This paper proposes embedded Gaussian Process Barrier States (GP-BaS), a methodology to safely control unmodeled dynamics of nonlinear system using Bayesian learning. Gaussian Processes (GPs) are used to model the dynamics of the safety-critical system, which is subsequently used in the GP-BaS model. We derive the barrier state dynamics utilizing the GP posterior, which is used to construct a safety embedded Gaussian process dynamical model (GPDM). We show that the safety-critical system can be controlled to remain inside the safe region as long as we can design a controller that renders the BaS-GPDM's trajectories bounded (or asymptotically stable). The proposed approach overcomes various limitations in early attempts at combining GPs with barrier functions due to the abstention of restrictive assumptions such as linearity of the system with respect to control, relative degree of the constraints and number or nature of constraints. This work is implemented on various examples for trajectory optimization and control including optimal stabilization of unstable linear system and safe trajectory optimization of a Dubins vehicle navigating through an obstacle course and on a quadrotor in an obstacle avoidance task using GP differentiable dynamic programming (GP-DDP). The proposed framework is capable of maintaining safe optimization and control of unmodeled dynamics and is purely data driven.

基于学习的控制方案最近表现出了出色的效力执行复杂的任务。但是，为了将它们部署在实际系统中，保证该系统在在线培训和执行过程中将保持安全至关重要。因此，我们需要安全的在线学习框架，能够自主地理论当前的信息是否足以确保安全或需要新的测量。在本文中，我们提出了一个由两个部分组成的框架：首先，在需要时积极收集测量的隔离外检测机制，以确保至少一个安全备份方向始终可供使用；其次，基于高斯的基于过程的概率安全 - 关键控制器可确保系统始终保持安全的可能性。我们的方法通过使用控制屏障功能来利用模型知识，并以事件触发的方式从在线数据流中收集测量，以确保学习的安全至关重要控制器的递归可行性。反过来，这又使我们能够提供具有很高概率的安全集的正式结果，即使在先验未开发的区域中也是如此。最后，我们在自适应巡航控制系统的数值模拟中验证了所提出的框架。

受到控制障碍功能（CBF）在解决安全性方面的成功以及数据驱动技术建模功能的兴起的启发，我们提出了一种使用高斯流程（GPS）在线合成CBF的非参数方法。 CBF等数学结构通过先验设计候选功能来实现安全性。但是，设计这样的候选功能可能具有挑战性。这种设置的一个实际示例是在需要确定安全且可导航区域的灾难恢复方案中设计CBF。在这样的示例中，安全性边界未知，不能先验设计。在我们的方法中，我们使用安全样本或观察结果来在线构建CBF，通过在这些样品上具有灵活的GP，并称我们为高斯CBF的配方。除非参数外，例如分析性障碍性和稳健的不确定性估计，GP具有有利的特性。这允许通过合并方差估计来实现具有高安全性保证的后部组件，同时还计算封闭形式中相关的部分导数以实现安全控制。此外，我们方法的合成安全函数允许根据数据任意更改相应的安全集，从而允许非Convex安全集。我们通过证明对固定但任意的安全集和避免碰撞的安全性在线构建安全集的安全控制，从而在四极管上验证了我们的方法。最后，我们将高斯CBF与常规的CBF并列，在嘈杂状态下，以突出其灵活性和对噪声的鲁棒性。实验视频可以在：https：//youtu.be/hx6uokvcigk上看到。

Ensuring safety is of paramount importance in physical human-robot interaction applications. This requires both an adherence to safety constraints defined on the system state, as well as guaranteeing compliant behaviour of the robot. If the underlying dynamical system is known exactly, the former can be addressed with the help of control barrier functions. Incorporation of elastic actuators in the robot's mechanical design can address the latter requirement. However, this elasticity can increase the complexity of the resulting system, leading to unmodeled dynamics, such that control barrier functions cannot directly ensure safety. In this paper, we mitigate this issue by learning the unknown dynamics using Gaussian process regression. By employing the model in a feedback linearizing control law, the safety conditions resulting from control barrier functions can be robustified to take into account model errors, while remaining feasible. In order enforce them on-line, we formulate the derived safety conditions in the form of a second-order cone program. We demonstrate our proposed approach with simulations on a two-degree of freedom planar robot with elastic joints.

