I AE S In t er na t io na l J o urna l o f   Art if icia l In t ellig ence   ( I J - AI )   Vo l.   14 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 5 ,   p p .   712 ~ 723   I SS N:  2 2 5 2 - 8 9 3 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijai.v 14 .i 1 . p p 7 1 2 - 7 2 3          712     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij a i . ia esco r e. co m   Para llel rapidly  e x plo ring  rando m  tree   m ethod   for u nma nned  a eria l vehicles  aut o pilo t  dev elo pme nt  using  gra phics  pro cess ing   unit  p ro cess ing       L esia   Mo c h ura d 1 ,   M o nik a   Da v idek o v a 2 ,   Ste rg io s - Aristo t eles   M it o uli s 3   1 D e p a r t me n t   of   A r t i f i c i a l   I n t e l l i g e n c e ,   Lv i v   P o l y t e c h n i c   N a t i o n a l   U n i v e r si t y ,   L v i v ,   U k r a i n e   2 F a c u l t y   of   M a n a g e me n t ,   C o m e n i u s   U n i v e r si t y   B r a t i sl a v a ,   B r a t i sl a v a ,   S l o v a k   R e p u b l i c   3 D e p a r t me n t   of   C i v i l   En g i n e e r i n g ,   S c h o o l   of   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r s i t y   of   B i r mi n g h a m,   B i r mi n g h a m,   U n i t e d   K i n g d o m       Art icle   I nfo     AB S T RAC T   A r ticle   his to r y:   R ec eiv ed   Mar   20 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Au g   1 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Au g   30 ,   2 0 2 4       Au to n o m o u s  a ir   m o v e m e n t   sy st e m s  h o ld   g re a t  p o ten ti a l   fo r  tra n sfo rm in g   v a rio u s   i n d u stries ,   m a k i n g   t h e ir  d e v e l o p m e n t   e ss e n ti a l.   Au t o p i l o t  d e sig n   in v o lv e s  a d v a n c e d   tec h n o l o g ies   li k e   a rti ficia l  in telli g e n c e ,   m a c h in e   lea rn in g ,   a n d   b i g   d a ta.  Th is  p a p e r  fo c u se s  o n   d e v e l o p i n g   a   p a ra ll e l  ra p id l y - e x p lo r in g   ra n d o m   tree   (RRT)  a lg o r it h m   u sin g   c o m p u te  u n ifi e d   d e v ice   a rc h it e c tu re   ( CUD A )   tec h n o l o g y   fo r   e fficie n t  p r o c e ss in g   o n   g ra p h ics   p r o c e ss in g   u n it s   (G P Us ).   Th e   stu d y   e v a lu a tes   t h e   a lg o ri th m ' s  p e rfo rm a n c e   in   a u to m a ted   tra jec to ry   p la n n i n g   f o r  u n m a n n e d   a e rial  v e h icle s  (UA Vs ).   Nu m e rica l  e x p e rime n ts  sh o w  t h a t  t h e   p a ra ll e l  a lg o rit h m   o u tp e rfo rm s  t h e   se q u e n ti a l   c e n tral  p ro c e ss in g   u n it   ( CP U ) - b a se d   v e rsio n ,   e sp e c ially   a s  tas k   c o m p lex it y   a n d   sta te  sp a c e   d ime n sio n s  i n c re a se .   In   sc e n a rio s  with   n u m e ro u s  o b sta c les ,   th e   p a ra ll e l   a lg o rit h m   m a in tain s   st a b le  p e rfo rm a n c e ,   m a k in g   i t  we ll - su it e d   f o r   v a rio u s   a p p li c a ti o n s.  C o m p a riso n s  wit h   CP U - b a se d   m e th o d s   h i g h li g h t   th e   a d v a n tag e s  o f  G P U  u se ,   p a rti c u larly   i n   term s  o f  sp e e d   a n d   e fficie n c y .   Ad d it i o n a ll y ,   th e   p e rf o rm a n c e   o f   two   G P U  m o d e ls,  NV IDIA   R TX  2 0 7 0   a n d   T4   is  c o m p a re d ,   wit h   th e   T 4   d e m o n stra ti n g   su p e rio r  p e rfo rm a n c e   fo r  sim il a r   tas k s.  F u t u re   re se a rc h   sh o u l d   e x p lo re   i n teg ra ti n g   m u l ti p le  a lg o rit h m s  fo r  a   m o re   c o m p re h e n siv e   UA V  a u t o p il o t  s y s tem .   Th e   p ro p o se d   a p p ro a c h   sta n d s   o u t  f o r  it s  sta b il it y   a n d   p ra c ti c a l  a p p li c a b il it y   in   re a l - wo rl d   a u to p i lo t   imp lem e n tatio n s.   K ey w o r d s :   Acc eler atio n   C o m p u te   u n if ie d   d ev ice   ar ch itectu r e   t ec h n o lo g y   Sin g le   in s tr u ctio n   m u ltip le   d ata   S y s tem   of   a u to p ilo t   U n m an n ed   a er ial   v eh icle   T h is   is   an   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r   th e   CC   BY - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   L esia   Mo ch u r ad   Dep ar tm en t   of   Ar tific ial   I n tellig en ce ,   L v iv   Po ly tech n ic   Nati o n al   Un iv er s ity   Kn iazia   R o m an a   s tr . ,   5,   L v iv   7 9 9 0 5 ,   Uk r ai n e   E m ail:   lesi a. i. m o ch u r ad @ lp n u . u a       1.   I NT RO D UCT I O N   In   th e   2 1 s t   ce n tu r y ,   all   p o s s ib le   tech n o lo g ies   ar e   d ev elo p in g   to war d s   au to n o m y   an d   au to m atio n ,   as   n o ted   in   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   Af ter   th e   s u cc ess   of   d ev elo p in g   a   co m p lete   au to p ilo tin g   s y s tem   f o r   g r o u n d   v eh icles   ( f o r   ex am p le,   T esla' s   au to p ilo t:   s ee   [ 3 ] ),   th e   d em a n d   f o r   tech n o lo g ies   f o r   au to m atic   r o u te   p lan n in g   f o r   all   ty p es   of   v eh icles   m o v i n g   in   s p ac e   h as   r ap id ly   in cr ea s ed .   Veh icles   th at   can   move   in d ep en d en tly ,   f u lf illi n g   th eir   task s ,   h av e   b ec o m e   one   of   th e   m ain   d ir ec tio n s   of   d ev el o p m e n t   of   m o d er n   s cien ce   an d   tech n o lo g y   [ 4 ] – [ 6 ] .   In   r ec en t   y ea r s ,   u n m an n ed   ae r ial   v eh icl es   ( UAVs)   h av e   r ec eiv ed   s p ec ial   atten tio n ,   as   th e   air s p ac e   d o es   not   s u f f er   f r o m   tr af f ic   p r o b lem s   an d   co n tain s   m u ch   f ewe r   o b s tacle s   to   m o v e m en t,   wh ich   allo ws   th em   to   m o v e   m u c h   f aster   an d   s af er ,   p er f o r m in g   a   wid e   r a n g e   of   task s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       P a r a llel ra p id ly  ex p lo r in g   r a n d o m  tr ee   meth o d   fo r   u n ma n n e d   a eria l v eh icles  …  ( Les ia   Mo ch u r a d )   713   In   our   wo r k ,   t h e   m ai n   f o cu s   is   on   t h e   d ev elo p m en t   of   a   s y s tem   th at   will   e n s u r e   t h e   a u to n o m o u s   m o v em en t   of   v e h icles   in   air s p ac e   ( au to p ilo tin g ) ,   s in ce   ev e n   now   UAVs   ar e   u s ed   or   in te g r a ted   in to   all   ar ea s   of   h u m an   ac tiv ity ,   f o r   ex am p le :   −   Ag r icu ltu r al   an d   ag r ar ian   ac ti v ities   –   d r o n es   ar e   u s ed   f o r   w ater in g   or   s o win g   a   f ield   a n d   d etec tin g   p ests ,   an d   d is ea s es   am o n g   c u ltiv ated   p lan ts   [ 7 ] .   −   Ma p p in g   an d   ca r to g r ap h y   –   cr ea tin g ,   u p d atin g ,   an d   d etailin g   cu r r en t   m a p s   by   co llectin g   in f o r m atio n   ab o u t   th e   en v ir o n m en t   u n d e r   s tu d y   t h r o u g h   ae r ial   im a g es   [ 8 ] .   −   C iv ilian   an d   r esear ch   ae r ial   p h o to g r ap h y   –   o b tain in g   u n i q u e   f o o ta g e   wh ile   av o id in g   en v ir o n m en tal   p o llu tio n   a n d   an y   in ter f e r en ce   with   th e   ec o s y s tem   u n d e r   s tu d y   [ 9 ] ,   [ 1 0 ] .     −   T r a n s p o r t a t i o n – U A V s   a r e   u s e d   to   t r a n s p o r t   m a t e r i a l s   a n d   m e d i c i n e s   in   p l a c e s   w h e r e   t h e   a v a i l a b i l i t y   of   r o a d s   a n d   t r a n s p o r t a t i o n   is   l i m i t e d   or   in   c a s e s   w h e r e   t h e r e   is   a   n e e d   to   a c h i e v e   h i g h   s p e e d   of   t r a n s p o r t a t i o n   [ 1 1 ] ,   [ 1 2 ] .     T o d ay ,   t h e   m ar k et   v alu e   of   au t o p ilo t   tech n o lo g y   f o r   UAVs   is   g r o win g   r ap id ly   an d   h as   p o s itiv e   g r o wth   f o r ec asts   f o r   th e   n ex t   15   y ea r s   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] ,   wh ic h   d em o n s tr ates   th e   d ev elo p er s '   ef f o r ts   to   cr ea te   a   b etter   o f f er ,   as   well   as   th e   co r r esp o n d in g   n ee d   f o r   in v esto r s   to   h av e   s u ch   te ch n o lo g y .   