本文解决了以未知的马尔可夫决策过程（MDP）建模的移动机器人的学习控制策略的问题，该问题负责为时间逻辑任务，例如测序，覆盖或监视。 MDP捕获工作空间结构的不确定性和控制决策的结果。控制目标是合成一个控制策略，该策略最大化完成高级任务的可能性，该任务指定为线性时间逻辑（LTL）公式。为了解决这个问题，我们提出了一种针对LTL控制目标的新型基于模型的增强算法（RL）算法，该算法能够比相关方法更快地学习控制策略。它的样本效率依赖于偏见探索可能导致任务满意度的方向。这是通过利用LTL任务的自动机表示以及连续学习的MDP模型来完成的。最后，我们提供了比较实验，这些实验证明了针对LTL目标的最新RL方法的样本效率。

勘探是基于深入强化学习（DRL）的无模型导航控制的基本挑战，因为针对目标驱动的导航任务的典型勘探技术依赖于噪声或贪婪的政策，这些策略对奖励的密度敏感。实际上，机器人总是在复杂的混乱环境中部署，其中包含密集的障碍和狭窄的通道，从而提高了很难探索训练的自然备用奖励。当预定义的任务复杂并且具有丰富的表现力时，这种问题变得更加严重。在本文中，我们专注于这两个方面，并为任务指导的机器人提供了一种深层的政策梯度算法，该机器人在复杂的混乱环境中部署了未知的动态系统。线性时间逻辑（LTL）用于表达丰富的机器人规范。为了克服训练期间探索的环境挑战，我们提出了一种新颖的路径计划引导奖励方案，该方案在状态空间上密集，并且至关重要的是，由于黑盒动力学而导致计算的几何路径的不可行性。为了促进LTL满意度，我们的方法将LTL任务分解为使用分布式DRL解决的子任务，在该子任务中，可以使用深层政策梯度算法并行培训子任务。我们的框架被证明可显着提高性能（有效性，效率）和对大规模复杂环境中复杂任务的机器人的探索。可以在YouTube频道上找到视频演示：https：//youtu.be/yqrq2-ymtik。

本文在具有部分未知语义的环境中解决了多机器人规划问题。假设环境具有已知的几何结构（例如，墙壁），并且由具有不确定位置和类的静态标记的地标占用。这种建模方法引发了语义SLAM算法生成的不确定语义地图。我们的目标是为配备有嘈杂感知系统的机器人设计控制策略，以便他们可以完成全局时间逻辑规范捕获的协同任务。为了指定考虑环境和感知不确定性的任务，我们采用了线性时间逻辑（LTL）的片段，称为CO-Safe LTL，定义了基于感知的原子谓性建模概率满意度要求。基于感知的LTL规划问题产生了通过新型采样的算法解决的最佳控制问题，它产生了在线更新的开环控制策略，以适应连续学习的语义地图。我们提供广泛的实验，以证明拟议的规划架构的效率。

马尔可夫决策过程通常用于不确定性下的顺序决策。然而，对于许多方面，从受约束或安全规范到任务和奖励结构中的各种时间（非Markovian）依赖性，需要扩展。为此，近年来，兴趣已经发展成为强化学习和时间逻辑的组合，即灵活的行为学习方法的组合，具有稳健的验证和保证。在本文中，我们描述了最近引入的常规决策过程的实验调查，该过程支持非马洛维亚奖励功能以及过渡职能。特别是，我们为常规决策过程，与在线，增量学习有关的算法扩展，对无模型和基于模型的解决方案算法的实证评估，以及以常规但非马尔维亚，网格世界的应用程序的算法扩展。

