信号时间逻辑的鲁棒性不仅评估信号是否遵守规范，而且还提供了对公式的满足或违反的量度。鲁棒性的计算基于评估潜在谓词的鲁棒性。但是，通常以无模型方式（即不包括系统动力学）定义谓词的鲁棒性。此外，精确定义复杂谓词的鲁棒性通常是不平凡的。为了解决这些问题，我们提出了模型预测鲁棒性的概念，该概念通过考虑基于模型的预测，它与以前的方法相比提供了一种更系统的评估鲁棒性的方法。特别是，我们使用高斯过程回归来基于预定的预测来学习鲁棒性，以便可以在线上有效地计算鲁棒性值。我们评估了对自动驾驶用例的方法，该案例用在记录的数据集上使用形式的交通规则中使用的谓词来评估我们的方法，这与传统方法相比，在表达性方面相比，我们的方法优势。通过将我们的鲁棒性定义纳入轨迹规划师，自动驾驶汽车比数据集中的人类驾驶员更强大地遵守交通规则。

一般而言，融合是人类驱动因素和自治车辆的具有挑战性的任务，特别是在密集的交通中，因为合并的车辆通常需要与其他车辆互动以识别或创造间隙并安全合并。在本文中，我们考虑了强制合并方案的自主车辆控制问题。我们提出了一种新的游戏 - 理论控制器，称为领导者跟随者游戏控制器（LFGC），其中自主EGO车辆和其他具有先验不确定驾驶意图的车辆之间的相互作用被建模为部分可观察到的领导者 - 跟随游戏。 LFGC估计基于观察到的轨迹的其他车辆在线在线，然后预测其未来的轨迹，并计划使用模型预测控制（MPC）来同时实现概率保证安全性和合并目标的自我车辆自己的轨迹。为了验证LFGC的性能，我们在模拟和NGSIM数据中测试它，其中LFGC在合并中展示了97.5％的高成功率。

本文提出了一种新的规划和控制策略，用于赛车场景中的多辆车竞争。所提出的赛车策略在两种模式之间切换。当没有周围的车辆时，使用基于学习的模型预测控制（MPC）轨迹策划器用于保证自助车辆更好地实现了更好的搭接定时。当EGO车辆与其他围绕车辆竞争以超车时，基于优化的策划器通过并行计算产生多个动态可行的轨迹。每个轨迹在MPC配方下进行优化，其具有不同的同型贝塞尔曲线参考路径，横向于周围的车辆之间。选择这些不同的同型轨迹之间的时间最佳轨迹，并使用具有障碍物避免约束的低级MPC控制器来保证系统的安全性能。所提出的算法具有能够生成无碰撞轨迹并跟踪它们，同时提高杠杆定时性能，稳定的低计算复杂性，优于汽车赛车环境的时序和性能中的现有方法。为了展示我们的赛车策略的表现，我们在轨道上模拟了多个随机生成的移动车辆，并测试自我车辆的超越机动。

具有许多移动代理的城市环境的运动计划可以看作是组合问题。通过在左右之后，左右或左后通过障碍物，自动驾驶汽车可以选择执行多个选项。这些组合方面需要在计划框架中考虑到。我们通过提出一种结合轨迹计划和操纵推理的新型计划方法来解决这个问题。我们定义了沿参考曲线的动态障碍的分类，使我们能够提取战术决策序列。我们将纵向和横向运动分开，以加快基于优化的轨迹计划。为了将获得的轨迹集绘制为操纵变体，我们定义了一种语义来描述它们。这使我们能够选择最佳轨迹，同时还可以确保随着时间的推移操纵的一致性。我们证明了我们的方法的能力，即仍被普遍认为是具有挑战性的场景。

本文介绍了一个名为STLCG的技术，使用计算图计算信号时间逻辑（STL）公式的定量语义。 STLCG提供了一个平台，它可以将逻辑规范纳入从基于梯度的解决方案中受益的机器人问题。具体而言，STL是一种强大且表现力的正式语言，可以指定连续和混合系统产生的信号的空间和时间特性。 STL的定量语义提供了鲁棒性度量，即，信号满足或违反STL规范的量。在这项工作中，我们设计了一种系统方法，用于将STL鲁棒性公式转化为计算图形。通过这种表示，通过利用现成的自动差异化工具，我们能够通过STL稳健性公式有效地反向，因此可以实现具有许多基于梯度的方法的STL规范的自然且易于使用的STL规范集成。通过各种机器人应用的许多示例，我们证明STLCG是多功能的，计算效率，并且能够将人域知识纳入问题制定中。