安全关键型应用程序要求控制器/政策能够保证安全高度信心。如果我们可以访问地面真实的系统动态，控制屏障功能是一种有用的工具，可以保证安全。在实践中，我们对系统动态的知识不准确，这可能导致不安全的行为导致的残余动力学。使用确定性机器学习模型学习剩余动态可以防止不安全的行为，但是当预测不完美时可能会失败。在这种情况下，概率学习方法，其预测的不确定性的原因可以有助于提供强大的安全利润。在这项工作中，我们使用高斯过程来模拟残余动力学的投影到控制屏障功能上。我们提出了一种新颖的优化程序，以产生安全控制，可以保证具有高概率的安全性。安全滤波器具有推理来自GP预测的不确定性的能力。我们通过SEGWAY和四轮车模拟的实验展示了这种方法的功效。与具有神经网络的确定性方法相比，我们所提出的概率方法能够显着降低安全违规的数量。

我们呈现$ \ mathcal {cl} _1 $ - $ \ mathcal {gp} $，控制框架，使能安全同时学习和控制能够进行不确定因素的系统。这两个主要成分是基于收缩理论的$ \ mathcal {l} _1 $（$ \ mathcal {cl} _1 $）控制和贝叶斯学习以高斯过程（GP）回归。$ \ mathcal {cl} _1 $控制器可确保在提供安全证书时满足控制目标。此外，$ \ mathcal {cl} _1 $ - $ \ mathcal {gp} $将任何可用数据纳入了GP的不确定因素模型，这提高了性能并使运动计划能够安全地实现最佳状态。这样，即使在学习瞬变期间，也可以保证系统的安全操作。我们提供了一些用于在各种环境中安全学习和控制平面的平面电路系统的说明性示例。

过去半年来，从控制和强化学习社区的真实机器人部署的安全学习方法的贡献数量急剧上升。本文提供了一种简洁的但整体审查，对利用机器学习实现的最新进展，以实现在不确定因素下的安全决策，重点是统一控制理论和加固学习研究中使用的语言和框架。我们的评论包括：基于学习的控制方法，通过学习不确定的动态，加强学习方法，鼓励安全或坚固性的加固学习方法，以及可以正式证明学习控制政策安全的方法。随着基于数据和学习的机器人控制方法继续获得牵引力，研究人员必须了解何时以及如何最好地利用它们在安全势在必行的现实情景中，例如在靠近人类的情况下操作时。我们突出了一些开放的挑战，即将在未来几年推动机器人学习领域，并强调需要逼真的物理基准的基准，以便于控制和加固学习方法之间的公平比较。

Learning-enabled control systems have demonstrated impressive empirical performance on challenging control problems in robotics, but this performance comes at the cost of reduced transparency and lack of guarantees on the safety or stability of the learned controllers. In recent years, new techniques have emerged to provide these guarantees by learning certificates alongside control policies -- these certificates provide concise, data-driven proofs that guarantee the safety and stability of the learned control system. These methods not only allow the user to verify the safety of a learned controller but also provide supervision during training, allowing safety and stability requirements to influence the training process itself. In this paper, we provide a comprehensive survey of this rapidly developing field of certificate learning. We hope that this paper will serve as an accessible introduction to the theory and practice of certificate learning, both to those who wish to apply these tools to practical robotics problems and to those who wish to dive more deeply into the theory of learning for control.

动态系统的建模和仿真是许多控制方法的必要步骤。使用基于参数的基于参数的技术来建模现代系统，例如软机器人或人机交互，由于系统动态的复杂性，通常是挑战甚至不可行的。相比之下，数据驱动方法只需要最少的先验知识和规模，并以系统的复杂性规模。特别地，高斯过程动态模型（GPDMS）为复杂动态的建模提供了非常有前途的结果。然而，这些GP模型的控制特性刚刚稀疏地研究，这导致了建模和控制方案中的“黑箱”处理。此外，GPDMS对预测目的的采样，尊重其非参数性的非公平性，使得理论分析具有挑战性。在本文中，我们呈现近似的GPDM，它是马尔可夫的并分析它们的控制理论特性。其中，分析了近似的误差，提供了轨迹的界限条件。结果用数字示例说明，该数值示例显示近似模型的功率，而计算时间显着降低。

This paper provides an introduction and overview of recent work on control barrier functions and their use to verify and enforce safety properties in the context of (optimization based) safety-critical controllers. We survey the main technical results and discuss applications to several domains including robotic systems.

