Safety is critical in autonomous robotic systems. A safe control law ensures forward invariance of a safe set (a subset in the state space). It has been extensively studied regarding how to derive a safe control law with a control-affine analytical dynamic model. However, in complex environments and tasks, it is challenging and time-consuming to obtain a principled analytical model of the system. In these situations, data-driven learning is extensively used and the learned models are encoded in neural networks. How to formally derive a safe control law with Neural Network Dynamic Models (NNDM) remains unclear due to the lack of computationally tractable methods to deal with these black-box functions. In fact, even finding the control that minimizes an objective for NNDM without any safety constraint is still challenging. In this work, we propose MIND-SIS (Mixed Integer for Neural network Dynamic model with Safety Index Synthesis), the first method to derive safe control laws for NNDM. The method includes two parts: 1) SIS: an algorithm for the offline synthesis of the safety index (also called as barrier function), which uses evolutionary methods and 2) MIND: an algorithm for online computation of the optimal and safe control signal, which solves a constrained optimization using a computationally efficient encoding of neural networks. It has been theoretically proved that MIND-SIS guarantees forward invariance and finite convergence. And it has been numerically validated that MIND-SIS achieves safe and optimal control of NNDM. From our experiments, the optimality gap is less than $10^{-8}$, and the safety constraint violation is $0$.


翻译:在自主机器人系统中,安全是安全的。安全控制法确保安全套件(州空间的一个子集)的前方不易发生安全套件(州空间的一个子集),对于如何制定安全控制法进行广泛研究,使用控制室分析动态模型分析模型分析安全套件。然而,在复杂的环境和任务中,获得系统的原则分析模型是具有挑战性和耗时的。在这种情况下,广泛使用数据驱动的学习方法,并将所学模型编码在神经网络网络网络中。如何正式利用神经网络动态模型(NNDM)制定安全套件(NNDM)安全套件(NNDM)的安全控制法(NDM);由于缺乏可计算的方法来处理这些黑箱功能。事实上,即使找到将NDDMD目标降到最低程度而没有任何安全限制的控制措施,在这项工作中,MIND-SIS(NG Integrad Integer)第一个获得安全控制法律编码的方法是:1)SIS:安全指数离线合成的算法(也称为屏障功能),它使用进化方法,从进化方法,而MNDMD(MD)的升级的升级的升级的精确控制系统,它已经得到一个最优化的升级的升级的计算。

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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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