作为自动驾驶系统的核心部分，运动计划已受到学术界和行业的广泛关注。但是，由于非体力学动力学，尤其是在存在非结构化的环境和动态障碍的情况下，没有能够有效的轨迹计划解决方案能够为空间周期关节优化。为了弥合差距，我们提出了一种多功能和实时轨迹优化方法，该方法可以在任意约束下使用完整的车辆模型生成高质量的可行轨迹。通过利用类似汽车的机器人的差异平坦性能，我们使用平坦的输出来分析所有可行性约束，以简化轨迹计划问题。此外，通过全尺寸多边形实现避免障碍物，以产生较少的保守轨迹，并具有安全保证，尤其是在紧密约束的空间中。我们通过最先进的方法介绍了全面的基准测试，这证明了所提出的方法在效率和轨迹质量方面的重要性。现实世界实验验证了我们算法的实用性。我们将发布我们的代码作为开源软件包，目的是参考研究社区。

Autonomous vehicles must often contend with conflicting planning requirements, e.g., safety and comfort could be at odds with each other if avoiding a collision calls for slamming the brakes. To resolve such conflicts, assigning importance ranking to rules (i.e., imposing a rule hierarchy) has been proposed, which, in turn, induces rankings on trajectories based on the importance of the rules they satisfy. On one hand, imposing rule hierarchies can enhance interpretability, but introduce combinatorial complexity to planning; while on the other hand, differentiable reward structures can be leveraged by modern gradient-based optimization tools, but are less interpretable and unintuitive to tune. In this paper, we present an approach to equivalently express rule hierarchies as differentiable reward structures amenable to modern gradient-based optimizers, thereby, achieving the best of both worlds. We achieve this by formulating rank-preserving reward functions that are monotonic in the rank of the trajectories induced by the rule hierarchy; i.e., higher ranked trajectories receive higher reward. Equipped with a rule hierarchy and its corresponding rank-preserving reward function, we develop a two-stage planner that can efficiently resolve conflicting planning requirements. We demonstrate that our approach can generate motion plans in ~7-10 Hz for various challenging road navigation and intersection negotiation scenarios.

In order for automated mobile vehicles to navigate in the real world with minimal collision risks, it is necessary for their planning algorithms to consider uncertainties from measurements and environmental disturbances. In this paper, we consider analytical solutions for a conservative approximation of the mutual probability of collision between two robotic vehicles in the presence of such uncertainties. Therein, we present two methods, which we call unitary scaling and principal axes rotation, for decoupling the bivariate integral required for efficient approximation of the probability of collision between two vehicles including orientation effects. We compare the conservatism of these methods analytically and numerically. By closing a control loop through a model predictive guidance scheme, we observe through Monte-Carlo simulations that directly implementing collision avoidance constraints from the conservative approximations remains infeasible for real-time planning. We then propose and implement a convexification approach based on the tightened collision constraints that significantly improves the computational efficiency and robustness of the predictive guidance scheme.

我们解决了由具有不同驱动程序行为的道路代理人填充的密集模拟交通环境中的自我车辆导航问题。由于其异构行为引起的代理人的不可预测性，这种环境中的导航是挑战。我们提出了一种新的仿真技术，包括丰富现有的交通模拟器，其具有与不同程度的侵略性程度相对应的行为丰富的轨迹。我们在驾驶员行为建模算法的帮助下生成这些轨迹。然后，我们使用丰富的模拟器培训深度加强学习（DRL）策略，包括一组高级车辆控制命令，并在测试时间使用此策略来执行密集流量的本地导航。我们的政策隐含地模拟了交通代理商之间的交互，并计算了自助式驾驶员机动，例如超速，超速，编织和突然道路变化的激进驾驶员演习的安全轨迹。我们增强的行为丰富的模拟器可用于生成由对应于不同驱动程序行为和流量密度的轨迹组成的数据集，我们的行为的导航方案可以与最先进的导航算法相结合。