Deliv er y   s er v ices   an d   th e   tr an s p o r tatio n   s ec to r   as   a   wh o le,   d esp ite   th eir   co n s tan t   d ev elo p m en t,   ar e   lim ited   by   two   s ig n if ican t   d r awb ac k s :   th e   s p ee d   an d   th e   n ee d   f o r   h u m a n   p r esen ce   to   p er f o r m   tr an s p o r tatio n   task s ,   wh ich   ca u s es   a   lar g e   n u m b e r   of   co m p licatio n s ,   n am ely :   waitin g   tim e   f o r   o r d er   d eliv er y ,   lo s s   of   p r o f it   due   to   th e   n ee d   to   k ee p   p eo p le   f o r   tr an s p o r tatio n   ( in clu d in g   th e   n ee d   to   p a y   f o r   th eir   la b o r ) ,   d eter io r atio n   of   t r af f ic   on   t h e   r o ad s   ( tr u ck s   tak e   up   a   l o t   of   s p ac e   an d   m o v e   s lo wly   co m p ar ed   to   ca r s ) ,   cr ea tin g   Mo d er n   air cr a f t   ar e   ca p ab le   of   c o v er in g   h u n d r ed s   of   k ilo m eter s   in   a   s h o r t   p er i o d   of   tim e ,   wh ic h   is   m u c h   b etter   th an   g r o u n d   tr an s p o r tatio n .   T h e   av ailab ilit y   of   UAVs   with   h ig h - q u ality   s o f twar e   as   a   v eh icle   f o r   t h e   tr a n s p o r tatio n   of   s m al l   an d   m ed iu m - s ized   ca r g o   ca n   s o lv e   m o s t   of   t h e   ab o v e   p r o b lem s .   Desp ite   all   t h e   attem p ts   an d   r esear ch   co n d u cted   to   s o lv e   th e   p r o b lem   of   tr an s p o r tatio n   u s in g   UAVs,   th is   s y s tem   h as   not   b e en   g lo b ally   estab lis h ed   ( ex ce p t   f o r   a   f ew   p r iv ate   co m p an ie s   th at   ar e   cu r r en tly   test in g   th eir   s y s tem s ,   s u ch   as   Am az o n )   due   to   t h e   lack   of   p u b lic   im p lem en tatio n s   of   p ath   an d   f lig h t   p ath   alg o r ith m s .   Similar   p r o b lem s   ex is t   in   o th er   ar ea s ,   an d   th e ir   s o lu tio n   d e p en d s   on   th e   av ailab ilit y   of   p u b lic   r esear ch   on   th e   p r o b lem   of   au t o p ilo tin g   air cr a f t   by   b u ild in g   t h eir   f lig h t   p ath ,   w h ich   is   wh at   we   ar e   co n s id er in g   in   th is   p ap er .   T h u s ,   a   lar g e   n u m b er   of   p r o b lem s   in   v ar io u s   a r ea s   of   h u m an   ac tiv ity   a r e   s o l v ed   with   th e   h elp   of   UAVs,   th e   cr ea tio n   of   wh ich   r eq u ir es   p u b lic   r esear ch   on   th e   p r o b lem   of   au t o p ilo tin g ,   wh ic h   is   th e   to p ic   of   o u r   wo r k .   Deliv er y   s er v ices   an d   tr a n s p o r tatio n ,   d esp ite   th eir   co n tin u o u s   d e v elo p m e n t,   ar e   lim ited   by   tw o   s ig n if ican t   d r aw b ac k s :   s p ee d   a n d   th e   n ee d   f o r   h u m an   p r esen c e   to   p er f o r m   tr an s p o r t   task s ,   le ad in g   to   n u m er o u s   co m p licatio n s .   T h ese   i n clu d e   d eliv er y   waitin g   tim es,   lo s s   of   r ev en u e   d u e   to   th e   n ee d   f o r   p er s o n n el   f o r   tr an s p o r tatio n   ( in cl u d in g   th ei r   p ay m en t) ,   wo r s en ed   tr af f ic   c o n g esti o n   ( f r eig h t   v eh icles   tak e   up   s p ac e   an d   m o v e   s lo wly   co m p ar ed   to   p ass en g er   v eh icles),   r o ad   ac cid e n ts ,   an d   m an y   o th er s   [ 1 5 ] – [ 1 7 ] .   Mo d er n   d r o n es   ar e   ca p a b le   of   co v er in g   h u n d r e d s   of   k ilo m eter s   in   s h o r t   p e r io d s ,   wh ic h   is   a   m u ch   b etter   in d icato r   th a n   g r o u n d   tr an s p o r tatio n   m o d es.   T h e   p r esen ce   of   d r o n es   with   q u ality   s o f twar e   as   a   tr an s p o r tatio n   m ea n s   f o r   s m all   to   m ed iu m - s ized   c ar g o   can   s o lv e   m o s t   of   th e   af o r e m en tio n ed   p r o b lem s .   Desp ite   all   attem p ts   an d   r esear ch   c o n d u cte d   to   ad d r ess   tr an s p o r tatio n   is s u es   u s in g   d r o n es,   th is   s y s tem   h as   not   b e en   g lo b ally   o p tim ized   ( ex ce p t   f o r   a   f ew   p r iv ate   co m p an ies   cu r r e n tly   in   th e   test in g   s tag e   of   th eir   s y s te m s ,   s u ch   as   Am az o n )   due   to   a   lack   of   p u b lic   im p lem en tatio n s   of   p at h   p la n n in g   an d   f lig h t   tr ajec to r y   alg o r i th m s .   Simi 2 lar   p r o b lem s   e x is t   in   o t h er   a r ea s ,   an d   th eir   r eso lu tio n   d e p en d s   on   th e   av ailab ilit y   of   p u b lic   r esear c h   on   th e   is s u es   of   d r o n e   a u to p ilo tin g ,   s p ec if ically   in   co n s tr u ctin g   f lig h t   tr ajec to r ies,   wh ich   is   th e   s u b ject   of   our   wo r k .   T h e r ef o r e,   a   lar g e   n u m b er   of   p r o b lem s   in   v ar io u s   h u m an   ac tiv ities   ar e   s o lv ed   u s in g   d r o n es,   t h e   cr ea tio n   of   wh ich   r eq u ir es   p u b lic   r esea r ch   on   a u to p ilo tin g   is s u es,   wh ich   is   th e   to p ic   of   o u r   wo r k .   T h e   m ajo r ity   of   th e   a n aly ze d   liter atu r e   s o u r ce s   s h ar e   a   co m m o n   id eo lo g y .   T he   im p o r tan ce   of   r esear ch in g   m ea n s   an d   alg o r it h m s   f o r   en s u r in g   th e   au to n o m o u s   o p e r atio n   of   ai r cr af t   to   p e r f o r m   v ar io u s   ty p es   of   task s   in   v ar io u s   ar ea s   of   h u m an   ac tiv ity .   It   s h o u ld   be   n o te d   th at   n o n e   of   th e   r ev iewe d   s t u d ies   claim ed   to   be   th e   o n ly   "so lu tio n "   to   all   th e   p r o b lem s   of   th is   p r o b lem .   I n s te ad ,   th e   au th o r s   wr o te   th at   cu r r en tly   ( as   of   th e   tim e   of   wr itin g )   th e r e   is   no   alg o r ith m   or   m eth o d   t h at   wo u l d   id ea ll y   s o lv e   t h e   p r o b lem   of   tr ajec to r ies   an d   a u to p ilo tin g   in   g en er al   f o r   all   task s   ( in   o th er   wo r d s ,   s o l u tio n s   ar e   s elec ted   f o r   s p ec if ic,   l o ca lized   p r o b l em s ) ,   but   t h er e   is   a   g r ea t   d e m an d   f o r   wo r k in g   p r o t o ty p es   an d   al g o r ith m s ,   wh ich   cr ea tes   a   ce r tain   "a r m s   r ac e"   t h at   co n tin u es   to   th is   d ay .   Fen g   [ 1 8 ]   c o n s id er s   a   p ath   p lan n in g   m eth o d   f o r   a   m o b i le   r o b o t   u s in g   a   co m b in atio n   of   a   f ast   ex p lo r ato r y   r an d o m   tr ee   ( R R T )   an d   a   p ar ticle   s war m   o p tim izer   ( PS O)   [ 1 9 ] .   T h e   m ain   em p h asis   is   on   th e   s p ee d   an d   ef f icien cy   of   th e   n ew   al g o r ith m   in   a   cl u tter ed   e n v ir o n m en t,   wh e r e   s u cc ess f u l   o b s tacle   av o id an ce   is   co n f ir m e d   by   th e   r esu lts   of   a   co m p u ter   ex p e r im en t.   O u r   w o r k   p r o p o s es   a   p a r allel   RRT   alg o r ith m   b ased   on   co m p u te  u n if ied   d e v ice  ar ch it ec tu r e   ( C UDA )   tech n o lo g y   f o r   o p tim al   p r o ce s s in g   on   a   g ra p h ics   p ro c e ss in g   u n i t   ( GPU ) .   Usi n g   an   im p r o v e d   PS O   alg o r ith m ,   Yan g   et   a l.   [ 2 0 ]   also   co n s id er   a   way   to   s o lv e   th e   p r o b lem   of   d r o n e   au to p ilo tin g   by   s ea r ch i n g   f o r   a   f lig h t   p ath .   T h ey   d r ew   atten t io n   to   th e   n ee d   f o r   UAVs   to   be   ab le   to   o p er ate   in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.   14 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 5 :  712 - 7 2 3   714   an   u n k n o wn   en v ir o n m e n t   ( n o t   alwa y s   th e   en tire   s tr u ctu r e,   o b s tacle s ,   an d   o th er   en v ir o n m e n tal   p ar am eter s   will   be   k n o wn   in   ad v a n ce ,   wh ich   can   lead   to   u n f o r eseen   co n s eq u en ce s ,   lo s s   of   th e   UAV   its elf ,   an d   in   th e   ca s e   of   attac k   UAVs,   d es tr u ctio n   of   allied   eq u ip m en t   an d   s o ld ier s ) ,   an d   u s ed   th e   PSO   alg o r ith m   cr ea ted   f o r   th is   p u r p o s e,   im p r o v i n g   it   with   o p ti m izer s .   