Алгоритмизация автоматического управления парковкой беспилотного автомобиля

Рассматривается задача управления автоматической парковкой беспилотного автомобиля (БПА) как один из аспектов разработки БПА, полная автономность которого достигается автоматизацией управления для всех его режимов движения и маневров, включая парковку. Даны постановка и формализация задачи управления парковкой автомобиля с учетом механических и пространственных ограничений, обеспеч ивающих безопасность парковочного маневра. Рассмотрены как классический, так и современный методы управления автоматической парковкой автомобиля.
Классический метод управления парковкой БПА основан на использовании широко распространенных моделей движения Дубинса и Ридса—Шеппа, обеспечивающих оптимальную по быстродействию парковку автомобиля. Предлагаются алгоритмы управления парковкой автомобиля, реализующие классический метод управления. При этом для построения пути между двумя точками использован алгоритм быстрорастущего случай ного дерева RRT, важным достоинством которого является его независимость от геометрического представления и размерности моделируемого окружения автомобиля.
Современный метод управления парковкой БПА основан на использовании интеллектуальных технологий и, в частности, машинного обучения. Предлагается алгоритм управления парковкой автомобиля, реализующий современный метод управления на основе машинного обучения с подкреплением. При этом использован наиболее эффективный алгоритм обучения — алгоритм Q-обучения.
Синтезированные алгоритмы управления парковкой автомобиля реализованы на языке Python с использованием популярных математических библиотек Matplotlib и NumPy. Проведена компьютерная верификация синтезированных алгоритмов, которая подтвердила эффективность предложенных алгоритмических решений автоматического управления парковкой БПА.

1. Кобылинский А. Ю. Опасности и перспективы развития беспилотного автомобильного транспорта // Наука, техника и образование. 2022. Т. 83, № 3. С. 40—44.

2. Жидков Е. С., Шиповалов Д. А. Развитие направления беспилотного транспорта. Система автоматической парковки автомобиля // ИНТЕРНАУКА. 2019. № 47-1 (129). С. 6—8.

3. Nourinejad M., Bahrami S., Roorda M. J. Designing Parking Facilities for Autonomous Vehicles // Transportation Research Part B Methodological. 2018. Vol. 109, No. 39. P. 110—127.

4. Singh S., Saini B. S. Autonomous Cars: Recent Developments, Challenges, and Possible Solutions // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1022, Iss. 1. P. 012028.

5. Аграчев А. А., Сачков Ю. Л. Геометрическая теория управления. М.: Физматлит, 2005. 392 c.

6. Вагизов М. Р., Хабаров С. П. Построение программных траекторий движения на базе решения задачи "Машина Дубинса" // Информация и космос. 2021. № 3. С. 116—125.

7. Маштаков А. П. Задача быстродействия на группе движений плоскости с управлением в полукруге // Математический сборник. 2022. Т. 213, № 4. С. 100—122.

8. Жданов А. А., Климов Д. М., Королев В. В., Утемов А. Е. Моделирование процесса параллельной парковки автомобиля // Известия РАН. Теория и системы управления. 2008. № 6. С. 74—86.

9. Li B., Shao Z. A Unified Motion Planning Method for Parking an Autonomous Vehicle in the Presence of Irregularly Placed Obstacles // Knowledge-Based Systems. 2015. Vol. 86. P. 11—20.

10. Gуmez-Bravo F., Cuesta F., Ollero A., Viguria A. Continuous Curvature Pathgeneration Based on B-Spline Curves for Parking Manoeuvres // Robot. Auton. Syst. 2008. Vol. 56, N. 4. P. 360—372.

11. Vorobieva H., Minoiu-Enache N., Glaser S., Mammar S. Geometric Continuous Curvature Path Planning for Automatic Parallel Parking // Proceedings of 10th IEEE Internat. Conf. on Networking, Sensing and Control (ICNSC 2013). 2013. P. 418—423.

12. Muller B., Deutscher J., Grodde S. Continuous Curvature Trajectory Design and Feedforward Control for Parking a Car // IEEE Trans. Control Syst. Technol. 2007. Vol. 15, N. 3. P. 541—553.

13. Siedentop C., Heinze R., Kasper D., Breuel G., Stachniss C. Path-Planning for Autonomous Parking with Dubins Curves // Conference: Proc. of the Workshop Fahrerassistenz systeme. 2015. P. 1—8.

14. Ардентов А. А., Губанов И. С. Моделирование парковки автомобиля с прицепом вдоль путей Маркова-Дубинса и Ридса-Шеппа // Программные системы: теория и приложения. 2019. Т. 10, № 4 (43). С. 97—110.

15. Kong S.-G., Kosko B. Comparison of Fuzzy, Neural Truck Backer Upper Control Systems // Proc. 1990-IJCNN International Joint Conference on Neural Networks. San Diego, CA, USA. 1990. Vol. 3. P. 349—358.

