[论文解读] PROSKILL: A formal skill language for acting in robotics

Félix Ingrand|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

AI-based Problem Solving and Planning被引用 1

一句话总结

本文提出了ProSkill，一种用于机器人动作的正式技能语言，可明确映射到Fiacre形式化框架，从而实现离线模型检测与在线运行时验证。主要贡献在于在真实无人机巡检任务中展示了统一的执行与验证流程，通过形式化方法确保语义一致性和安全性，且无需领域专家参与验证与确认（V&V）。

ABSTRACT

Acting is an important decisional function for autonomous robots. Acting relies on skills to implement and to model the activities it oversees: refinement, local recovery, temporal dispatching, external asynchronous events, and commands execution, all done online. While sitting between planning and the robotic platform, acting often relies on programming primitives and an interpreter which executes these skills. Following our experience in providing a formal framework to program the functional components of our robots, we propose a new language, to program the acting skills. This language maps unequivocally into a formal model which can then be used to check properties offline or execute the skills, or more precisely their formal equivalent, and perform runtime verification. We illustrate with a real example how we can program a survey mission for a drone in this new language, prove some formal properties on the program and directly execute the formal model on the drone to perform the mission.

研究动机与目标

• 为解决机器人动作组件中缺乏形式化验证的问题，而这些组件对自主机器人决策至关重要。
• 通过提供一种形式化、可执行且可验证的技能语言，弥合高层规划与底层机器人控制之间的鸿沟。
• 实现基于同一形式化模型的离线验证（模型检测）与在线运行时验证。
• 支持在真实机器人平台（如无人机）上实际部署，并提供形式化保证。
• 使形式化验证对机器人研究人员更加实用且易于使用，无需深入掌握验证理论。

提出的方法

• 设计ProSkill为一种具有控制结构（测试、分支、循环、并行）且显式处理时间的程序化技能语言。
• 将ProSkill原语映射到Fiacre形式化体系，该体系为建模与验证提供了严格的数学基础。
• 通过自动、无歧义的ProSkill到Fiacre的转换，确保规格与执行之间的语义一致性。
• 通过模型检测进行离线验证，以验证技能模型的逻辑与时间属性。
• 在运行时直接执行形式化Fiacre模型，以实现对安全属性的实时监控与强制执行。
• 将形式化模型部署于真实无人机平台，执行巡检任务并提供形式化验证保证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将一种程序化技能语言正式映射到如Fiacre这类具备验证能力的形式化体系，同时保持操作语义的一致性？
• RQ2 如何有效将离线模型检测与在线运行时验证应用于同一机器人动作组件的形式化模型？
• RQ3 在不依赖形式化方法专业知识的前提下，形式化验证能在多大程度上实现实用化与可访问性？
• RQ4 同一形式化模型能否同时用于验证与真实机器人硬件上的实际执行？
• RQ5 在动作层集成形式化方法在多大程度上提升了自主机器人的安全性与可信度？

主要发现

• ProSkill语言能够以无歧义、自动的方式映射到Fiacre，确保规格与执行之间的语义一致性。
• 离线模型检测可验证动作行为的复杂时间与逻辑属性，例如不变量满足性与正确的状态转换。
• 运行时验证是可行且高效的，在无人机平台上以100 Hz的频率执行形式化模型，实现了实时安全监控。
• 该方法已在真实世界无人机巡检任务中成功验证，展示了实际应用中的端到端形式化验证。
• 使用单一形式化模型同时用于验证与执行，消除了设计与部署之间的语义鸿沟。
• 该框架具有可扩展性，可适配其他形式化体系（如行为树或RMPL），推动形式化验证动作组件的广泛应用。