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计算机科学 > 机器学习

arXiv:2305.03608 (cs)
[提交于 2023年5月5日 ]

标题: 关于控制屏障函数的最优性、稳定性和可行性:基于自适应学习的方法

标题: On the Optimality, Stability, and Feasibility of Control Barrier Functions: An Adaptive Learning-Based Approach

Authors:Alaa Eddine Chriat, Chuangchuang Sun
摘要: 安全问题一直是基于学习的方法在现实世界应用部署中的关键问题。为了解决这个问题,控制屏障函数(CBF)及其变体在安全性至关重要的控制中引起了广泛关注。然而,由于CBF具有短视的一步特性,并且缺乏设计类-$\mathcal{K}$函数的原则性方法,当前CBF仍然存在一些根本性的局限性:最优性、稳定性以及可行性。本文提出了一种新颖且统一的方法,即自适应多步控制屏障函数(AM-CBF),通过神经网络参数化类-$\mathcal{K}$函数,并与强化学习策略一起训练,以解决这些局限性。此外,为了缓解CBF的短视特性,我们提出了一种新颖的\textit{多步训练和单步执行}范式,使CBF具有远见性,同时执行时仍只需求解单步凸二次规划。我们的方法在各种场景下的第一和第二阶系统中进行了评估,实验结果显示我们的方法在定性和定量上都优于传统的CBF。
摘要: Safety has been a critical issue for the deployment of learning-based approaches in real-world applications. To address this issue, control barrier function (CBF) and its variants have attracted extensive attention for safety-critical control. However, due to the myopic one-step nature of CBF and the lack of principled methods to design the class-$\mathcal{K}$ functions, there are still fundamental limitations of current CBFs: optimality, stability, and feasibility. In this paper, we proposed a novel and unified approach to address these limitations with Adaptive Multi-step Control Barrier Function (AM-CBF), where we parameterize the class-$\mathcal{K}$ function by a neural network and train it together with the reinforcement learning policy. Moreover, to mitigate the myopic nature, we propose a novel \textit{multi-step training and single-step execution} paradigm to make CBF farsighted while the execution remains solving a single-step convex quadratic program. Our method is evaluated on the first and second-order systems in various scenarios, where our approach outperforms the conventional CBF both qualitatively and quantitatively.
主题: 机器学习 (cs.LG) ; 机器人技术 (cs.RO); 系统与控制 (eess.SY); 优化与控制 (math.OC)
引用方式: arXiv:2305.03608 [cs.LG]
  (或者 arXiv:2305.03608v1 [cs.LG] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2305.03608
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Alaa Eddine Chriat [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2023 年 5 月 5 日 15:11:28 UTC (1,171 KB)
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