Desp ite   all   th eir   ef f o r ts ,   th e   au th o r s   f ailed   to   f u lly   o p ti m ize   th e   alg o r ith m   an d   its   s h o r tco m in g s ,   s u ch   as   not   g u ar a n teed   co n v er g e n ce   an d   th e   p o s s ib ilit y   of   f ix atio n   in   a   lo ca l   m in im u m .   T h e   p o ten tial   co n v er g e n ce   of   th e   alg o r ith m   is   th e   m ain   d r a wb ac k   th at   will   be   a d d r ess ed   an d   c o r r ec ted   in   t h is   p ap er .   Vo elk er   et  a l.   [ 2 1 ]   d ev el o p e d   a   "lig h tweig h t"   au to p ilo t   f o r   s m all   UAV s   u s in g   th e   D u b in ' s   Path   alg o r ith m ,   em p h asizin g   th at   d if f er en t   task s   an d   ty p es   of   d r o n es   r eq u ir e   d is tin ct   alg o r ith m s   an d   ap p r o ac h es.   T h ey   h ig h lig h ted   th at   attac k   d r o n es   n ee d   co m p lex ,   p r ec is e   p ath s   at   h ig h   s p ee d s ,   wh er ea s   r eg u lar   d r o n es   b en e f it   f r o m   n av ig atio n   alg o r ith m s   f o r   u n k n o wn   s p ac es   wh e r e   s p ee d   is   less   cr itical.   T h e   au th o r s   ch o s e   Du b in ' s   Path   f o r   its   s im p licity   an d   ex ten s iv e   d o cu m en tatio n   but   ac k n o wled g ed   s ig n if ican t   lim itatio n s :   th e   s y s tem   is   o n ly   f o r   s m all   UAVs,   wo r k s   in   two - d im en s io n al   s p ac e,   ig n o r es   o b s tacle s ,   r eq u ir es   p r ec is e   c o n tr o l,   lac k s   s elf - im p r o v em e n t   ca p a b ilit ies,   an d   s u p p o r ts   o n ly   o n e   UAV   at   a   ti m e.   In   o u r   s tu d y ,   all   th ese   s h o r tco m in g s   ar e   tak en   in to   ac co u n t   a n d   co r r ec ted   or   i m p r o v e d   in   o n e   way   or   an o t h e r ,   s in ce   our   p r o p o s ed   s y s tem   can   wo r k   with   UAVs   of   d if f er e n t   s izes,   an d   is   not   li m ited   in   th e   n u m b e r   of   d im e n s io n s   ( R R T   [ 2 2 ]   is   one   of   th e   b est   alg o r ith m s   th at   wo r k   in   th r ee - d im en s io n al   s p a ce ,   an d   its   ef f icien cy   i n cr ea s es   with   th e   n u m b er   of   d im en s io n s   u s ed ) .   Ou r   s y s tem   can   be   u s ed   f o r   a   wid e   r a n g e   of   UAV   task s   [ 2 3 ] ,   it   is   also   h ig h ly   f le x ib le   a n d   s ca lab le   ( it   can   be   im p r o v ed   by   in s tallin g   ad d itio n al   m o d u les   an d   alg o r ith m s ) ,   a b le   to   tak e   in to   ac co u n t   o b s tacle s   an d   en s u r e   th eir   av o id a n ce ,   d o es   n o t   r e q u ir e   p r ec is e   c o n tr o l   of   th e   co u r s e,   s p ee d ,   an d   o t h er   UAV   p ar am eter s ,   a n d   can   wo r k   with   a   lar g e   n u m b er   of   v eh icles   s im u ltan eo u s ly ,   wh ich   m a k es   it   b etter   th an   th e   o n e   d is cu s s ed   ab o v e .   L i  an d   Han s en   [ 2 4 ]   d escr ib es  th e  im p o r ta n ce   o f   r esear ch   i n   th e  f ield   o f   UAV  s o f twar e,   s i n ce   ev er y   y ea r   th e   n u m b er   o f   task s   th at   co u ld   b e  s im p lifie d   with   t h e  h elp   o f ,   f o r   e x am p le,   d r o n es  o r   ev en   p o s s ib le  o n ly   with   th eir   h elp   is   g r o win g   r ap id ly ,   an d   with   it  th e  n ee d   f o r   au to n o m o u s ,   b u t  s till   co n tr o ll ed ,   UAV  o p er atio n .   T h e  au th o r s   s tu d ied   th e  ef f ec t iv en ess   o f   s ev er al  p ath f in d in g   alg o r ith m s   ( Dijk s tr a' s   [ 2 5 ] ,   B ellm an   Fo r d ' s   [ 2 6 ] ,   Flo y d - W ar s h all's  [ 2 7 ] ,   A*   [ 2 8 ] ,   D*   [ 2 9 ] )   an d   c o m p a r ed   th e m ,   p ay in g   s p ec ial  atten tio n   t o   th e  A*   alg o r ith m ,   as   its   r esu lts   wer e  th e  b est  o f   all.   Desp ite  th e  g o o d   r esu lts   o b tai n ed   an d   th e  g o al  ac h iev ed   ( d r o n e  f lig h t  tr ajec to r ies  b u ilt),   th e  s tu d y   h as a   d r awb ac k   -   th e  en v ir o n m en t in   wh ich   t h e  p ath   s ea r ch   was p er f o r m ed   is   well  k n o wn : th e  au th o r s   co n d u cte d   a  p r elim in a r y   an aly s is   o f   th e  e n v ir o n m en t   an d   p r ep a r ed   it t o   en s u r e  th e  co r r ec t o p er atio n   o f   th e  alg o r ith m s   ( A*   am o n g   th em ) .   I n   o u r   s tu d y ,   th is   d r awb ac k   is   co r r ec ted   b y   u s in g   an o th e r   alg o r ith m   th at  ca n   wo r k   in   a  c o m p letely   u n k n o w n ,   n ew  en v ir o n m en t,  wh ich   was o n e  o f   th e  m ain   r ea s o n s   f o r   its   ch o ice.   J in   et  a l.  [ 3 0 ]   in v esti g ate   th e   p r o b lem   of   s af e   in d o o r   UAV   n a v ig atio n   u s in g   a   s er ies   of   al g o r ith m s   an d   m eth o d s   to   ac h iev e   ac cu r ate   r esu lts .   T h e   ar ticle   was   wr itten   r ec en tly   ( at   th e   tim e   of   wr itin g )   an d   o n ce   ag ain   em p h asizes   th e   im p o r tan ce   of   s tu d y in g   th e   au to n o m o u s   o p er atio n   of   UAVs   to   p er f o r m   v ar io u s   task s ,   t h e   n u m b er   of   wh ich   is   g r o win g   ev er y   y ea r ,   an d   t h e   n ee d   f o r   ef f ec tiv e   alg o r ith m s   ( esp ec ially   p u b lic   o n es)   f o r   b u ild in g   a   p ath   a n d   f lig h t   tr a jecto r y   is   g r o win g   ex p o n e n tially .   T h e   au t h o r s   to o k   in t o   a cc o u n t   th e   n ee d   to   n av ig ate   in   u n f am iliar   en v i r o n m en ts   an d   d ec id ed   to   im p lem e n t   th eir   au t o - lear n i n g :   a   s ep a r a te   alg o r ith m   b u ild s   a   p s eu d o - m ap   of   th e   en v ir o n m en t   u s in g   d ata   f r o m   th e   UA V's   ca m er as   an d   s en s o r s ,   an d   o n ly   af ter   th e   f ir s t   alg o r ith m   is   co m p lete   d o es   th e   d r o n e   s tar t   b u ild in g   a   r o u te.   Alth o u g h   th is   ap p r o ac h   p r o v e d   to   be   ef f ec tiv e,   its   im p lem en tatio n   is   v er y   cu m b er s o m e,   m u lti - lay er ed ,   an d   r e q u ir es   s o m e   s p ec ial   eq u ip m en t   to   wo r k   c o r r ec tly ,   an d   th e   r o u te   is   b u ilt   o n ly   af te r   a   co m p lete   s tu d y   of   th e   en v i r o n m en t,   wh ich   u n d o u b te d ly   t ak es   a   lo t   of   tim e.   Ou r   ap p r o ac h   to   s o lv in g   th e   t an g en tial   p r o b lem   also   s tu d ie s   th e   en v ir o n m en t,   but   it   d o es   so   s im u ltan eo u s ly   with   th e   co n s tr u ctio n   of   th e   f lig h t   p ath   ( R R T   alg o r ith m ) ,   wh ich ,   f ir s tly ,   s im p lifie s   i m p lem en tatio n ,   a n d   s ec o n d ly ,   r ed u ce s   th e   o v er all   tim e   r eq u ir ed   to   lau n ch   th e   UA V   alo n g   th e   b u ilt   r o u te.   In   ad d itio n ,   as   m en tio n ed   ab o v e,   o u r   im p lem en tatio n   allo ws   f o r   f u tu r e   im p r o v em e n ts   th at   will   p r o v id e   g o o d   r esu lts   f o r   d if f e r en t   task s ,   u n lik e   th e   a p p r o ac h   u s ed   in   t h is   p ap er :   a   lar g e   n u m b er   of   in ter co n n ec te d   alg o r ith m s   will   be   m u c h   h a r d er   to   im p r o v e,   as   it   will   g u ar an tee   ch an g es   in   th e   im p lem en tatio n .   It   s h o u ld   also   be   n o ted   t h at   th e   p r o b ab ilis tic  r o ad m ap s   ( PR M )   alg o r ith m   u s ed   by   th e   r esear ch er s ,   as   well   as   its   r esu lts ,   s tr o n g ly   d ep en d   on   t h e   c h o s e n   p r im ar y   s tr ateg y ,   wh ich ,   as   Alar ab i   et  a l.  [ 3 1 ]   n o tes,   is   d if f ic u lt   to   ch o o s e   co r r ec tly .     Xu   et  a l.   [ 3 2 ]   p r o p o s ed   a   m et h o d   f o r   p lan n in g   th e  tr ajec t o r y   o f   m o b ile  ca b le - d r iv en   p a r a llel  r o b o ts   b ased   o n   th e  d ev elo p ed   m u lti - ag en t  r an d o m   tr ee ,   wh ich   allo ws  f o r   ad ap tatio n   o f   th e  s am p l in g   in   th e  s u b s p ac e   an d   ef f icie n tly   g e n er ates  p o s s ib le  p ath s .   I t  also   p r esen ts   d y n a m ic  co n tr o l   v alid atio n ,   h eu r is tic  o p tim izatio n ,   an d  p er f o r m an ce   m etr ics  to   en s u r e  s m o o th   an d   o p tim al  p ath   g e n er atio n ,   v er if ied   th r o u g h   s im u lat io n s   an d   p r o to ty p e   ex p er im en ts   i n   co m p lex   s ce n a r io s   u s in g   C o p p eliaSim   s o f tw ar e.   Kar v e   an d   Ka p ad ia  [ 3 3 ]   i n v esti g ate  a  wa y   to   s o lv e  th e  p r o b lem   o f   b u ild in g   a   f lig h t  p ath   f o r   UAVs  u s in g   th e   Dijk s tr a  alg o r ith m ,   f o c u s in g   o n   ac h iev in g   ce r tain   co n s tr ain ts ,   s u ch   as c o v e r in g   t h e  lar g est p o s s ib le  ar ea   f o r   v id eo   r ec o r d in g ,   th u s   cr ea tin g   a  c er tain   m o d if icatio n   o f   th is   al g o r ith m .   T h e  a u th o r s   m an ag ed   to   ac h iev e   g u ar an tee d   g e n er atio n   o f   th e   o p tim al  f li g h t p ath   ( o n e   o f   th e   m ain   p r o p er ties   o f   th e   Dijk s tr a  alg o r ith m ) ,   b u t  t h er e  ar e   t wo   co m m o n   p r o b lem s   in   th e ir   im p lem en tatio n :   I n ab ilit y   to   tak e  in t o   ac co u n t  an d   av o i d   o b s tacle s   in   its   p ath ;  I n ab ilit y   to   wo r k   in   u n k n o w n   en v ir o n m en ts   ( th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       P a r a llel ra p id ly  ex p lo r in g   r a n d o m  tr ee   meth o d   fo r   u n ma n n e d   a eria l v eh icles  …  ( Les ia   Mo ch u r a d )   715   alg o r ith m   r eq u i r es  a  g r ap h   o f   th e   en v ir o n m e n t  with   weig h ts   th at  co r r esp o n d   t o   ce r tai n   f ea tu r es  as  in p u t.  B u ild in g   an d   p r e p ar in g   s u ch   a  g r ap h   tak es  a   lo t  o f   tim e) .   T h e  R R T   alg o r ith m ,   wh ich   w e  u s e  in   o u r   s tu d y ,   p r o v id es   a  s o lu tio n   to   th e  a b o v e  p r o b lem s .   T h e  r esear ch   in   [ 3 4 ] ,  [ 3 5 ] ,   t h e  au t h o r s   also   co n s id er   th e  p r o b lem   o f   in cr ea s in g   th e  ef f icien cy   o f   p a th   co n s tr u ctio n   in   t h e  s tate  s p ac e  u s in g   th e   R R T   alg o r ith m .   T h e  au t h o r s   s o lv ed   th is   p r o b lem   b y   p a r allelizin g   th e  R R T   alg o r ith m   o n   ce n tr al  p r o ce s s in g   u n it  ( C PU ) ,   wh ich   r esu lted   in   a  p er f o r m an ce   ac ce ler atio n   o f   3   [ 3 4 ] ,   a n d   4   [ 3 5 ]   tim es.  I n   o u r   s tu d y ,   we  im p lem en t  th e  p ar a llel  R R T   alg o r ith m   o n   a   GPU  u s in g   C UDA  tech n o lo g y   [ 3 6 ] ,   [ 3 7 ] .   Sin ce   th e  GPU  is   m u ch   b etter   at  h a n d li n g   lar g e  am o u n ts   o f   co m p u tatio n   th an   th e   C PU,  we  ex p ec t   to   ac h iev e  b etter   r esu lts   th an   th o s e  o b tain e d   b y   th e  a u th o r s   o f   th e   p ap e r s   m en tio n ed   ab o v e,   an d   th u s   ex p ec t  to   ac h iev e  a  b etter   s o lu tio n   to   th e  p ath f in d in g   p r o b le m .   W e  h av e  p r ev io u s ly   an aly ze d   v ar i o u s   m o d e r n   tech n o lo g ies  o f   d is tr ib u ted   an d   p r elim in ar y   co m p u tin g ,   i n   p ar tic u lar ,   th o s e  co v e r ed   in   [ 3 8 ] ,   [ 3 9 ] .     Ou r   wo r k   f o c u s es   on   t h e   d e v elo p m en t   of   a   s y s tem   th at   en s u r e s   th e   au to n o m o u s   m o v e m en t   of   v eh icles   in   air s p ac e   ( a u to p ilo tin g ) ,   a d d r ess in g   th e   s ig n if ica n t   g ap   in   p u b lic   im p lem en tatio n s   of   p ath   an d   f lig h t   p ath   alg o r ith m s .   Ou r   ap p r o ac h   p r o p o s es   a   p ar allel   R R T   alg o r ith m   b ased   on   C UDA   tech n o lo g y   f o r   o p tim al   p r o ce s s in g   on   a   GPU,   im p r o v in g   th e   e f f icien cy   an d   ca p ab ilit y   of   UAV   au to p ilo t   s y s tem s   in   u n k n o wn   en v ir o n m en ts .   Desp ite   all   atte m p ts   an d   r esear ch   c o n d u cted   to   ad d r ess   tr an s p o r tatio n   is s u es   u s in g   d r o n es,   th is   s y s tem   h as   not   b ee n   g lo b ally   o p tim ized   ( ex ce p t   f o r   a   f ew   p r iv ate   co m p an ies   cu r r en tly   in   th e   test in g   s tag e   of   th eir   s y s tem s ,   s u ch   as   Am az o n )   due   to   a   lack   of   p u b lic   im p lem en tatio n s   of   p ath   p lan n i n g   an d   f lig h t   tr ajec to r y   alg o r ith m s .   Similar   p r o b lem s   ex is t   in   o th e r   a r ea s ,   an d   th eir   r eso lu tio n   d ep en d s   on   th e   a v ailab ilit y   of   p u b lic   r esear ch   on   th e   is s u es   of   d r o n e   au to p ilo tin g ,   s p ec if ically   in   c o n s tr u ctin g   f lig h t   tr ajec to r ies,   wh ich   is   th e   s u b ject   of   o u r   wo r k .   We   aim   to   d ev elo p   an   ef f ic ien t   p ar allel   RRT   alg o r ith m   f o r   ex ec u tio n   on   GPUs ,   s ig n if ican tly   en h an cin g   au to m ated   tr ajec to r y   p lan n i n g   f o r   UAVs.   T h e   m ajo r ity   of   th e   an aly ze d   liter at u r e   s o u r ce s   s h ar e   a   co m m o n   id eo l o g y :   th e   im p o r ta n ce   of   r esear ch i n g   m ea n s   an d   alg o r ith m s   f o r   e n s u r in g   th e   au t o n o m o u s   o p er atio n   of   air cr af t   to   p er f o r m   v ar io u s   ty p es   of   task s   in   v ar i o u s   ar ea s   of   h u m a n   ac tiv ity .   T h is   h ig h lig h ts   th e   o n g o in g   d em an d   f o r   ef f ec tiv e   an d   p u b licly   av ailab le   s o lu tio n s   to   im p r o v e   UAV   au to p ilo tin g   ca p a b ilit ies.   T h e   m ain   co n tr ib u tio n   of   th is   p ap er   is   as   f o llo ws :   ‒   A   n ew   p ar allel   RRT   m eth o d   is   p r o p o s ed   an d   im p lem e n ted   u s in g   C UDA   tech n o lo g y   f o r   o p tim a l   p r o ce s s in g   on   th e   GPU.   ‒   A   co m p r e h en s iv e   s tu d y   an d   c o m p ar is o n   of   th e   ef f ec tiv e n ess   of   p ar allel   alg o r ith m s   u s in g   GPU   an d   C PU   f o r   a u to m ated   tr ajec to r y   p lan n in g   of   UAV s   was   co n d u cte d .   It   was   f o u n d   th at   th e   p r o p o s ed   p a r allel   alg o r ith m   is   h ig h ly   ef f icien t,   in   p ar ticu lar   in   co n d itio n s   of   in cr ea s ed   task   co m p le x ity   a n d   s tate   s p ac e   d im en s io n ality .   ‒   Ad d itio n ally ,   we   co m p ar ed   th e   NVI DI A   R T X   2070   an d   T4   GPUs ,   r ev ea lin g   th e   ad v an ta g e   of   th e   latte r   in   p er f o r m in g   s im ilar   task s .   T h is   em p h asizes   th e   im p o r tan ce   of   ch o o s in g   th e   o p tim al   h ar d w ar e   to   im p r o v e   th e   p er f o r m an ce   of   p ar allel   co m p u tin g .   Ov er all ,   th e   wo r k   m a k es   a   s ig n if ican t   co n tr ib u tio n   to   th e   f ield   of   au to m ate d   tr ajec to r y   p lan n in g   f o r   UAV s   by   in tr o d u cin g   a   n ew   p ar allel   alg o r ith m   an d   p r o v id in g   im p o r ta n t   co m p ar ativ e   p er f o r m a n ce   a n aly s es.         2.   P RO B L E M   ST A T E M E NT   L et     ∈ ℝ   d e n o te   th e   s tate   s p ac e   of   th e   u n k n o wn   en v ir o n m en t,   a n d   ⊆   d en o te   th e   s u b s p ac e   of   th e   s tate   s p ac e   in   wh ich   th e   m o v in g   o b ject   ( UAV)   is   not   in   a   s tate   of   co lli s io n   with   an   o b s t ac le   ( d o es   not   cr o s s ,   in ter s ec t,   or   p ass   th r o u g h ) .   L et   ∈   d en o te   th e   co n f i g u r atio n   of   th e   f ly in g   v eh icle   (a   s e t   of   p r im itiv e   d ir ec tiv es,   an d   s tates).   T h e   al g o r ith m   tak es   as   in p u t   th e   i n itial   s tate     an d   th e   tar g et   s tate    ,   s u ch   t h at     ∈   an d      ∈ .   