延迟在迅速变化的环境中运行的自主系统的危害安全性，例如在自动驾驶和高速赛车方面的交通参与者的非确定性。不幸的是，在传统的控制器设计或在物理世界中部署之前，通常不考虑延迟。在本文中，从非线性优化到运动计划和控制以及执行器引起的其他不可避免的延迟的计算延迟被系统地和统一解决。为了处理所有这些延迟，在我们的框架中：1）我们提出了一种新的过滤方法，而没有事先了解动态和干扰分布的知识，以适应，安全地估算时间变化的计算延迟； 2）我们为转向延迟建模驱动动力学； 3）所有约束优化均在强大的管模型预测控制器中实现。对于应用的优点，我们证明我们的方法适合自动驾驶和自动赛车。我们的方法是独立延迟补偿控制器的新型设计。此外，在假设无延迟作为主要控制器的学习控制器的情况下，我们的方法是主要控制器的安全保护器。

这项工作研究了以下假设：与人类驾驶状态的部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP）计划可以显着提高自动高速公路驾驶的安全性和效率。我们在模拟场景中评估了这一假设，即自动驾驶汽车必须在快速连续中安全执行三个车道变化。通过观测扩大（POMCPOW）算法，通过部分可观察到的蒙特卡洛计划获得了近似POMDP溶液。这种方法的表现优于过度自信和保守的MDP基准，匹配或匹配效果优于QMDP。相对于MDP基准，POMCPOW通常将不安全情况的速率降低了一半或将成功率提高50％。

在公共道路上大规模的自动车辆部署有可能大大改变当今社会的运输方式。尽管这种追求是在几十年前开始的，但仍有公开挑战可靠地确保此类车辆在开放环境中安全运行。尽管功能安全性是一个完善的概念，但测量车辆行为安全的问题仍然需要研究。客观和计算分析交通冲突的一种方法是开发和利用所谓的关键指标。在与自动驾驶有关的各种应用中，当代方法利用了关键指标的潜力，例如用于评估动态风险或过滤大型数据集以构建方案目录。作为系统地选择适当的批判性指标的先决条件，我们在自动驾驶的背景下广泛回顾了批判性指标，其属性及其应用的现状。基于这篇综述，我们提出了一种适合性分析，作为一种有条不紊的工具，可以由从业者使用。然后，可以利用提出的方法和最新审查的状态来选择涵盖应用程序要求的合理的测量工具，如分析的示例性执行所证明。最终，高效，有效且可靠的衡量自动化车辆安全性能是证明其可信赖性的关键要求。

Robots such as autonomous vehicles and assistive manipulators are increasingly operating in dynamic environments and close physical proximity to people. In such scenarios, the robot can leverage a human motion predictor to predict their future states and plan safe and efficient trajectories. However, no model is ever perfect -- when the observed human behavior deviates from the model predictions, the robot might plan unsafe maneuvers. Recent works have explored maintaining a confidence parameter in the human model to overcome this challenge, wherein the predicted human actions are tempered online based on the likelihood of the observed human action under the prediction model. This has opened up a new research challenge, i.e., \textit{how to compute the future human states online as the confidence parameter changes?} In this work, we propose a Hamilton-Jacobi (HJ) reachability-based approach to overcome this challenge. Treating the confidence parameter as a virtual state in the system, we compute a parameter-conditioned forward reachable tube (FRT) that provides the future human states as a function of the confidence parameter. Online, as the confidence parameter changes, we can simply query the corresponding FRT, and use it to update the robot plan. Computing parameter-conditioned FRT corresponds to an (offline) high-dimensional reachability problem, which we solve by leveraging recent advances in data-driven reachability analysis. Overall, our framework enables online maintenance and updates of safety assurances in human-robot interaction scenarios, even when the human prediction model is incorrect. We demonstrate our approach in several safety-critical autonomous driving scenarios, involving a state-of-the-art deep learning-based prediction model.

