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MPCarXiv:2505.01059

モデルテンソルプランニング

Model Tensor Planning

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テンソルサンプリングとスプライン補間で高エントロピーな制御軌道を生成し、探索と活用を両立させるサンプリングベースMPCフレームワークを提案。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 提案手法は **Model Tensor Planning (MTP)** と呼ばれる sampling-based MPC フレームワーク - 制御軌道生成に structured tensor sampling を導入し、高エントロピーな探索を実現 - randomized multipartite graphs 上のサンプリングと B-splines / Akima splines による軌道補間を組み合わせる - modified Cross-Entropy Method (CEM) 更新に β-mixing を加え、局所活用と大域探索を両立 - JAX で完全ベクトル化し MuJoCo XLA 対応、JIT コンパイルと batched rollouts を活用

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 従来の sampling-based MPC は局所貪欲なサンプリングのため探索が貧弱という課題があった - MTP は tensor sampling により滑らかで大域的に多様な制御候補を生成 - 理論的に無限の tensor depth/width 極限で asymptotic path coverage と最大エントロピーを達成 - 実験で標準 MPC や evolutionary strategy ベースラインを task success と control robustness で上回る - 具体的なベースライン名は要旨からは不明

3. 技術・手法の肝は?

- randomized multipartite graphs 上でのサンプリングにより制御軌道候補を構造的に生成 - B-splines と Akima splines で軌道を補間し滑らかさと多様性を確保 - β-mixing 戦略で局所 exploitative サンプルと大域 exploratory サンプルを CEM 更新内で混合 - JAX による完全ベクトル化実装、MuJoCo XLA 互換、JIT と batched rollouts でリアルタイム制御 - online domain randomization にも対応

4. どうやって有効だと検証した?

- dexterous in-hand manipulation から humanoid locomotion まで多様な難タスクで実験 - 標準 MPC および evolutionary strategy ベースラインと比較し task success と control robustness で優位 - design と sensitivity の ablation を実施 - tensor sampling 構造、spline 補間の選択、mixing 戦略の有効性を確認

5. 議論はある?

- 理論的には無限の tensor depth/width 極限での漸近的性質を示すが、有限設定での挙動は要旨からは不明 - β-mixing のバランスや spline 選択の感度は ablation で確認されているが詳細は不明 - 実機実験の有無や sim-to-real の議論は要旨からは不明 - 計算コストやスケーラビリティの限界については要旨からは不明

6. 次に読むべき論文は?

- sampling-based MPC の基盤である Cross-Entropy Method (CEM) 関連研究 - 比較対象の evolutionary strategy ベースライン(具体名は要旨からは不明) - B-splines / Akima splines を用いた軌道表現の関連研究 - MuJoCo XLA や JAX を用いた batched rollouts の実装研究 - online domain randomization に関する研究

※ 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: An T. Le, Khai Nguyen, Minh Nhat Vu, João Carvalho, Jan Peters

分類: cs.RO, cs.AI, cs.LG, cs.SY, eess.SY

原文アブストラクト

Sampling-based model predictive control (MPC) offers strong performance in nonlinear and contact-rich robotic tasks, yet often suffers from poor exploration due to locally greedy sampling schemes. We propose \emph{Model Tensor Planning} (MTP), a novel sampling-based MPC framework that introduces high-entropy control trajectory generation through structured tensor sampling. By sampling over randomized multipartite graphs and interpolating control trajectories with B-splines and Akima splines, MTP ensures smooth and globally diverse control candidates. We further propose a simple $\beta$-mixing strategy that blends local exploitative and global exploratory samples within the modified Cross-Entropy Method (CEM) update, balancing control refinement and exploration. Theoretically, we show that MTP achieves asymptotic path coverage and maximum entropy in the control trajectory space in the limit of infinite tensor depth and width. Our implementation is fully vectorized using JAX and compatible with MuJoCo XLA, supporting \emph{Just-in-time} (JIT) compilation and batched rollouts for real-time control with online domain randomization. Through experiments on various challenging robotic tasks, ranging from dexterous in-hand manipulation to humanoid locomotion, we demonstrate that MTP outperforms standard MPC and evolutionary strategy baselines in task success and control robustness. Design and sensitivity ablations confirm the effectiveness of MTP tensor sampling structure, spline interpolation choices, and mixing strategy. Altogether, MTP offers a scalable framework for robust exploration in model-based planning and control.

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