Machine learning driven image-based controllers allow robotic systems to take intelligent actions based on the visual feedback from their environment. Understanding when these controllers might lead to system safety violations is important for their integration in safety-critical applications and engineering corrective safety measures for the system. Existing methods leverage simulation-based testing (or falsification) to find the failures of vision-based controllers, i.e., the visual inputs that lead to closed-loop safety violations. However, these techniques do not scale well to the scenarios involving high-dimensional and complex visual inputs, such as RGB images. In this work, we cast the problem of finding closed-loop vision failures as a Hamilton-Jacobi (HJ) reachability problem. Our approach blends simulation-based analysis with HJ reachability methods to compute an approximation of the backward reachable tube (BRT) of the system, i.e., the set of unsafe states for the system under vision-based controllers. Utilizing the BRT, we can tractably and systematically find the system states and corresponding visual inputs that lead to closed-loop failures. These visual inputs can be subsequently analyzed to find the input characteristics that might have caused the failure. Besides its scalability to high-dimensional visual inputs, an explicit computation of BRT allows the proposed approach to capture non-trivial system failures that are difficult to expose via random simulations. We demonstrate our framework on two case studies involving an RGB image-based neural network controller for (a) autonomous indoor navigation, and (b) autonomous aircraft taxiing.


翻译:机器学习驱动图像控制器使机器人系统能够根据环境的视觉反馈采取智能行动。 了解这些控制器在何时可能导致系统安全违规, 这对于将这些系统纳入安全关键应用程序和系统工程矫正安全措施十分重要。 现有方法利用模拟测试(或伪造)来发现基于视觉的控制器的故障, 即导致闭路安全违规的视觉输入。 然而, 这些技术对于涉及高维和复杂的视觉输入的情景, 如 RGB 图像, 规模并不很好。 在这项工作中, 我们把发现闭路视觉失败的问题作为汉密尔顿- Jacobi (HJ) 的自动可达性问题。 我们的方法结合基于模拟的分析与HJ的可达性方法, 以计算基于视觉控制器的后向可达管(BRT)的近近近度测试, 也就是基于视觉控制器的不安全状态组合。 利用BRT, 我们可快速和系统地发现系统状态和相应的视觉输入, 导致闭路机失败。 这些视觉输入随后可以分析其直径网络特性, 导致直径的直径的直径计算系统, 。</s>

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