Safety is crucial for robotic missions within an uncertain environment. Common safety requirements such as collision avoidance are only state-dependent, which can be restrictive for complex missions. In this work, we address a more general formulation as safe-return constraints, which require the existence of a return-policy to drive the system back to a set of safe states with high probability. The robot motion is modeled as a Markov Decision Process (MDP) with probabilistic labels, which can be highly non-ergodic. The robotic task is specified as Linear Temporal Logic (LTL) formulas over these labels, such as surveillance and transportation. We first provide theoretical guarantees on the re-formulation of such safe-return constraints, and a baseline solution based on computing two complete product automata. Furthermore, to tackle the computational complexity, we propose a hierarchical planning algorithm that combines the feature-based symbolic and temporal abstraction with constrained optimization. It synthesizes simultaneously two dependent motion policies: the outbound policy minimizes the overall cost of satisfying the task with a high probability, while the return policy ensures the safe-return constraints. The problem formulation is versatile regarding the robot model, task specifications and safety constraints. The proposed hierarchical algorithm is more efficient and can solve much larger problems than the baseline solution, with only a slight loss of optimality. Numerical validations include simulations and hardware experiments of a search-and-rescue mission and a planetary exploration mission over various system sizes.


翻译:避免碰撞等常见安全要求仅取决于国家,对复杂任务具有限制性。在这项工作中,我们首先从理论上保证这种安全返回限制的重新制定规模,并基于计算两个完整的产品自动成型的基线解决方案。此外,为了解决计算的复杂性,我们提议一个等级规划算法,将基于特性的象征和时间抽象与限制优化结合起来。它同时综合两种依赖性运动政策:超越性的政策尽可能减少完成这项任务的总体成本,而返回政策则确保安全返回限制。 问题的拟订只能包括一个比机器人模型、任务基准规格和任务标准更精细的标准化。

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