Human-in-the-Loop Control Synthesis for Multi-Agent Systems under Metric Interval Temporal Logic Specifications

With the increase of robotic presence in our homes and work environment, it has become imperative to consider human-in-the-loop systems when designing robotic controllers. This includes both a physical presence of humans as well as interaction on a decision and control level. One important aspect of this is to design controllers which are guaranteed to satisfy specified safety constraints. At the same time we must minimize the risk of not finding solutions, which would force the system to stop. This require some room for relaxation to be put on the specifications. Another aspect is to design the system to be adaptive to the human and its environment. In this thesis we approach the problem by considering control synthesis for multi-agent systems under hard and soft constraints, where the human has direct impact on how the soft constraint is violated. To handle the multi-agent structure we consider both a classical centralized automata based framework and a decentralized approach with collision avoidance. To handle soft constraints we introduce a novel metric; hybrid distance, which quantify the violation. The hybrid distance consists of two types of violation; continuous distance or missing deadlines, and discrete distance or spacial violation. These distances are weighed against each other with a weight constant we will denote as the human preference constant. For the human impact we consider two types of feedback; direct feedback on the violation in the form of determining the human preference constant, and direct control input through mixed-initiative control where the human preference constant is determined through an inverse reinforcement learning algorithm based on the suggested and followed paths. The methods are validated through simulations.I takt med att robotar blir allt vanligare i våra hem och i våra arbetsmiljöer, har det blivit allt viktigare att ta hänsyn till människan plats i systemen när regulatorerna för robotorna designas. Detta innefattar både människans fysiska närvaro och interaktion på besluts- och reglernivå. En viktig aspekt i detta är att designa regulatorer som garanterat uppfyller givna villkor. Samtidigt måste vi minimera risken att ingen lösning hittas, eftersom det skulle tvinga systemet till ett stopp. För att uppnå detta krävs det att det finns rum för att mjuka upp villkoren. En annan aspekt är att designa systemet så att det är anpassningsbart till människan och miljön. I den här uppsatsen närmar vi oss problemet genom att använda regulator syntes för multi-agent system under hårda och mjuka villkor där människan har direkt påverkan på hur det svaga villkoret överträds. För att hantera multi-agent strukturen undersöker vi både det klassiska centraliserade automata-baserade ramverket och ett icke-centraliserat tillvägagångsätt med krockundvikning. För att hantera mjuka villkor introducerar vi en metrik; hybrida avståndet, som kvantifierar överträdelsen. Det hybrida avståndet består av två typer av överträdelse (kontinuerligt avstånd eller missandet av deadlines, och diskret avstånd eller rumsliga överträdelser) som vägs mot varandra med en vikt konstant som vi kommer att kalla den mänskliga preferens kontanten. Som mänsklig påverkan överväger vi direkt feedback på överträdelsen genom att hon bestämmer värdet på den mänskliga preferens kontanten, och direkt påverkan på regulatorn där den mänskliga preferens konstanten bestäms genom en inverserad förstärkt inlärnings algoritm baserad på de föreslagna och följda vägarna. Metoderna valideras genom simuleringar.QC20190517