Accurate path following is challenging for autonomous robots operating in uncertain environments. Adaptive and predictive control strategies are crucial for a nonlinear robotic system to achieve high-performance path following control. In this paper, we propose a novel learning-based predictive control scheme that couples a high-level model predictive path following controller (MPFC) with a low-level learning-based feedback linearization controller (LB-FBLC) for nonlinear systems under uncertain disturbances. The low-level LB-FBLC utilizes Gaussian Processes to learn the uncertain environmental disturbances online and tracks the reference state accurately with a probabilistic stability guarantee. Meanwhile, the high-level MPFC exploits the linearized system model augmented with a virtual linear path dynamics model to optimize the evolution of path reference targets, and provides the reference states and controls for the low-level LB-FBLC. Simulation results illustrate the effectiveness of the proposed control strategy on a quadrotor path following task under unknown wind disturbances.

本文开发了一种基于模型的强化学习（MBR）框架，用于在线在线学习无限范围最佳控制问题的价值函数，同时遵循表示为控制屏障功能（CBFS）的安全约束。我们的方法是通过开发一种新型的CBFS，称为Lyapunov样CBF（LCBF），其保留CBFS的有益特性，以开发最微创的安全控制政策，同时也具有阳性半自动等所需的Lyapunov样品质 - 义法。我们展示这些LCBFS如何用于增强基于学习的控制策略，以保证安全性，然后利用这种方法在MBRL设置中开发安全探索框架。我们表明，我们的开发方法可以通过各种数值示例来处理比较法的更通用的安全限制。

计算机视觉和机器学习的进步使机器人能够以强大的新方式感知其周围环境，但是这些感知模块具有众所周知的脆弱性。我们考虑了合成尽管有知觉错误的安全控制器的问题。所提出的方法基于具有输入依赖性噪声的高斯过程构建状态估计器。该估计器为给定状态计算实际状态的高信心集。然后，合成了可证明可以处理状态不确定性的强大神经网络控制器。此外，提出了一种自适应采样算法来共同改善估计器和控制器。模拟实验，包括Carla中基于逼真的巷道示例，说明了提出方法在与基于深度学习的感知合成强大控制器中提出的方法的希望。

强化学习（RL）和连续的非线性控制已成功部署在复杂的顺序决策任务的多个领域中。但是，鉴于学习过程的探索性质和模型不确定性的存在，由于缺乏安全保证，将它们应用于安全至关重要的控制任务是一项挑战。另一方面，尽管将控制理论方法与学习算法相结合，但在安全RL应用中显示了希望，但安全数据收集过程的样本效率尚未得到很好的解决。在本文中，我们提出了一个\ emph {可证明的}示例有效的情节安全学习框架，用于在线控制任务，以利用未知的非线性动力学系统来利用安全的探索和剥削。特别是，框架1）在随机设置中扩展控制屏障功能（CBF），以在模型学习过程中实现可证明的高概率安全性，2）整合基于乐观的探索策略，以有效地将安全探索过程与学习的动态有效地指导安全探索过程对于\ emph {接近最佳}控制性能。我们对与理论保证的最佳控制器和概率安全性的偶发性遗憾进行了正式分析。提供了仿真结果以证明所提出算法的有效性和效率。

对非线性不确定系统的控制是机器人技术领域的常见挑战。非线性潜在力模型结合了以高斯流程为特征的潜在不确定性，具有有效代表此类系统的希望，我们专注于这项工作的控制设计。为了实现设计，我们采用了高斯过程的状态空间表示来重塑非线性潜在力模型，从而建立了同时预测未来状态和不确定性的能力。使用此功能，制定了随机模型预测控制问题。为了得出问题的计算算法，我们使用基于方案的方法来制定随机优化的确定性近似。我们通过基于自动驾驶汽车的运动计划的仿真研究评估了最终方案的模型预测控制方法，该研究表现出很大的有效性。拟议的方法可以在其他各种机器人应用中找到前瞻性使用。