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。

交叉点是自主行驶中最复杂和事故的城市场景之一，其中制造安全和计算有效的决策是非微不足道的。目前的研究主要关注简化的交通状况，同时忽略了混合交通流量的存在，即车辆，骑自行车者和行人。对于城市道路而言，不同的参与者导致了一个非常动态和复杂的互动，从而冒着学习智能政策的困难。本文在集成决策和控制框架中开发动态置换状态表示，以处理与混合业务流的信号化交集。特别地，该表示引入了编码功能和总和运算符，以构建来自环境观察的驱动状态，能够处理不同类型和变体的交通参与者。构建了受约束的最佳控制问题，其中目标涉及跟踪性能，并且不同参与者和信号灯的约束分别设计以确保安全性。我们通过离线优化编码函数，值函数和策略函数来解决这个问题，其中编码函数给出合理的状态表示，然后用作策略和值函数的输入。禁止策略培训旨在重用从驾驶环境中的观察，并且使用时间通过时间来利用策略函数和编码功能联合。验证结果表明，动态置换状态表示可以增强IDC的驱动性能，包括具有大边距的舒适性，决策合规性和安全性。训练有素的驾驶政策可以实现复杂交叉口的高效和平滑通过，同时保证驾驶智能和安全性。

基于神经网络的驾驶规划师在改善自动驾驶的任务绩效方面表现出了巨大的承诺。但是，确保具有基于神经网络的组件的系统的安全性，尤其是在密集且高度交互式的交通环境中，这是至关重要的，但又具有挑战性。在这项工作中，我们为基于神经网络的车道更改提出了一个安全驱动的互动计划框架。为了防止过度保守计划，我们确定周围车辆的驾驶行为并评估其侵略性，然后以互动方式相应地适应了计划的轨迹。如果在预测的最坏情况下，即使存在安全的逃避轨迹，则自我车辆可以继续改变车道；否则，它可以停留在当前的横向位置附近或返回原始车道。我们通过广泛而全面的实验环境以及在自动驾驶汽车公司收集的现实情况下进行了广泛的模拟，定量证明了计划者设计的有效性及其优于基线方法的优势。

在安全关键方案中利用自主系统需要在存在影响系统动态的不确定性和黑匣子组件存在下验证其行为。在本文中，我们开发了一个框架，用于验证部分可观察到的离散时间动态系统，从给定的输入输出数据集中具有针对时间逻辑规范的未暗模式可分散的动态系统。验证框架采用高斯进程（GP）回归，以了解数据集中的未知动态，并将连续空间系统抽象为有限状态，不确定的马尔可夫决策过程（MDP）。这种抽象依赖于通过使用可重复的内核Hilbert空间分析以及通过离散化引起的不确定性来捕获由于GP回归中的错误而捕获不确定性的过渡概率间隔。该框架利用现有的模型检查工具来验证对给定时间逻辑规范的不确定MDP抽象。我们建立将验证结果扩展到潜在部分可观察系统的抽象结果的正确性。我们表明框架的计算复杂性在数据集和离散抽象的大小中是多项式。复杂性分析说明了验证结果质量与处理较大数据集和更精细抽象的计算负担之间的权衡。最后，我们展示了我们的学习和验证框架在具有线性，非线性和切换动力系统的几种案例研究中的功效。

In this paper, we propose a control synthesis method for signal temporal logic (STL) specifications with neural networks (NNs). Most of the previous works consider training a controller for only a given STL specification. These approaches, however, require retraining the NN controller if a new specification arises and needs to be satisfied, which results in large consumption of memory and inefficient training. To tackle this problem, we propose to construct NN controllers by introducing encoder-decoder structured NNs with an attention mechanism. The encoder takes an STL formula as input and encodes it into an appropriate vector, and the decoder outputs control signals that will meet the given specification. As the encoder, we consider three NN structures: sequential, tree-structured, and graph-structured NNs. All the model parameters are trained in an end-to-end manner to maximize the expected robustness that is known to be a quantitative semantics of STL formulae. We compare the control performances attained by the above NN structures through a numerical experiment of the path planning problem, showing the efficacy of the proposed approach.

这项工作提出了利用对机器人周围环境的逐步改善的象征感知知识的一步，以证明适用于自动驾驶问题的正确反应性控制合成。结合了运动控制和信息收集的抽象模型，我们表明假设保证规范（线性时间逻辑的子类）可用于定义和解决谨慎计划的流量规则。我们提出了一种新颖的表示，称为符号改进树，以捕获有关环境的增量知识，并体现了各种符号感知输入之间的关系。利用增量知识来合成机器人的验证反应性计划。案例研究表明，即使在部分遮挡的环境中，拟议方法在合成控制输入方面的疗效。

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。