本文研究了Markov决策过程（MDP）建模的自主动态系统的运动规划，在连续状态和动作空间上具有未知的过渡概率。线性时间逻辑（LTL）用于指定无限地平线上的高级任务，可以转换为具有几种接受集的极限确定性广义B \“UCHI Automaton（LDGBA）。新颖性是设计嵌入式产品MDP（通过结合同步跟踪 - 前沿函数来记录自动化的同步跟踪 - 前沿函数，并促进接受条件的满足感。基于LDGBA的奖励塑造和折扣方案的模型的满足 - 免费加强学习（RL）仅取决于EP-MDP状态，并可以克服稀疏奖励的问题。严格的分析表明，任何优化预期折扣返回的RL方法都保证找到最佳策略，其迹线最大化满意度概率。然后开发模块化深度确定性政策梯度（DDPG）以在连续状态和行动空间上生成此类策略。我们的f Ramework通过一系列Openai健身房环境进行评估。

本文研究了运动和环境不确定性的最佳运动规划。通过将系统建模作为概率标记的马尔可夫决策过程（PL-MDP），控制目标是合成有限内存策略，在该策略下，该代理满足具有所需满足的线性时间逻辑（LTL）的高级复杂任务可能性。特别地，考虑了满足无限地平线任务的轨迹的成本优化，分析了降低预期平均成本和最大化任务满意度概率之间的权衡。而不是使用传统的Rabin Automata，LTL公式被转换为限制确定性的B \“UCHI自动机（LDBA），其具有更直接的接受条件和更紧凑的图形结构。这项工作的新颖性在于考虑案件LTL规范可能是不可行的，并且在PL-MDP和LDBA之间的轻松产品MDP的开发可能是不可行的和开发。放松的产品MDP允许代理在任务不完全可行的情况下进行修改其运动计划，并量化修订计划的违规测量。然后配制多目标优化问题，共同考虑任务满意度的概率，违反原始任务限制的违规以及策略执行的实施成本，通过耦合的线性计划解决。据最好我们的知识，它是第一个弥合规划修订版和计划前缀和计划的最佳控制合成之间的差距的工作在无限地平线上修复代理轨迹。提供实验结果以证明所提出的框架的有效性。

强化学习（RL）是一种有希望的方法，对现实世界的应用程序取得有限，因为确保安全探索或促进充分利用是控制具有未知模型和测量不确定性的机器人系统的挑战。这种学习问题对于连续空间（状态空间和动作空间）的复杂任务变得更加棘手。在本文中，我们提出了一种由几个方面组成的基于学习的控制框架：（1）线性时间逻辑（LTL）被利用，以便于可以通过无限视野的复杂任务转换为新颖的自动化结构; （2）我们为RL-Agent提出了一种创新的奖励计划，正式保证，使全球最佳政策最大化满足LTL规范的概率; （3）基于奖励塑造技术，我们开发了利用自动机构结构的好处进行了模块化的政策梯度架构来分解整体任务，并促进学习控制器的性能; （4）通过纳入高斯过程（GPS）来估计不确定的动态系统，我们使用指数控制屏障功能（ECBF）综合基于模型的保障措施来解决高阶相对度的问题。此外，我们利用LTL自动化和ECBF的性质来构建引导过程，以进一步提高勘探效率。最后，我们通过多个机器人环境展示了框架的有效性。我们展示了这种基于ECBF的模块化深RL算法在训练期间实现了近乎完美的成功率和保护安全性，并且在训练期间具有很高的概率信心。

本文提出了一种新的方法，用于设计对自主系统的神经网络（NN）控制器的验证组合，并具有线性时间逻辑（LTL）公式捕获的任务。特别是，LTL公式要求系统以时间/逻辑顺序到达并避免某些区域。我们假设该系统配备了有限的训练有素的NN控制器。每个控制器都经过培训，以便它可以将系统推向特定的感兴趣区域，同时避免其他人。我们的目标是检查是否存在训练有素的NN控制器的时间组成（如果是这样，则将其计算）产生复合系统行为，以满足属于给定集合的任何初始系统状态的用户指定的LTL任务。为了解决这个问题，我们提出了一种依赖于自动机理论的新颖集成以及最近提出的NN控制系统的可及性分析工具的新方法。 We note that the proposed method can be applied to other controllers, not necessarily modeled by NNs, by appropriate selection of the reachability analysis tool.由于缺乏健壮性，我们专注于NN控制器。提出的方法在航空车的导航任务上得到了证明。

