Contributions to robotic control design with formal safety and stability guarantees

Contributions à la conception de contrôle des systèmes robotiques garantissant sûreté et stabilité de manière formelle

Philipp Schlehuber-Caissier (1)

1 ISIR - Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique

One of the key issues for robotic applications, or in a larger sense for all cyber-physical systems, is safety. Safety can have different implications depending on the field of work and the system concerned. However a very broad definition of safety can be given as ensuring that certain states or events never occur or that the consequences resulting from such unsafe events are bounded to an acceptable level, no matter the circumstances. In this thesis an active type of safety is pursued, strengthening the constraints on the control strategy. The goal is to provide means to automatically generate control strategies that provide formal, model-based guarantees that no undesired states or events occur, considering all possible circumstances. To this end, I seek to combione formal model checking techniques, specifically the theory of timed automata and supervised control, and robotic control strategies based on numerical optimization. This work is centred around three different but interconnected research topics: 1) Control law synthesis via timed automata abstraction 2) Stabilizability of dynamical systems 3) Learning stable vector fields from demonstration.

L’une des problématiques les plus importantes en robotique, ou dans un sens large pour tous les systèmes cyber-physiques, est celle de la sûreté. Pour assurer celle-ci il faut garantir que certains événements ou états ne peuvent jamais arriver en considérant toutes les circonstances possible. On cherche donc à synthétiser automatiquement des lois de commande pour des systèmes cyber-physiques qui garantissent certaines propriétés définies auparavant. Pour y arriver j’explore dans ma thèse des approches mixtes tissant un lien entre les méthodes formelles, notamment la théorie des automates temporisés et la commande supervisée, d’une part et la robotique et ses méthodes numériques basées sur l’optimisation d’autre part. Concrètement mes travaux sont axés autour de trois sujets majeurs complémentaires: 1) Utilisation du formalisme des automates temporisées avec une abstraction du système cyber-physique pour synthétiser des lois de commande formellement prouvées 2) Stabilité des systèmes dynamiques 3) Apprentissage par démonstration avec des garanties de stabilité.

Mots clés: Robotic applications; Formal methods; Lyapunov stability; Optimization; Learning by demonstration; Abstractions of dynamical systems

Mots clés: Robotique; Méthodes formelles; Stabilité lyapunov; Optimisation; Apprentissage par démonstration; Abstractions des systèmes dynamiques

Domaines: Automatique / Robotique

Philipp Schlehuber-Caissier. Contributions to robotic control design with formal safety and stability guarantees. Automatic. Sorbonne Université, 2018. English. ⟨NNT : 2018SORUS346⟩. ⟨tel-02865507⟩