高斯过程回归通常用于学习未知系统并指定学习模型的不确定性。当使用高斯过程回归学习未知系统时，通常考虑的方法包括在应用一些标准离散化之后学习残差动态，但这可能不适合手头的系统。变形积分器是一种不太常见的离散化方法，因为它们保持底层系统的物理性质，例如节能或明确限制的满足。在这项工作中，我们提出了用于机械系统的标称动态的变形积分器和高斯过程回归学习残留动态的组合。我们将我们的方法扩展到具有已知运动限制的系统，并在预测不确定性上提供正式的界限。该方法的模拟评估显示了根据理论结果的理想节能特性，并证明了治疗受限动力系统的能力。

大多数物理过程具有结构性属性，例如恒定的能量，卷和其他不变性随着时间的推移。当这种动态系统的学习模型时，尊重这些不变性是至关重要的，以确保准确的预测和物理上有意义的行为。引人注目地，高斯过程中的最先进的方法（GP）动态模型学习没有解决这个问题。另一方面，经典的数值积分器专门设计用于通过时间保持这些关键特性。我们建议将GPS的优势与具有用于动态系统的结构保留数值积分器的功能近似器，例如跳动 - 库特拉方法。这些集成商假设访问地面真理动态，并要求对基于学习的场景中未知的中间和未知的中间和未来时间步骤进行评估。这使得GP动力学的直接推动，具有嵌入式数字方案，棘爪。我们的主要技术贡献是评估隐式定义的runge-Kutta转换概率。简而言之，我们介绍了一种用于GP回归的隐式层，其嵌入到基于变分的推断的模型学习方案中。

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.

Machine learning models can be improved by adapting them to respect existing background knowledge. In this paper we consider multitask Gaussian processes, with background knowledge in the form of constraints that require a specific sum of the outputs to be constant. This is achieved by conditioning the prior distribution on the constraint fulfillment. The approach allows for both linear and nonlinear constraints. We demonstrate that the constraints are fulfilled with high precision and that the construction can improve the overall prediction accuracy as compared to the standard Gaussian process.

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。

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。

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。

在这项工作中，我们考虑使用应用于四逆床控制的模型预测控制（MPC）导出和加入准确动态模型的问题。 MPC依赖于精确的动态模型来实现所需的闭环性能。然而，在复杂系统中存在不确定性以及他们在其运行的环境中的存在在获得对系统动态的充分准确表示方面构成挑战。在这项工作中，我们利用深度学习工具，基于知识的神经常规方程（KNODE），增强了从第一原理获得的模型。由此产生的混合模型包括来自模拟或现实世界实验数据的标称第一原理模型和神经网络。使用四轮压力机，我们将混合模型用于针对最先进的高斯过程（GP）模型，并表明混合模型提供了Quadrotor动态的更准确的预测，并且能够概括超出训练数据。为了提高闭环性能，混合模型集成到新的MPC框架中，称为KNODE-MPC。结果表明，就轨迹跟踪性能而言，综合框架在物理实验中达到了60.2％的仿真和21％以上。

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.

该论文提出了两种控制方法，用于用微型四轮驱动器进行反弹式操纵。首先，对专门为反转设计设计的现有前馈控制策略进行了修订和改进。使用替代高斯工艺模型的贝叶斯优化通过在模拟环境中反复执行翻转操作来找到最佳运动原语序列。第二种方法基于闭环控制，它由两个主要步骤组成：首先，即使在模型不确定性的情况下，自适应控制器也旨在提供可靠的参考跟踪。控制器是通过通过测量数据调整的高斯过程来增强无人机的标称模型来构建的。其次，提出了一种有效的轨迹计划算法，该算法仅使用二次编程来设计可行的轨迹为反弹操作设计。在模拟和使用BitCraze Crazyflie 2.1四肢旋转器中对两种方法进行了分析。

Safety is one of the biggest concerns to applying reinforcement learning (RL) to the physical world. In its core part, it is challenging to ensure RL agents persistently satisfy a hard state constraint without white-box or black-box dynamics models. This paper presents an integrated model learning and safe control framework to safeguard any agent, where its dynamics are learned as Gaussian processes. The proposed theory provides (i) a novel method to construct an offline dataset for model learning that best achieves safety requirements; (ii) a parameterization rule for safety index to ensure the existence of safe control; (iii) a safety guarantee in terms of probabilistic forward invariance when the model is learned using the aforementioned dataset. Simulation results show that our framework guarantees almost zero safety violation on various continuous control tasks.

物理建模对于许多现代科学和工程应用至关重要。从数据科学或机器学习的角度来看，更多的域 - 不可吻合，数据驱动的模型是普遍的，物理知识 - 通常表示为微分方程 - 很有价值，因为它与数据是互补的，并且可能有可能帮助克服问题例如数据稀疏性，噪音和不准确性。在这项工作中，我们提出了一个简单但功能强大且通用的框架 - 自动构建物理学，可以将各种微分方程集成到高斯流程（GPS）中，以增强预测准确性和不确定性量化。这些方程可以是线性或非线性，空间，时间或时空，与未知的源术语完全或不完整，等等。基于内核分化，我们在示例目标函数，方程相关的衍生物和潜在源函数之前构建了GP，这些函数全部来自多元高斯分布。采样值被馈送到两个可能性：一个以适合观测值，另一个符合方程式。我们使用美白方法来逃避采样函数值和内核参数之间的强依赖性，并开发出一种随机变分学习算法。在模拟和几个现实世界应用中，即使使用粗糙的，不完整的方程式，自动元素都显示出对香草GPS的改进。