It   is   n ec ess ar y   to   f in d   a   p ath   ∶ ( 0 , 1 , 2 … , ) ,   wh er e   0 = ,   =  ,   an d     lies   in   th e   s p ac e   ,   av o id in g   all   o b s tacle s   an d   g u ar an teei n g   s af e   ar r iv al   at   th e   s tate  ,   if   s u ch   a   p ath   is   p o s s ib le.       3.   M E T H O D   3 . 1 .    O v er v iew   of   t he   s equen t ia l   ra pid ly - ex plo ring   ra nd o m   t re e  a lg o rit hm   T h e   RRT   alg o r ith m ,   o r ig i n ally   d ev is ed   f o r   p ath f in d in g ,   is   a   wid ely   u tili ze d   m eth o d   ac r o s s   v ar io u s   d o m ain s .   T h e   alg o r ith m   o p er a tes   by   co n s tr u ctin g   a   s to ch asti c   tr ee   to   ef f icien tly   ex p lo r e   th e   s tate   s p ac e.   T h e   s tar tin g   p o s itio n ,   s er v in g   as   t h e   o r ig in   of   th e   s ea r ch ,   ac ts   as   th e   r o o t   node   of   th e   tr ee .   It   f o llo ws   an   iter ativ e   ap p r o ac h   wh er ein ,   d u r in g   ea c h   iter atio n ,   a   n ew   p o in t   is   r a n d o m ly   ch o s en   f r o m   th e   s tate   s p ac e.   Su b s eq u en tly ,   th e   n ea r est   node   with in   th e   tr e e,   co n s id er in g   o b s tacle s ,   is   lo c ated   r elativ e   to   th e   g en er ate d   p o in t.   T h is   n o d e   is   th en   co n n ec te d   to   th e   g e n er a ted   p o in t   at   a   p r ed e f in ed   d is t an ce ,   a   h y p e r p ar am ete r   of   th e   alg o r ith m ,   in   th e   d ir ec tio n   of   th e   g e n er ated   p o i n t.   T h is   p r o ce s s   iter ates   u n til   eith er   th e   p ath   to   th e   d esire d   s tate   is   d is co v er ed   or   th e   m ax im u m   allo wed   n u m b er   of   iter atio n s ,   d ete r m in ed   by   a n o th er   alg o r ith m   p ar am eter ,   is   r ea ch ed .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.   14 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 5 :  712 - 7 2 3   716   Her e' s   th e   p s eu d o co d e   r ep r esen tin g   th e   f o r m al   d ef in itio n   of   t h e   RRT   alg o r ith m :     Function   RRT(x_init,   x_goal,   X,   O):   Initialize   tree   T(x_init,)   done   ⟵   false   While   not   done:   x_rand   ⟵   RandState(X,   O)   x_near   ⟵   Nearest(x_rand,   T)   x_new   ⟵   Steer(x_near,   x_rand)   e_new   ⟵   {x_near,   x_new}   If   not   CheckCollision(e_new,   O):   Add   vertex   x_new   to   V:   V   =   V   ∪   {x_new}   Add   edge   e_new   to   E:   E   =   E   ∪   {e_new}   If   x_new   =   x_goal:   Path(x_new)   done   ⟵   true   Return   T     T h is   p s eu d o c o d e   r ep r esen ts   th e   RRT   alg o r ith m   u s in g   f u n ctio n s :     ( , )   –   f u n ctio n   f o r   g en er atin g   ;     ( , , )   –   f u n ctio n   to   f i n d   th e   n ea r est   n o d e ;     ( , )   –   a   f u n ctio n   f o r   b u ild i n g   a   s tate   f r o m   th e   n e ar est   node   in   th e     d ir ec tio n ;   ℎ     ( , )   –   f u n ctio n   to   ch ec k   if   th er e   is   an   o b s tacle   b etwe en     a n d   .    ℎ ( )   –   a   f u n ctio n   f o r   tr av er s in g   th e   tr e     e   in   th e   r ev er s e   o r d er   f r o m     to   th e   r o o t     to   g et   th e   p ath .   T h e   RRT   f u n ctio n   tak es   in p u t   ,    ,   ,   an d   ,   an d   r etu r n s   th e   tr ee     r ep r esen tin g   t h e   p ath   f o u n d   by   th e   RRT   alg o r ith m .   W h er e     ∈ ℝ − s ta te   s pa c e ;   ⊆ −   is   th e  s et  o f   o b s tacle s ,   wh ich   is   o b v io u s ly   a   s u b s et  o f   th e  s tat e  s p ac e;     = ( , )   –   tr ee   b u ilt   as   a   r esu lt   of   th e   RRT   alg o r ith m ;   −   s et  o f   tr ee   n o d es     ⊆   b ut     ∩ = ;   − s e t   of   tr e e   e dge s ;   −   in itial  s tate ;   − tar g et  s tate;   ,    ∈ ;   −   r an d o m ly   s elec ted   s tate,   ∈ ;   −   is   th e  n ea r est  n o d e  o f   th e  tr ee     to   , ∈ ;   − s elec ted   p o in t  b ased   o n     a n d     ,   ∈ ;     –   ed g e   co n n ec tin g   th e   v er tices     an d   .     3 . 2 .    P a ra llel   ra pid ly - ex plo ri ng   ra nd o m   t re e  a lg o rit hm   B ef o r e   d escr ib in g   th e   p ar allel ized   v er s io n   of   R R T ,   we   b elie v e   it   is   n ec ess ar y   to   g iv e   an   a s y m p to tic   esti m ate   of   th e   co m p le x ity   of   co m p u tin g   s eq u en tial   RRT :     ( , ) = ( ) + ( ) +  ( ∗ ∗ l og ( ) ) = ∗ N ∗ l og ( N )       wh er e     is   th e   n u m b er   of   s tates,     is   th e   n u m b er   of   o b s tacle s ,   ( ) −   asy m p to tic   f u n ctio n   ev alu ati o n     ;   ( ) − asy m p to tic   f u n ctio n   e v a lu atio n    ,    ( ∗ ∗ l og ( ) ) −   asy m p to tic   ev alu atio n   of   f u n ctio n s       a n d   ℎ     .   Acc o r d in g ly ,   to   d ev elo p   a   p ar allel   RRT   th at   will   r u n   on   th e   GPU,   we   h av e   b ee n   th in k in g   with in   th e   f r am ewo r k   of   th e   SIM D   ( Sin g le   I n s tr u ctio n   Mu ltip le   Data )   a r ch itectu r e,   w h ich   will   allo w   us   to   b est   u tili ze   th e   h ar d war e   ca p ab ilit ies   p r o v id e d   by   GPUs .   Acc o r d in g ly ,   we   p r o p o s e   to   p a r allelize   th e   f o llo win g   alg o r ith m   f u n ctio n s :     ,     ,   ℎ       –   th ey   ar e   id ea l   f o r   ex ec u tio n   on   a   lar g e   n u m b e r   of   GPU   p r o ce s s o r s ,   ar e   au to n o m o u s ,   i. e. ,   do   n o t   r eq u ir e   s y n c h r o n izatio n ,   an d   will   n o t   ex ce e d   th e   e x ec u tio n   tim e   lim it   ( f o r   ex am p le,   f o r   C UDA   tec h n o lo g y ,   it   is   one   s ec o n d ) .   W ith   s u ch   p ar alleliza tio n ,   we   s h o u ld   ac h iev e   th e   f o llo win g   asy m p t o tic   co m p u ta tio n al   co m p lex ity :     ( , ) = ( ) + ( ) +  ( ∗ ∗ l og ( )   /   ) = ∗ ∗ l o g ( N )       wh er e     is   th e   n u m b er   of   s tates,     is   th e   n u m b e r   of   o b s tacle s ,   an d     is   th e   n u m b er   of   GPU   co r e s .   In   o u r   wo r k ,   we   u s ed   th e   f o llo win g   tech n o l o g ies   to   d ev el o p   an d   o p tim ize   c o m p u tin g   p r o ce s s es:   −   C UDA :   S o f twar e   d ev elo p m e n t   th at   u s es   GPUs   to   p er f o r m   g en er al - p u r p o s e   co m p u tin g .   W ith   th e   h elp   of   C UDA,   co m p u tatio n al   ac ce ler atio n   was   ac h iev ed   d u e   to   p ar allel   p r o ce s s in g   of   d ata   by   t h e   GPU.   −   Py th o n :   Usi n g   Py th o n   as   an   in ter p r eted   p r o g r a m m in g   lan g u a g e   f o r   r a p id   p r o to ty p i n g ,   d e v e lo p m en t,   an d   s o lv in g   co m p u tatio n al   p r o b le m s .   Py th o n   was   ch o s en   b ec au s e   of   its   wid e   r an g e   of   to o ls   an d   ea s e   of   u s e.   −   Nu m b a:   Usi n g   Nu m b a   as   a   h ig h er - lev el   ab s tr ac tio n   f o r   C UDA   tech n o lo g y   to   s im p lify   d ev el o p m en t,   m ak e   co d e   m o r e   s ec u r e,   an d   r ed u ce   p o ten tial   er r o r s .   Nu m b a   p r o v id es   J I T   co m p ilatio n   f o r   ef f ici en t   GPU   an d   C PU   co m p u tin g .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       P a r a llel ra p id ly  ex p lo r in g   r a n d o m  tr ee   meth o d   fo r   u n ma n n e d   a eria l v eh icles  …  ( Les ia   Mo ch u r a d )   717   −   Nu m Py :   Usi n g   Nu m Py   to   p r o ce s s   an d   an aly ze   d ata,   as   well   as   to   ef f icien tly   im p lem en t   c o m p u tatio n s   on   ar r ay s   an d   m atr ices   of   lar g e   s izes.   Nu m Py   h as   b ee n   u s ed   to   s o lv e   s cien tific   co m p u tin g   an d   d ata   p r o ce s s in g   p r o b lem s .   −   Ma tp lo tlib :   Usi n g   Ma tp lo tlib   to   v is u alize   d ata   an d   ca lc u latio n   r esu lts .   T h e   lib r a r y   allo ws   you   to   cr ea t e   v ar io u s   ty p es   of   g r a p h s   f o r   ea s y   an aly s is   an d   p r esen tatio n   of   wo r k   r esu lts .   