勵(li)(li)。為了使獎(jiang)(jiang)勵(li)(li)函數更(geng)具魯棒(bang)性(xing)和(he)可(ke)解釋性(xing),常采用(yong)分層獎(jiang)(jiang)勵(li)(li)結構、基于專家(jia)知識(shi)的(de)(de)獎(jiang)(jiang)勵(li)(li)設(she)計以及(ji)獎(jiang)(jiang)勵(li)(li)塑形(Reward Shaping)技術(shu)。

學習與決策過程

智(zhi)能(neng)體(ti)(ti)在與(yu)環(huan)境(jing)的交互過程(cheng)中,遵循(xun)策(ce)略(lve)(lve)迭代(Policy Iteration)或值迭代(Value Iteration)的方(fang)式進(jin)(jin)行(xing)學(xue)習(xi)。在訓(xun)練初期,智(zhi)能(neng)體(ti)(ti)采用(yong)隨(sui)(sui)機策(ce)略(lve)(lve)或基于(yu)啟發式規則的策(ce)略(lve)(lve)進(jin)(jin)行(xing)探索,隨(sui)(sui)著學(xue)習(xi)的深入,逐漸利用(yong)深度(du)(du)強化(hua)學(xue)習(xi)算法(fa)更新策(ce)略(lve)(lve)。常用(yong)的訓(xun)練方(fang)法(fa)包(bao)括基于(yu)經驗回放(fang)(Experience Replay)的離線學(xue)習(xi)和基于(yu)策(ce)略(lve)(lve)梯度(du)(du)的在線學(xue)習(xi)。經驗回放(fang)通過將智(zhi)能(neng)體(ti)(ti)與(yu)環(huan)境(jing)交互產生的經驗樣(yang)本(ben)(狀(zhuang)態、動(dong)作(zuo)、獎勵、下(xia)一狀(zhuang)態)存儲在經驗池中,隨(sui)(sui)機采樣(yang)進(jin)(jin)行(xing)學(xue)習(xi),有效打破數據(ju)之間的相關性,提(ti)高學(xue)習(xi)效率;策(ce)略(lve)(lve)梯度(du)(du)算法(fa)則直(zhi)接(jie)對策(ce)略(lve)(lve)網絡的參數進(jin)(jin)行(xing)優化(hua),使策(ce)略(lve)(lve)朝著期望獎勵增加(jia)的方(fang)向更新。在實際行(xing)駛中,智(zhi)能(neng)體(ti)(ti)根據(ju)實時感知到的環(huan)境(jing)狀(zhuang)態,通過前向傳(chuan)播計算出(chu)各(ge)個動(dong)作(zuo)的概(gai)率或價值,選擇(ze)最(zui)優動(dong)作(zuo)執行(xing),實現動(dong)態路徑規劃。

 

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