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制御/オフロードナビゲーションarXiv:2606.00085

精度と効率のバランス:モデル予測制御のための適応的ダイナミクスオーケストレーション

Balancing Accuracy and Efficiency: Adaptive Dynamics Orchestration for Model Predictive Control

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モデル予測制御(MPC)におけるモデル精度と計算効率のトレードオフを解決するため、現在のナビゲーション状況に応じて適切なダイナミクスモデルを動的に選択するフレームワーク「Adaptive Dynamics Orchestration (ADO)」を提案した。実機実験で、固定の低遅延モデルより誤差を減らしつつ、最高精度モデルに近い精度を低コストで達成した。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 自律ナビゲーション向けのModel Predictive Control (MPC)における精度と効率のトレードオフを解決する枠組み - Adaptive Dynamics Orchestration (ADO)を提案 - 現在のナビゲーション状況に応じて最適なdynamics modelを動的に選択 - 多様な精度・効率プロファイルを持つモデルライブラリを保持 - オンラインのcounterfactual rolloutsから残差誤差を利用し、terrain-conditioned性能推定を継続的に改善 - リアルタイムでモデル選択を行い、計算効率と予測精度を両立

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 従来のMPCは固定のdynamics modelを使用し、精度と効率のトレードオフに直面 - 高忠実度モデルは計算コストが高く、推論遅延と制御周波数の低下を招く - 軽量モデルは高速だが安全-criticalな状況で誤予測を生み、車両転覆などの壊滅的失敗の可能性 - ADOは固定低遅延ベースラインと比較してモデリング誤差を大幅に削減 - 最高忠実度モデルの精度に近づきつつ、その計算コストを回避 - 挑戦的な地形での信頼性と有効性を向上

3. 技術・手法の肝は?

- 多様な精度・効率プロファイルを持つモデルライブラリを維持 - オンラインのcounterfactual rolloutsを活用: 実行された制御行動をモデルライブラリ全体でリプレイし、予測不一致を評価 - 残差誤差からterrain-conditioned性能推定を継続的に洗練 - これらの推定がリアルタイムのモデル選択を導き、計算効率と予測精度をバランス - 具体的なアルゴリズムやモデル構造の詳細は要旨からは不明

4. どうやって有効だと検証した?

- オフロード地上ロボットを用いた実世界実験を実施 - ADOは固定低遅延ベースラインと比較してモデリング誤差を大幅に削減 - 最高忠実度モデルの精度に近づきつつ、その計算コストを回避 - 挑戦的な地形でのナビゲーションの信頼性と有効性が向上 - 定量的な評価指標や統計的検証の詳細は要旨からは不明

5. 議論はある?

- 精度と効率のトレードオフに対する適応的アプローチの有効性を示唆 - 安全-criticalな状況での誤予測リスクを軽減 - 計算コストを抑えつつ高精度を実現 - 限界や今後の課題、一般化可能性、他のMPC設定への適用性については要旨からは不明

6. 次に読むべき論文は?

- 要旨で参照/比較されている研究: 固定低遅延ベースライン、最高忠実度モデル - 関連手法: Model Predictive Control (MPC)、Adaptive Dynamics Orchestration (ADO) - 同分野の定番: 学習ベースのdynamics model、ensemble-based MPC、terrain-aware navigation - 具体的な論文名は要旨に記載なし

※ 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: Francesco Cancelliere, Aniket Datar, Giovanni Muscato, Xuesu Xiao

分類: cs.RO

原文アブストラクト

Model Predictive Control (MPC) for autonomous navigation faces a fundamental trade-off between model accuracy and real-time efficiency. High-fidelity dynamics models can accurately predict complex vehicle-terrain interactions during trajectory rollouts, but incur significant computational cost, increasing inference latency and reducing control frequency. Conversely, lightweight models enable fast updates and dense sampling, yet may produce erroneous predictions under safety-critical conditions, potentially leading to catastrophic failures such as vehicle rollover. To address this trade-off, we propose Adaptive Dynamics Orchestration (ADO), a framework that dynamically selects the most appropriate dynamics model for the current navigation context. ADO maintains a library of models spanning diverse accuracy-efficiency profiles and continuously refines terrain-conditioned performance estimates using residual errors from online counterfactual rollouts, where executed control actions are replayed across the model library to assess predictive discrepancy. These estimates guide model selection in real time, balancing computational efficiency and predictive accuracy. Real-world experiments on an off-road ground robot demonstrate that ADO significantly reduces modeling error compared to a fixed low-latency baseline, while approaching the accuracy of the highest-fidelity model without incurring its computational cost, resulting in more reliable and effective navigation in challenging terrain.

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