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通過隱式接觸微分攤銷殘餘MPC的軌跡優化

文章摘要

本文提出了一種基於隱函數定理的自動微分輔助隱式導數方法,用於正則化平滑接觸的軌跡優化。該方法避免瞭解算器展開和手工KKT系統,內存增長顯著低於展開式自動微分。此外,引入了優化器蒸餾技術,將批量化全時域iLQR攤銷為指導短時域殘餘iLQR的策略,在Finger、Franka和Unitree機器人上六步成功率提升28-98個百分點。

來源arXiv Robotics作者: Daniel Layeghi, Thomas Corb\`{e}res, Calum Arnott, Aditya Kamireddypalli, Hashim Al-Obaidi, Steve Tonneau, Michael Mistry
通過隱式接觸微分攤銷殘餘MPC的軌跡優化
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可微模擬通過暴露任務結果對控制的局部敏感性,能夠加速接觸豐富的軌跡優化。現有方法要麼使用有限差分(昂貴且步長敏感),要麼通過展開自動微分(AD)來迭代微分接觸解算器(這會存儲不斷增長的計算軌跡),要麼需要複雜的、特定於解算器的KKT靈敏度推導。本文介紹了一種針對正則化平滑接觸的AD輔助隱式導數,並將其應用於Mujoco MJX,該方法基於隱函數定理(IFT)。

該技術的核心在於對容差收斂解處的平穩性殘差進行微分,從而避免瞭解算器展開和手動組裝的KKT系統。這使得編譯後的臨時內存幾乎不隨解算器工作量變化而變化:從1次迭代到10次迭代,內存變化小於4%,而展開式AD則增長10.6倍。此外,IFT內存隨活躍接觸數和模型維度的增長更慢:在256個接觸點時使用內存減少20倍,在16個接觸點和96自由度時減少6倍。這種內存效率對於大規模機器人應用至關重要。

本文進一步引入了用於殘餘MPC的優化器蒸餾技術。該方法將批量化全時域iLQR攤銷為一個策略,該策略可指導短時域殘餘iLQR。在Finger、Franka和Unitree機器人上的實驗表明,該方法相比標準iLQR將六步成功率提升了28-98個百分點。這些結果證明了隱式微分和優化器蒸餾在接觸豐富軌跡優化中的有效性,為實時機器人控制提供了新的可能性。

展開要點與分析

文章情報

工程師進階

要點

  • 提出基於隱函數定理的AD輔助隱式微分,用於接觸豐富的軌跡優化
  • 隱式微分內存增長几乎恆定,相比展開式AD節省20倍以上內存
  • 引入優化器蒸餾,將全時域iLQR攤銷為策略,指導短時域殘餘MPC
  • 在多種機器人上六步成功率提升28-98個百分點

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