T h u s ,   th e   co m b i n atio n   of   th e s e   tech n o lo g ies   allo wed   us   to   d ev elo p   ef f icien t   s o f twar e   to   s o lv e   th e   co m p u tatio n al   p r o b lem ,   tak in g   ad v an tag e   of   GPUs   an d   p r o v id in g   a   u s er - f r ien d ly   i n ter f ac e   f o r   d e v elo p m e n t   an d   v is u aliza tio n .   W h en   im p lem en tin g   th e   alg o r ith m ,   we   u s e   th e   "Nu m b a"   lib r ar y   d ec o r ato r   "c u d a. jit",   with   th e   h elp   of   w h ich   we   d ef i n e   f u n ctio n s   th at   will   be   ex ec u ted   on   a   GPU   th at   s u p p o r ts   C UDA   tech n o lo g y .   Acc o r d in g ly ,   th e   f o llo win g   f u n ctio n s   wer e   im p lem en te d ,    −   eu c_ d is ta n ce _ 2 d _ d ev ice( x1 , y 1 , x2 , y2 )   –   f u n ctio n   f o r   ca lcu lati n g   th e   E u clid ea n   d is tan ce   b et wee n   p o in ts   on   th e   GPU ,     @ cu d a . jit(d ev ice=Tru e)   d ef   eu c_ d is ta n ce _ 2 d _ d ev ice( x 1 , y1 , x2 , y2 ) :   d   =   ma th . s q r t( ( x2 - x 1 ) * * 2 +( y2 - y1 ) * * 2 )   r etu r n   d   −   d ef   d is ta n ce K ern el( d _ o u t,x , y, d _ V , n o v) :   –   k e r n el   f u n ctio n   r esp o n s ib le   f o r   p ar allel   ca lcu latio n   of   th e   d is tan ce s   b etwe en   th e   g en er at ed   p o in t   a n d   th e   tr ee   n o d es ,     @ cu d a . jit()   d ef   d is ta n ce K ern el( d _ o u t,x , y, d _ V , n o v ) :   i   =   cu d a . b l o ck I d x. x * cu d a . b lo c kDim. x   +   cu d a . th r ea d I d x. x   if   i   <   n o v:   d _ o u t[ i]   =   eu c_ d is ta n ce _ 2 d _ d ev ice( x, y, d _ V [ 0 , i] , d _ V [ 1 , i] )   −   d A r r a y( x, y, V , n o v )   –   f u n ctio n   to   en ca p s u late   t h e   ex c h an g e   of   in f o r m atio n   b etwe en   th e   h o s t   an d   th e   d ev ice   wh en   ca lcu latin g   d is tan ce s ,     d ef   d A r r a y( x, y, V , n o v) :   d_V   =   cu d a . to _ d ev ice( V )   #   co p ies   th e   in p u t   d a ta   to   a   d ev ice   a r r a y   on   th e   GP U   d _ d is ta n ce   =   cu d a . d ev ice_ a r r a y( n o v )   #   crea tes   an   emp ty   a r r a y   to   h o ld   t h e   o u t p u t   BPG   =   ( n o v   +   TPB   -   1 ) //T P B   #   co mp u tes   n u mb er   of   b lo ck s   d is ta n ce K ern el[BP G, TPB ] ( d _ d is ta n ce , x, y, d _ V , n o v )   r etu r n   d _ d is ta n ce . co p y_ to _ h o s t( )   −   d ef   cc K ern el( d _ o u t,x , y, d _ O, a ll_ r a d ii):   –   k er n el   f u n ctio n   r esp o n s ib le   f o r   th e   p ar allel   ca lcu latio n   of   co llis io n s ,     @ cu d a . jit()   d ef   cc K ern el( d _ o u t,x , y, d _ O, a l l_ r a d ii):   i   =   cu d a . b l o ck I d x. x * cu d a . b lo c kDim. x   +   cu d a . th r ea d I d x. x   # fla g   =   1   if   i   <   a ll_ r a d ii.si z e: #   and   fla g   ==1 :   d _ o u t[ i]   =   eu c_ d is ta n ce _ 2 d _ d ev ice( x, y, d _ O[0 , i] , d _ O[1 , i] ) > a ll_ r a d ii[ i]   #   s h o u ld   be   1   fo r   no   co llis io n   #   fla g   =   d _ o u t[ i]   −   d ef   d A r r a y_ C C ( x, y, o b s _ co o r s , a llo w a b le_ r a d ii):   –   a   f u n ctio n   f o r   en ca p s u latin g   th e   ex ch an g e   of   in f o r m atio n   b etwe en   th e   h o s t   an d   th e   d ev ice   wh en   ca lcu latin g   co llis io n s   with   o b s tacle s ,     d ef   d A r r a y_ C C ( x, y, o b s _ co o r s , a llo w a b le_ r a d ii):   noo   =   a llo w a b le_ r a d ii.si z e   d _ a ll_ r a d ii   =   cu d a . to _ d ev ice( a llo w a b le_ r a d ii)   #   c o p ies   th e   i n p u t   d a ta   to   a   d ev ice   a r r a y   on   th e   GP U   d_O   =   cu d a . to _ d ev ice( o b s _ c o o r s )   #   co p ies   th e   in p u t   d a t a   to   a   d ev ice   a r r a y   on   th e   GP U   d _ co llis io n   =   cu d a . d ev ice_ a r r a y( n o o )   #   crea tes   an   emp ty   a r r a y   to   h o ld   t h e   o u t p u t   BPG   =   ( n o o   +   TPB   -   1 ) //T P B   #   co mp u tes   n u mb er   of   b lo ck s   cc K ern el[BP G, TPB ] ( d _ co llis io n , x, y, d _ O, d _ a ll_ r a d ii)   r etu r n   d _ co llis io n . co p y _ to _ h o s t( )         4.   RE SU L T S   AND   D I SCU SS I O N   Nu m er ical   ex p er im e n ts   f o r   th i s   wo r k   wer e   co n d u cted   on   t h e   f o llo win g   h a r d war e   s y s tem s :    −   NVI DI A   GeFo r ce   R T X   2070   −   NVI DI A   T4   GPU   −   C PU   I n tel( R )   C o r e( T M)   i7 - 1 0 7 5 0 H   C PU   @   2 . 6 0 GHz   2 . 5 9   GHz.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.   14 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 5 :  712 - 7 2 3   718   In   th is   s tu d y ,   we   do   not   u s e   d atasets ,   b ec au s e   th e   RRT   alg o r ith m   s o lv es   th e   p r o b lem   of   f i n d in g   a   p ath   in   an   ar b itra r y   s tate   s p ac e,   so   we   d ev elo p ed   a   p r o ce d u r e   to   g e n er ate   s tate   s p ac es   w ith   an   ar b itra r y   n u m b er   of   o b s tacle s   u s in g   th e   Nu m Py   lib r ar y .     def   generate_obstacles(obstacles_count:   int,   radius:   float,   state_dimension:   int)   - >   [np.ndarray,   np.ndarray]:   """   :param   obstacles_count:   the   number   of   obstacles   to   generate   :param   radius:   the   radius   of   each   obstacle   :param   state_dimension:   the   dimensionality   of   the   state   space   :return:   two   NumPy   arrays   containing   the   radii   and   coordinates   of   the   generated   obstacles   """   obstacles_radii   =   radius   *   np.ones(obstacles_count)   obstacles_coordinates   =   state_dimension   *   np.random.rand(2,   obstacles_count)   return   obstacles_radii,   obstacles_coordinates   generate_obstacles(512,   np.sqrt(3)   /   2,   100)     In   th is   p s eu d o - co d e ,   th e   g en er ate_ o b s tacle s   f u n ctio n   g en er at es   a   s p ec if ied   n u m b er   of   o b s t ac les   with   th e   s p ec if ied   r ad iu s   an d   d im e n s io n s   of   th e   s tate   s p ac e.   T h e   r esu lt   is   two   Nu m Py   ar r ay s :   one   with   th e   r ad ii   of   th e   o b s tacle s   an d   th e   o th er   with   th eir   co o r d i n ates   in   th e   s tate   s p ac e.   An   ex am p le   of   th e   f u n ct io n   ca ll   s h o ws   how   512   o b s tacle s   with   a   r ad iu s   e q u al   to   s q r t( 3 ) /2   ca n   be   g en e r at ed   in   a   s tate   s p ac e   of   s ize   1 0 0 .   We   g r o u p ed   all   th e   en v ir o n m en ts   on   wh ic h   we   co n d u cted   t h e   ex p e r im en ts   an d   s av ed   th em   in   a   p u b licly   av aila b le   d ataset   [ 4 0 ] .     T h e  f o llo win g   ar e   ex am p les   of   b u ild in g   a   p ath   s ea r ch   tr ee   in   th e   g en er ated   s tate   s p ac es.   F ig u r e   1   s h o ws   th e   s ea r ch   tr ee   b u ilt   u s in g   th e   RRT   alg o r ith m   ( g r ee n   c o lo r   i n d icate s   th e   n o d es   of   th e   tr ee ,   th ey   a r e   co n n ec ted   by   b lac k   lin es)   a n d   th e   p ath   f o u n d   ( y ello w   lin e )   b etwe en   th e   p o in ts   ( 5 ;5 )   a n d   ( 9 0 ;9 0 )   in   th e   s tate   s p ac e   100 × 1 0 0   an d   th e   n u m b er   of   o b s tacle s   ( b lu e   co l o r )   5 1 2 ;   NVI DI A   Ge Fo r ce   R T X   2 0 7 0 .   In   Fig u r e   1 ( a) ,   we   s ee   th e   r esu l t   of   our   p a r allel   RRT   alg o r ith m ,   wh ich   s u cc ess f u lly   f in d s   a   p ath   b etwe en   th e   s tates   w ith   co o r d in ates   ( 5 ;5 )   an d   ( 9 0 ;9 0 )   in   5 . 4 4 3 8   s ec o n d s ,   t h e   f o u n d   p ath   is   v is u alize d   by   a   y ello w   lin e .   T h e   g r ee n   d o ts   co n n ec ted   by   b lac k   lin es   p r o v i d e   a   g r ap h ical   r ep r esen tatio n   of   th e   s ea r ch   p r o ce s s   in   th e   100 × 100   s tate   s p ac e.   In   Fig u r e   1 ( b ) ,   we   can   o b s er v e   th e   wo r k   of   th e   s eq u en tial   RRT   ex ec u ted   on   th e   C PU,   th e   ex ec u tio n   tim e   is   5 . 1 8 1   s ec o n d s .   