机器人等系统的安全操作要求它们计划和执行受安全约束的轨迹。当这些系统受到动态的不确定性的影响时，确保不违反限制是具有挑战性的。本文提出了基于受约束差分动态规划（DDP）的附加不确定性和非线性安全约束的安全轨迹，安全轨迹优化和控制方法。在其运动中的机器人的安全性被制定为机会限制了用户所选择的约束满足的概率。通过约束收紧将机会约束转换为DDP制剂中的确定性。为了避免在约束期间的过保守，从受约束的DDP导出的反馈策略的线性控制增益用于预测中的闭环不确定性传播的近似。所提出的算法在三种不同的机器人动态上进行了经验评估，模拟中具有高达12度的自由度。使用物理硬件实现对方法的计算可行性和适用性进行了说明。

高斯流程已成为各种安全至关重要环境的有前途的工具，因为后方差可用于直接估计模型误差并量化风险。但是，针对安全 - 关键环境的最新技术取决于核超参数是已知的，这通常不适用。为了减轻这种情况，我们在具有未知的超参数的设置中引入了强大的高斯过程统一误差界。我们的方法计算超参数空间中的一个置信区域，这使我们能够获得具有任意超参数的高斯过程模型误差的概率上限。我们不需要对超参数的任何界限，这是相关工作中常见的假设。相反，我们能够以直观的方式从数据中得出界限。我们还采用了建议的技术来为一类基于学习的控制问题提供绩效保证。实验表明，界限的性能明显优于香草和完全贝叶斯高斯工艺。

Reinforcement learning is a powerful paradigm for learning optimal policies from experimental data. However, to find optimal policies, most reinforcement learning algorithms explore all possible actions, which may be harmful for real-world systems. As a consequence, learning algorithms are rarely applied on safety-critical systems in the real world. In this paper, we present a learning algorithm that explicitly considers safety, defined in terms of stability guarantees. Specifically, we extend control-theoretic results on Lyapunov stability verification and show how to use statistical models of the dynamics to obtain high-performance control policies with provable stability certificates. Moreover, under additional regularity assumptions in terms of a Gaussian process prior, we prove that one can effectively and safely collect data in order to learn about the dynamics and thus both improve control performance and expand the safe region of the state space. In our experiments, we show how the resulting algorithm can safely optimize a neural network policy on a simulated inverted pendulum, without the pendulum ever falling down.

稳定性和安全性是成功部署自动控制系统的关键特性。作为一个激励示例，请考虑在复杂的环境中自动移动机器人导航。概括到不同操作条件的控制设计需要系统动力学模型，鲁棒性建模错误以及对安全\ newzl {约束}的满意度，例如避免碰撞。本文开发了一个神经普通微分方程网络，以从轨迹数据中学习哈密顿系统的动态。学识渊博的哈密顿模型用于合成基于能量的被动性控制器，并分析其\ emph {鲁棒性}，以在学习模型及其\ emph {Safety}中对环境施加的约束。考虑到系统的所需参考路径，我们使用虚拟参考调查员扩展了设计，以实现跟踪控制。州长国家是一个调节点，沿参考路径移动，平衡系统能级，模型不确定性界限以及违反安全性的距离，以确保稳健性和安全性。我们的哈密顿动力学学习和跟踪控制技术在\修订后的{模拟的己谐和四型机器人}在混乱的3D环境中导航。

神经网络（NNS）已成功地用于代表复杂动力学系统的状态演变。这样的模型，称为NN动态模型（NNDMS），使用NN的迭代噪声预测来估计随时间推移系统轨迹的分布。尽管它们的准确性，但对NNDMS的安全分析仍然是一个具有挑战性的问题，并且在很大程度上尚未探索。为了解决这个问题，在本文中，我们介绍了一种为NNDM提供安全保证的方法。我们的方法基于随机屏障函数，其与安全性的关系类似于Lyapunov功能的稳定性。我们首先展示了通过凸优化问题合成NNDMS随机屏障函数的方法，该问题又为系统的安全概率提供了下限。我们方法中的一个关键步骤是，NNS的最新凸近似结果的利用是找到零件线性边界，这允许将屏障函数合成问题作为一个方形优化程序的制定。如果获得的安全概率高于所需的阈值，则该系统将获得认证。否则，我们引入了一种生成控制系统的方法，该系统以最小的侵入性方式稳健地最大化安全概率。我们利用屏障函数的凸属性来提出最佳控制合成问题作为线性程序。实验结果说明了该方法的功效。即，他们表明该方法可以扩展到具有多层和数百个神经元的多维NNDM，并且控制器可以显着提高安全性概率。