Advances in unmanned aerial vehicle (UAV) design have opened up applications as varied as surveillance, firefighting, cellular networks, and delivery applications. Additionally, due to decreases in cost, systems employing fleets of UAVs have become popular. The uniqueness of UAVs in systems creates a novel set of trajectory or path planning and coordination problems. Environments include many more points of interest (POIs) than UAVs, with obstacles and no-fly zones. We introduce REPlanner, a novel multi-agent reinforcement learning algorithm inspired by economic transactions to distribute tasks between UAVs. This system revolves around an economic theory, in particular an auction mechanism where UAVs trade assigned POIs. We formulate the path planning problem as a multi-agent economic game, where agents can cooperate and compete for resources. We then translate the problem into a Partially Observable Markov decision process (POMDP), which is solved using a reinforcement learning (RL) model deployed on each agent. As the system computes task distributions via UAV cooperation, it is highly resilient to any change in the swarm size. Our proposed network and economic game architecture can effectively coordinate the swarm as an emergent phenomenon while maintaining the swarm's operation. Evaluation results prove that REPlanner efficiently outperforms conventional RL-based trajectory search.


翻译:无人驾驶航空器(无人驾驶航空器)设计的进展已开启了各种应用,如监视、消防、蜂窝网络和交付应用等。此外,由于成本下降,使用无人驾驶航空器车队的系统已变得流行。系统的独特性创造了一套全新的轨迹或路径规划和协调问题。环境包括比无人驾驶航空器(无人驾驶航空器)更多的利益点,有障碍和禁飞区。我们引入了REPlanner,这是一种由经济交易启发的新型多试剂强化学习算法,用于分配无人驾驶航空器之间的任务。这个系统围绕一种经济理论,特别是无人驾驶航空器交易分配的拍卖机制。我们把路径规划问题设计成一种多剂经济游戏,使代理人可以合作和竞争资源。然后我们将问题转化为一个部分可观测的马尔科夫决定程序(POMDP),该程序将采用在每一个代理人上部署的强化学习(RL)模式加以解决。随着系统通过无人驾驶飞行器合作计算任务分配情况,它具有很强的弹性,以适应任何变化。我们提议的网络和经济游戏结构能够有效地协调常规搜索结果,同时显示常规飞行模式。

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强化学习(RL)是机器学习的一个领域,与软件代理应如何在环境中采取行动以最大化累积奖励的概念有关。除了监督学习和非监督学习外,强化学习是三种基本的机器学习范式之一。 强化学习与监督学习的不同之处在于,不需要呈现带标签的输入/输出对,也不需要显式纠正次优动作。相反,重点是在探索(未知领域)和利用(当前知识)之间找到平衡。 该环境通常以马尔可夫决策过程(MDP)的形式陈述,因为针对这种情况的许多强化学习算法都使用动态编程技术。经典动态规划方法和强化学习算法之间的主要区别在于,后者不假设MDP的确切数学模型,并且针对无法采用精确方法的大型MDP。

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