Alth o u g h   th e   en v ir o n m e n ts   in   Fig u r es  1( a )   an d   1 ( b )   ar e   th e   s am e   s ize   ( 1 0 0 × 1 0 0 ) ,   it   is   e asy   to   s ee   th at   th e   en v ir o n m en t   in   th is   f ig u r e   is   m u ch   s im p ler   ( 1 2 8   o b s tacle s   in   Fig u r e   1 ( a)   v s .   512   in   Fig u r e   1 ( b ) ).   C o m p ar in g   th ese   two   ca s es,   we   can   s ee   th a t   wh en   r u n n in g   p ar allel   RRT   on   a   v id e o   ca r d ,   with   a   more   c o m p lex   en v ir o n m en t,   th e   alg o r ith m   ex p l o r ed   m o s t   of   th e   s tate   s p ac e   at   alm o s t   th e   s am e   tim e   as   th e   s eq u en tial   al g o r ith m   in   a   m u ch   s im p ler   s p ac e,   wh ich   s ig n if ic an tly   in cr ea s es   th e   p r o b ab ilit y   of   f in d in g   a   p ath   in   a   co n s ta n t   tim e.   T h is   is   th e   m ain   id ea   b eh in d   th e   ap p licati o n   of   th e   alg o r ith m   we   h av e   d ev elo p ed :   by   p ar allelizin g   a n d   u s in g   th e   h ar d war e   ca p ab ilit ies   of   GPU s ,   we   not   o n ly   s p ee d   up   th e   s o lu tio n   of   th e   p r o b lem   of   f in d in g   a   p ath   in   th e   s tate   s p ac e   but   also   in cr ea s e   th e   p r o b ab ilit y   of   f in d in g   th is   p ath   in   s o m e   tim e.   T h e   f o l lo wi n g   f o r m u l a   was   u s ed   to   ca l c u la te   t h e   s p ee d u p   b as ed   on   t h e   m e asu r em en ts   of   t h e   e x ec u ti o n   tim e   of   t h e   R R T   al g o r it h m   an d   t h e   p a r a lle l   v er s io n   we   d e v e lo p e d :   = ,   w h e r e     is   t h e   r at io   of   th e   ti m e     r e q u i r e d   to   p e r f o r m   ca lc u la ti o n s   on   a   s i n g l e - p r o ce s s o r   c o m p u t er   s y s te m   to   th e   ti m e     to   s o l v e   t h e   s a m e   p r o b l em   on   a   p ar all el   s y s te m   ( i n   our   ca s e ,   a   GPU )   u s in g   a   p a r a llel   al g o r it h m .   T h u s ,   t h e   t im e   m ea s u r em en ts   of   t h e   s eq u e n t ial   a n d   p a r a lle l   al g o r i th m s   f o r   s ta te   s p ac es   of   1 0 0 × 100   a n d   2 0 0 × 200   ar e   p r es en te d   in   T a b le s   1   an d   2   a n d   v is u alize d   in   Fig u r e s   2   an d   3 ,   r esp ec tiv ely .   T h e   p a r allel   s p ee d u p   r ates   f o r   d if f er en t   s tate   s p ac es   ar e   p r esen te d   in   T ab le s   3   an d   4 .   L et's   s tar t   an aly zin g   th e   r esu lts   of   th e   n u m er ical   e x p er im e n ts   by   ev alu atin g   th e   s p ee d   of   th e   two   alg o r ith m s   u n d er   s tu d y .   We   can   s ee   th at   th e   GPU - p ar alle lized   alg o r ith m   is   f aster   th a n   th e   co n v en tio n al   s eq u en tial   alg o r ith m .   In   p ar tic u lar ,   as   th e   p ar am etr ic   co m p l ex ity   of   th e   p r o b lem   in c r ea s ed ,   th e   d if f e r en ce   in   ex ec u tio n   tim e   in cr ea s ed   s ig n i f ican tly ,   wh ic h ,   as   e x p ec ted ,   is   due   to   th e   r ed u ctio n   in   t h e   o v er all   co m p lex ity   of   th e   alg o r ith m   ( in cl u d in g   s y n ch r o n izatio n   tim e )   an d   th e   p ar allel   u s e   of   C UDA   co r es   f o r   co m p u tatio n al   o p er atio n s .   We   can   s ee   th at   af t er   ap p ly in g   2 0 4 8   or   m o r e   o b s t ac les   in   th e   g en e r ated   en v ir o n m en t   d e f in ed   in   th e   s tate   s p ac e   of   d im en s io n   100 × 100,   th e   co m p u tatio n   tim e   of   th e   s eq u en tial   alg o r ith m   on   th e   C PU   in cr ea s e s   ap p r o x im ately   twice   with   ea c h   s tep ,   wh ile   th e   G PU - p ar allelize d   alg o r ith m   r em ain s   in   p lace   ( as   can   be   s ee n   in   T ab le   1 ),   ag ain s t   th e   g eo m etr i c   g r o wth   of   th e   n u m b er   of   o b s tacle s   ( an d ,   as   a   r esu lt,   co m p u tatio n s ) .   W h en   th e   n u m b er   of   o b s tacle s   was   le s s   t h an   1 0 2 4 ,   we   o b s er v ed   an   ad v an tag e   in   th e   s p ee d   of   th e   s eq u en tial   alg o r ith m   on   th e   C PU,   h o wev er ,   t h e   p er f o r m an ce   of   p ar allel   co m p u tatio n s   ev en   with   5 1 2   o b s tacle s   d if f e r ed   in   t h e   wo r s t   ca s e   by   o n ly   0 . 3 .   In   o th er   wo r d s ,   e v en   with   th e   s y n ch r o n izatio n   tim e,   th e   p ar allelize d   alg o r ith m   g av e   g o o d   s p ee d   r esu lts ,   wh ich   m ak es   it   s u itab l e   f o r   r elativ ely   lig h tweig h t   p r o b lem s   ( with   a   s m all   n u m b er   of   o b s tacle s   in   s m all   s tate   s p ac es).         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       P a r a llel ra p id ly  ex p lo r in g   r a n d o m  tr ee   meth o d   fo r   u n ma n n e d   a eria l v eh icles  …  ( Les ia   Mo ch u r a d )   719     ( a)       ( b )     Fig u r e   1.   A   s ea r ch   tr ee   is   co n s tr u cted   an d   a   p ath   is   f o u n d   b et wee n   th e   p o i n ts   ( 5 ;5 )   a n d   ( 9 0 ; 9 0 )   in   t h e   1 0 0 × 1 0 0   s tate   s p ac e:   ( a)   th e   n u m b er   of   o b s tacle s   is   512   u s in g   th e   p ar a llel   RRT   alg o r ith m ,   ( b )   th e   n u m b er   of   o b s tacle s   is   128   u s in g   th e   s eq u en tial   RRT   alg o r ith m   on   th e   C PU     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.   14 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 5 :  712 - 7 2 3   720   T ab le   1.   T im e   of   ex e cu tio n   of   s eq u en tial   an d   p a r allel   RRT   al g o r ith m s   in   a   s tate   s p ac e   of   s ize   100 × 1 0 0   in   s ec o n d s   f o r   p o in ts   ( 5 ;5 )   an d   ( 9 0 ;9 0 )   N u mb e r   of   o b s t a c l e s   S e q u e n t i a l   ( C P U )   P a r a l l e l   N V I D I A   G e F o r c e   R TX   2 0 7 0   N V I D I A   T4   G P U   2 5 6   4 . 4 4 8 9 8 4 1 4 6 1 1 8   7 . 9 8 6 0 4 9 4 1 3 6   5 . 2 9 8 4 1 7 8 0 6 6   5 1 2   8 . 5 1 6 0 9 6 1 1 5 1 1 2   1 2 . 8 6 0 9 8 2 4 1 8 0   8 . 9 1 5 8 0 2 2 4 0 3   1 , 0 2 4   1 2 8 . 2 2 8 5 5 5 9 1 7 7   8 5 . 5 7 4 7 6 2 8 2 1 1   7 6 . 2 8 0 8 2 3 7 0 7 6   2 , 0 4 8   1 2 2 . 1 1 1 3 4 8 1 5 2 1   7 4 . 0 7 2 2 5 0 1 2 7 7   6 6 . 9 1 7 2 1 4 8 7 0 5   4 , 0 9 6   2 4 1 . 3 4 1 8 3 0 0 1 5 1   7 4 . 8 0 2 2 3 2 9 8 0 7   6 8 . 6 1 1 8 6 3 6 1 3 1   8 , 1 9 2   4 6 8 . 4 6 6 1 8 6 0 4 6 6   7 6 . 2 2 3 2 4 6 5 7 4 4   7 7 . 3 1 6 7 1 0 4 7 2 1       T ab le  2 .   T h e  ex ec u tio n   tim e  o f   th e  s eq u en tial a n d   p ar allel  R R T   alg o r ith m s   in   a  2 0 0 × 2 0 0   s tate  s p ac e  in   s ec o n d s   f o r   p o in ts   ( 1 5 ;2 0 )   an d   ( 1 8 5 ; 1 9 0 )   N u mb e r   o f   o b s t a c l e s   S e q u e n t i a l   ( C P U )   P a r a l l e l   N V I D I A   G e F o r c e   R TX   2 0 7 0   N V I D I A   T4   G P U   2 5 6   4 3 . 2 4 9 9 8 7 8 4 0 6   3 4 . 6 4 2 3 0 9 1 8 8 8   1 5 . 5 7 8 4 7 5 2 3 6 8   5 1 2   4 2 . 1 3 3 6 4 2 9 1 1 9   3 1 . 8 5 2 3 6 0 7 2 5 4   3 0 . 4 3 0 5 6 7 2 6 4 6   1 , 0 2 4   1 7 6 . 3 1 2 6 4 8 2 9 6 3   7 4 . 0 9 9 0 2 4 0 5 7 3   7 4 . 7 4 9 5 6 7 0 3 1 9   2 , 0 4 8   2 9 9 . 9 1 2 0 7 7 9 0 3 7   7 6 . 4 6 6 8 0 6 9 8 3 9   7 5 .   3 7 7 1 8 5 9 1 6 9   4 , 0 9 6   5 5 5 . 5 0 3 5 3 7 6 5 4 8   7 6 . 6 1 2 1 4 9 9 5 3 8   7 5 . 6 1 2 1 4 9 9 5 3 8   8 , 1 9 2   9 8 4 . 0 2 3 2 7 2 0 3 7 5   7 6 . 8 0 1 2 4 9 2 6 5 6   7 5 . 8 8 0 6 9 8 3 9 4 7           Fig u r e   2.   R u n n in g   tim e   of   s eq u en tial   an d   p ar allel   RRT   alg o r ith m s   in   a   s tate   s p ac e   of   s ize   1 0 0 × 1 0 0   f o r   p o i n ts   ( 5 ;5 )   a n d   ( 9 0 ;9 0 )           Fig u r e   3.   T im e   of   e x ec u tio n   of   s eq u en tial   an d   p ar allel   RRT   alg o r ith m s   in   a   s tate   s p ac e   of   s i ze   200 × 200   in   s ec o n d s   f o r   p o in ts   ( 1 5 ;   2 0 )   an d   ( 1 8 5 ;   1 9 0 )     0 100 200 300 400 500 256 512 102 4 204 8 409 6 819 2 E xe c ut i o n  t i m e ,   se c o nd s N um be r  o f  o bs t ac l e s C P U N VIDI A  G e F o r c e  R T X  2070 N VIDI A  T 4   G P U 0 200 400 600 800 100 0 120 0 256 512 102 4 204 8 409 6 819 2 E xe c ut i o n  t i m e ,   se c o nd s N u m b e r  o f  o b s t ac l e s C P U NVI DI A  G eFor c e  RT X  20 7 0 N VIDI A  T 4   G P U Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       P a r a llel ra p id ly  ex p lo r in g   r a n d o m  tr ee   meth o d   fo r   u n ma n n e d   a eria l v eh icles  …  ( Les ia   Mo ch u r a d )   721   T ab le  3 .   