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。

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。

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。

安全保证在许多工程实施中至关重要。强化学习提供了一种有用的方法来加强安全性。但是，增强学习算法不能完全保证对现实操作的安全性。为了解决这个问题，这项工作采用了对强化学习的控制障碍功能，并提出了一种补偿算法以完全维持安全性。具体而言，已经利用了一个方案的总和来搜索最佳控制器，并同时调整学习超级标准。因此，控制动作始终在安全区域内。提出的方法的有效性通过倒置模型证明。与基于二次编程的强化学习方法相比，我们的基于方案的基因加固学习表明了它的优势。

值得信赖的强化学习算法应有能力解决挑战性的现实问题，包括{Robustly}处理不确定性，满足{安全}的限制以避免灾难性的失败，以及在部署过程中{prencepentiming}以避免灾难性的失败}。这项研究旨在概述这些可信赖的强化学习的主要观点，即考虑其在鲁棒性，安全性和概括性上的内在脆弱性。特别是，我们给出严格的表述，对相应的方法进行分类，并讨论每个观点的基准。此外，我们提供了一个前景部分，以刺激有希望的未来方向，并简要讨论考虑人类反馈的外部漏洞。我们希望这项调查可以在统一的框架中将单独的研究汇合在一起，并促进强化学习的可信度。

在许多情况下，增强学习（RL）已被证明是有效的。但是，通常需要探索足够多的国家行动对，其中一些对不安全。因此，其应用于安全至关重要的系统仍然是一个挑战。解决安全性的越来越普遍的方法涉及将RL动作投射到安全的一组动作上的安全层。反过来，此类框架的困难是如何有效地将RL与安全层搭配以提高学习绩效。在本文中，我们将安全性作为基于型号的RL框架中的可区分强大控制式 - 助推器功能层。此外，我们还提出了一种模块化学习基本奖励驱动的任务的方法，独立于安全限制。我们证明，这种方法既可以确保安全性，又可以有效地指导一系列实验中的训练期间的探索，包括以模块化的方式学习奖励时，包括零拍传递。

在强化学习（RL）的试验和错误机制中，我们期望学习安全的政策时出现臭名昭着的矛盾：如何学习没有足够数据和关于危险区域的先前模型的安全政策？现有方法主要使用危险行动的后期惩罚，这意味着代理人不会受到惩罚，直到体验危险。这一事实导致代理商也无法在收敛之后学习零违规政策。否则，它不会收到任何惩罚并失去有关危险的知识。在本文中，我们提出了安全设置的演员 - 评论家（SSAC）算法，它使用面向安全的能量函数或安全索引限制了策略更新。安全索引旨在迅速增加，以便潜在的危险行动，这使我们能够在动作空间上找到安全设置，或控制安全集。因此，我们可以在服用它们之前识别危险行为，并在收敛后进一步获得零限制违规政策。我们声称我们可以以类似于学习价值函数的无模型方式学习能量函数。通过使用作为约束目标的能量函数转变，我们制定了受约束的RL问题。我们证明我们基于拉格朗日的解决方案确保学习的政策将收敛到某些假设下的约束优化。在复杂的模拟环境和硬件循环（HIL）实验中评估了所提出的算法，具有来自自动车辆的真实控制器。实验结果表明，所有环境中的融合政策达到了零限制违规和基于模型的基线的相当性能。

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。

在本文中，我们研究了加强学习问题的安全政策的学习。这是，我们的目标是控制我们不知道过渡概率的马尔可夫决策过程（MDP），但我们通过经验访问样品轨迹。我们将安全性定义为在操作时间内具有高概率的期望安全集中的代理。因此，我们考虑受限制的MDP，其中限制是概率。由于没有直接的方式来优化关于加强学习框架中的概率约束的政策，因此我们提出了对问题的遍历松弛。拟议的放松的优点是三倍。 （i）安全保障在集界任务的情况下保持，并且它们保持在一个给定的时间范围内，以继续进行任务。 （ii）如果政策的参数化足够丰富，则约束优化问题尽管其非凸起具有任意小的二元间隙。 （iii）可以使用标准策略梯度结果和随机近似工具容易地计算与安全学习问题相关的拉格朗日的梯度。利用这些优势，我们建立了原始双算法能够找到安全和最佳的政策。我们在连续域中的导航任务中测试所提出的方法。数值结果表明，我们的算法能够将策略动态调整到环境和所需的安全水平。

