Gaussian process regression is increasingly applied for learning unknown dynamical systems. In particular, the implicit quantification of the uncertainty of the learned model makes it a promising approach for safety-critical applications. When using Gaussian process regression to learn unknown systems, a commonly considered approach consists of learning the residual dynamics after applying some generic discretization technique, which might however disregard properties of the underlying physical system. Variational integrators are a less common yet promising approach to discretization, as they retain physical properties of the underlying system, such as energy conservation and satisfaction of explicit kinematic constraints. In this work, we present a novel structure-preserving learning-based modelling approach that combines a variational integrator for the nominal dynamics of a mechanical system and learning residual dynamics with Gaussian process regression. We extend our approach to systems with known kinematic constraints and provide formal bounds on the prediction uncertainty. The simulative evaluation of the proposed method shows desirable energy conservation properties in accordance with general theoretical results and demonstrates exact constraint satisfaction for constrained dynamical systems.


翻译:高斯进程回归越来越多地用于学习未知动态系统,特别是,对所学模型的不确定性进行隐含的量化,使它成为安全关键应用的一种有希望的方法。当使用高斯进程回归来学习未知系统时,通常考虑的方法是,在应用一些通用的离散技术后学习剩余动态,但这种技术可能忽略了基本物理系统的特性。挥发性集成器是一种不太常见但有希望的离散方法,因为它们保留了基础系统的物理特性,例如节能和满足明显的运动限制。在这项工作中,我们提出了一个新的结构保存基于学习的建模方法,将机械系统名义动态的变异聚合器和学习残余动态与高斯进程回归结合起来。我们将我们的方法推广到已知动力制约的系统,并为预测不确定性提供正式的界限。对拟议方法的模拟性评价表明,根据一般理论结果,能源保护的物理特性是可取的,并表明受制约的动态系统的精确制约性满足度。

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