16. Li T., Chang S. Autonomous Fuzzy Parking Control of a Car-Like Mobile Robot // IEEE Trans. Syst. Man Cybern. Part A: Syst. Hum. 2003. Vol. 33 (4). P. 451—465.

17. Zhao Y., Jr. E. C. Robust Automatic Parallel Parking in Tight Spaces via Fuzzy Logic // Robot. Auton. Syst. 2005. Vol. 51 (2). P. 111—127.

18. Мукешимана К. Нечеткая модель управления парковкой беспилотного автомобиля // Междунар. науч. конф. по проблемам управления в технических системах. 2017. Т. 1. С. 432—436.

19. Ballinas E., Montiel O., Castillo O., Rubio Y., Aguilar L. T. Automatic Parallel Parking Algorithm for a Car-like Robot usingFuzzy PD + I Control // Engineering Letters. 2018. Vol. 26, N. 4. P. 447—454.

20. Wang Z., Shao Q., Wang C., Zhang Q. Automatic Parking Trajectory Planning Based on Recurrent Neural Network // 2018 IEEE 9th International Conference on Software Engineering and Service Science (ICSESS). Beijing, China. 2018. P. 1—4.

21. Parashar S., Kumar G. Smart Parking System Using Genetic Optimization: A Review // 2019 International Conference on Intelligent Sustainable Systems (ICISS). Palladam India. 2019. P. 599—603.

22. Евдокимова Т. С., Синодкин А. А., Федосова Л. О., Тюриков М. И. Алгоритм построение глобальной траектории движения и планирования маршрута автоматической парковки беспилотного транспортного средства // Вестник МГТУ "СТАНКИН". 2020. № 4 (55). С. 61—67.

23. Комаров И. И., Лобач Д. А., Мутханна А. С. А. Интеллектуальная система управления парковкой для беспилотных автомобилей на основе технологий интернета вещей // Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2022): XI Междунар. научно-техн. и научно-метод. конф. Т. 1. СПб. 2022. С. 592—596.

24. Тюленев И. Д., Филимонов Н. Б. Управление автоматической парковкой беспилотного автомобиля на основе моделей движения Дубинса и Ридса-Шеппа // Journal of Advanced Research in Technical Science. 2023. № 35. С. 52—59.

25. Тюленев И. Д., Филимонов Н. Б. Управление автоматической парковкой беспилотного автомобиля на основе метода машинного обучения с подкреплением // Высокопроизводительные вычислительные системы и технологии. 2023. Т. 7, № 1. С. 159—165.

26. Dubins L. E. On Curves of Minimal Length with a Constraint on Average Curvature, and with Prescribed Initial and Terminal Positions and Tangents // American Journal of Mathematics. 1957. Vol. 79, Iss. 3. P. 497—516.

27. Reeds J. A., Shepp L. A. Optimal Paths for a Car that Goes Both Forwards and BackWards // Pacific Journal of Mathematics. 1990. Vol. 145, N. 2. P. 367—393.

28. Казаков К. А., Семенов В. А. Обзор современных методов планирования движения // Труды ИСП РАН. 2016. Т. 28, Вып. 4. C. 241—294.

29. LaValle S. M., Kuffner J. J. Rapidly-Exploring Random Trees: Progress and Prospects // 2000 Workshop on the Algorithmic Foundations of Robotics. 2000. P. 293—308.

30. Ма Ц., Малинина Т. А., Борисик М. М., Осипович В. С. Алгоритмы машинного обучения робота автомобиля // Fourth Internat. Conf. and Expo BIG DATA ADVANCED ANALYTICS. 2018. C. 416—418.

31. Дудаков А. С., Турсунов Т. Р., Филимонов Н. Б. Метод глубокого обучения с подкреплением в задачах маршрутизации движения мобильных роботов в среде с препятствиями // Мехатроника, автоматика и робототехника. 2023. № 11. С. 7—13.

32. Moon J., Bae I, Kim S. Automatic Parking Controller with a Twin Artificial Neural Network Architecture // Hindawi Mathematical Problems in Engineering. 2019. Vol. 2019. 18 p.

33. Wang Z., Shao Q., Wang C., Zhang Q. Automatic Parking Trajectory Planning Based on Recurrent Neural Network // IEEE 9th International Conference on Software Engineering and Service Science (ICSESS), 2018. P. 1—4.

34. Zhang P., Xiong L., Yu Z., Fang P., Yan S., Yao J., Zhou Y. Reinforcement Learning-Based End-to-End Parking for Automatic Parking System // Sensors. 2019. Vol. 19(18). P. 3996.

35. Kiran B. R. Deep Reinforcement Learning for Autonomous Driving: A Survey. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. 2021. P. 1—18.

36. Jang B., Kim M., Harerimana G. et al. Q-Learning Algorithms: A Comprehensive Classification and Applications // IEEE Access. 2019. P. 133653—133667