Learning Control Barrier Functions from Expert Demonstrations

李普希茨连续性 计算机科学 有界函数 控制器(灌溉) 平滑度 数学优化 过程(计算) 动力系统理论 控制理论(社会学) 人工智能 控制(管理) 数学 数学分析 量子力学 农学 生物 物理 操作系统
作者
Alexander Robey,Haimin Hu,Lars Lindemann,Hanwen Zhang,Dimos V. Dimarogonas,Stephen Tu,Nikolai Matni
出处
期刊:Proceedings of the IEEE Conference on Decision & Control, including the Symposium on Adaptive Processes [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 3717-3724 被引量:207
标识
DOI:10.1109/cdc42340.2020.9303785
摘要

Inspired by the success of imitation and inverse reinforcement learning in replicating expert behavior through optimal control, we propose a learning based approach to safe controller synthesis based on control barrier functions (CBFs). We consider the setting of a known nonlinear control affine dynamical system and assume that we have access to safe trajectories generated by an expert - a practical example of such a setting would be a kinematic model of a self-driving vehicle with safe trajectories (e.g., trajectories that avoid collisions with obstacles in the environment) generated by a human driver. We then propose and analyze an optimization based approach to learning a CBF that enjoys provable safety guarantees under suitable Lipschitz smoothness assumptions on the underlying dynamical system. A strength of our approach is that it is agnostic to the parameterization used to represent the CBF, assuming only that the Lipschitz constant of such functions can be efficiently bounded. Furthermore, if the CBF parameterization is convex, then under mild assumptions, so is our learning process. We end with extensive numerical evaluations of our results on both planar and realistic examples, using both random feature and deep neural network parameterizations of the CBF. To the best of our knowledge, these are the first results that learn provably safe control barrier functions from data.
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