ハミルトン＝ヤコビ到達可能性解析による状態不確実性下での制御器の堅牢検証

Abstract

自律システムのための知覚ベースの制御器が現実世界でますます普及するにつれ、知覚の不確実性がある状況下でも、その安全性と性能を形式的に検証できることが重要になります。残念ながら、こうしたシステムの検証は依然として困難です。主な理由は、制御器がしばしば非線形・非凸・学習ベース・および/またはブラックボックスであり、その複雑さにあります。先行研究では、到達可能性（reachability）を近似する手法に基づいた検証アルゴリズムが提案されていますが、多くの場合、扱える制御器やシステムのクラスが制限されるか、あるいは過度に保守的な分析結果につながります。ハミルトン‐ヤコビ（HJ）到達可能性解析は、最悪ケースのシステム不確実性のもとで最適な到達可能集合を計算できる、一般的な非線形システムに対する人気のある形式的検証ツールです。しかし、知覚ベースのシステムへの適用は現在あまり検討されていません。本研究では、HJ到達可能性による制御器の頑健検証（Robust Verification of Controllers via HJ Reachability）のための枠組みであるRoVer-CoReを提案します。私たちの知る限り、RoVer-CoReは、知覚の不確実性のもとで知覚ベースのシステムを検証するための、HJ到達可能性に基づく初めての枠組みです。私たちの主要な洞察は、システムの制御器、観測関数、状態推定モジュールを連結して、既存の到達可能性の枠組みに容易に適合する同等の閉ループシステムを得ることです。RoVer-CoReの中で、形式的な安全性検証と頑健な制御器設計のための新しい手法を提案します。航空機のタキシングおよびニューラルネットワーク（NN）ベースのローバー航法を含む事例研究において、提案枠組みの有効性を実証します。コードは脚注のリンクから入手可能です。