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具有控制仿射動力學近似的可認證安全模型強化學習

文章摘要

提出一種安全的模型強化學習框架,透過學習控制仿射動力學並使用自適應共形預測量化不確定性,結合控制勢壘函式實現可證明的安全策略。在推車杆和3D四旋翼平臺上驗證了有效性。

來源arXiv Robotics作者: Hao Zhou, Yanze Zhang, Cameron Reid, Wenhao Luo
具有控制仿射動力學近似的可認證安全模型強化學習
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近日,一篇發表於arXiv的論文提出了一種可認證安全的模型強化學習框架,旨在解決機器人在探索未知動態系統時的安全挑戰。該框架將控制理論分析與強化學習相結合,在保證任務效率的同時確保安全性。傳統方法往往忽略殘差模型不確定性的結構,例如控制仿射分量,這可能導致機器人行為過於保守或安全保證失效。

該研究首先使用控制仿射隨機傅立葉特徵(ARFF)對機器人動力學進行建模。這種建模方式將動力學表示為控制仿射形式,不僅計算效率高,能夠隨資料集規模線性擴充套件,還能有效減少模型偏差,為後續的模型強化學習提供更準確的動力學模型。

在不確定性量化方面,論文采用了一種無模型的自適應共形預測(ACP)方法。該方法能夠高效地量化由學習動力學模型引入的安全約束不確定性,為控制勢壘函式(CBF)的設計提供資料驅動的安全保證。透過ACP,研究者能夠在不依賴精確模型的情況下,原則性地合成安全的控制策略。

模擬實驗在推車杆和三維四旋翼兩個平臺上進行。結果表明,所提出的框架能夠有效平衡安全性和任務效率,在確保安全的前提下完成複雜任務。該論文已被IROS 2026接收,為安全強化學習在機器人領域的實際應用提供了新的思路,尤其是在需要嚴格安全保證的自主系統中。

展開要點與分析

文章情報

工程師進階

要點

  • 利用控制仿射隨機傅立葉特徵建模機器人動力學,提高計算效率並減少模型偏差。
  • 採用自適應共形預測方法量化安全約束的不確定性,實現資料驅動的安全保障。
  • 在推車杆和3D四旋翼平臺上的模擬驗證了框架的有效性。

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