Par allel  ac ce ler atio n   o f   th e  R R T   alg o r ith m   b ased   o n   m ea s u r ed   d ata  in   a  1 0 0 × 1 0 0   s tate  s p ac e  in   s ec o n d s   f o r   p o in ts   ( 5 ;5 )   an d   ( 9 0 ;9 0 )   N u mb e r   o f   o b s t a c l e s   N V I D I A   G e F o r c e   R TX   2 0 7 0   N V I D I A   T4   G P U   2 5 6   0 . 5 5 7 0 9 4   0 . 8 3 9 6 8 2   5 1 2   0 . 6 6 2 1 6 5   0 . 9 5 5 1 6 9   1 , 0 2 4   1 . 4 9 8 4 3 8   1 . 6 8 1 0 0 6   2 , 0 4 8   1 . 6 4 8 5 4 3   1 . 8 2 4 8 1 2   4 , 0 9 6   3 . 2 2 6 3 9 8   3 . 5 1 7 4 9 4   8 , 1 9 2   6 . 1 4 5 9 7 5   6 . 0 5 9 0 5 5       T ab le   4.   Par allel   ac ce ler atio n   of   th e   RRT   alg o r ith m   b ased   on   m ea s u r ed   d ata   in   a   200 × 200   s tate   s p ac e   in   s ec o n d s   f o r   p o in ts   ( 1 5 ;2 0 )   an d   ( 1 8 5 ; 1 9 0 )   N u mb e r   of   o b s t a c l e s   N V I D I A   G e F o r c e   R TX   2 0 7 0   N V I D I A   T4   G P U   2 5 6   1 . 2 4 8 4 7 3   2 . 7 7 6 2 6 6   5 1 2   1 . 3 2 2 7 7 9   1 . 3 8 4 5 8 3   1 , 0 2 4   2 . 3 7 9 4 1 9   2 . 3 5 8 7 1 1   2 , 0 4 8   3 . 9 2 2 1 2 1   3 . 9 7 8 8 1 8   4 , 0 9 6   7 . 2 5 0 8 5 4   7 . 3 4 6 7 5 2       C o m p ar in g   o u r   r esu lts   with   t h o s e  o f   o t h er   r esear ch er s ,   th e   au th o r s   o f   ar ticles  [ 3 4 ] ,   [ 3 5 ] ,   wh o   u s ed   C PU s   f o r   p ar alleliza tio n ,   we  ca n   s ay   th at  we  h av e  ac h iev ed   a  b etter   r esu lt  th an   th ey   d id   an d ,   with   a  lar g e  n u m b er   o f   o b s tacle s ,   o u r   s p ee d u p   r ates  ar e  m u ch   h ig h er   th a n   th o s e  o f   th e  au th o r s   ( 6 . 1 4 5 9 7 5 2 3 9   ( T ab le  2 )   o f   p ea k   s p ee d u p   v e r s u s   3 . 5 1 2   [ 3 4 ]   an d   4 . 1 2 3   [ 3 5 ]   f o r   a  1 0 0 ×1 0 0   s p ac e,   th e  au th o r s   o f   th e  ar t icles d o   n o t p r o v id e   r esu lts   f o r   lar g er   s p ac es).   W e  also   co n d u cted   a n   ex p er im e n t al  co m p ar is o n   o f   two   NVI DI A  G PUs :  R T X  2 0 7 0   an d   T 4 .   B o th   g r ap h ics  ca r d s   wer e  in tr o d u ce d   in   2 0 1 8 ,   s o   we  co n s id er   th eir   c o m p ar is o n   to   b e  ap p r o p r iate.   As  y o u   ca n   s ee   f r o m   Fig u r es  2   an d   3   an d   T a b les 2   an d   4 ,   th e  ac ce ler atio n   r ates o f   th e  T 4   ar e  s lig h tly   h ig h er ,   ev en   th o u g h   th e   p o wer   o f   th e   R T X  2 0 7 0   is   h ig h er .   T h is   is   b ec au s e  th e  T 4   v id e o   ca r d   was  cr ea ted   s p ec if ically   f o r   p er f o r m in g   s u ch   task s ,   f o r   wh i ch   it r ec eiv ed   a  la r g e  am o u n t  o f   v id e o   m em o r y   ( 1 6   GB ) .       5.   CO NCLU SI O N   I n   co n clu s io n ,   th is   p ap er   ad d r e s s ed   th e  p r o b lem   o f   UAV  p ath f in d in g ,   f o cu s in g   o n   o b s tacle   av o id an ce   an d   tr ajec to r y   p la n n in g   in   u n k n o wn   en v ir o n m en ts .   W e  im p lem en ted   th e   R R T   alg o r ith m   an d   im p r o v ed   its   p er f o r m an ce   t h r o u g h   p ar allel izatio n   u s in g   C UDA  o n   GP Us,  r esu ltin g   in   s ig n if ican tly   b etter   e f f icien cy   co m p ar ed   to   a  C PU - b ased   ap p r o ac h .   T h e  p a r allel  alg o r ith m   s u cc ess f u lly   av o id ed   all  o b s tacle s ,   co n f ir m in g   th e   ef f ec tiv en ess   o f   th e  m eth o d .   T h is   ap p r o ac h   en ab les  UAVs  to   n av ig ate  co m p lex   s p ac es  with o u t  r eq u ir in g   p r ec is e  en v ir o n m en tal  d ata,   m ak in g   i t  s u itab le  f o r   ch allen g in g   co n d itio n s   s u ch   as  f o r ests   o r   i n d o o r   s p ac es.  Fu tu r e   r esear ch   s h o u ld   f o cu s   o n   in t eg r atin g   ad d itio n al  alg o r ith m s   to   en h an ce   th e  o v er all  p er f o r m an ce   o f   UAV  au to p ilo t sy s tem s   an d   f u r th er   ex p an d   th eir   ap p licatio n   p o ten tial.       ACK NO WL E DG E M E NT S   T h is   wo r k   is   f u n d ed   by   th e   E u r o p ea n   Un io n ’ s   Ho r iz o n   E u r o p e   r esear ch   an d   in n o v atio n   p r o g r a m   u n d er   g r a n t   a g r ee m en t   No   1 0 1 1 3 8 6 7 8 ,   p r o ject   Z E B AI   ( I n n o v ativ e   m eth o d o l o g ies   f o r   th e   d esig n   of   Z er o - E m is s io n   an d   c o s t - ef f ec tiv e   B u ild in g s   en h an ce d   by   Ar tific ial   I n tellig en ce ) .   T h is   wo r k   w as   s u p p o r ted   by   th e   Slo v ak   R esear ch   an d   Dev el o p m en t   Ag en cy   u n d er   th e   c o n tr a ct   No .   APVV   19 - 0 5 8 1 .       RE F E R E NC E S   [ 1 ]   S .   C h i o d o ,   “ H u m a n   a u t o n o my ,   t e c h n o l o g i c a l   a u t o m a t i o n   ( a n d   r e v e r se),”   AI   a n d   S o c i e t y ,   v o l .   3 7 ,   n o .   1 ,   p p .   3 9 – 4 8 ,   2 0 2 2 ,   d o i :   1 0 . 1 0 0 7 / s 0 0 1 4 6 - 0 2 1 - 0 1 1 4 9 - 5.   [ 2 ]   J.  A .   J.  A l sa y a y d e h   e t   a l . ,   “ D e v e l o p m e n t   o f   p r o g r a m ma b l e   h o m e   se c u r i t y   u si n g   G S M   sy s t e m   f o r   e a r l y   p r e v e n t i o n , ”   AR PN   J o u r n a l   o f   En g i n e e r i n g   a n d   Ap p l i e d   S c i e n c e s ,   v o l .   1 6 ,   n o .   1 ,   p p .   8 8 – 9 7 ,   2 0 2 1 .   [ 3 ]   K .   N .   M a a n y u ,   D .   G .   R a j ,   R .   V .   K r i s h n a ,   a n d   S .   B .   C h o u b e y ,   “ A   s t u d y   o n   T e sl a   a u t o p i l o t , ”   I ssu e ,   v o l .   1 7 1 ,   n o .   1 7 1 ,   2 0 2 0 .   [ 4 ]   M .   A .   A l   N o ma n   e t   a l . ,   “ A   c o m p u t e r   v i s i o n - b a se d   l a n e   d e t e c t i o n   t e c h n i q u e   u s i n g   g r a d i e n t   t h r e s h o l d   a n d   h u e - l i g h t n e ss - sa t u r a t i o n   v a l u e   f o r   a n   a u t o n o mo u s  v e h i c l e , ”   I n t e rn a t i o n a l   J o u r n a l   o f   El e c t ri c a l   a n d   C o m p u t e r  En g i n e e r i n g ,   v o l .   1 3 ,   n o .   1 ,   p p .   3 4 7 – 3 5 7 ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j e c e . v 1 3 i 1 . p p 3 4 7 - 3 5 7 .   [ 5 ]   S .   A b d u l - K h a l i l ,   S .   A b d u l - R a h m a n ,   S .   M u t a l i b ,   S .   I .   K a m a r u d i n ,   a n d   S .   S .   K a mar u d d i n ,   “ A   r e v i e w   o n   o b j e c t   d e t e c t i o n   f o r   a u t o n o mo u s  m o b i l e   r o b o t , ”   I A ES   I n t e r n a t i o n a l   J o u rn a l   o f   Ar t i f i c i a l   I n t e l l i g e n c e ,   v o l .   1 2 ,   n o .   3 ,   p p .   1 0 3 3 – 1 0 4 3 ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j a i . v 1 2 . i 3 . p p 1 0 3 3 - 1 0 4 3 .   [ 6 ]   A .   Jad h a v ,   S .   K .   S h a n d i l y a ,   I .   I z o n i n ,   a n d   R .   M u z y k a ,   “ M u l t i - s t e p   d y n a m i c   e n s e mb l e   s e l e c t i o n   t o   e s t i mat e   s o f t w a r e   e f f o r t , ”   Ap p l i e d   Art i f i c i a l   I n t e l l i g e n c e ,   v o l .   3 8 ,   n o .   1 ,   2 0 2 4 ,   d o i :   1 0 . 1 0 8 0 / 0 8 8 3 9 5 1 4 . 2 0 2 4 . 2 3 5 1 7 1 8 .   [ 7 ]   M .   P .   A .   F .   K i k i ,   S .   A .   R .   M .   A h o u a n d j i n o u ,   K .   M .   A ss o g b a ,   a n d   T.   S u t i k n o ,   “ B i b l i o me t r i c   a n a l y si s  a n d   s u r v e y   o n   e l e c t r o n i c   n o se   u se d   i n   a g r i c u l t u r e , ”   I n t e r n a t i o n a l   J o u rn a l   o f   El e c t ri c a l   a n d   C o m p u t e r   E n g i n e e ri n g ,   v o l .   1 4 ,   n o .   2 ,   p p .   1 3 6 9 – 1 3 8 1 ,   2 0 2 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j e c e . v 1 4 i 2 . p p 1 3 6 9 - 1 3 8 1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.