While Model Predictive Control (MPC) delivers strong performance across robotics applications, solving the underlying (batches of) nonlinear trajectory optimization (TO) problems online remains computationally demanding. Existing GPU-accelerated approaches typically (i) parallelize a single solve to meet real-time deadlines, (ii) scale to very large batches at slower-than-real-time rates, or (iii) achieve speed by restricting model generality (e.g., point-mass dynamics or a single linearization). This leaves a large gap in solver performance for many state-of-the-art MPC applications that require real-time batches of tens to low-hundreds of solves. As such, we present GATO, an open source, GPU-accelerated, batched TO solver co-designed across algorithm, software, and computational hardware to deliver real-time throughput for these moderate batch size regimes. Our approach leverages a combination of block-, warp-, and thread-level parallelism within and across solves for ultra-high performance. We demonstrate the effectiveness of our approach through a combination of: simulated benchmarks showing speedups of 18-21x over CPU baselines and 1.4-16x over GPU baselines as batch size increases; case studies highlighting improved disturbance rejection and convergence behavior; and finally a validation on hardware using an industrial manipulator. We open source GATO to support reproducibility and adoption.


翻译:尽管模型预测控制(MPC)在机器人应用中展现出卓越性能,在线求解其底层的(批量)非线性轨迹优化(TO)问题仍具有较高的计算复杂度。现有的GPU加速方法通常存在以下局限:(i)通过并行化单个求解过程以满足实时性要求;(ii)以低于实时的速率扩展至极大批量规模;或(iii)通过限制模型通用性(例如采用质点动力学或单一线性化模型)来提升速度。这导致许多需要实时处理数十至数百个求解批量的先进MPC应用存在显著的求解器性能缺口。为此,我们提出GATO——一个在算法、软件与计算硬件层面协同设计的开源GPU加速批量TO求解器,旨在为中等批量规模场景提供实时计算吞吐。我们的方法通过在求解过程内部及跨求解过程间综合利用块级、线程束级和线程级并行机制,实现了超高性能。我们通过以下多维度实验验证了方法的有效性:仿真基准测试显示,随着批量规模增大,本方法较CPU基线实现18-21倍加速,较GPU基线实现1.4-16倍加速;案例研究展示了其在扰动抑制与收敛行为方面的改进;最后通过工业机械臂硬件平台进行了实际验证。我们开源GATO以支持研究的可复现性与实际应用推广。

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