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制御/MPCarXiv:2604.07644

GPUによる到達可能性制約付きシステムレベル合成を用いたミリ秒単位の安全な大規模ロバスト非線形MPC

Safe Large-Scale Robust Nonlinear MPC in Milliseconds via Reachability-Constrained System Level Synthesis on the GPU

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GPU並列化により、高次元の不確かなロボットシステムに対する安全でロバストな非線形モデル予測制御をリアルタイムで実現するフレームワークを提案。名目軌道、追従制御器、閉ループ到達可能集合を共同最適化し、四足歩行ロボットや人型ロボットで有効性を実証した。

詳しい要約

1. どんなもの?

GPU-SLSは、GPU並列化により高次元不確実ロボット系と長い計画ホライズンに対応する、安全でロバストな非線形MPCフレームワーク。不等式制約付き動的実行可能なnominal trajectory、tracking controller、外乱下のclosed-loop reachable setをリアルタイムで同時最適化する。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

nominal trajectory求解時間をstate-of-the-art CPUソルバ比97.7%削減、GPUソルバ比71.8%削減。SLSベース制御とreachabilityを237x高速化。高次元learning-based reachabilityベースラインと異なり100%の経験的安全性を達成。

3. 技術・手法の肝は?

GPU加速QPソルバを開発。parallel associative scansとadaptive cachingをADMMフレームワーク内で使用。sequential quadratic programmingでnominal trajectoryを計算。同じGPU QPバックエンドでSLSによるrobust tracking controllerとclosed-loop reachable setを最適化し、fixed/receding-horizon両設定でreachability-constrained controlを実現。

4. どうやって有効だと検証した?

whole-body quadrupeds (61D)やhumanoids (75D)を含む複雑な非線形系で検証。GPU上でrobust control policiesをオンライン合成し、平均20ミリ秒。2 x 10^5決定変数と8 x 10^4制約の問題までスケール。100%の経験的安全性を達成。

5. 議論はある?

要旨からは不明。

6. 次に読むべき論文は?

要旨で参照/比較されている研究や関連手法は明示されていない。同分野の定番として、nonlinear MPC、system level synthesis (SLS)、reachability analysis、ADMM、sequential quadratic programming、learning-based reachabilityなどが挙げられる。

※ 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: Jeffrey Fang, Glen Chou

分類: cs.RO, cs.AI, cs.SY, eess.SY, math.OC

原文アブストラクト

We present GPU-SLS, a GPU-parallelized framework for safe, robust nonlinear model predictive control (MPC) that scales to high-dimensional uncertain robotic systems and long planning horizons. Our method jointly optimizes an inequality-constrained, dynamically-feasible nominal trajectory, a tracking controller, and a closed-loop reachable set under disturbance, all in real-time. To efficiently compute nominal trajectories, we develop a sequential quadratic programming procedure with a novel GPU-accelerated quadratic program (QP) solver that uses parallel associative scans and adaptive caching within an alternating direction method of multipliers (ADMM) framework. The same GPU QP backend is used to optimize robust tracking controllers and closed-loop reachable sets via system level synthesis (SLS), enabling reachability-constrained control in both fixed- and receding-horizon settings. We achieve substantial performance gains, reducing nominal trajectory solve times by 97.7% relative to state-of-the-art CPU solvers and 71.8% compared to GPU solvers, while accelerating SLS-based control and reachability by 237x. Despite large problem scales, our method achieves 100% empirical safety, unlike high-dimensional learning-based reachability baselines. We validate our approach on complex nonlinear systems, including whole-body quadrupeds (61D) and humanoids (75D), synthesizing robust control policies online on the GPU in 20 milliseconds on average and scaling to problems with 2 x 10^5 decision variables and 8 x 10^4 constraints. The implementation of our method is available at https://github.com/Jeff300fang/gpu_sls.

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