当环境稀疏和非马克维亚奖励时，使用标量奖励信号的训练加强学习（RL）代理通常是不可行的。此外，在训练之前对这些奖励功能进行手工制作很容易指定，尤其是当环境的动态仅部分知道时。本文提出了一条新型的管道，用于学习非马克维亚任务规格，作为简洁的有限状态“任务自动机”，从未知环境中的代理体验情节中。我们利用两种关键算法的见解。首先，我们通过将其视为部分可观察到的MDP并为隐藏的Markov模型使用现成的算法，从而学习了由规范的自动机和环境MDP组成的产品MDP，该模型是由规范的自动机和环境MDP组成的。其次，我们提出了一种从学习的产品MDP中提取任务自动机（假定为确定性有限自动机）的新方法。我们学到的任务自动机可以使任务分解为其组成子任务，从而提高了RL代理以后可以合成最佳策略的速率。它还提供了高级环境和任务功能的可解释编码，因此人可以轻松地验证代理商是否在没有错误的情况下学习了连贯的任务。此外，我们采取步骤确保学识渊博的自动机是环境不可静止的，使其非常适合用于转移学习。最后，我们提供实验结果，以说明我们在不同环境和任务中的算法的性能及其合并先前的领域知识以促进更有效学习的能力。

LCRL是一种软件工具，可在未知的马尔可夫决策过程（MDPS）上实现无模型增强学习（RL）算法，合成满足给定线性时间规范具有最大概率的策略。 LCRL利用被称为极限确定性Buchi Automata（LDBA）的部分确定性有限状态机器表达给定的线性时间规范。 RL算法的奖励函数是根据LDBA的结构即时塑造的。理论保证在适当的假设下确保RL算法与最大化满意度概率的最佳策略的收敛性。我们提出了案例研究，以证明LCRL的适用性，易用性，可伸缩性和性能。由于LDBA引导的探索和无LCRL模型架构，我们观察到了稳健的性能，与标准RL方法相比（每当适用于LTL规格）时，它也可以很好地缩放。有关如何执行本文所有案例研究的完整说明，请在lcrl分发www.github.com/grockious/lcrl的GitHub页面上提供。

Safety is still one of the major research challenges in reinforcement learning (RL). In this paper, we address the problem of how to avoid safety violations of RL agents during exploration in probabilistic and partially unknown environments. Our approach combines automata learning for Markov Decision Processes (MDPs) and shield synthesis in an iterative approach. Initially, the MDP representing the environment is unknown. The agent starts exploring the environment and collects traces. From the collected traces, we passively learn MDPs that abstractly represent the safety-relevant aspects of the environment. Given a learned MDP and a safety specification, we construct a shield. For each state-action pair within a learned MDP, the shield computes exact probabilities on how likely it is that executing the action results in violating the specification from the current state within the next $k$ steps. After the shield is constructed, the shield is used during runtime and blocks any actions that induce a too large risk from the agent. The shielded agent continues to explore the environment and collects new data on the environment. Iteratively, we use the collected data to learn new MDPs with higher accuracy, resulting in turn in shields able to prevent more safety violations. We implemented our approach and present a detailed case study of a Q-learning agent exploring slippery Gridworlds. In our experiments, we show that as the agent explores more and more of the environment during training, the improved learned models lead to shields that are able to prevent many safety violations.

在实际应用中，尽管这种知识对于确定反应性控制系统与环境的精确相互作用很重要，但我们很少可以完全观察到系统的环境。因此，我们提出了一种在部分可观察到的环境中进行加固学习方法（RL）。在假设环境的行为就像是可观察到的马尔可夫决策过程，但我们对其结构或过渡概率不了解。我们的方法将Q学习与IOALERGIA结合在一起，这是一种学习马尔可夫决策过程（MDP）的方法。通过从RL代理的发作中学习环境的MDP模型，我们可以在不明确的部分可观察到的域中启用RL，而没有明确的记忆，以跟踪以前的相互作用，以处理由部分可观察性引起的歧义。相反，我们通过模拟学习环境模型上的新体验以跟踪探索状态，以抽象环境状态的形式提供其他观察结果。在我们的评估中，我们报告了方法的有效性及其有希望的性能，与六种具有复发性神经网络和固定记忆的最先进的深度RL技术相比。

