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制御理論arXiv:2610.17308

接触を伴う確率ハイブリッドシステムのための到達回避証明

Reach-Avoid Certificates for Contact-based Stochastic Hybrid Systems

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確率微分方程式と制御されたリセットカーネルからなる確率ハイブリッドシステムに対し、無限ホライズンで目標到達と危険回避を保証する証明と安全フィルタを提案した。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 接触を伴う確率ハイブリッドシステムの制御問題を扱う。 - 連続的な流れは確率微分方程式、リセットは制御された確率カーネルで記述。 - 入力はリセットカーネルのみに現れ、ジャンプ後の分布を決定。 - 無限ホライズンで、目標到達を不安全集合より前に少なくとも所定の確率で保証する証明書を提案。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 従来の証明書は自発的または制御器が選ぶジャンプ時刻、有限ホライズン、離散時間力学を仮定。 - 本研究は無限ホライズンで、接触ベースの確率ハイブリッドシステムを対象。 - リセットポリシーと整合する証明書を初めて提案し、仕様を満たすことを証明。

3. 技術・手法の肝は?

- Reach-avoid contact certificatesを導入。 - 流れとジャンプの条件を部分レベルコリドー上でのみ課す。 - 整合するリセットポリシーがあれば仕様を満たすことを証明。 - 点ごとの安全フィルタで検証から制御へ拡張。 - 非ゼノ性を証明し、期待整定時間とリセット回数を束縛。 - 証明書探索を線形計画問題として定式化。

4. どうやって有効だと検証した?

- 証明書ベースの安全フィルタが目標に到達し、衝突を200エピソードで68から0に削減。 - ドリブルボール問題で検証。 - 認証領域がグラウンドトゥルースの93.6%をカバーすることを比較で示す。

5. 議論はある?

- 非ゼノ性と期待整定時間・リセット回数の束縛を証明。 - 安全フィルタの有効性を実験で示す。 - その他の議論は要旨からは不明。

6. 次に読むべき論文は?

- 要旨で参照/比較されている研究は明示されていない。 - 同分野の定番として、stochastic hybrid systemsのreach-avoid問題や安全フィルタに関する論文が挙げられる。

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Tianyi Xia, Ryan K. Cosner

分類: eess.SY, cs.RO, math.PR

原文アブストラクト

This work studies certified reach-avoid control of stochastic hybrid systems in which a stochastic differential equation governs continuous flow and a controlled stochastic kernel governs guard-triggered resets. The input appears only in the reset kernel, where it determines the post-jump distribution. Certificates for such systems have so far assumed spontaneous or controller-chosen jump times, a finite horizon, or discrete-time dynamics; we certify, over the infinite horizon, that the target is reached before the unsafe set with at least a prescribed probability. First, we introduce reach-avoid contact certificates, whose flow and jump conditions are imposed only on a sublevel corridor, and prove that any such certificate with a compatible reset policy meets the specification; a pointwise safety filter extends this guarantee from verification to control by constraining arbitrary nominal controllers. Next, we prove that executions are non-Zeno and bound the expected settling time and reset count. We frame certificate search as a linear program over any twice-differentiable dictionary followed by independent verification. We illustrate our approach via comparisons where the certified region is a subset covering 93.6\% of the ground truth and where our certificate-based safety filter reaches the goal while reducing collisions from 68 to zero across 200 episodes of a dribbling ball problem.

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