Machine learning driven image-based controllers allow robotic systems to take intelligent actions based on the visual feedback from their environment. Understanding when these controllers might lead to system safety violations is important for their integration in safety-critical applications and engineering corrective safety measures for the system. Existing methods leverage simulation-based testing (or falsification) to find the failures of vision-based controllers, i.e., the visual inputs that lead to closed-loop safety violations. However, these techniques do not scale well to the scenarios involving high-dimensional and complex visual inputs, such as RGB images. In this work, we cast the problem of finding closed-loop vision failures as a Hamilton-Jacobi (HJ) reachability problem. Our approach blends simulation-based analysis with HJ reachability methods to compute an approximation of the backward reachable tube (BRT) of the system, i.e., the set of unsafe states for the system under vision-based controllers. Utilizing the BRT, we can tractably and systematically find the system states and corresponding visual inputs that lead to closed-loop failures. These visual inputs can be subsequently analyzed to find the input characteristics that might have caused the failure. Besides its scalability to high-dimensional visual inputs, an explicit computation of BRT allows the proposed approach to capture non-trivial system failures that are difficult to expose via random simulations. We demonstrate our framework on two case studies involving an RGB image-based neural network controller for (a) autonomous indoor navigation, and (b) autonomous aircraft taxiing.


翻译:机器学习驱动的基于图像的控制器使机器人系统能够根据环境的视觉反馈做出智能决策。了解这些控制器何时可能导致系统违反安全规范,对于将其集成到安全关键应用以及制定工程化的系统安全纠正措施至关重要。现有方法利用基于模拟的测试(或反证法)来发现视觉控制器的失效,即导致闭环安全违规的视觉输入。然而,这些技术在处理涉及高维复杂视觉输入(如RGB图像)的场景时扩展性不佳。本研究将寻找闭环视觉失效问题建模为Hamilton-Jacobi (HJ) 可达性问题。我们的方法融合了基于模拟的分析与HJ可达性方法,以计算系统后向可达管(BRT)的近似值,即基于视觉控制器的系统不安全状态集合。利用BRT,我们能够可计算且系统地找到导致闭环失效的系统状态及相应视觉输入。随后可分析这些视觉输入,以确定可能引发失效的输入特征。除了对高维视觉输入的可扩展性外,BRT的显式计算使所提出的方法能够捕获通过随机模拟难以暴露的非平凡系统失效。我们通过两个案例研究验证了该框架,涉及基于RGB图像的神经网络控制器,分别用于(a)自主室内导航和(b)自主飞机滑行。

0
下载
关闭预览

相关内容

强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
MoCoGAN 分解运动和内容的视频生成
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月21日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2010年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年4月27日
Arxiv
37+阅读 · 2021年8月2日
A Survey of Deep Learning for Scientific Discovery
Arxiv
29+阅读 · 2020年3月26日
VIP会员
最新内容
《多域战场上反制小型无人机系统》150页
专知会员服务
9+阅读 · 今天7:47
战场人工智能:增强陆地作战能力的发现与要求
专知会员服务
2+阅读 · 今天7:37
以人工智能为中心的指挥控制
专知会员服务
1+阅读 · 今天7:14
《基于深度强化学习的反无人机技术研究》178页
专知会员服务
11+阅读 · 6月10日
“史诗怒火”行动与“AI中心战”模式的浮现
专知会员服务
11+阅读 · 6月10日
【CVPR2026教程】扩散模型的解析理解
专知会员服务
5+阅读 · 6月10日
马赛克战:俄乌战场透析
专知会员服务
16+阅读 · 6月10日
相关VIP内容
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
MoCoGAN 分解运动和内容的视频生成
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月21日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2010年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员