[논문 리뷰] Dynamics-Based Reactive Synthesis and Automated Revisions for High-Level Robot Control

Jonathan DeCastro, Rüdiger Ehlers외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 23.

Formal Methods in Verification참고 문헌 23인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 시스템 및 환경 사양을 통합된 시간 논리 공식으로 통합하는 동역학 기반의 반응적 합성 프레임워크를 제안한다. 운동 동역학과 반응적 합성을 결합함으로써, 생존성 및 안전성 성질을 만족하는 증명 가능하게 올바른 로봇 행동을 생성하며, 센서 피드백과 동적 제약 조건이 있는 공장 로봇 작업에서 성능을 입증한다.

ABSTRACT

The aim of this work is to address issues where formal specifications cannot be realized on a given dynamical system subjected to a changing environment. Such failures occur whenever the dynamics of the system restrict the robot in such a way that the environment may prevent the robot from progressing safely to its goals. We provide a framework that automatically synthesizes revisions to such specifications that restrict the assumed behaviors of the environment and the behaviors of the system. We provide a means for explaining such modifications to the user in a concise, easy-to-understand manner. Integral to the framework is a new algorithm for synthesizing controllers for reactive specifications that include a discrete representation of the robot's dynamics. The new approach is demonstrated with a complex task implemented using a unicycle model.

연구 동기 및 목표

• 동적 환경에서 혼합된 시스템 및 환경 요구사항을 충족하는 정의된 바에 따라 생성된 로봇 행동을 해결하는 데 목적이 있다.
• 연속적인 동역학(예: 로봇 관성)을 이산적 반응적 합성과 통합하여 고수준 제어를 수행하는 데 목적이 있다.
• 시스템 안전성(점유된 스테이션을 회피함)과 생존성(모든 필수 위치를 방문함), 그리고 환경 안전성 및 생존성(로봇이 점유할 때 스테이션이 비어 있음을 보장함)을 확보하는 데 목적이 있다.
• 실현 불가능성이 감지되었을 때 사양을 자동으로 수정함으로써 사양 작성의 강건성을 향상시키는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 로봇 제어를 선형 시간 논리(LTL) 사양에 기반한 합성 문제로 공식화하여 시스템 및 환경 요구사항을 포함한다.
• 로봇의 운동을 제2차 동역학(예: ẍ = u)을 사용하여 모델링하여 물리적 제약 조건을 반영한다.
• 센서 신호(예: s1_occupied)를 합성 과정의 환경의 관측 가능한 입력으로 통합한다.
• 안전성 및 생존성 조건을 포함한 전체 사양을 만족하는 전략을 생성하기 위해 반응적 합성 알고리즘을 적용한다.
• 연속 상태를 이산 제어 결정으로 매핑하기 위해 동역학 인식 추상화를 사용한다.
• 충돌하는 제약 조건을 식별함으로써 실현 불가능한 사양의 자동 수정을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속적 로봇 동역학을 어떻게 반응적 합성과 통합하여 정의된 바에 따라 생성된 제어 정책을 생성할 수 있는가?
• RQ2 환경의 생존성 및 안전성 제약 조건을 포함할 경우, 로봇 행동의 실현 가능성과 합성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 프레임워크는 사양 충돌을 자동으로 감지하고 해결할 수 있는가? 이는 사양 공학을 향상시키는 데 기여하는가?
• RQ4 센서 피드백(예: 점유 상태)이 합성 결과 및 제어 전략에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 동역학 모델링은 합성된 로봇 궤적의 물리적 실현 가능성 확보에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 제안된 프레임워크는 공장 환경에서 로봇의 모든 지정된 생존성 및 안전성 조건을 만족하는 반응적 제어 전략을 성공적으로 생성한다.
• 사양 φ는 실현 가능하다. 이는 주어진 제약 조건 하에 정의된 바에 따라 생성된 제어 정책이 존재함을 확인한다.
• 로봇 동역학(ẍ = u)과 LTL 합성의 통합은 물리적으로 타당하고 증명 가능하게 올바른 행동을 가능하게 한다.
• 실현 불가능한 사양의 자동 감지 및 수정을 지원함으로써 사양의 강건성을 향상시킨다.
• 센서 피드백(예: s1_occupied)은 실행 중 동적 안전성 제약 조건을 효과적으로 구현하는 데 사용된다.
• 프레임워크는 스테이션이 무한히 자주 비어 있음을 보장함(환경 생존성)과 동시에 점유된 상태일 때 로봇이 접근하지 못하게 하며(시스템 안전성), 그 반대의 경우도 마찬가지로 보장함(환경 안전성)한다.