Backpropagation through signal temporal logic specifications: Infusing logical structure into gradient-based methods

稳健性(进化) 计算机科学 机器人学 人工智能 计算 理论计算机科学 程序设计语言 机器人 生物化学 基因 化学
作者
Karen Leung,Nikos Aréchiga,Marco Pavone
出处
期刊:The International Journal of Robotics Research [SAGE Publishing]
卷期号:42 (6): 356-370 被引量:18
标识
DOI:10.1177/02783649221082115
摘要

This paper presents a technique, named STLCG, to compute the quantitative semantics of Signal Temporal Logic (STL) formulas using computation graphs. STLCG provides a platform which enables the incorporation of logical specifications into robotics problems that benefit from gradient-based solutions. Specifically, STL is a powerful and expressive formal language that can specify spatial and temporal properties of signals generated by both continuous and hybrid systems. The quantitative semantics of STL provide a robustness metric, that is, how much a signal satisfies or violates an STL specification. In this work, we devise a systematic methodology for translating STL robustness formulas into computation graphs. With this representation, and by leveraging off-the-shelf automatic differentiation tools, we are able to efficiently backpropagate through STL robustness formulas and hence enable a natural and easy-to-use integration of STL specifications with many gradient-based approaches used in robotics. Through a number of examples stemming from various robotics applications, we demonstrate that STLCG is versatile, computationally efficient, and capable of incorporating human-domain knowledge into the problem formulation.
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