我们研究了逻辑规范给出的复杂任务的学习策略问题。最近的方法从给定的规范自动生成奖励功能，并使用合适的加强学习算法来学习最大化预期奖励的策略。然而，这些方法对需要高级别计划的复杂任务奠定了差。在这项工作中，我们开发了一种称为Dirl的组成学习方法，可交织高级别的规划和强化学习。首先，Dirl将规范编码为抽象图;直观地，图的顶点和边缘分别对应于状态空间的区域和更简单的子任务。我们的方法然后结合了增强学习，以便在Dijkstra风格的规划算法内为每个边缘（子任务）学习神经网络策略，以计算图表中的高级计划。对具有连续状态和行动空间的一套具有挑战性的控制基准测试的提出方法的评估表明它优于最先进的基线。

强化学习（RL）在很大程度上依赖于探索以从环境中学习并最大程度地获得观察到的奖励。因此，必须设计一个奖励功能，以确保从收到的经验中获得最佳学习。以前的工作将自动机和基于逻辑的奖励成型与环境假设相结合，以提供自动机制，以根据任务综合奖励功能。但是，关于如何将基于逻辑的奖励塑造扩大到多代理增强学习（MARL）的工作有限。如果任务需要合作，则环境将需要考虑联合状态，以跟踪其他代理，从而遭受对代理数量的维度的诅咒。该项目探讨了如何针对不同场景和任务设计基于逻辑的奖励成型。我们提出了一种针对半偏心逻辑基于逻辑的MARL奖励成型的新方法，该方法在代理数量中是可扩展的，并在多种情况下对其进行了评估。

在线强化学习（RL）中的挑战之一是代理人需要促进对环境的探索和对样品的利用来优化其行为。无论我们是否优化遗憾，采样复杂性，状态空间覆盖范围或模型估计，我们都需要攻击不同的勘探开发权衡。在本文中，我们建议在分离方法组成的探索 - 剥削问题：1）“客观特定”算法（自适应）规定哪些样本以收集到哪些状态，似乎它可以访问a生成模型（即环境的模拟器）; 2）负责尽可能快地生成规定样品的“客观无关的”样品收集勘探策略。建立最近在随机最短路径问题中进行探索的方法，我们首先提供一种算法，它给出了每个状态动作对所需的样本$ B（S，a）$的样本数量，需要$ \ tilde {o} （bd + d ^ {3/2} s ^ 2 a）收集$ b = \ sum_ {s，a} b（s，a）$所需样本的$时间步骤，以$ s $各国，$ a $行动和直径$ d $。然后我们展示了这种通用探索算法如何与“客观特定的”策略配对，这些策略规定了解决各种设置的样本要求 - 例如，模型估计，稀疏奖励发现，无需无成本勘探沟通MDP - 我们获得改进或新颖的样本复杂性保证。

In inverse reinforcement learning (IRL), a learning agent infers a reward function encoding the underlying task using demonstrations from experts. However, many existing IRL techniques make the often unrealistic assumption that the agent has access to full information about the environment. We remove this assumption by developing an algorithm for IRL in partially observable Markov decision processes (POMDPs). We address two limitations of existing IRL techniques. First, they require an excessive amount of data due to the information asymmetry between the expert and the learner. Second, most of these IRL techniques require solving the computationally intractable forward problem -- computing an optimal policy given a reward function -- in POMDPs. The developed algorithm reduces the information asymmetry while increasing the data efficiency by incorporating task specifications expressed in temporal logic into IRL. Such specifications may be interpreted as side information available to the learner a priori in addition to the demonstrations. Further, the algorithm avoids a common source of algorithmic complexity by building on causal entropy as the measure of the likelihood of the demonstrations as opposed to entropy. Nevertheless, the resulting problem is nonconvex due to the so-called forward problem. We solve the intrinsic nonconvexity of the forward problem in a scalable manner through a sequential linear programming scheme that guarantees to converge to a locally optimal policy. In a series of examples, including experiments in a high-fidelity Unity simulator, we demonstrate that even with a limited amount of data and POMDPs with tens of thousands of states, our algorithm learns reward functions and policies that satisfy the task while inducing similar behavior to the expert by leveraging the provided side information.