在许多学科中，动态系统的数据信息预测模型的开发引起了广泛的兴趣。我们提出了一个统一的框架，用于混合机械和机器学习方法，以从嘈杂和部分观察到的数据中识别动态系统。我们将纯数据驱动的学习与混合模型进行比较，这些学习结合了不完善的域知识。我们的公式与所选的机器学习模型不可知，在连续和离散的时间设置中都呈现，并且与表现出很大的内存和错误的模型误差兼容。首先，我们从学习理论的角度研究无内存线性（W.R.T.参数依赖性）模型误差，从而定义了过多的风险和概括误差。对于沿阵行的连续时间系统，我们证明，多余的风险和泛化误差都通过与T的正方形介于T的术语（指定训练数据的时间间隔）的术语界定。其次，我们研究了通过记忆建模而受益的方案，证明了两类连续时间复发性神经网络（RNN）的通用近似定理：两者都可以学习与内存有关的模型误差。此外，我们将一类RNN连接到储层计算，从而将学习依赖性错误的学习与使用随机特征在Banach空间之间进行监督学习的最新工作联系起来。给出了数值结果（Lorenz '63，Lorenz '96多尺度系统），以比较纯粹的数据驱动和混合方法，发现混合方法较少，渴望数据较少，并且更有效。最后，我们从数值上证明了如何利用数据同化来从嘈杂，部分观察到的数据中学习隐藏的动态，并说明了通过这种方法和培训此类模型来表示记忆的挑战。

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。

非线性动态系统的识别仍然是整个工程的重大挑战。这项工作提出了一种基于贝叶斯过滤的方法，以提取和确定系统中未知的非线性项的贡献，可以将其视为恢复力表面类型方法的替代观点。为了实现这种识别，最初将非线性恢复力的贡献作为高斯过程建模。该高斯过程将转换为状态空间模型，并与系统的线性动态组件结合使用。然后，通过推断过滤和平滑分布，可以提取系统的内部状态和非线性恢复力。在这些状态下，可以构建非线性模型。在模拟案例研究和实验基准数据集中，该方法被证明是有效的。

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。

封闭曲线的建模和不确定性量化是形状分析领域的重要问题，并且可以对随后的统计任务产生重大影响。这些任务中的许多涉及封闭曲线的集合，这些曲线通常在多个层面上表现出结构相似性。以有效融合这种曲线间依赖性的方式对多个封闭曲线进行建模仍然是一个具有挑战性的问题。在这项工作中，我们提出并研究了一个多数输出（又称多输出），多维高斯流程建模框架。我们说明了提出的方法学进步，并在几个曲线和形状相关的任务上证明了有意义的不确定性量化的实用性。这种基于模型的方法不仅解决了用内核构造对封闭曲线（及其形状）的推断问题，而且还为通常对功能对象的多层依赖性的非参数建模打开了门。

如果机器人曾经实现与动物所展示的机器人相当的自动运动，则它们必须获得在损害，故障或环境条件下快速恢复运动行为的能力，从而损害了其有效移动的能力。我们提出了一种方法，该方法使我们的机器人和模拟机器人能够在几十次尝试中恢复自由运动行为的高度。我们的方法采用行为规范，以等级的差异约束来表达所需的行为。我们展示了如何通过编码模板来考虑这些约束，从而产生了将先前优化的行为推广到新情况下以快速学习的形式概括的秘诀。我们进一步说明，在数据驱动的上下文中，足够的限制通常很容易确定。作为例证，我们证明了我们在物理7 DOF六型六杆元机器人上的恢复方法，以及对6 DOF 2D运动机制的模拟。在这两种情况下，我们恢复了与先前优化的运动在功能上无法区分的行为。

Interacting particle or agent systems that display a rich variety of swarming behaviours are ubiquitous in science and engineering. A fundamental and challenging goal is to understand the link between individual interaction rules and swarming. In this paper, we study the data-driven discovery of a second-order particle swarming model that describes the evolution of $N$ particles in $\mathbb{R}^d$ under radial interactions. We propose a learning approach that models the latent radial interaction function as Gaussian processes, which can simultaneously fulfill two inference goals: one is the nonparametric inference of {the} interaction function with pointwise uncertainty quantification, and the other one is the inference of unknown scalar parameters in the non-collective friction forces of the system. We formulate the learning problem as a statistical inverse problem and provide a detailed analysis of recoverability conditions, establishing that a coercivity condition is sufficient for recoverability. Given data collected from $M$ i.i.d trajectories with independent Gaussian observational noise, we provide a finite-sample analysis, showing that our posterior mean estimator converges in a Reproducing kernel Hilbert space norm, at an optimal rate in $M$ equal to the one in the classical 1-dimensional Kernel Ridge regression. As a byproduct, we show we can obtain a parametric learning rate in $M$ for the posterior marginal variance using $L^{\infty}$ norm, and the rate could also involve $N$ and $L$ (the number of observation time instances for each trajectory), depending on the condition number of the inverse problem. Numerical results on systems that exhibit different swarming behaviors demonstrate efficient learning of our approach from scarce noisy trajectory data.

当信号通过物理传感器测量，它们被噪声干扰。为了减少噪音，低通滤波器，以便衰减高频分量的输入信号，如果无论它们来自噪声或实际信号被通常使用的。因此，低通滤波器必须仔细调整以避免信号的显著恶化。这种调整需要有关的信号，这往往不是在应用，如强化学习或基于学习控制提供先验知识。为了克服这种限制，我们提出了一种基于高斯过程回归自适应低通滤波器。通过考虑以前的意见，更新和预测足够快的现实世界的滤波应用的恒定窗口即可实现。此外，超参数导致的低通行为适配的在线优化，使得没有事先调整是必要的。我们表明，该方法的估计误差一致有界，并证明了该方法的灵活性和效率的几个模拟。