This paper is proposed to efficiently provide a convex approximation for the probabilistic reachable set of a dynamic system in the face of uncertainties. When the uncertainties are not limited to bounded ones, it may be impossible to find a bounded reachable set of the system. Instead, we turn to find a probabilistic reachable set that bounds system states with confidence. A data-driven approach of Kernel Density Estimator (KDE) accelerated by Fast Fourier Transform (FFT) is customized to model the uncertainties and obtain the probabilistic reachable set efficiently. However, the irregular or non-convex shape of the probabilistic reachable set refrains it from practice. For the sake of real applications, we formulate an optimization problem as Mixed Integer Nonlinear Programming (MINLP) whose solution accounts for an optimal $n$-sided convex polygon to approximate the probabilistic reachable set. A heuristic algorithm is then developed to solve the MINLP efficiently while ensuring accuracy. The results of comprehensive case studies demonstrate the near-optimality, accuracy, efficiency, and robustness enjoyed by the proposed algorithm. The benefits of this work pave the way for its promising applications to safety-critical real-time motion planning of uncertain systems.


翻译:本文旨在有效地为面对不确定因素的动态系统概率可达集提供一个精确的近似值。 当不确定性不局限于受约束的系统时, 可能无法找到一套受约束的系统可达集。 相反, 我们转而寻找一个以充满信心的方式将系统国家捆绑起来的概率可达集。 由快速Fourier变形(FFT)加速的内核密度增压器(KDE)的数据驱动法是定制的, 以模拟不确定性, 并高效地获得可达集束。 但是, 如果不确定因素不规则或非相联的形状, 则无法实践。 为了实际应用, 我们把优化问题发展成混合的 Integer Nonelineal 编程(MINLP), 其解决方案代表着一个以美元为方位的顶值的组合, 以近似于稳定可达集集的组合。 然后, 开发超率算法, 以便在确保准确性的同时, 高效地解决MILP 。 全面案例研究的结果表明其真实性、准确性、 和稳妥性应用的方法, 。</s>

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