In contrast to the control-theoretic methods, the lack of stability guarantee remains a significant problem for model-free reinforcement learning (RL) methods. Jointly learning a policy and a Lyapunov function has recently become a promising approach to ensuring the whole system with a stability guarantee. However, the classical Lyapunov constraints researchers introduced cannot stabilize the system during the sampling-based optimization. Therefore, we propose the Adaptive Stability Certification (ASC), making the system reach sampling-based stability. Because the ASC condition can search for the optimal policy heuristically, we design the Adaptive Lyapunov-based Actor-Critic (ALAC) algorithm based on the ASC condition. Meanwhile, our algorithm avoids the optimization problem that a variety of constraints are coupled into the objective in current approaches. When evaluated on ten robotic tasks, our method achieves lower accumulated cost and fewer stability constraint violations than previous studies.

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。

深度强化学习（DRL）和深度多机构的强化学习（MARL）在包括游戏AI，自动驾驶汽车，机器人技术等各种领域取得了巨大的成功。但是，众所周知，DRL和Deep MARL代理的样本效率低下，即使对于相对简单的问题设置，通常也需要数百万个相互作用，从而阻止了在实地场景中的广泛应用和部署。背后的一个瓶颈挑战是众所周知的探索问题，即如何有效地探索环境和收集信息丰富的经验，从而使政策学习受益于最佳研究。在稀疏的奖励，吵闹的干扰，长距离和非平稳的共同学习者的复杂环境中，这个问题变得更加具有挑战性。在本文中，我们对单格和多代理RL的现有勘探方法进行了全面的调查。我们通过确定有效探索的几个关键挑战开始调查。除了上述两个主要分支外，我们还包括其他具有不同思想和技术的著名探索方法。除了算法分析外，我们还对一组常用基准的DRL进行了全面和统一的经验比较。根据我们的算法和实证研究，我们终于总结了DRL和Deep Marl中探索的公开问题，并指出了一些未来的方向。

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.

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。

我们使用线性时间逻辑（LTL）约束研究策略优化问题（PO）。LTL的语言允许灵活描述可能不自然的任务，以编码为标量成本函数。我们将LTL受限的PO视为系统框架，将任务规范与策略选择解耦，以及成本塑造标准的替代方案。通过访问生成模型，我们开发了一种基于模型的方法，该方法享有样本复杂性分析，以确保任务满意度和成本最佳性（通过减少到可达性问题）。从经验上讲，即使在低样本制度中，我们的算法也可以实现强大的性能。

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。

Linear temporal logic (LTL) is a widely-used task specification language which has a compositional grammar that naturally induces temporally extended behaviours across tasks, including conditionals and alternative realizations. An important problem i RL with LTL tasks is to learn task-conditioned policies which can zero-shot generalize to new LTL instructions not observed in the training. However, because symbolic observation is often lossy and LTL tasks can have long time horizon, previous works can suffer from issues such as training sampling inefficiency and infeasibility or sub-optimality of the found solutions. In order to tackle these issues, this paper proposes a novel multi-task RL algorithm with improved learning efficiency and optimality. To achieve the global optimality of task completion, we propose to learn options dependent on the future subgoals via a novel off-policy approach. In order to propagate the rewards of satisfying future subgoals back more efficiently, we propose to train a multi-step value function conditioned on the subgoal sequence which is updated with Monte Carlo estimates of multi-step discounted returns. In experiments on three different domains, we evaluate the LTL generalization capability of the agent trained by the proposed method, showing its advantage over previous representative methods.

目标条件层次结构增强学习（HRL）是扩大强化学习（RL）技术的有前途的方法。但是，由于高级的动作空间，即目标空间很大。在大型目标空间中进行搜索对于高级子观念和低级政策学习都构成了困难。在本文中，我们表明，可以使用邻接约束来限制从整个目标空间到当前状态的$ k $步骤相邻区域的高级动作空间，从而有效缓解此问题。从理论上讲，我们证明在确定性的马尔可夫决策过程（MDP）中，所提出的邻接约束保留了最佳的层次结构策略，而在随机MDP中，邻接约束诱导了由MDP的过渡结构确定的有界状态价值次数。我们进一步表明，可以通过培训可以区分邻近和非贴种亚目标的邻接网络来实际实现此约束。对离散和连续控制任务的实验结果，包括挑战性的机器人运动和操纵任务，表明合并邻接性约束可显着提高最先进的目标条件条件的HRL方法的性能。