近年来，研究人员在设计了用于优化线性时间逻辑（LTL）目标和LTL的目标中的增强学习算法方面取得了重大进展。尽管有这些进步，但解决了这个问题的基本限制，以至于以前的研究暗示，但对我们的知识而言，尚未深入检查。在本文中，我们通过一般的LTL目标理解了学习的硬度。我们在马尔可夫决策过程（PAC-MDP）框架（PAC-MDP）框架中可能大致正确学习的问题正式化，这是一种测量加固学习中的样本复杂性的标准框架。在这一形式化中，我们证明，只有在LTL层次结构中最有限的类别中，才有于仅当公式中的最有限的类别，因此才能获得PAC-MDP的最佳政策。实际上，我们的结果意味着加强学习算法无法在与非有限范围可解除的LTL目标的无限环境的相互作用之后获得其学习政策的性能的PAC-MDP保证。

一种简单自然的增强学习算法（RL）是蒙特卡洛探索开始（MCES），通过平均蒙特卡洛回报来估算Q功能，并通过选择最大化Q当前估计的行动来改进策略。 -功能。探索是通过“探索开始”来执行的，即每个情节以随机选择的状态和动作开始，然后遵循当前的策略到终端状态。在Sutton＆Barto（2018）的RL经典书中，据说建立MCES算法的收敛是RL中最重要的剩余理论问题之一。但是，MCE的收敛问题证明是非常细微的。 Bertsekas＆Tsitsiklis（1996）提供了一个反例，表明MCES算法不一定会收敛。 TSITSIKLIS（2002）进一步表明，如果修改了原始MCES算法，以使Q-功能估计值以所有状态行动对以相同的速率更新，并且折现因子严格少于一个，则MCES算法收敛。在本文中，我们通过Sutton＆Barto（1998）中给出的原始，更有效的MCES算法取得进展政策。这样的MDP包括大量的环境，例如所有确定性环境和所有具有时间步长的情节环境或作为状态的任何单调变化的值。与以前使用随机近似的证据不同，我们引入了一种新型的感应方法，该方法非常简单，仅利用大量的强规律。

Reinforcement-learning agents seek to maximize a reward signal through environmental interactions. As humans, our contribution to the learning process is through designing the reward function. Like programmers, we have a behavior in mind and have to translate it into a formal specification, namely rewards. In this work, we consider the reward-design problem in tasks formulated as reaching desirable states and avoiding undesirable states. To start, we propose a strict partial ordering of the policy space. We prefer policies that reach the good states faster and with higher probability while avoiding the bad states longer. Next, we propose an environment-independent tiered reward structure and show it is guaranteed to induce policies that are Pareto-optimal according to our preference relation. Finally, we empirically evaluate tiered reward functions on several environments and show they induce desired behavior and lead to fast learning.

在本文中，我们研究了以马尔可夫决策过程（MDP）为模型的随机系统中的计划，其偏好比时间扩展的目标。偏好的时间计划上的先前工作假定用户偏好形成总订单，这意味着每对结果彼此相当。在这项工作中，我们考虑了对可能结果的偏好是部分顺序而不是总订单的情况。我们首先引入了确定性有限自动机的变体，称为偏好DFA，用于指定用户对时间扩展目标的偏好。基于顺序理论，我们将偏好DFA转化为与标记为MDP中概率计划的策略相比的偏好关系。在这种处理中，最优选的策略会在MDP中的有限路径上引起弱化的非主导概率分布。拟议的计划算法取决于建造多目标MDP。我们证明，考虑到偏好规范的弱化的非主导政策在构建的多目标MDP中是帕特托最佳的，反之亦然。在整篇论文中，我们采用一个运行的示例来演示提出的偏好规范和解决方案方法。我们使用该示例和详细分析显示了算法的功效，然后讨论可能的未来方向。