On Safety and Liveness Filtering Using Hamilton-Jacobi Reachability Analysis

要約

Hamilton-Jacobi (HJ) 到達可能性ベースのフィルタリングは、自律システムのパフォーマンスと安全性 (または活性度) を同時に最適化するための強力なフレームワークを提供します。
このフィルタリング スキームでは、システムの安全性または稼働性を確保するために、公称コントローラは最小限に変更されます。
ただし、結果として得られるコントローラーは、突然のスイッチングやバンバン動作を示す可能性があり、現実世界の自律システムのアプリケーションには適していません。
この研究は、到達可能性分析を通じて安全性と活性性のフィルターを設計するための新しい統合フレームワークを提示します。
特定の状態で安全性 (または生存性) を確保する制御入力の最大セットを明示的に特徴付けます。
次に、この最大セットの異なるサブセットと投影演算子を使用して、公称コントローラーを変更するための異なる安全フィルターを構築できます。
提案されたフレームワークを使用して 3 つの安全フィルターを設計し、それぞれのバランスが異なるパフォーマンス、計算時間、滑らかさを実現します。
提案されたフィルターは、ダイナミクスの不確実性、外乱、および制限された制御入力を簡単に処理できます。
これらのフィルターを自律航法とロケット着陸のシナリオ、および物理的なロボットのテストベッドに適用することで、それらの相対的な強みと限界を強調します。
また、現実世界の自律システムへのこれらのフィルターの実装に関連する実践的な側面についても説明します。
私たちの研究は、現実世界の自律システムにおける到達可能性ベースのコントローラーの理解と応用の可能性を前進させます。

要約(オリジナル)

Hamilton-Jacobi (HJ) reachability-based filtering provides a powerful framework to co-optimize performance and safety (or liveness) for autonomous systems. Under this filtering scheme, a nominal controller is minimally modified to ensure system safety or liveness. However, the resulting controllers can exhibit abrupt switching and bang-bang behavior, which is not suitable for applications of autonomous systems in the real world. This work presents a novel, unifying framework to design safety and liveness filters through reachability analysis. We explicitly characterize the maximal set of control inputs that ensures safety (or liveness) at a given state. Different safety filters can then be constructed using different subsets of this maximal set along with a projection operator to modify the nominal controller. We use the proposed framework to design three safety filters, each balancing performance, computation time, and smoothness differently. The proposed filters can easily handle dynamics uncertainties, disturbances, and bounded control inputs. We highlight their relative strengths and limitations by applying these filters to autonomous navigation and rocket landing scenarios and on a physical robot testbed. We also discuss practical aspects associated with implementing these filters on real-world autonomous systems. Our research advances the understanding and potential application of reachability-based controllers on real-world autonomous systems.

arxiv情報

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google